Comb Breathalyzer — Duizendmaal gevoeliger voor biomarkers voor ziekten

JILA-wetenschappers hebben de gevoeligheid van hun tien jaar oude ademanalyseapparaat met frequentiekam duizendvoudig verhoogd, waardoor het extra biomarkers van ziekte kan detecteren - vier nu - met het potentieel voor zes meer. Wanneer gevalideerd en ontwikkeld in een draagbaar ontwerp, kan het kamsysteem realtime, niet-invasieve analyse van de menselijke adem bieden om ziekten te detecteren en te bewaken. JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

Het JILA-systeem "vingerafdrukken" chemicaliën door de kleuren en hoeveelheden geabsorbeerd licht te meten terwijl een laserfrequentiekam heen en weer gaat door ademmonsters die in een gespiegelde glazen buis worden geladen. Recente upgrades omvatten een verschuiving in het geanalyseerde lichtspectrum van de nabij-infrarode naar de midden-infrarode band, waar meer moleculen licht absorberen, en vooruitgang in optische coatings en verschillende andere technologieën om detectiegevoeligheid te bereiken tot op het niveau van delen per biljoen. .

Zoals beschreven in Proceedings of the National Academy of Sciences, NIST/JILA Fellows Jun Ye en David Nesbitt hebben vier biomarkers gedetecteerd en gecontroleerd:methanol (CH₃ OH), methaan (CH₄ ), water (H₂ O) en een vorm van zwaar water (HDO) — in de adem van een vrijwilliger. Dit zijn indicatoren van gezondheidsproblemen zoals, in het geval van methaan, darmproblemen.

De onderzoekers zeggen dat het mogelijk is om hetzelfde apparaat te gebruiken om nog zes chemicaliën te detecteren:formaldehyde, ethaan, carbonylsulfide, ethyleen, koolstofdisulfide en ammoniak. Bovendien zou het verder uitbreiden van de kamlasers in het infrarood de detectiecapaciteit aanzienlijk moeten vergroten en de identificatie van vele honderden sporenademhalingschemicaliën mogelijk maken.

JILA-onderzoekers demonstreerden in 2008 een prototype kam-ademtester, maar ontwikkelden deze toen niet verder. Ze hebben zich er nu opnieuw op gefocust, ingegeven door de mogelijkheid om uiteindelijk te testen op COVID-19. "We zijn echt heel optimistisch en toegewijd om deze technologie naar echte medische toepassingen te pushen," zei Ye.

De meest gebruikte analytische techniek in ademonderzoek is gaschromatografie in combinatie met massaspectrometrie, die honderden uitgeademde moleculen kan detecteren, maar langzaam werkt en tientallen minuten duurt. De meeste optische ademtests die zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration, detecteren slechts één chemische stof.

Ademanalyse is de toonaangevende medische toepassing voor frequentiekammen. Kammen bieden een combinatie van brede spectrale dekking, hoge resolutie en hoge gevoeligheid, en kunnen mogelijk tientallen chemicaliën tegelijk detecteren. Naast andere voordelen zou het kamsysteem geen chemische reagentia en complexe laboratoriumfaciliteiten vereisen.

Ye en Nesbitt werken nu samen met andere NIST-onderzoekers om een ​​compacte versie van de breathalyzer te ontwikkelen. De buis is slechts 55 centimeter lang, maar de laserkam is op maat gemaakt en enigszins omvangrijk.