JILA's verbeterde kam ademanalyse detecteert 4 biomarkers met 1000x gevoeligheid

JILA-wetenschappers hebben de gevoeligheid van hun decennium oude frequentiekam ademanalyse duizendvoudig verhoogd, wat het in staat stelt om additionele biomarkers van ziekte te detecteren — er zijn nu vier — met potentieel voor zes meer. Wanneer gevalideerd en geïntegreerd in een draagbaar ontwerp, kan het kamsysteem real-time, non-invasieve analyse van menselijke adem bieden om ziekten te detecteren en te monitoren. JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Universiteit van Colorado Boulder.

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

Zoals beschreven in Proceedings of the National Academy of Sciences, detecteerden en monitorerden NIST/JILA Fellows Jun Ye en David Nesbitt vier biomarkers — methanol (CH₃OH), methaan (CH₄), water (H₂O) en een vorm van zwaar water (HDO) — in de adem van een vrijwilliger. Deze zijn indicatoren van gezondheidscondities zoals, in het geval van methaan, darmproblemen.

De onderzoekers zeggen dat het haalbaar is om met hetzelfde apparaat zes meer chemicaliën te detecteren: formaldehyde, ethane, carbonylsulfide, ethyleen, koolstofdisulfide en ammonia. Daarnaast zou het verder uitstrekkingen van de kamlasers in het infrarood de detectiecapaciteit aanzienlijk uitbreiden en de identificatie van honderden sporen ademchemicaliën mogelijk maken.

JILA-onderzoekers demonstreerden een prototype kam ademanalyse in 2008 maar ontwikkelden het niet verder op dat moment. Ze hebben nu herfocus op het, aangestuurd 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 duwen," zei Ye.

De meest wijd gebruikte analytische techniek in ademonderzoek is gaschromatografie gecombineerd met massaspectrometrie, die honderden uitgeademde moleculen kan detecteren maar langzaam werkt, met tientallen minuten. Meeste optische ademtests goedgekeurd door de U.S. Food and Drug Administration detecteren slechts één chemisch.

Ademanalyse is de toonaangevende medische toepassing voor frequentiekammen. Kammen bieden een combinatie van breed spectrumdekking, hoge resolutie en hoge gevoeligheid, potentiëel tientallen chemicaliën simultaan te detecteren. Onder andere voordelen, zou het kamsysteem geen chemische reagentia en complexe laboratoriumfaciliteiten vereisen.

Ye en Nesbitt werken nu met andere NIST-onderzoekers aan het ontwerpen van een compacte versie van de ademanalyse. De buis is slechts 55 centimeter (21,7 inch) lang, maar de kamlaser is custom-made en enigszins bulky.