Улучшенный комб-анализатор дыхания JILA обнаруживает 4 биомаркера с чувствительностью в 1000 раз выше

Учёные JILA повысили чувствительность своего десятилетнего комб-анализатора дыхания в тысячу раз, позволив ему обнаруживать дополнительные биомаркеры болезней — теперь четыре — с потенциалом для ещё шести. Когда проверено и спроектировано в портативный дизайн, комб-система может предложить реальное время, неинвазивный анализ человеческого дыхания для обнаружения и мониторинга болезней. JILA совместно управляется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо Болдер.

Система JILA «отпечатков» химикатов, измеряя цвета и количества поглощённого света, когда лазерный частотный комб проходит туда-обратно через образцы дыхания, загруженные в зеркальную стеклянную трубку. Недавние обновления включают сдвиг анализируемого спектра света от ближнего инфракрасного к среднему инфракрасному диапазону, где больше молекул поглощают свет, и прогресс в оптических покрытиях и нескольких других технологиях для достижения чувствительности обнаружения до уровня частей на триллион.

Как описано в Proceedings of the National Academy of Sciences, члены NIST/JILA Джун Е и Дэвид Несбит обнаружили и отследили четыре биомаркера — метанол (CH₃OH), метан (CH₄), вода (H₂O) и форма тяжёлой воды (HDO) — в дыхании волонтёра. Это индикаторы состояний здоровья, таких как, в случае метана, кишечные проблемы.

Исследователи говорят, что возможно использовать тот же аппарат для обнаружения ещё шести химикатов: формальдегид, этан, карбонил сульфид, этилен, дисульфид углерода и аммиак. Кроме того, расширение комб-лазеров дальше в инфракрасное должно значительно расширить способность обнаружения и позволить идентификацию многих сотен следовых химикатов дыхания.

Исследователи JILA продемонстрировали прототип комб-анализатора дыхания в 2008 году, но не развивали его дальше в то время. Они теперь перефокусировались на нём, подтолкнутые возможностью в конечном счёте тестировать на COVID-19. «Мы действительно довольно оптимистичны и преданы движению этой технологии к реальным медицинским приложениям», — сказал Е.

Наиболее широко используемая аналитическая техника в исследовании дыхания — газовая хроматография, комбинированная с масс-спектрометрией, которая может обнаружить сотни выдыхаемых молекул, но работает медленно, требуя десятки минут. Большинство оптических тестов дыхания, одобренных Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и лекарственных средств США, обнаруживают только один химикат.

Анализ дыхания — ведущее медицинское приложение для частотных комбов. Комбы предлагают комбинацию широкого спектрального покрытия, высокого разрешения и высокой чувствительности, потенциально обнаруживая десятки химикатов одновременно. Среди других преимуществ, комб-система не потребует химических реагентов и сложных лабораторных объектов.

Е и Несбит сейчас работают с другими исследователями NIST для инженерии компактной версии анализатора дыхания. Трубка всего 55 сантиметров (21,7 дюймов) длиной, но лазерный комб сделан на заказ и несколько громоздкий.