Исследовательская группа под руководством профессора Иль-Ду Кима из отдела материаловедения KAIST разработала диагностические датчики с использованием инкапсулированных в белки нанокатализаторов, которые могут диагностировать определенные заболевания, анализируя выдыхаемый воздух человеком. Эта технология позволяет осуществлять ранний мониторинг различных заболеваний посредством распознавания образов газов-биомаркеров, связанных с заболеваниями в человеческом выдохе.
Маршрут синтеза катализатора на основе белка очень прост и универсален для производства не только одного компонента каталитических наночастиц, но и различных гетерогенных интерметаллических катализаторов размером менее 3 нм. Исследовательская группа разработала все более чувствительные и селективные хемирезистивные датчики, которые потенциально могут диагностировать определенные заболевания, анализируя выдыхаемые газы.Результаты этого исследования, которые были представлены доктором Сан-Джун Ким и доктором Сон-Джин Чой в качестве первых авторов, были выбраны в качестве статьи для обложки июльского выпуска Accounts of Chemical Research, международного журнала американской Химическое общество.В человеческом дыхании обнаруживаются различные компоненты, включая водяной пар, водород, ацетон, толуол, аммиак, сероводород и монооксид углерода, которые более интенсивно выдыхаются пациентами.
Некоторые из этих компонентов тесно связаны с такими заболеваниями, как астма, рак легких, сахарный диабет 1 типа и галитоз.Анализ дыхания для диагностики заболеваний начинался с регистрации выдыхаемого воздуха в мешке из тедлара, а затем захваченные дыхательные газы вводились в миниатюрную сенсорную систему, похожую на детектор алкоголя.
С помощью простого процесса анализа можно очень быстро анализировать выдыхаемый воздух. Анализ дыхания позволяет обнаружить следовые изменения в компонентах выдыхаемого воздуха, что способствует ранней диагностике заболеваний.Однако необходимы технологические достижения для точного анализа газов в выдыхаемом воздухе, которые присутствуют на очень низких уровнях, от 1 ppb до 1 ppm. В частности, перед химическими датчиками хеморезистивного типа стояла важная задача — выборочно обнаруживать специфические биомаркеры в тысячах мешающих газов, включая влажный пар.
Обычно благородные металлические катализаторы, такие как платина и палладий, вводят в действие на чувствительные слои оксида металла. Однако чувствительности к газу было недостаточно для определения уровней биомаркеров в миллиардных долях в выдыхаемом воздухе.Чтобы преодолеть существующие ограничения, исследовательская группа использовала наноразмерный белок (апоферритин) у животных в качестве жертвенных шаблонов.
Белковые матрицы имеют полые наноклетки в центре, и каталитические наночастицы из различных сплавов могут быть инкапсулированы внутри белковых наноклеток.Белковые наноклетки имеют преимущество, потому что практически неограниченное количество материалов периодической таблицы может быть собрано для синтеза гетерогенных каталитических наночастиц. Кроме того, с помощью белковых наноклеток можно получить интерметаллические нанокатализаторы с контролируемым атомным соотношением двух различных элементов, что является инновационной стратегией поиска новых типов катализаторов. Например, можно синтезировать высокоэффективные катализаторы на основе платины, такие как платино-палладиевый (PtPd), платино-никелевый (PtNi), платино-рутениевый (PtRu) и платино-иттриевый (PtY).
Исследовательская группа разработала выдающиеся чувствительные слои, состоящие из нановолокон оксида металла, функционализированных гетерогенными катализаторами, с большими и высокопористыми поверхностями, которые специально оптимизированы для селективного обнаружения конкретных биомаркеров. Эффективность распознавания биомаркеров была улучшена примерно в 3-4 раза по сравнению с традиционными однокомпонентными датчиками из нановолокна, загруженными платиновыми и палладиевыми катализаторами.
В частности, 100-кратные переходы сопротивления к ацетону (1 ppm) и сероводороду (1 ppm) наблюдались в датчиках выдыхаемого воздуха с использованием гетерогенных нанокатализаторов, что является наилучшей характеристикой, когда-либо описанной в литературе.Исследовательская группа разработала платформу диагностики заболеваний, которая распознает индивидуальные модели дыхания с помощью системы из нескольких датчиков с различными сенсорными слоями и гетерогенными катализаторами, чтобы люди могли легко выявлять нарушения здоровья.
Используя матричную систему из 16 датчиков, можно непрерывно контролировать физические условия, анализируя изменения концентрации биомаркеров в выдыхаемых газах.Профессор Ким сказал: «Новые типы гетерогенных нанокатализаторов были синтезированы с использованием белковых матриц размером около 2 нм и функционализированы на различных чувствительных слоях из нановолокон из оксидов металлов. Созданные сенсорные библиотеки могут обнаруживать виды биомаркеров с высокой чувствительностью и селективностью». Он добавил: «Новая инновационная платформа для анализа дыхательных газов будет очень полезна для сокращения медицинских расходов и постоянного мониторинга физического состояния».
Патенты, связанные с этой технологией, были выданы двум компаниям в марте и июне этого года.