На сегодняшний день созданы первые лабораторные образцы устройства. Результаты исследования,
поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и Правительством Новосибирской области,
опубликованы в журнале Sensors and Actuators A: Physical.
Анализ выдыхаемого воздуха — это неинвазивный метод диагностики, используемый в медицине для оценки функции легких, выявления ряда заболеваний, мониторинга воспалительных процессов и биохимических изменений в организме. До сих пор большинство медицинских датчиков измеряли только физические параметры дыхания, такие как частота дыхания, пульс, насыщение крови кислородом и давление. Однако в выдыхаемом воздухе также присутствуют химические маркеры, которые могут указать на изменения в организме.
Ученые из
Института физики полупроводников (ИФП) имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) и
Объединенного института высоких температур РАН (Москва)
разработали датчик на основе графена и полимера, который с высокой точностью анализирует химический состав выдыхаемого воздуха.
«Например, при диабете и некоторых болезнях сердца в выдохе повышается количество ацетона, а при проблемах с почками — уровень аммиака. Но существующие датчики для анализа выдыхаемого воздуха, как правило, недостаточно чувствительны или сложны и доступны только в медицинских учреждениях. Поэтому разработка новых сверхчувствительных устройств особо актуальна», — сообщила руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП имени А.В. Ржанова СО РАН Ирина Антонова.
Небольшое медицинское устройство, разработанное российскими учеными, состоит из тонкой пленки, напечатанной на обычной офисной бумаге. Оно позволяет оценивать состояние здоровья человека, страдающего заболеваниями, связанными с нарушениями работы сердца, повышением уровня глюкозы в крови, астмой и другими, и показывает, нужна ли ему консультация врача. Датчик можно закрепить на теле или на обычной медицинской маске и использовать в больницах, например, для непрерывного мониторинга дыхания во время операций.
«Устройство позволяет получить спектр выдыхаемого воздуха, в котором можно увидеть пики ацетона, воды и, предположительно, этилена. Высокая чувствительность датчика позволяет даже отслеживать простое повышение уровня глюкозы в крови после приема пищи, фиксируя время, за которое организм способен отработать эту нагрузку и вернуться к низким исходным значениям», — рассказала Антонова.
По ее словам, когда на сенсорные элементы датчика попадает выдыхаемый воздух, их способность проводить ток меняется. Это связано с тем, что датчик захватывает газы — водяной пар, ацетон, аммиак и другие, которые облегчают прохождение тока. В результате прибор регистрирует изменения химического состава воздуха в зависимости от времени.
С помощью нового датчика исследователи оценили химический состав выдыхаемого воздуха у 32 добровольцев, среди которых были здоровые люди, пациенты с диабетом и человек, перенесший инфаркт. Устройство выявило в спектрах выдыхаемого воздуха больных людей пик, соответствующий ацетону.
Чувствительности датчика достаточно для определения минимальных количеств ацетона, поэтому прибор будет полезен при ранней диагностике ряда хронических заболеваний, отметила Ирина Антонова.
«Благодаря тому, что мы разработали новый наноструктурированный материал для датчиков, нам удалось достичь высокой чувствительности измерений. Мы создали разные по дизайну датчики, позволяющие контролируемо менять спектр захватываемых на поверхность молекул-маркеров. То есть каждый датчик считывает только "нужные" сигналы, которые могут указать на заболевания. Это в перспективе позволит пациентам с подозрениями на хронические болезни даже в домашних условиях контролировать состояние своего здоровья. Кроме того, датчик обладает низкой себестоимостью и прост в использовании», — рассказала она.
В будущем, после определенной доработки, датчик можно будет использовать для контроля состояния здоровья у пожарных, пилотов, водолазов и представителей других профессий, считают ученые.
«Принципиально это возможно, но в отдаленной перспективе, сейчас в этом направлении мы делаем только первые шаги. Когда сенсор встроен в медицинскую маску, контролируется сам факт того, что человек дышит, а показатели (данные по выдыхаемым соединениям) не снимаются. А когда сенсор используется для анализа химического состава выдыхаемого воздуха, нужен медленный продолжительный выдох, нехарактерный для обычного дыхания. Разработка и тестирование сенсора для оценки состояния здоровья во время обычного дыхания может стать следующим этапом разработки», — отметила руководитель проекта.
