Ультрачувствительные наносенсоры могут выявлять рак легких по выдыхаемому изопрену

Выдыхаемый воздух содержит химические подсказки о процессах внутри тела, включая такие заболевания, как рак легких. Разработка способов детектирования этих соединений может помочь врачам в ранней диагностике и улучшить прогноз для пациентов. В исследовании, опубликованном в ACS Sensors, ученые сообщили о создании ультрачувствительных наносенсоров, которые в небольших тестах различили ключевое изменение в химическом составе выдыхаемого воздуха у людей с раком легких.

Помимо водяного пара и углекислого газа, люди выдыхают множество других летучих соединений. Исследователи установили, что снижение уровня одного из выдыхаемых химических веществ — изопрена — может указывать на наличие рака легких. Однако для обнаружения таких малых изменений сенсор должен быть высокочувствительным, способным определять уровень изопрена в диапазоне частей на миллиард (ppb). Он также должен отличать изопрен от других летучих веществ и выдерживать естественную влажность дыхания.

Предыдущие попытки создать газовые сенсоры с такими характеристиками были сосредоточены на оксидах металлов, включая особенно перспективное соединение на основе оксида индия. Команда под руководством Пинвэя Лю и Цинъюэ Вана занялась усовершенствованием сенсоров на основе оксида индия для детектирования изопрена на уровне, естественном для дыхания.

Исследователи разработали серию сенсоров на основе нанохлопьев оксида индия(III) (In₂O₃). В экспериментах лучшие результаты показал один тип, названный Pt@InNiO_x по содержащимся в нем платине (Pt), индию (In) и никелю (Ni). Эти сенсоры Pt@InNiO_x:

• Обнаруживали изопрен на уровне всего 2 ppb, что значительно превосходит чувствительность более ранних сенсоров.
• Реагировали на изопрен сильнее, чем на другие распространенные в дыхании летучие соединения.
• Стабильно работали в течение девяти циклов моделируемого использования.

Важнее то, что реальный анализ структуры нанохлопьев и их электрохимических свойств показал, что равномерно закрепленные на поверхности нанохлопьев нанокластеры платины катализировали активацию процесса детектирования изопрена, что и привело к ультрачувствительности.

Чтобы продемонстрировать потенциальное медицинское применение, исследователи интегрировали нанохлопья Pt@InNiO_x в портативное сенсорное устройство. В него вводили образцы дыхания, собранные ранее у 13 человек, пятеро из которых болели раком легких.

Устройство зафиксировало уровень изопрена ниже 40 ppb в образцах участников с раком и выше 60 ppb — у участников без рака. По словам исследователей, эта сенсорная технология может стать прорывом в неинвазивном скрининге рака легких и обладает потенциалом для улучшения результатов лечения и спасения жизней.