Разработку сверхчувствительных нанодатчиков, которые в ходе мелкомасштабных испытаний выявили ключевые изменения в химическом составе дыхания людей с раком легких, выполнили исследователи из Политехнического института Чжэцзянского университета в КНР, 6 ноября сообщает отдел новостей Американского химического общества (ACS).

Дыхание человека содержит химические вещества, которые дают представление о том, что происходит внутри организма, включая такие заболевания, как рак легких. И разработка способов обнаружения этих соединений может помочь врачам ставить ранние диагнозы и улучшить перспективы пациентов.

Люди выдыхают много газов, в том числе водяной пар и углекислый газ, а также другие летучие соединения. Китайские исследователи определили, что снижение в выдохе одного химического вещества — изопрена — может указывать на наличие рака легких.

Однако для выявления таких небольших изменений в составе выдыхаемого воздуха датчик должен быть высокочувствительным, способным определять уровни изопрена в диапазоне нескольких частей на миллиард (ppb). Он также должен отличать изопрен от других выдыхаемых летучих химических веществ и выдерживать естественную влажность дыхания.

Предыдущие попытки разработать газовые датчики с такими характеристиками были сосредоточены на использование оксидов металлов, включая одно особенно многообещающее соединение, полученное на основе оксида индия.

Группа исследователей под руководством Пинвэя Лю и Цинюэ Вана из Политехнического института Чжэцзянского университета решила усовершенствовать датчики на основе оксида индия для обнаружения изопрена на уровне, на котором он естественным образом встречается в дыхании.

Исследователи разработали серию нанопластинчатых сенсоров на основе оксида индия (III) (In₂O₃). В ходе экспериментов они обнаружили, что один тип, который они назвали Pt@InNiOx по содержащимся в нем платине (Pt), индию (In) и никелю (Ni), показал наилучшие результаты.

Эти датчики определяли наличие изопрена на уровне всего 2 ppb, что намного превосходит чувствительность более ранних датчиков. Они реагировали на изопрен сильнее, чем на другие летучие соединения, обычно обнаруживаемые в выдыхаемом воздухе. Повторяемость результатов наблюдалась в течение девяти последовательных измерений.

Что еще более важно, проведенный авторами анализ структуры и электрохимических свойств нанопластин в режиме реального времени показал, что нанокластеры Pt, равномерно закрепленные на нанопластинах, катализируют активацию чувствительности к изопрену, что приводит к сверхчувствительным характеристикам.

Чтобы продемонстрировать потенциальное медицинское применение этих датчиков, исследователи встроили нанопластины Pt@InNiOx в портативное сенсорное устройство. В это устройство они ввели образцы выдыхаемого воздуха, отобранные у 13 человек, у пяти из которых был диагностирован рак легких. Устройство обнаружило уровни изопрена ниже 40 ppb в образцах участников больных раком и более 60 ppb у участников, не страдающих раком.

Разработчики считают, что эта сенсорная технология может обеспечить прорыв в неинвазивном скрининге рака легких и имеет потенциал для улучшения диагностики и даже спасения жизней пациентов.

Результаты исследования ученые представили в статье «Сверхчувствительные нанопластины на основе In₂O₃ для диагностики рака легких и механизм их работы, исследованный с помощью операндо спектроскопии» (Ultrasensitive In₂O₃-Based Nanoflakes for Lung Cancer Diagnosis and the Sensing Mechanism Investigated by Operando Spectroscopy), опубликованной в журнале ACS Sensors.