仪器感知呼吸，诊断疾病

文章作者:KAIST

韩国科学技术研究院(KAIST)材料科学系Il-Doo Kim教授领导的研究小组开发了使用蛋白质封装的纳米催化剂的诊断传感器。这些传感器可以通过分析人类呼出的气体来诊断某些疾病。根据研究人员的说法，该技术能够通过模式识别与人类呼出的疾病相关的生物标记气体，对各种疾病进行早期监测。

蛋白质模板催化剂的合成路线非常简单和灵活，不仅可以生产单一组分的催化纳米颗粒，而且可以生产各种尺寸小于3nm的多相金属间化合物催化剂。该研究小组开发了更加敏感和选择性的化学电阻传感器，可以通过分析呼出的气体来诊断特定的疾病。

图1:催化剂合成的蛋白质模板路线。

这项以金相俊博士和崔顺珍博士为第一作者的研究结果由化学研究报告。

在人类的呼吸中，发现了各种各样的成分，包括水蒸气、氢、丙酮、甲苯、氨、硫化氢和一氧化碳，这些成分更多的是从病人身上呼出。其中一些成分与哮喘、肺癌、1型糖尿病和口臭等疾病密切相关。

用于疾病诊断的呼吸分析从将呼出的气体捕获到Tedlar袋中开始，然后将捕获的呼吸气体注入一个小型传感器系统，类似于酒精检测器。用一个简单的分析过程就可以非常迅速地分析呼出的气。呼气分析可以检测呼出的呼气成分的微量变化，有助于疾病的早期诊断。

在1ppb检测生物标志物

然而，需要先进的技术来精确分析呼吸中的气体，这些气体的浓度很低，从1ppb到1ppm。特别是，化学电阻型化学传感器在包括潮湿蒸汽在内的数千种干扰气体中选择性地检测特定的生物标记是一个关键的挑战。

传统上，贵金属催化剂如铂和钯被功能化到金属氧化物传感层上。然而，气体灵敏度不足以检测呼出气体中的生物标志物ppb水平。

为了克服目前的局限性，研究小组利用动物体内的纳米级蛋白质(脱铁蛋白)作为祭品模板。蛋白质模板的核心位置是中空的纳米笼，各种合金催化纳米颗粒可以封装在蛋白质纳米笼内。

蛋白质纳米笼具有优势，因为可以组装周期表中几乎无限数量的材料组成，用于合成多相催化纳米颗粒。此外，利用蛋白质纳米笼可以实现控制两种不同元素原子比的金属间化合物纳米催化剂，这是一种寻找新型催化剂的创新策略。例如，可以合成高效的铂基催化剂，如铂-钯(PtPd)、铂-镍(PtNi)、铂-钌(PtRu)和铂-钇(PtY)。

该团队开发了传感层，包括金属氧化物纳米纤维功能化的多相催化剂，具有大且高度多孔的表面积，特别优化了特定生物标记物的选择性检测。与传统的单组分铂和钯催化剂负载纳米纤维传感器相比，该传感器的生物标志物传感性能提高了约3~4倍。特别是，在使用多相纳米催化剂的呼出气体传感器中观察到丙酮(1ppm)和硫化氢(1ppm)的100倍电阻跃迁，这是文献报道的最佳性能。

16传感器阵列监测生物标志物

随后，科学家们开发了一种疾病诊断平台，通过使用具有不同感知层和异构催化剂的多传感器阵列系统来识别单个呼吸模式，这样人们就可以识别健康异常。通过使用16个传感器阵列系统，可以通过分析呼出气体中生物标记物的浓度变化来连续监测身体状况。

“新型非均相纳米催化剂是用尺寸约为2nm的蛋白质模板合成的，并在各种金属氧化物纳米纤维传感层上功能化。建立的传感文库能够以高灵敏度和选择性检测生物标志物物种。他补充说:“新的创新呼吸气体分析平台将非常有助于减少医疗支出和持续监测身体状况。”