Но, несмотря на все медицинские прорывы 20-^го века, лучшим способом обнаружения молекул оставались жидкости, такие как кровь. Однако новое исследование Чикагского университета может когда-нибудь положить конец булавочным уколам. Группа ученых объявила, что они создали небольшое портативное устройство, способное собирать и обнаруживать молекулы, находящиеся в воздухе, - прорыв, многообещающий для многих областей медицины и общественного здравоохранения.

Исследователи предполагают, что устройство, получившее название ABLE, могло бы обнаруживать переносимые воздушно-капельным путем вирусы или бактерии в больницах или общественных местах, улучшать уход за новорожденными или позволять людям с диабетом определять уровень глюкозы по их дыханию. Все устройство имеет размеры всего четыре на восемь дюймов в поперечнике.

"Этот проект - одно из самых захватывающих начинаний, которым мы когда-либо занимались", - сказал профессор Учикаго. Божжи Тянь, один из старших авторов статьи. "Существует так много потенциальных применений. Мы рады видеть, что это приносит свои плоды".

Исследование опубликовано 21 мая в журнале Nature Chemical Engineering.

Превращение воздуха в жидкость

На протяжении десятилетий наша способность обнаруживать молекулы в воздухе отставала от нашей способности обнаруживать те же молекулы в жидкости. Отсюда и анализы крови в кабинете врача, и булавочные уколы, которым люди с диабетом часто подвергаются ежедневно. Даже домашние тесты на COVID, которые вы, возможно, проходили, включают добавление капель жидкости.

"Мы можем использовать мобильные телефоны для фотосъемки или записи аудио, но у нас нет аналогичной технологии, позволяющей увидеть химический состав воздуха", - сказал Цзинчэн Ма, первый автор исследования, который ранее был постдокторским исследователем в UChicago, а сейчас является доцентом в Университете Нотр-Дам.

Часть проблемы заключается в разбавлении. В воздухе частиц, которые вы ищете, - например, нескольких вирусов, плавающих вокруг, - может быть всего одна на триллион. Это непростая задача для детектора, и до сих пор для ее решения требовалось крупногабаритное и дорогостоящее оборудование.

Команда ученых из UChicago решила решить эту проблему, найдя способ превращать воздух в жидкость, что облегчит чтение.

Команда разработала составную систему. Сначала насос всасывает воздух для считывания показаний. Затем увлажнитель добавляет водяной пар, а миниатюрная система охлаждения понижает температуру. Это приводит к тому, что воздух конденсируется в капли - с любыми соответствующими частицами, взвешенными внутри. Капли стекают по специально разработанной ультралегкой поверхности и собираются в небольшой резервуар.

Оттуда детекторы могут легко определять концентрацию молекул в жидкости, используя уже существующее и легкодоступное оборудование для обнаружения жидкостей.

Когда они собирали устройство, они не были уверены, смогут ли они уловить некоторые типы молекул, которые легко испаряются, известные как "летучие" молекулы.

Для одного из первых доказательств концепции Ма использовала чашку кофе в качестве теста. Он выпустил струю испаренного кофе в систему, чтобы посмотреть, можно ли успешно собрать и обнаружить его. Когда жидкость сконденсировалась, ему даже не нужно было проводить тесты, чтобы понять, что это сработало - от жидкости исходил отчетливый аромат кофе.

В ходе дальнейших тестов они обнаружили, что могут успешно определять уровень глюкозы в выдыхаемом воздухе, обнаруживать переносимую по воздуху кишечную палочку и выявлять маркеры воспаления в клетках мышей с плохим состоянием микробиома кишечника.

Они назвали систему ABLE в честь механизма локализации биомаркеров в воздухе.

Новые способности

По словам Тиана, первоначальным вдохновением для исследования послужила поездка, которую он совершил много лет назад в отделение интенсивной терапии новорожденных семейства Стивенов в Детской больнице Комер в Учикаго в рамках своей текущей работы с Центром науки о ранних траекториях. Основатель центра, проф. Эрика Клауд пожалела, что нет способа проводить тесты на ее крошечных пациентах без взятия крови или других инвазивных методов.

Клод, который является заведующим отделением неонатологии и профессором педиатрии в Stephen Family, теперь надеется, что сможет применить эту недавно разработанную технологию.

"Недоношенные дети - одни из самых уязвимых и хрупких пациентов, за которыми мы ухаживаем в медицине", - сказала она. "Обещание этой технологии заключается в том, что мы сможем неинвазивно отслеживать вновь выявленные биомаркеры, чтобы оптимизировать уход за этими младенцами".

Исследователи также могут представить себе множество других применений. Но есть проблема - способность легко обнаруживать молекулы, находящиеся в воздухе, настолько нова, что ученые пока даже не знают, какие молекулы им нужно будет искать.

Например, сейчас группа сотрудничает с врачом, который лечит воспалительные заболевания кишечника. Вероятно, вы могли бы обнаружить маркеры воспаления в дыхании пациентов с ВЗК, но сначала их необходимо было бы занести в каталог.

Команда также хочет усовершенствовать дизайн и еще больше миниатюризировать его, чтобы сделать пригодным для ношения.

Наконец, Ма, инженер-механик, имеющий образование в области терможидкостной физики, в восторге от последствий для раскрытия новых принципов физики.

"Эта работа может положить начало многим новым исследованиям о том, как эти примеси, находящиеся в воздухе, влияют, например, на изменение фазы, и новая физика может быть использована для многих применений", - сказал он.

Ученые Чикагского университета Меган Лаун, Пэнджу Ли, Цзин Лу, Цзипин Юэ, Юэюэ Ю, Джессика Клири, Кейтлин Олифант и Закари Кесслер также были соавторами исследования.

Исследователи работают с Польским центром предпринимательства и инноваций и Центром науки о ранних траекториях.