Анализатор выдыхаемого воздуха определяет триллионные доли молекул в смеси

Мощным диагностическим инструментом, быстрым и неинвазивным, может быть определение идентичности и концентрации молекул в выдыхаемом воздухе. Но для этого разработчикам методов необходимо совместить высокую специфичность и чувствительность с простотой и доступностью. Исследователи из JILA, объединенного научного центра на базе Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере, продемонстрировали возможности средневолновой инфракрасной спектроскопии на основе частотной гребенки с резонаторным усилением (CE-DFCS), применяемой для анализа дыхания. Метод обладает высоким разрешением, широким спектральным охватом, высокой специфичностью и высокой чувствительностью.

Исследователи JILA продемонстрировали прототип прибора еще в 2008 году. Теперь они вернулись к этой идее, в том числе из-за пандемии COVID-19 и потребности в массовой диагностике.

Частотные гребенки — оптический инструмент, разработка которого отмечена Нобелевской премией по физике 2005 года (одним из трех лауреатов этого года был сотрудник JILA Джон Холл). Частотные гребенки генерируются лазером, специально разработанным для создания серии распределенных световых импульсов. Он излучает свет в виде серии очень узких пиков, расположенных регулярно, как зубцы расчески, в широком спектре длин волн. В анализаторе JILA выдыхаемый воздух попадает в стеклянную трубку, где через него проходят лазерные импульсы. По тому, какие участки спектра поглощаются, можно сделать вывод о присутствии определенных молекул и их концентрациях.

Метод позволяет одновременно обнаруживать и отслеживать изменения во времени четырех биомаркеров: метанола CH₃OH, метана CH₄, H₂O и тяжелой воды HDO. Авторы статьи в PNAS также показали возможность обнаружения без доработок экспериментальной установки еще как минимум шести биомаркеров — формальдегида H₂CO, этана C₂H₆, карбонилсульфида OCS, этилена C₂H₄, сероуглерода CS₂ и аммиака NH₃.

Обновления по сравнению с предыдущей версией включают сдвиг анализируемого светового спектра из ближнего инфракрасного диапазона в средний инфракрасный, где больше молекул поглощают свет, а также доработку оптических покрытий.

Авторы заявляют о достижении сверхвысокой чувствительности обнаружения — на уровне триллионных долей, что в тысячу раз больше по сравнению с прототипом. Они также предполагают получить доступ к еще большому количеству биомаркеров.

Сейчас наиболее широко используемым аналитическим методом исследования дыхания остается газовая хроматография в сочетании с масс-спектрометрией, которая может обнаруживать сотни молекул, но работает медленно, десятки минут. Большинство оптических дыхательных тестов, одобренных Управлением по контролю продуктов и лекарств США, обнаруживают только одно химическое вещество. Таким образом, новая разработка имеет перспективы. По мнению авторов, она может применяться как для быстрой и неинвазивной диагностики инфекционных и неинфекционных заболеваний, так и для мониторинга развитии заболевания либо эффективности лечения.

В настоящее время авторы работают над созданием компактной версии прибора. Длина трубки всего 55 сантиметров, но устройство для генерирования гребенки сделано на заказ и несколько громоздко, говорится в пресс-релизе.