新型呼吸传感器快速简便地检测糖尿病

糖尿病影响着数百万美国人，许多人甚至没有意识到自己患有糖尿病。宾夕法尼亚州立大学的科学家们已经开发出一种呼吸传感器，可以通过测量丙酮水平在几分钟内检测出糖尿病和前驱糖尿病，而不是依靠昂贵而耗时的实验室测试。该传感器由激光诱导的石墨烯和氧化锌制成，重量轻，价格低廉，旨在克服呼气湿度等挑战。

　　

在美国，3700万成年糖尿病患者中有五分之一的人不知道自己患有糖尿病。目前诊断糖尿病和前驱糖尿病的方法通常需要去医生办公室或实验室检查，这两种方法都既昂贵又耗时。现在，诊断糖尿病和前驱糖尿病可能就像呼吸一样简单。

由Huanyu“Larry”Cheng，宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学纪念副教授James L. Henderson, Jr.领导的一个研究小组，已经开发出一种传感器，可以在几分钟内通过呼吸样本帮助诊断糖尿病和糖尿病前期。他们的研究结果发表在《化学工程杂志》上。

以前的诊断方法通常使用血液或汗液中的葡萄糖，但这种传感器检测呼吸中的丙酮水平。虽然每个人的呼吸中都含有燃烧脂肪的副产品丙酮，但丙酮水平超过1.8 ppm的阈值就表明患有糖尿病。

Cheng说：“虽然我们有传感器可以检测汗液中的葡萄糖，但这需要我们通过运动、化学物质或桑拿来诱导出汗，这并不总是实用或方便的。”“这种传感器只需要你向袋子里呼气，把传感器浸入其中，等几分钟就能看到结果。”

Cheng说，也有其他呼吸分析传感器，但他们检测到的生物标志物需要实验室分析。丙酮可以在现场检测和读取，使新的传感器具有成本效益和方便。

除了使用丙酮作为生物标志物，Cheng说传感器的另一个新颖之处归结为设计和材料——主要是激光诱导石墨烯。为了制造这种材料，二氧化碳激光被用来燃烧含碳材料，如本研究中的聚酰亚胺薄膜，以制造具有传感所需的大缺陷的图案多孔石墨烯。

Cheng说：“这就像把面包烤得太久就变成炭黑一样。通过调整激光参数，如功率和速度，我们可以将聚酰亚胺烘烤成少层的多孔石墨烯形式。”

研究人员使用激光诱导的石墨烯，因为它是高度多孔的，这意味着它可以让气体通过。这种特性使得捕获气体分子的机会更大，因为呼气中含有相对高浓度的水分。然而，就其本身而言，激光诱导的石墨烯对丙酮的选择性不够，需要与氧化锌结合。

Cheng说：“这两种材料之间形成的连接使得丙酮的选择性检测比其他分子更强。”

Cheng说，另一个挑战是传感器表面也会吸收水分子，因为呼吸是潮湿的，水分子可能会与目标丙酮分子竞争。为了解决这个问题，研究人员引入了一种选择性膜或防潮层，它可以阻挡水，但允许丙酮渗透到层中。

Cheng说，目前，这种方法需要一个人直接对着一个袋子呼吸，以避免周围环境中的气流等因素的干扰。下一步是改进传感器，使其可以直接在鼻子下使用或附着在口罩内部，因为气体可以在呼出的气体中被检测到。他说，他还计划研究如何使用丙酮检测呼吸传感器来优化个人的健康计划。

Cheng说：“如果我们能更好地了解呼吸中的丙酮水平是如何随着饮食和运动而变化的，就像我们看到葡萄糖水平的波动取决于一个人吃什么和什么时候一样，这将是一个非常令人兴奋的机会，将其用于诊断糖尿病以外的健康应用。”

来自美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的资金支持宾夕法尼亚州立大学对这项工作的贡献。Li Yang是第一作者，他在研究时是宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的访问学者。完整的资助和作者名单可以在论文中找到