Гаджету требуется всего несколько минут, чтобы проанализировать выдыхаемый человеком воздух
Над созданием мобильного электронного гаджета, способного в будущем улавливать запах COVID-19, работают российские ученые совместно с итальянскими коллегами. Уже сейчас они предложили высокочувствительную компактную сенсорную систему, позволяющую определять больных с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) — воспалительным заболеванием дыхательных путей, которое повышает риск осложнений при заражении коронавирусом. О своих исследованиях ученые рассказали на страницах журнала Advanced Healthcare Materials. Разработка самой сенсорной системы поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Хроматографией (метод разделения и анализа смесей веществ – прим. авт.) сейчас никого не удивишь. Но здесь есть отличие от классического подхода: новый прибор, может, и не выдает поатомное описание выдыхаемого воздуха, как это делает хроматограф, но зато и действует в несколько раз быстрее, в частности диагноз ХОБЛ способен ставить за минуты, а не за часы.
– Мы делаем диагностику быстрой и доступной, — говорит руководитель проекта, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник НИУ «Московский институт электронной техники» Иван Бобринецкий. — Схема реально приближена к схеме действия обычного носа, который сам не анализирует, а «отправляет» для этого информацию о вдыхаемом запахе в мозг. В нашем приборе наноразмерные проводники, которые мы покрыли специфичными молекулами, определяют конкретный компонент выдыхаемого воздуха, а затем пересылают информацию в компьютер, который при помощи искусственного интеллекта все анализирует и выдает результат.
Для того, чтобы доказать эффективность электронного «носа», разработчики провели эксперимент.
В исследовании участвовали 12 больных с хронической обструктивной болезнью легких и девять здоровых людей. Отбор проб воздуха производился в одноразовые полиэтиленовые мешки, содержащие сенсорную матрицу. Испытуемые максимально вдыхали и надували мешок через пластиковую соломинку. После соломинку извлекали и пакеты запечатывали. Сенсорная матрица внутри мешка находилась в контакте с выдыхаемым воздухом порядка трех минут, чтобы все датчики успели полностью сработать и провзаимодействовать с молекулами газов, характеризующих патологии. Затем систему очищали сухим воздухом для проведения следующего исследования, образцы собирали от каждого участника с интервалом в один час.
Система обнаружила всех людей с ХОБЛ — в выдыхаемом ими воздухе была обнаружена повышенная концентрация диоксида азота. Содержание газа при этом составляло менее одной молекулы на миллион молекул выдыхаемого воздуха, что говорит о высокой чувствительности разработанных сенсоров.
– Еще один уникальный результат нашей работы заключается в том, что прибор в отличие от всех предыдущих, способен работать с влажным воздухом, не осушая его предварительно, как это делает, к примеру, хроматограф. Причем, работает с высочайшей чувствительностью, — поясняет Бобринецкий.
Ученые также успешно проверили свою систему и на газах, которые могут характеризовать другие заболевания. Так, содержание 2-пропанола, бензола, этанола и ацетона в выдыхаемом воздухе повышено у людей с раком легких, в то время как ацетон обнаруживается у пациентов с сахарным диабетом. Высокая концентрация аммиака в дыхании человека связана с заболеваниями печени или почек, а сероводород был предложен в качестве биомаркера астмы. Исследование показало, что прибор способен определять все эти заболевания.
Следующим шагом разработчиков может стать внедрение сенсора в жизнь, к примеру, в виде наручного браслета-трекера, который по выдыхаемым газам будет определять заболевание внутренних органов наряду с давлением, температурой тела и частотой сердцебиения.
Кстати, авторы работы подметили не слишком приятный для себя факт: буквально за два дня до выхода их научной статьи, одна ведущая авиастроительная компания объявила о внедрении похожей передовой разработки в салонах своих самолетов. Довольно уверенно говорилось об электронных сенсорах, которые компания намерена установить на входе в авиалайнер для определения среди пассажиров зараженных COVID-19 по выдыхаемому воздуху.
– Данное заявление мы оценили, как весьма спекулятивное, — говорит Бобринецкий. — Мы специально искали: никаких соответствующих статей по поводу определения COVID-19 по воздуху пока не выходило. Как не выходило пока и статей, свидетельствующих о том, что вообще найдены газы-биомаркеры коронавируса. Мы будем следить за подобными работами российскихи зарубежных ученых и, как только такие газы определят, обязательно «обучим» наш сенсор их распознаванию.
Для справки: МИЭТ проводил исследования совместно с Католическим университетом Святого Сердца (Италия), Университетом Аалто (Финляндия), Университетом города Нови-Сад (Сербия).
