这项新技术可以捕捉呼吸中的分子以支持医疗护理，从管理糖尿病到监测新生儿发育。
如果你曾经在医生办公室等待抽血，你可能会希望有一种方法可以在不使用针头的情况下获得同样的信息。
尽管20世纪医学取得了许多进步，但检测分子主要依赖于液体样本，如血液。但芝加哥大学的新研究可能提供了一种替代方案。一个科学家团队开发了一种小型便携式设备，可以从空气中收集和检测分子——这一突破具有广泛的医学和公共卫生应用潜力。
该设备被称为ABLE，未来有一天可以在医院和公共场所检测空气中的病毒或细菌，帮助监测新生儿，或者允许糖尿病患者通过呼吸测量血糖。整个装置只有4乘8英寸大小。
“这个项目是我们追求的最令人兴奋的事业之一，”芝加哥大学教授、论文的资深作者之一田波志（Bozhi Tian）说。“有如此多的潜在应用。我们很高兴看到它成为现实。”
这项研究发表在5月21日的《自然化学工程》杂志上。
将空气转化为液体
几十年来，检测空气中的分子比检测液体中的相同分子要困难得多。这就是为什么医生依赖血液测试，也是为什么糖尿病患者经常需要每天扎手指。即使是许多人使用的家用COVID测试也需要添加液滴。
“我们可以用手机拍照或录音，但我们没有类似的技术来观察空气中的化学成分，”该研究的第一作者马景成（Jingcheng Ma）说，他以前是芝加哥大学的博士后研究员，现在是圣母大学的助理教授。
部分挑战在于稀释。在空气中，你想检测的粒子，比如几个病毒，可能稀少到一万亿分之一。这使得检测极其困难，直到现在还需要大型且昂贵的设备。
芝加哥大学的一个科学家团队着手解决这个问题，找到了一种将空气转化为液体的方法，使其更容易读取。
科学家们设计了一个多部分系统。首先，一个泵吸入空气进行读取。接下来，加湿器添加水蒸气，微型冷却系统降低温度。这会使空气凝结成液滴——其中悬浮着任何相关的粒子。液滴沿着特别设计的超光滑表面滑下，并收集到一个小储液器中。
从那里，检测器可以轻松地检测液体中的分子浓度，使用现有的、易于获取的液体检测设备。
在组装设备时，他们不确定是否能够捕获一些容易挥发的分子，即所谓的“挥发性”分子。
为了早期的概念验证，马景成使用了一杯咖啡作为测试。他向系统吹了一股蒸汽化的咖啡，看看是否可以成功收集和检测。当液体凝结出来时，他甚至不需要运行测试就知道它已经成功了——液体散发出明显的咖啡香气。
在进一步的测试中，他们发现可以成功地从呼吸中检测葡萄糖水平，检测空气中的大肠杆菌，并从肠道菌群不良的小鼠笼子中检测炎症标志物。
他们将系统命名为ABLE，即空气传播生物标志物定位引擎。
新能力
田波志说，这项研究最初的灵感来自几年前他对芝加哥大学Comer儿童医院Stephen家庭新生儿重症监护病房的一次访问，这是他与早期轨迹科学中心持续合作的一部分。该中心创始人Erika Claud教授希望有一种方法可以在不对她的微小患者进行抽血或其他侵入性操作的情况下进行测试。
Claud教授是新生儿科主任兼儿科Stephen家族教授，她现在希望将这项新开发的技术投入使用。
“早产儿是我们医学界照顾的一些最脆弱和娇嫩的患者，”她说。“这项技术的前景在于，我们将能够非侵入性地跟踪新发现的生物标志物，从而优化对这些婴儿的护理。”
研究人员还可以想象许多其他用途。但有一个挑战——轻易检测空气中的分子是如此新颖，以至于科学家们甚至还不知道他们需要寻找哪些分子。
例如，该小组目前正在与一位治疗炎症性肠病的医生合作。很可能可以从IBD患者的呼吸中检测到炎症标志物，但首先需要对其进行编目。
该团队还希望进一步改进设计并将其小型化，使其可穿戴。
最后，机械工程师出身的热流体专家马景成对该工作揭示新的物理原理感到兴奋。
“这项工作可能会引发许多关于这些空气中的杂质如何影响相变行为的新研究，”他说，“新的物理学可以用于许多应用。”
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