Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania đã tạo ra cảm biến hơi thở có khả năng phát hiện bệnh tiểu đường bằng cách đo nồng độ acetone. Thiết bị này hoạt động nhanh, không xâm lấn và được chế tạo bằng vật liệu siêu mỏng graphene cảm ứng laser để đảm bảo độ chính xác.
Tại Mỹ, gần 1/5 trong số 37 triệu người trưởng thành mắc tiểu đường không hề biết mình mắc bệnh. Các phương pháp chẩn đoán tiêu chuẩn hiện nay thường yêu cầu đến phòng khám và làm xét nghiệm trong phòng thí nghiệm, vừa tốn kém vừa mất thời gian. Các nhà nghiên cứu cho rằng trong tương lai gần, việc phát hiện bệnh có thể đơn giản như phân tích hơi thở của một người, như trong nghiên cứu vừa được đề cập.
Nhóm nghiên cứu do Huanyu “Larry” Cheng, Phó Giáo sư Khoa học và Cơ học Kỹ thuật tại Đại học Bang Pennsylvania dẫn dắt, đã phát triển thành công cảm biến có thể chẩn đoán tiểu đường và tiền tiểu đường chỉ trong vài phút, chỉ cần một mẫu hơi thở. Kết quả nghiên cứu vừa được công bố trên Chemical Engineering Journal.
Acetone – dấu ấn sinh học của bệnh tiểu đường
Các phương pháp chẩn đoán truyền thống thường dựa trên việc đo nồng độ glucose trong máu hoặc mồ hôi. Cảm biến mới này lại tập trung vào acetone trong hơi thở. Dù acetone vốn là sản phẩm phụ tự nhiên từ quá trình chuyển hóa chất béo, nhưng khi nồng độ vượt khoảng 1,8 phần triệu (ppm) thì đó là dấu hiệu rõ ràng của bệnh tiểu đường.
“Chúng ta có cảm biến phát hiện glucose trong mồ hôi, nhưng cần phải kích thích cơ thể tiết mồ hôi qua vận động, hóa chất hoặc xông hơi, vốn không phải lúc nào cũng thuận tiện,” Cheng giải thích. “Trong khi đó, với cảm biến này, chỉ cần thở vào túi, nhúng cảm biến vào và đợi vài phút là có kết quả.”
Ông cho biết các thiết bị phân tích hơi thở trước đây thường nhắm đến các dấu ấn sinh học vẫn cần xác nhận trong phòng thí nghiệm. Ngược lại, thiết kế mới này cho phép phát hiện acetone ngay tại chỗ, vừa thực tế vừa tiết kiệm.
Thiết kế cảm biến hiệu quả
Điểm đột phá không chỉ nằm ở việc chọn acetone làm dấu ấn sinh học, mà còn ở vật liệu chế tạo cảm biến – graphene cảm ứng laser. Vật liệu này được tạo ra khi một tấm nền chứa carbon (như màng polyimide) được chiếu bằng laser CO₂, biến nó thành graphene nhiều lớp, xốp, có cấu trúc rỗng với các khuyết tật giúp tăng khả năng cảm biến.
Graphene cảm ứng laser rất xốp, cho phép khí đi qua dễ dàng, giúp tăng khả năng bắt giữ phân tử khí trong khi hơi thở thường chứa nhiều độ ẩm. Tuy nhiên, chỉ riêng graphene thì chưa đủ khả năng chọn lọc acetone so với các khí khác, nên nhóm nghiên cứu đã kết hợp thêm oxit kẽm.
“Liên kết giữa hai vật liệu này tạo ra khả năng phát hiện acetone chọn lọc hơn so với các phân tử khác,” Cheng cho biết.
Vượt qua thách thức và hướng phát triển
Một thách thức khác là bề mặt cảm biến cũng có thể hấp thụ hơi nước – vốn chiếm nhiều trong hơi thở – khiến chúng cạnh tranh với phân tử acetone. Để khắc phục, nhóm đã bổ sung một màng chọn lọc, hay lớp chắn ẩm, cho phép acetone xuyên qua nhưng chặn nước lại.
Hiện tại, người dùng cần thở trực tiếp vào túi để tránh nhiễu do không khí xung quanh. Bước tiếp theo, nhóm sẽ cải tiến cảm biến để có thể đặt ngay dưới mũi hoặc gắn trong khẩu trang, vì acetone vẫn có thể phát hiện được trong hơi nước ngưng tụ từ hơi thở. Cheng cũng dự định nghiên cứu thêm về việc ứng dụng cảm biến này cho theo dõi sức khỏe cá nhân.
“Nếu chúng ta hiểu rõ hơn cách nồng độ acetone trong hơi thở thay đổi theo chế độ ăn uống và tập luyện – giống như cách đường huyết biến động theo thời gian và bữa ăn – thì đây sẽ là một cơ hội rất thú vị để ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, vượt ra ngoài phạm vi chẩn đoán tiểu đường,” Cheng nói.
Nhóm nghiên cứu do một nhà khoa học dẫn dắt đã phát triển cảm biến có thể giúp chẩn đoán tiểu đường và tiền tiểu đường ngay tại chỗ chỉ trong vài phút, chỉ cần một mẫu hơi thở. Ảnh: Đại học Pennsylvania
