Các nhà khoa học phát minh ra thiết bị đột phá để phát hiện các dấu hiệu bệnh tật trong không khí

Nếu bạn đã từng ngồi chờ ở phòng khám bác sĩ để lấy mẫu máu, có thể bạn đã từng ước có cách nào đó để tìm thông tin đó mà không cần kim tiêm.

Nhưng đối với tất cả các đột phá y khoa của thế kỷ 20 , cách tốt nhất để phát hiện các phân tử vẫn là thông qua chất lỏng, chẳng hạn như máu. Tuy nhiên, nghiên cứu mới từ Đại học Chicago, một ngày nào đó có thể tạm dừng việc chích kim. Một nhóm các nhà khoa học đã công bố rằng họ đã tạo ra một thiết bị nhỏ, di động có thể thu thập và phát hiện các phân tử trong không khí -- một đột phá hứa hẹn cho nhiều lĩnh vực y học và sức khỏe cộng đồng.

Các nhà nghiên cứu hình dung thiết bị có biệt danh là ABLE này có thể phát hiện vi-rút hoặc vi khuẩn trong không khí tại bệnh viện hoặc nơi công cộng, cải thiện việc chăm sóc trẻ sơ sinh hoặc cho phép những người mắc bệnh tiểu đường đọc được lượng đường trong hơi thở của họ. Toàn bộ thiết bị chỉ rộng bốn x tám inch.

"Dự án này là một trong những nỗ lực thú vị nhất mà chúng tôi đã theo đuổi", Giáo sư Bozhi Tian của UChicago, một trong những tác giả chính của bài báo, cho biết. "Có rất nhiều ứng dụng tiềm năng. Chúng tôi rất vui mừng khi thấy nó thành hiện thực".

Nghiên cứu này được công bố ngày 21 tháng 5 trên tạp chí Nature Chemical Engineering .

Biến không khí thành chất lỏng

Trong nhiều thập kỷ, khả năng phát hiện các phân tử trong không khí của chúng ta đã tụt hậu so với khả năng phát hiện các phân tử tương tự trong chất lỏng. Do đó, xét nghiệm máu tại phòng khám bác sĩ và những mũi kim chích mà những người mắc bệnh tiểu đường thường phải trải qua hàng ngày. Ngay cả các xét nghiệm COVID tại nhà mà bạn có thể đã thực hiện đều liên quan đến việc thêm các giọt chất lỏng.

Jingcheng Ma, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, trước đây là nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại UChicago và hiện là phó giáo sư tại Đại học Notre Dame, cho biết: "Chúng ta có thể sử dụng điện thoại di động để chụp ảnh hoặc ghi âm, nhưng chúng ta không có công nghệ tương tự để quan sát thành phần hóa học của không khí".

Một phần của vấn đề là sự pha loãng. Trong không khí, các hạt bạn đang tìm kiếm -- chẳng hạn như một vài loại vi-rút đang trôi nổi xung quanh -- có thể chỉ là một trong một nghìn tỷ. Đó là một nhiệm vụ khó khăn đối với một máy dò, và cho đến nay nó vẫn đòi hỏi thiết bị lớn và đắt tiền.

Một nhóm các nhà khoa học của UChicago đã quyết tâm giải quyết vấn đề đó bằng cách tìm ra cách biến không khí thành chất lỏng, giúp việc đọc dễ dàng hơn.

Nhóm đã thiết kế một hệ thống nhiều phần. Đầu tiên, một máy bơm hút không khí để đọc. Tiếp theo, một máy tạo độ ẩm bổ sung hơi nước và một hệ thống làm mát thu nhỏ làm giảm nhiệt độ. Điều này khiến không khí ngưng tụ thành các giọt -- với bất kỳ hạt có liên quan nào lơ lửng bên trong. Các giọt trượt xuống một bề mặt siêu trơn được thiết kế đặc biệt và thu thập vào một bể chứa nhỏ.

Từ đó, máy dò có thể dễ dàng phát hiện nồng độ phân tử trong chất lỏng bằng cách sử dụng thiết bị phát hiện chất lỏng có sẵn và sẵn có.

Khi lắp ráp thiết bị, họ không chắc liệu họ có thể thu được một số loại phân tử dễ bay hơi, được gọi là phân tử "dễ bay hơi" hay không.

Để chứng minh khái niệm ban đầu, Ma đã sử dụng một tách cà phê làm thử nghiệm. Ông thổi một hơi cà phê bốc hơi vào hệ thống để xem liệu nó có thể được thu thập và phát hiện thành công hay không. Khi chất lỏng ngưng tụ, ông thậm chí không cần phải chạy thử nghiệm để biết nó đã hoạt động -- mùi thơm đặc trưng của cà phê tỏa ra từ chất lỏng.

Trong các thử nghiệm tiếp theo, họ phát hiện ra rằng chúng có thể phát hiện thành công nồng độ glucose từ hơi thở, phát hiện vi khuẩn E. coli trong không khí và nhận biết các dấu hiệu viêm nhiễm từ lồng chuột có hệ vi sinh đường ruột kém.

Họ đặt tên cho hệ thống này là ABLE, viết tắt của Airborne Biomarker Locationization Engine.

Tian cho biết nguồn cảm hứng ban đầu cho nghiên cứu này là chuyến đi mà ông đã thực hiện nhiều năm trước đến Đơn vị chăm sóc tích cực sơ sinh Stephen Family tại Bệnh viện nhi Comer của UChicago như một phần trong công việc đang diễn ra của ông với Trung tâm khoa học về quỹ đạo sớm. Người sáng lập trung tâm, Giáo sư Erika Claud, mong muốn có một cách để chạy thử nghiệm trên những bệnh nhân nhỏ bé của mình mà không cần lấy máu hoặc các phương pháp xâm lấn khác.

Claud, Trưởng khoa Sơ sinh và Giáo sư Nhi khoa tại Bệnh viện Stephen Family, hiện hy vọng có thể đưa công nghệ mới phát triển này vào sử dụng.

"Trẻ sinh non là một trong những bệnh nhân dễ bị tổn thương và yếu ớt nhất mà chúng tôi chăm sóc trong y khoa", bà nói. "Lời hứa của công nghệ này là chúng tôi sẽ có thể theo dõi không xâm lấn các dấu ấn sinh học mới được xác định, để tối ưu hóa việc chăm sóc cho những trẻ sơ sinh này".

Các nhà nghiên cứu cũng có thể tưởng tượng ra nhiều ứng dụng khác. Nhưng có một thách thức -- khả năng dễ dàng phát hiện các phân tử trong không khí còn quá mới đến nỗi các nhà khoa học thậm chí còn chưa biết họ cần tìm kiếm những phân tử nào.

Ví dụ, nhóm hiện đang hợp tác với một bác sĩ điều trị bệnh viêm ruột. Có khả năng bạn có thể phát hiện các dấu hiệu viêm từ hơi thở của bệnh nhân mắc IBD, nhưng trước tiên chúng cần được lập danh mục.

Nhóm nghiên cứu cũng muốn cải tiến thiết kế và thu nhỏ nó hơn nữa để có thể đeo được.

Cuối cùng, Ma, một kỹ sư cơ khí có kiến ​​thức về nhiệt lưu chất, rất hào hứng về những hàm ý trong việc khám phá ra các nguyên lý vật lý mới.

Ông cho biết: "Công trình này có thể khởi đầu cho nhiều nghiên cứu mới về cách các tạp chất trong không khí này ảnh hưởng đến hành vi thay đổi pha, và kiến ​​thức vật lý mới này có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng".

Nguồn Đại học Chicago