Des chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ont développé des nanocapteurs qui analysent rapidement les composants de l'air expiré pour détecter les molécules traces associées à certaines maladies. Leurs performances et leur précision ont été améliorées en concevant des nanocatalyseurs encapsulés dans des protéines.

"Cette nouvelle plate-forme d'analyse des gaz respiratoires sera très utile pour réduire les dépenses médicales et la surveillance continue des conditions physiques, " déclare Il-Doo Kim du Département de science et d'ingénierie des matériaux de KAIST.

Divers composants peuvent être trouvés dans la respiration humaine, y compris la vapeur d'eau, hydrogène, acétone, toluène, ammoniac, sulfure d'hydrogène et monoxyde de carbone. Certains de ces composants sont étroitement liés à des conditions telles que l'asthme, cancer du poumon, diabète de type I et mauvaise haleine chronique.

Il a été difficile de concevoir des capteurs d'haleine qui réagissent uniquement à des biomarqueurs spécifiques, car il y a des milliers de gaz dans l'air expiré qui peuvent interférer avec les résultats. Par ailleurs, le même composant peut être lié à plusieurs conditions.

Les chercheurs ont développé une nouvelle plate-forme de détection pour améliorer la sensibilité et la sélectivité des capteurs. Ils ont utilisé des apoferritines, qui sont des protéines à structure de nanocages creuses, pour encapsuler de minuscules particules de nanocatalyseur. Les catalyseurs encapsulés ont été ajoutés à la nanofibre de détection primaire, qui est fait d'un oxyde métallique semi-conducteur.

L'équipe a utilisé une méthode appelée « électrofilage », dans laquelle une solution contenant les nanoparticules de catalyseur, des sels métalliques et un polymère matriciel sont injectés sur une surface sous des champs électriques à haute tension pour fabriquer des nanofibres unidimensionnelles. Puis, un processus à haute température donne des nanofibres cohérentes avec de grandes surfaces et pores, et des catalyseurs uniformément répartis le long des nanofibres d'oxyde métallique semi-conducteur.

Les capteurs contenant les nanofibres d'oxyde métallique chargées de catalyseur étaient très sensibles, détecter des biomarqueurs avec une concentration d'une partie par million dans une respiration expirée en dix à 50 secondes. Les chercheurs attribuent cette sensibilité accrue à l'augmentation de la surface disponible pour que les réactions se produisent entre la molécule cible et le capteur. Les capteurs étaient également très sélectifs. Les nanofibres ont réagi principalement avec le biomarqueur cible grâce aux catalyseurs en alliage contenant deux types de métaux plutôt qu'un seul. Ces catalyseurs avec des combinaisons métalliques uniques peuvent aider à établir des « bibliothèques de détection » pour divers biomarqueurs.

L'équipe a créé une plate-forme de capteurs mobiles qui peut analyser les molécules d'haleine expirées collectées dans un sac d'échantillonnage de gaz, puis envoyer les résultats à un smartphone. Quelques problèmes subsistent avant que les plateformes de diagnostic basées sur la respiration puissent être pleinement déployées, comme la différenciation entre deux troubles qui partagent un biomarqueur.

Les résultats de cette étude ont été sélectionnés comme article de fond en couverture du numéro de juillet 2017 de Comptes de la recherche chimique et le numéro de septembre 2017 de Matériaux avancés .