在美國，約有3700萬成年人患有糖尿病，其中約五分之一的人甚至不知道自己患病。傳統(tǒng)糖尿病及糖尿病前期的檢測通常需要去醫(yī)院或?qū)嶒?yàn)室，既費(fèi)時(shí)又昂貴。然而，現(xiàn)在通過呼吸就有可能完成快速檢測。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系詹姆斯·L·亨德森紀(jì)念副教授程煥宇（Huanyu “Larry” Cheng）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種新型傳感器，只需幾分鐘和一口呼氣，就可以現(xiàn)場診斷糖尿病及糖尿病前期。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

與以往依賴血液或汗液中葡萄糖的檢測方法不同，這種傳感器通過檢測呼氣中的丙酮水平進(jìn)行診斷。程煥宇解釋道：“每個(gè)人的呼吸中都會(huì)含有丙酮，這是脂肪燃燒的副產(chǎn)物。當(dāng)丙酮水平超過約1.8百萬分之一時(shí)，就可能提示糖尿病。”

他進(jìn)一步指出，雖然現(xiàn)有的汗液葡萄糖傳感器也能工作，但通常需要通過運(yùn)動(dòng)、化學(xué)物質(zhì)或桑拿來誘導(dǎo)出汗，操作不便。而新傳感器僅需呼氣到一個(gè)袋子里，將傳感器浸入即可，幾分鐘便可得到結(jié)果。

這一傳感器的另一創(chuàng)新之處在于材料與設(shè)計(jì)——主要是激光誘導(dǎo)石墨烯（laser-induced graphene, LIG）。通過CO?激光燒蝕含碳材料（如聚酰亞胺膜），可以形成多孔、帶缺陷的石墨烯結(jié)構(gòu)，有利于氣體檢測。程煥宇形象地比喻：“這就像烤面包，如果烤得太久就變成碳黑。通過調(diào)節(jié)激光功率和速度，我們可以將聚酰亞胺‘烤’成多層、多孔的石墨烯?！?/p>

由于呼氣中濕度較高，單靠石墨烯難以精確選擇丙酮。為此，團(tuán)隊(duì)將其與氧化鋅結(jié)合，形成結(jié)點(diǎn)，提高丙酮的選擇性。同時(shí)，為防止?jié)駳飧蓴_，研究團(tuán)隊(duì)在傳感器表面增加了選擇性膜層，只允許丙酮通過，阻擋水分子。

目前，該方法需要將呼氣直接吐入袋中，以避免環(huán)境氣流干擾。下一步，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將傳感器改進(jìn)為可直接置于鼻下或口罩內(nèi)部，通過呼氣冷凝檢測丙酮。同時(shí)，程煥宇也希望探索呼氣丙酮傳感器在個(gè)體健康管理中的潛力：“如果能像監(jiān)測血糖一樣，了解飲食和運(yùn)動(dòng)對(duì)呼氣丙酮的影響，這將為糖尿病以外的健康應(yīng)用帶來非常有趣的機(jī)會(huì)?！?/p>

參考文獻(xiàn)：Li Yang et al, ZnO/LIG nanocomposites to detect acetone gas at room temperature with high sensitivity and low detection limit,?Chemical Engineering Journal?(2025).?DOI: 10.1016/j.cej.2025.164857

編輯：王洪

排版：李麗