Bafômetro de Pente de Frequência Aprimorado do JILA Detecta 4 Biomarcadores com Sensibilidade 1000x Maior

Cientistas do JILA aumentaram a sensibilidade de seu bafômetro de pente de frequência de uma década em mil vezes, permitindo detectar biomarcadores adicionais de doenças — quatro agora — com potencial para mais seis. Quando validado e engenhado em um design portátil, o sistema de pente poderia oferecer análise não invasiva em tempo real da respiração humana para detectar e monitorar doenças. O JILA é operado conjuntamente pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade do Colorado Boulder.

O sistema JILA “imprime digitalmente” produtos químicos medindo as cores e quantidades de luz absorvida conforme um pente de frequência a laser passa para frente e para trás através de amostras de respiração carregadas em um tubo de vidro espelhado. Atualizações recentes incluem uma mudança no espectro de luz analisado do infravermelho próximo para o infravermelho médio, onde mais moléculas absorvem luz, e avanços em revestimentos ópticos e várias outras tecnologias para alcançar sensibilidade de detecção até o nível de partes por trilhão.

Conforme descrito nos Proceedings of the National Academy of Sciences, os Fellows do NIST/JILA Jun Ye e David Nesbitt detectaram e monitoraram quatro biomarcadores — metanol (CH₃OH), metano (CH₄), água (H₂O) e uma forma de água pesada (HDO) — na respiração de um voluntário. Estes são indicadores de condições de saúde como, no caso do metano, problemas intestinais.

Os pesquisadores dizem que é viável usar o mesmo aparelho para detectar mais seis produtos químicos: formaldeído, etano, sulfeto de carbonila, etileno, dissulfeto de carbono e amônia. Além disso, estender os lasers do pente mais para o infravermelho deve expandir muito a capacidade de detecção e permitir a identificação de muitas centenas de produtos químicos traço na respiração.

Pesquisadores do JILA demonstraram um bafômetro de pente protótipo em 2008, mas não o desenvolveram mais naquela época. Eles agora reenfocaram nele, motivados pela possibilidade de eventualmente testar para COVID-19. “Estamos realmente bastante otimistas e comprometidos em empurrar esta tecnologia para aplicações médicas reais”, disse Ye.

A técnica analítica mais amplamente usada em pesquisa de respiração é cromatografia a gás combinada com espectrometria de massa, que pode detectar centenas de moléculas exaladas, mas funciona lentamente, exigindo dezenas de minutos. A maioria dos testes ópticos de respiração aprovados pela FDA dos EUA detecta apenas um produto químico.

A análise de respiração é a principal aplicação médica para pentes de frequência. Pentes oferecem uma combinação de ampla cobertura espectral, alta resolução e alta sensibilidade, potencialmente detectando dezenas de produtos químicos simultaneamente. Entre outras vantagens, o sistema de pente não exigiria reagentes químicos e instalações laboratoriais complexas.

Ye e Nesbitt estão agora trabalhando com outros pesquisadores do NIST para engenhar uma versão compacta do bafômetro. O tubo tem apenas 55 centímetros (21,7 polegadas) de comprimento, mas o pente de laser é feito sob medida e um pouco volumoso.