JILA、コンブ呼気分析計を1000倍高感度化し4バイオマーカー検出

JILAの科学者たちが、10年前の周波数コンブ呼気分析計の感度を1000倍向上させ、疾患バイオマーカーを追加検出可能にしました。現在は4つ、将来的に6つ以上の検出が可能です。検証されポータブル設計へ組み込まれれば、コンブシステムはヒト呼気のリアルタイム非侵襲分析で疾患検出・モニタリングを提供できるでしょう。JILAは米国立標準技術研究所（NIST）とコロラド大学ボルダー校によって共同運営されています。

JILAシステムは、レーザー周波数コンブを鏡面ガラス管にロードした呼気サンプルに往復させ、吸収される光の色と量を測定することで化学物質を「フィンガープリント」します。最近のアップグレードには、解析光スペクトルを近赤外から中赤外帯域へシフト（より多くの分子が光を吸収）、光学コーティングとその他いくつかの技術進歩により、検出感度をピコレベル（1兆分の1）まで達成しました。

Proceedings of the National Academy of Sciences誌で報告された通り、NIST/JILAフェローのジュン・イェ氏とデビッド・ネスビット氏が、ボランティアの呼気中からメタノール（CH₃OH）、メタン（CH₄）、水（H₂O）、重水の一種（HDO）の4バイオマーカーを検出・監視しました。これらはメタンの場合のように腸内問題などの健康状態指標です。

研究者たちは同じ装置でさらに6化学物質（ホルムアルデヒド、エタン、カルボニルサルファイド、エチレン、二硫化炭素、アンモニア）の検出が可能だとしています。さらにコンブレーザーを赤外領域へ延伸すれば、検出能力が大幅に拡大し、数百の微量呼気化学物質の同定が可能になるでしょう。

JILA研究者たちは2008年に試作コンブ呼気分析計を実証しましたが、当時はそれ以上開発しませんでした。COVID-19検査への応用可能性に触発され、再び注力しています。「この技術を真の医療応用へ押し進めることに、我々は非常に楽観的かつコミットしています」とイェ氏。

呼気研究で最も広く使われる分析手法はガスクロマトグラフィー・質量分析法の組み合わせで、数百の呼気分子を検出できますが遅く、数十分かかります。FDA承認済みの光学呼気検査の多くは1化学物質のみ検出です。

呼気分析は周波数コンブの主要医療応用です。コンブは広いスペクトルカバレッジ、高分解能、高感度を兼ね備え、数十化学物質の同時検出が可能です。他の利点として、コンブシステムは化学試薬と複雑な実験室設備を必要としません。

イェ氏とネスビット氏は現在、他のNIST研究者たちと協力して呼気分析計のコンパクト版設計を進めています。チューブは55センチ（21.7インチ）のみですが、レーザーコンブはカスタムメイドでやや大型です。

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