Aldehydy należą do lotnych związków organicznych (LZO), które występują zarówno w powietrzu atmosferycznym, jak i w wydychanym przez człowieka powietrzu. Zostały sklasyfikowane jako kluczowe biomarkery, często są produktami ubocznymi nieprawidłowego metabolizmu związanego z wieloma chorobami, takimi jak nowotwory, choroby płuc, cukrzyca czy schorzenia neurodegeneracyjne. Ich obecność w organizmie może dostarczać cennych informacji diagnostycznych, co czyni je obiektem intensywnych badań w dziedzinie diagnostyki medycznej. W ostatnich latach postępy w analizie wydychanego powietrza doprowadziły do opracowania zaawansowanych technologii, takich jak elektroniczne nosy, zbudowane z matrycy czujników, które umożliwiają wykrywanie i identyfikację lotnych aldehydów z wysoką czułością i specyficznością. Rozwój szybkich, czułych i przystępnych cenowo technik czujnikowych jest obecnie jednym z trendów w nowoczesnej diagnostyce chorób. W ostatnim czasie pojawiły się również przenośne urządzenia diagnostyczne, które umożliwiają monitorowanie stanu zdrowia w warunkach domowych, co jest szczególnie istotne w przypadku chorób przewlekłych wymagających ciągłej obserwacji. Mimo to, na rynku wciąż nie ma dostępnych urządzeń, które mogłyby działa w trybie przy łóżku pacjenta (PoC – Point of Care). Analiza LZO, w szczególności aldehydów, staje się kluczowym narzędziem w nowoczesnej medycynie, oferującym nieinwazyjne, szybkie oraz precyzyjne metody diagnostyczne, które mogą zrewolucjonizować opiekę zdrowotną i umożliwić wprowadzenie urządzeń komercyjnych.

Aldehydy (R-CHO) to grupa lotnych związków organicznych (LZO), które łatwo parują, dlatego są powszechnie obecne w powietrzu atmosferycznym. Jest to spowodowane ich charakterystycznymi właściwościami, jakimi są niska temperatura wrzenia oraz wysoka prężność pary. Wśród aldehydów wyróżnić można zarówno związki alifatyczne, jak i aromatyczne, a także ich pochodne zawierające atom tlenu, czy też halogeny. W środowisku, aldehydy mogą powstawać w wyniku różnorakich procesów przemysłowych, fermentacji żywności, czy dojrzewania owoców, co tłumaczy ich szeroką obecność w powietrzu. Szczególnie groźnymi okazać się mogą aldehydy małocząsteczkowe, które z łatwością przenikają do powietrza, przyczyniając się do jego zanieczyszczenia. Najbardziej lotnymi i rozpowszechnionymi aldehydami w atmosferze są formaldehyd (HCHO) oraz acetaldehyd (CH3CHO). Ze względu na swoje właściwości chemiczne mogą one stanowić istotne zagrożenie dla zdrowia, zwłaszcza w zamkniętych pomieszczeniach, gdzie ich stężenie bywa szczególnie wysokie. Wdychanie zbyt dużych ilości formaldehydu może wywoływać ostre reakcje ze strony układu oddechowego, ośrodkowego układu nerwowego, a także skóry i oczu. Długotrwała ekspozycja na ten związek jest szczególnie niebezpieczna dla funkcjonowania płuc, co może prowadzić do przewlekłych problemów oddechowych. Ponadto badania wskazują, że istnieją dowody na jego rakotwórcze działanie, co sprawia, że jego obecność w powietrzu stanowi istotne zagrożenie zdrowotne [1].

Oprócz tego, lotne aldehydy zostały sklasyfikowane jako biomarkery wielu chorób w tym nowotworów i mogą być wykrywane w próbkach wydychanego powietrza pacjentów [2]. To odkrycie przyczyniło się do intensywnych badań nad nieinwazyjnymi metodami diagnostyki chorób poprzez analizę oddechu. Aldehydy zaliczane są również do potencjalnych markerów chorób układu oddechowego oraz zaburzeń metabolizmu. Związki te, również występują w zwiększonej ilości podczas utleniania tłuszczy, co daje możliwość określenia stopnia degradacji owego kwasu tłuszczowego po oznaczeniu wyprodukowanych aldehydów. Nie są to jednak jedyne lotne związki obecne w wydychanym przez człowieka powietrzu, bo jest ich ponad 870 [3]. Związki te produkowane są w procesach metabolicznych, dostają się do płuc z krwią, a następnie są wydychane i mogą potencjalnie utrudniać detekcję aldehydów w próbkach gazowych. Do takich związków, które jednocześnie mogą być biomarkerami innych chorób, obecnymi w wydychanym powietrzu należą m.in. etan, pentan, metanol, etanol czy też aceton.

Poniżej zestawiono przykładowe biomarkery (Tabela 1), które mogą być obecne w wydychanym powietrzu i prawdopodobnie staną się potencjalnymi wskaźnikami diagnostycznymi. Ich analiza może umożliwić wczesne wykrywanie oraz monitorowanie różnych schorzeń, co podkreśla znaczenie badań nad zastosowaniem nieinwazyjnych metod diagnostycznych opartych na analizie składu chemicznego wydychanego powietrza.

Obecnie bardzo popularną nieinwazyjną metodą identyfikacji aldehydów w próbkach oddechu jest chromatografia gazowa sprzężona ze spektrometrią mas (GC-MS). Metoda ta należy do dosyć uniwersalnych, jednak ma swoje liczne wady, takie jak brak mobilności, konieczność specjalistycznej obsługi, długi czas oraz wysoki koszt wykonania pomiaru. Wymienione powyżej wady tej metody utrudnia zastosowanie jej w punktach opieki i przy łóżku pacjenta (Point-of-Care – PoC). Wymaga ona również okresowej kalibracji i serwisowania sprzętu. Z tego względu inna metoda jaką jest wielokapilarna spektometria mas ruchliwości jonów (MCC-IMS), która charakteryzuje się tym, że jest bardziej przenośna, stosowana jest do wykrywania aldehydów w środowisku klinicznym. Metody takie jak spektrometria mas z jonizacją w strumieniu wybranych jonów (SIFT-MS), czy też spektometria mas z analizatorem czasu przelotu (TOF-MS) pozwalają na szybkie pomiary w czasie rzeczywistym aldehydów znajdujących się w wydychanym powietrzu. W dodatku SIFT-MS jest wydajniejszą metodą do analizy ilościowej niż GC-MS. Z kolei Spektrometria masowa z reakcją przeniesienia protonu (PTR-MS) cieszy się popularnością ze względu na brak potrzeby wcześniejszego przygotowania próbki, szybki czas analizy, dużą czułość oraz małe objętości próbek niezbędnych do wykonania analiz.

W celu detekcji aldehydów jako potencjalnych biomarkerów oddechu, są opracowywane również różnego rodzaju czujniki oraz bioczujniki. Czujniki gazu to urządzenia służące do detekcji gazów w otoczeniu, które przekształcają zmierzone wartości stężenia w sygnały elektryczne proporcjonalne do ich ilości. Wśród różnych typów czujników gazu, takich jak czujniki elektrochemiczne, masowe, półprzewodnikowe czujniki gazu na bazie tlenków metali (Metal-Oxide Semiconductor – MOS) oraz czujniki w podczerwieni, to właśnie czujniki MOS zyskały szczególną popularność. Do ich zalet należą niski koszt, szybki czas reakcji, prostota produkcji oraz długa żywotność. Czujniki MOS można podzielić na rezystancyjne i nierezystancyjne, przy czym modele rezystancyjne opierają się na zmianach przewodnictwa powierzchniowego lub objętościowego. Przykładami takich czujników są urządzenia oparte na SnO₂, ZnO i In₂O₃. Dzięki stabilności, prostocie przygotowania i kompatybilności z nowoczesną elektroniką, rezystancyjne czujniki MOS są szeroko stosowane w monitorowaniu jakości powietrza, wykrywaniu gazów toksycznych, łatwopalnych oraz wybuchowych. Umożliwiają one również wstępną diagnozę różnego rodzaju chorób u pacjentów. Charakteryzują się wysoką czułością na poziomie ppb. Trwają intensywne prace w celu opracowania czujników na bazie nanomateriałów, np. nanodrutów i tlenku cyny do oznaczania aldehydów umożliwiających detekcję na poziomie kilkuset ppb. Jednak wciąż potrzebują one dalszych optymalizacji, ponieważ wydychane w ludzkim powietrzu aldehydy są obecne na poziomach stężeń rzędu kilku ppb [5]. Jednym z minusów jednak jest fakt, że przez dużą ilość wydychanych związków lotnych, zachodzą między nimi reakcje krzyżowe i czujniki te potrzebują dalszych modyfikacji. W ciągu ostatnich lat popularne stały się urządzenia złożone z matrycy czujników, tj. elektroniczne nosy z ang. (Electronic Nose – EN), czasami nazywane sztucznymi nosami, które mają potencjał aplikacyjny do uzupełnienia obecnych technik diagnostycznych, zwłaszcza w trybie PoC. Czujniki do pomiaru składu oddechu charakteryzują się łatwością obsługi, małym rozmiarem, a także niskimi kosztami oraz dużą mobilnością. Ponadto krótki czas detekcji oraz bezpośrednie otrzymywanie wyników sprawiają, że tego typu urządzenia są atrakcyjne w spersonalizowanych badaniach przesiewowych, diagnostyce i monitoringu stanów chorobowych.

Analizę gazów wydychanych za pomocą czujników można przeprowadzić na dwa różne sposoby. W pierwszym przypadku stosuje się podejście celowane, wykorzystując mechanizm selektywny. Cel rozpoznawany jest przez selektywny czujnik chemiczny, przeznaczony do pomiaru pojedynczego związku w złożonej mieszaninie, oparty na mechanizmie zamek oraz klucz. Takie selektywne czujniki opracowano m.in. dla takich związków jak NO, NH₃, HCHO, H₂S i CH₃SH.

Z drugiej strony możliwe jest również wykrycie unikalnego wzorca (tzw. odcisk palca) próbki, a nie pojedynczego wydychanego związku. Układ złożony jest z odpowiednio dobranych czujników, które reagują na wszystkie/dużą część składników złożonej mieszaniny. Ze względu na swoją różnorodność każdy pojedynczy czujnik w układzie reaguje w innym stopniu na dany związek w mieszaninie w zależności od jego stężenia. Warto zauważyć, że nawet techniki analityczne, np. GC-MS, są stopniowo wykorzystywane do analizy całkowitych wzorców LZO, zamiast skupiać się na pojedynczym biomarkerze. Porównanie omówionych powyżej metod, uwzględniające zarówno ich kluczowe zalety, jak i liczne ograniczenia, przedstawiono w poniższej Tabeli 2.

Wdychane przez człowieka powietrze zawiera głównie azot [78%], tlen [21%], argon [<1%], dwutlenek węgla [0,04%], wodór [0,5%] i parę wodną, skład wdychanego powietrza przedstawiony został na Rysunku 1A. Poza tym zawiera nieorganiczne związki lotne, tj. tlenek azotu, amoniak, tlenek węgla, siarkowodór oraz śladowe ilości organicznych związków lotnych, takich jak aceton, etanol, izopren, etan, czy też metan. Wdychane powietrze trafia do pęcherzyków płucnych, gdzie usuwane produkty przemiany materii przedostają się do powietrza, które jest następnie są wydalane. LZO powstają w wyniku procesów chorobowych, które zmieniają normalne szlaki fizjologiczne i metaboliczne [6]. Wydychane powietrze (jego skład przedstawiono na Rysunku 1B), dlatego musi nosić znacznik procesu metabolicznego zachodzącego endogennie, przez co jest bogatym źródłem diagnostyki chorób i monitorowania stanu zdrowia. Wydychane powietrze względem powietrza atmosferycznego będzie zawierało wyższe stężenia niektórych LZO, zwłaszcza u osób chorych, co może umożliwić szybką i skuteczną diagnozę z wykorzystaniem odpowiednich technik analitycznych.

Zdrowy człowiek wydycha około 500 ml powietrza w jednym cyklu wdech/oddech, z czego 150 ml to powietrze martwe, pochodzące z górnych dróg oddechowych i nie powoduje to wymiany związków lotnych z krwią i dlatego działa jedynie jako rozcieńczalnik. Niektóre LZO znajdujące się w wydychanym powietrzu ma częściowe pochodzenie egzogenne i zależy od ich stężenia w otoczeniu, czasu ekspozycji, rozpuszczalności i współczynnika podziału, masy oraz zawartości tłuszczu w organizmie. Również higiena jamy ustnej jest istotnym problemem dla wielu osób. Dodatkowo, bardzo trudno jest wykryć konkretny LZO o bardzo niskim stężeniu (poziomy rzędu ppb) spośród setek innych. Ponadto, wiek, płeć, nawyki żywieniowe i ciąża w przypadku kobiet wpływają na skład oddechu. Pomimo tych wszystkich wyzwań, analiza oddechu jest znacznie mniej inwazyjna, niż badanie krwi, dlatego w ostatnim czasie przyciągnęła uwagę wielu zespołów badawczych.

Endogenne alkenale, hydroksyalkenale i dialdehydowe produkty peroksydacji lipidów mają tendencję do pojawiania się w zwiększonym stężeniu u pacjentów chorych na raka płuc. LPO to proces, w którym wielonienasycone kwasy tłuszczowe ulegają peroksydacji przez wolne rodniki, a produktami reakcji mogą być aldehydy. U pacjentów z chorobą Wilsona, hemochromatozą związaną z rakiem wątroby, rakiem wieku dziecięcego, alkoholową chorobą wątroby, paleniem tytoniu, stresem oksydacyjnym, cukrzycą i miażdżycą tętnic, stwierdza się tendencję do zwiększonego poziomu aldehydów we krwi oraz w wydychanym powietrzu. Zaburzenia metaboliczne lub genetyczne w syntezie, a także metabolizmie aldehydów, takich jak glioksal, metyloglioksal, formaldehyd mogą prowadzić do cukrzycy, nadciśnienia, niedokrwienia mózgu, choroby Alzheimera i choroby Parkinsona, stwardnienia zanikowego bocznego lub encefalopatii Wernickego, a także raka płuc. Jeśli wzrasta stężenie takich aldehydów we krwi i moczu, wzrośnie również ich stężenie w wydychanym powietrzu. Poniżej (Tabela 3) przedstawiono przykłady aldehydów, które w zbyt wysokim stężeniu mogą świadczyć o wystąpieniu choroby.

Do metod pobierania wydychanego powietrza należą zbieranie próbek oddechu za pomocą urządzenia "Mistral", które umożliwia kontrolowane i standaryzowane pobieranie próbek, co jest szczególnie ważne w badaniach klinicznych. Innym rozwiązaniem jest wykorzystanie urządzeń typu Spironos, które pozwalają na zbieranie próbek powietrza w sposób nieinwazyjny i precyzyjny. Alternatywnie, próbki oddechu mogą być pobierane za pomocą próbnika ReCIVA (Respiration Collector for In Vitro Analysis), który umożliwia selektywne zbieranie próbek w oparciu o fazę oddechu (np. wdech lub wydech).

Dodatkowo, możliwe jest zbieranie kondensatów wydychanego powietrza przy użyciu urządzeń typu R-tubes, które skraplają parę wodną wraz z LZO. Kolejną popularną metodą jest zbieranie próbekoddechu do worków polimerowych, np. typu Tedlar®. Worki te są szeroko stosowane ze względu na ich obojętność chemiczną, umiarkowaną cenęi możliwość wielokrotnego użycia. Obecnie worki typu Tedlar® są jednym z najpopularniejszych i powszechnie akceptowanych narzędzi do pobierania próbek gazowych. Jest to spowodowane ich umiarkowaną ceną, obojętnością chemiczną, stosunkowo dobrą trwałością i możliwością wielokrotnego użycia. Prowadzono badania nad stabilnością próbek oddechu w workach tego typu, przez mierzenie ich ilości w workach po 10 i 70 godzinach z wykorzystaniem PTR-MS (Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry), które wykazały, że LZO pozostają w nich w około 80% po 10 godzinach przechowywania. Można stwierdzić, że analizy prowadzone do 10 godzin od pobrania próbek będą wiarygodne. Jednakże te badania również wykazały, że zachodzi rozkład wykładniczy związków po 70 godzinach przechowywania. LZO pozostające w workach były w zbyt niskich procentach, aby mogły być używane do badań. Najprawdopodobniej poprzez dyfuzję przez ścianki worków. Dodatkowo, zostało także udowodnione, iż zbyt długie przechowywanie próbek oddechu zwiększa ilość zanieczyszczeń w workach, potwierdzając teorię o dyfuzji związków [8]. Zniwelowanie tego efektu może być osiągnięte przez konstrukcję opakowania polimerowego o grubszym filmie lub o zwiększonej ilości powłok. W praktyce, tego typu worki zapewniają akceptowalne właściwości przechowywania próbek, pod warunkiem zastosowania technik odpowiedniej staranności podczas pobierania i dozowania próbek.

Inne metody pobierania próbek oddechu obejmują również wykorzystanie rurek sorpcyjnych (np. z węglem aktywnym lub Tenaxem), które absorbują LZO z wydychanego powietrza, a następnie są analizowane w laboratorium za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas (GC-MS). Ponadto, coraz większą popularność zyskują przenośne analizatory oddechu, które pozwalają na szybką i nieinwazyjną diagnostykę w warunkach klinicznych lub domowych. Istnieje również możliwość bezpośredniej analizy oddechu za pomocą przenośnych urządzeń, wyposażonych w czujniki chemiczne, które pozwalają na natychmiastowe uzyskanie wyników bez konieczności przechowywania próbek.

Spironos® jest urządzeniem pozwalającym na analizę związków z oddechu w czasie rzeczywistym. Urządzenie to jest podłączone do serwera “BreathBase”, w którym podczas jednej minuty od pobrania próbki oddechu pacjenta jest w stanie porównać otrzymane wyniki z próbki z wynikami międzynarodowej bazy danych. Dzięki tak szybkiej analizie, można przedstawić wstępną diagnozę odnośnie np. raka płuc. Każdy z czujników w tym urządzeniu reaguje z różną czułością na dany LZO oraz wszystkie sygnały od razu są przetwarzane przez platformę “BreathBase”. Spironos® jest również łatwy w przenoszeniu pomiędzy laboratoriami czy klinikami, co daje możliwość nie tylko łatwej analizy, ale także możliwość optymalizacji sprzętu, zwiększonej elastyczności badań.

Metoda używająca R-tubes została zaprojektowana, aby zmaksymalizować pobieranie próbki w jak najkrótszym czasie. Wydychane powietrze jest kierowane przez unikalny jednokierunkowy zawór do schłodzonej komory zbierania, gdzie pary, aerozole i wilgoć z oddechu kondensują się na zabezpieczonych wewnętrznych ścianach R-Tube.

Jednokierunkowy zawór jest następnie używany jako tłok, który zbiera krople przyklejone do wewnętrznej ściany i utrzymuje próbkę w górnej części R-Tube. Pacjent jedynie pobiera powietrze z otoczenia przez ustnik, to powietrze płynie do płuc i oddech przelatuje przez zimny kondensator. Po wyznaczonym czasie oddychania przez R-tube, pacjent jedynie zamyka specjalne otwory kondensatora i próbka jest gotowa do analizy. Prostota i elastyczność tego urządzenia daje potencjał do opracowania szybkich testów diagnostycznych.

Równolegle rozwijane są nowe techniki analityczne wykorzystujące spektrometrię mas, której celem jest wykrywanie śladowych poziomów stężeń związków w oddechu w czasie rzeczywistym. Ta technika nosi nazwę spektrometrii mas z wtórną jonizacją poprzez elektrorozpraszanie (SESI-MS) i w kontekście klinicznym wykazuje potencjał do diagnozowania infekcji bakteryjnych poprzez analizę charakterystycznych emitowanych związków lotnych. Na Rysunku 2 znajdującym się poniżej przedstawiono przykładowe urządzenia oraz metody pobierania wydychanego powietrza od pacjenta.

Duża liczba zgonów spowodowanych chorobami wieloczynnikowymi takimi jak nowotwory, choroby układu oddechowego, wynika głównie z późnej diagnozy, co skutecznie ogranicza możliwości leczenie [9]. Niezwykle istotne, dlatego jest zaprojektowanie urządzeń typu elektroniczny nos, które mają potencjał stać się prostymi i łatwo dostępnymi urządzeniami, które mogą rozwiązać powszechne problemy z regularnymi badaniami diagnostycznymi. Zanim analiza wydychanego powietrza przy użyciu EN stanie się powszechnie stosowaną metodą diagnostyczną, konieczne jest rozwiązanie licznych wyzwań, a niektóre z nich opisane zostały poniżej. Niska cena, czułość, łatwość obsługi, szybka reakcja, niezawodność i dostępność to podstawowe czynniki podczas oceny testów diagnostycznych wszelkich chorób [10]. Bioczujniki zawarte w projektowanych EN powinny spełniać powyżej wymienione cechy, żeby mogły zostać rozpowszechnione. Bioczujniki są jednym z rodzajów czujników chemicznych, które mogą wykrywać anality przez warstwę bioreceptorową. W przypadku bioczujników można wyróżnić podział na enzymatyczne i nieenzymatyczne. Każdy bioczujnik składa się z aktywnej warstwy receptorowej, elementu przetwornikowego, który jest odpowiedzialny za wykrywanie i oznaczanie badanej substancji chemicznej oraz systemu elektronicznego obejmującego wzmacniacz sygnału, procesor i wyświetlacz. Materiał biologiczny mający być wykryty zostaje osadzony na matrycy lub przetworniku, aby części składowe bioczujnika miały jak najbliższy z nim kontakt.

Oddziaływanie analitów z warstwą receptorową można obserwować poprzez przewodnictwo prądu, emisję promieniowania, wydzielanie ciepła czy zmiana masy. Różne typy przetworników, będą przekształcać wytworzony sygnał analityczny do końcowego w różny sposób, na przykład na sygnał prądowy, zmianę temperatury, czy absorpcję promieniowania. To oddziaływanie jest mierzone, generując sygnał proporcjonalny do obecności konkretnego analitu w próbce. Głównym celem projektowania bioczujników jest ułatwienie szybkiego testowania w miejscu, gdzie pobrano próbkę.

Ze względu na wykorzystywany materiał biologiczny, przykładowo enzymy, białka, fragmenty tkanek, czy też kwasy nukleinowe, bioczujniki dzieli się na komórkowe i molekularne. Bioczujniki komórkowe charakteryzują się niskim kosztem, możliwością modyfikacji i mobilnością, za to bioczujniki molekularne posiadają wysoką czułość pomiaru. Do konstrukcji przeważnie używany jest krzem. Sposób konstrukcji i użyte materiały są czynnikami, od których uzależnione są parametry metrologiczne bioczujnika.

Innym sposobem podziału bioczujników jest rodzaj oddziaływania warstwy rozpoznającej z analitem. Można tu znaleźć bioczujniki katalityczne oraz bioczujniki powinowactwa. W bioczujnikach katalitycznych warstwa receptorowa bierze udział w reakcji chemicznej, w której powstaje produkt lub zanika substrat i to powoduje zmianę sygnału mierzonego w układzie. Przykładowe elementy biologiczne, które mogą być wykorzystywane jako aptamery to enzymy, tkanki, organelle komórkowe, czy komórki bakterii i inne. Natomiast bioczujniki powinowactwa selektywnie wiążą analit przez warstwę receptorową, co skutkuje powstaniem stabilnych kompleksów. Najpopularniejszymi cząsteczkami, które będą wykorzystywane jako elementy receptorowe to przeciwciała.

Jest też możliwa klasyfikacja bioczujników na podstawie używanego przetwornika. W tej kategorii można wyróżnić bioczujniki temperaturowe, masowe, elektrochemiczne oraz optyczne. Przykładowymi przetwornikami wykorzystywanymi przy budowie sztucznych nosów są:

• czujniki półprzewodnikowe na bazie tlenków metali (Metal Oxide Semiconductor, MOS),
• czujniki przewodnościowe z warstwą chemoczułą z polimerów przewodzących
• (Conducting Polymer, CP),
• czujniki gazów typu mikrowaga kwarcowa (Quartz Crystal Microbalance, QCM),
• czujniki z powierzchniową falą akustyczną (Surface Acoustic Wave, SAW),
• czujniki optyczne pracujące w widmie podczerwieni (NonDispersive),
• InfraRed oraz fotojonizacyjne (PhotoIonisation Detector, PID).

Bioczujniki półprzewodnikowe typu MOS składają się z ceramicznego substratu, zatopionej w nim grzałki i filmu z półprzewodnikowego tlenku metalu o różnej grubości nano- do mikrometrycznej. W zależności od zastosowanego materiału półprzewodnikowego, bioczujnik odpowiada na substancje o różnej aktywności redoks. Zwiększenie reaktywności z tymi substancjami otrzymuje się dzięki prowadzeniu pomiaru w podwyższonej temperaturze, powodującej wzrost bądź spadek ilości elektronów w paśmie przewodnictwa półprzewodnika.

Działanie czujników z warstwą polimeru przewodzącego (CP) wykorzystuje, podobnie jak w czujnikach typu MOS, pomiar zmiany rezystancji warstwy chemoczułej spowodowanej przez adsorpcję gazów. Czujniki te składają się z substratu (np. krzem), pary elektrod i filmu z przewodzącego polimeru. Przykładanie różnicy potencjału do wastwy tych materiałów powoduje przepływ prądu, którego wielkość zmienia się wraz z ilością związków lotnych zaadsorbowanych na powierzchni. Czujniki CP wykazują odporność na zatrucie, niską temperaturę pracy oraz zazwyczaj stosunkowo wysoką czułość, jednak są wrażliwe na wilgotność. Ich krótki czas życia, wysoki koszt produkcji oraz mniejsza powtarzalność, sprawiają, że są one używane rzadziej niż czujniki MOS.

Czujniki piezoelektryczne (SAW, QCM), wykorzystujące zjawisko piezoelektryczności, należą do grupy czujników masowych. Podstawową częścią tych bioczujników są piezoelektryczne dyski kwarcowe pokryte materiałami o zróżnicowanym powinowactwie chemicznym do różnych klas związków. Przykładanie zmiennego potencjału do piezoelektrycznego dysku powoduje jego drganie, przy czym częstotliwość drgań jest ściśle określona i stała. Pod wpływem adsorpcji związków lotnych następuje zmiana częstotliwości drgań kryształu. Bioczujniki piezoelektryczne mogą być pokrywane różnorodnymi materiałami, dzięki czemu możliwe jest ścisłe kontrolowanie ich selektywności. Choć wykazują duży wpływ zmian wilgotności i temperatury na sygnał a ich technologia wytwarzania powoduje ich niewystarczającą powtarzalność, bioczujniki QCM i SAW wchodzą w skład matryc wielu elektronicznych nosów [11].

Czujniki pracujące w widmie podczerwieni opierają się na absorpcji promieniowania z czerwonego widma przez cząsteczki gazów. Takie czujniki składają się ze źródła promieniowania, specjalnego filtru optycznego oraz detektora. Analizowany gaz, który jest wpuszczany do komory pomiarowej, absorbuje promieniowanie o specyficznej długości fali. W zależności od rodzaju wiązania chemicznego, absorpcja promieniowania w średniej podczerwieni, przechodzącego przez próbkę gazu, powoduje rezonans jego cząsteczek z charakterystyczną częstotliwością. Przez to, ilość promieniowania docierającego do detektora spada, jest za to przekształcane na sygnał elektryczny. Gazy docelowe mają swoją specyficzną energię do absorpcji światła podczerwonego, dzięki czemu czujniki mają wysoką selektywność. Kolejny typ czujnika optycznego, fotojonizacyjny, działa na podstawie rozpadu cząstek związków chemicznych (jonizacji). W tych czujnikach, proces jonizacji zachodzi pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego o odpowiednio dobranej energii fotonów. Głównie wykorzystuje się te czujniki do wykrywania lotnych związków organicznych takich m.in naftalen, amoniak, formaldehyd czy etylobenzen. Pobudzony poprzez działanie zewnętrznego pola elektromagnetycznego gaz, wypełniający lampę, emituje promieniowanie o określonej długości fali. To energia emitowanych fotonów jest czynnikiem określającym możliwości zastosowania lampy do wykrywania różnych związków chemicznych. Jonizowane są tylko te gazy, których energia jonizacji jest niższa niż energia fotonu emitowanego przez lampę. Jony są wtedy kierowane do dwóch spolaryzowanych elektrod. W polu elektrycznym pomiędzy elektrodami jony poruszają się między nimi powodując przepływ prądu, który jest zamieniany na sygnał elektryczny i dalej analizowany [12].

Elementy receptorowe, które są wykorzystywane w czujnikach to np.: aptamery, czy polimery z nadrukiem molekularnym (MIPs - Molecularly Imprinted Polymers). Te ostatnie z wymienionych to polimery, są poddawane procesowi znakowania molekularnego (MIT- Molecular Imprinting Technique), co skutkuje powstaniem w strukturze polimerowej zagłębień, które wykazują określone powinowactwo do wybranych związków wzorcowych, wobec których były projektowane. Zwykle proces ten polega na rozpoczęciu polimeryzacji monomerów w obecności związków wzorcowych, które są później usuwane, pozostawiając komplementarne zagłębienia. W rezultacie te polimery wykazują wyraźne powinowactwo do pierwotnych molekułów. Wiązania między MIPami, a metabolitami zapewniają wiązania niekowalencyjne, półkowalencyjne i kowalencyjne. Potencjalne występowanie niekowalencyjnych wiązań, w tym sił van der Waalsa, wiązań wodorowych i interakcji dipol-dipol jest uwzględniane przy projektowaniu MIPów.

Wiązania kowalencyjne zachodzą podczas tworzenia matrycy zawierającej polimer. Na etapie ekstrakcji, kowalencyjne wiązanie pomiędzy matrycą a monomerem musi zostać rozerwane. Wiązanie kowalencyjne zapewnia bardziej jednorodny rozkład i większą gęstość miejsc wiązania. Podczas ponownego wiązania szablonu, regulacja miejsc charakterystycznego rozpoznawania oraz wyższy współczynnik powinowactwa można wymienić jako zalety wiązań kowalencyjnych. Z drugiej strony bardziej agresywne rozpuszczalniki muszą być wykorzystane do ekstrakcji szablonu z matrycy polimerowej.

W tym przypadku, rozpuszczalnik może uszkodzić wiązania kowalencyjne. Aby usunąć szablon z matrycy, można zastosować różne metody, takie jak użycie specyficznego pH, temperatury, surfaktantów, odpowiednich elektrod lub ultradźwięków. Po procesie ekstrakcji niewielka część szablonu może pozostać w matrycy polimerowej. Zatem pozostałości cząsteczek matrycy mogą powodować problemy w procesie ponownego wiązania. W tym przypadku, analiza ilościowa może być utrudniona. Dlatego też wybór roztworu ekstrakcyjnego jest parametrem krytycznym dla wykonania czujnika na bazie MIP.

Wspólnym celem czujników opartych na MIPach jest dostarczenie na rynek prostych, szybkich i ekonomicznych metod identyfikacji i pomiaru związków chemicznych. Aby wykorzystać MIPy do budowy czujnika, konieczne jest połączenie ich z przetwornikiem zdolnym do określenia powinowactwa analitów do warstwy receptorowej. Specyficzne właściwości wiązania MIPów czynią je idealnymi materiałami do produkcji czujników. Zdolność MIPów do taniej i prostszej produkcji miejsc wiązania podobnych do przeciwciał/enzymów znacznie zwiększa użyteczność tej techniki jako istotnego postępu w badaniach medycznych i praktycznych zastosowaniach. Technika znakowania molekularnego wykazuje obiecujące perspektywy zastosowania w dziedzinie czujników gazowych, ponieważ nanomateriały i polimery znakowane molekularnie umożliwiają detekcję związków lotnych na niskich poziomach stężeń, co jest istotne w przypadku pomiarów lotnych biomarkerów. Poniżej zestawiono na jednym rysunku zbiorczym różne innowacyjne metody wykrywania LZO. (Rysunek 6) Znalazło się na nim bioczujnik działający na zasadzie mikroekstrakcji cienkowarstwowej na bazie papieru generującego parę, zdolny zarówno do czułej detekcji fluorescencji (A) [16] , wizualna metoda wykrywania gazów aldehydowych przy użyciu matrycy czujników kolorymetrycznych na bazie papieru pokrytego srebrem (B) [17], a także układ szeregowy czujników QCM (C) [18].

Aldehydy, jako lotne związki organiczne, odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych metodach analizy oddechu, które mogą zrewolucjonizować diagnostykę medyczną. Związki te są wskaźnikami różnych chorób, w tym nowotworów, cukrzycy, oraz chorób neurodegeneracyjnych. Ich obecność i stężenie mogą dostarczać cennych informacji na temat stanu zdrowia pacjenta. Rozwój mikro- i nanotechnologii prowadzi do miniaturyzacji czujników, umożliwiając tworzenie przenośnych, niewielkich urządzeń diagnostycznych, które mogą być używane w warunkach domowych lub w punktach opieki medycznej. Bioczujniki oparte na nanomateriałach stają się coraz bardziej czułe i selektywne, co pozwala na wykrywanie biomarkerów chorobowych na bardzo niskich poziomach stężeń.

Nowoczesne techniki, takie jak GC-MS czy IMS, umożliwiają dokładną detekcję aldehydów i jednocześnie opracowane są ich bardziej mobilne wersje, które mogą znaleźć zastosowanie w praktycznej diagnostyce chorób. W kontekście detekcji aldehydów, takich jak formaldehyd, acetaldehyd, czy aldehydy długołańcuchowe (nonanal, oktanal) które są ważnymi biomarkerami wielu chorób, w tym nowotworów i chorób płuc, rozwój czujników i bioczujników może umożliwić ich detekcję z odpowiednią czułością i selektywnością. Perspektywy obejmują opracowanie systemów czujnikowych opartych na nanomateriałach, takich jak tlenki metali, oraz bioczujników wykorzystujących enzymy, peptydy, białka receptorowe selektywne w stosunku do aldehydów. Matryce czujników, takie jak elektroniczne nosy, mogą być wykorzystane do jednoczesnego wykrywania wielu aldehydów, co może umożliwić kompleksową analizę próbek oddechu pacjentów.

Automatyzacja i analiza dużych zbiorów danych dzięki integracji czujników z systemami AI przyspieszy proces diagnostyczny i poprawi jego dokładność. Algorytmy AI mogą identyfikować subtelne zmiany w profilach zapachowych, które są niewykrywalne dla tradycyjnych metod przetwarzania danych, więcej na ten temat w naszym innym artykule – Nowa era w diagnostyce chorób: czy sztuczna inteligencja zastąpi lekarzy? W medycynie prewencyjnej czujniki i bioczujniki mogą być wykorzystane do ciągłego monitorowania stanu zdrowia, co może umożliwić wczesne wykrywanie chorób jeszcze przed pojawieniem się objawów klinicznych. Detekcja aldehydów w wydychanym powietrzu może stać się kluczowym narzędziem w profilaktyce chorób nowotworowych i układu oddechowego, oferując nowe możliwości w szybkiej i nieinwazyjnej diagnostyce.