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小型气体传感装置:通过测试运动中呼出的气体实时地监测脂类分解

2019-12-27 03:05:56 字号:

科学家们建议想要减肥的要少吃多运动。耐力训练就是一种不错的方式,在这期间,身体不仅会燃烧糖等碳水化合物,还会燃烧脂肪。身体究竟在什么时间开始燃烧脂肪,现在可以通过分析血液或尿液中的生物标志物来确定。苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和瑞士苏黎世大学医院的科学家们开发出一种非常方便的方法,可以通过测试运动中呼出的气体实时地监测脂类分解。


ETH教授Sotiris Pratsinis研究团队中的博士后Andreas Güntner说:“身体在燃烧脂肪的时候会生成副产物,这些产物会进入血液。”在肺泡中,这些容易挥发的分子能够进入人体呼出的气体中。这些脂质代谢产物分子中最容易挥发的是丙酮。Güntner和他的同事们开发出一种小型气体传感装置,它能够测量这种物质的出现。这种比过去的同类更加敏感:它可以在数百万个分子中检测到单个的丙酮分子。它只测量丙酮分子,所以呼出的气体中其他800多种挥发成分都不会对测量结果产生影响。

小型气体传感装置:通过测试运动中呼出的气体实时地监测脂类分解

主要个体差异


该研究团队与苏黎世大学医院的肺部专家们合作,他们在志愿者们运动的时候对这种传感器的功能进行了测试。受测对象完成了一个半小时的自行车测试,期间有两次短暂休息。研究人员让受测者们向一个试管中吹气,这个试管与丙酮传感器相连。


Güntner说:“我们发现,不同个体呼出的气体中丙酮浓度差异非常大。”科学观念认为运动员只有在经过了一定时间的强体力活动并且达到特定心率的情况下才开始燃烧脂肪,但是这一观点已经过时了。测试结果表明,对于某些志愿者,只有当他们完成了这一个半小时的测试之后才开始脂肪分解作用,但是对于另一些志愿者,他们的脂肪燃烧则开始得非常快。


对比测试结果表明,这种新方法得到的结果与测量血液中β-羟丁酸浓度的方法所得到的结果非常一致。这种血液测试方法是目前监测脂类分解的标准方法。


与纳米颗粒的相互作用


科学家们开发的这种传感器使用了被特殊半导体纳米颗粒的多孔膜所涂覆的芯片。这些颗粒是三氧化钨,研究人员们向其植入了单个硅原子。


这个芯片的开发于7年前开始,ETH教授Pratsinis和同事们发现,如果三氧化钨的晶体结构以某种特殊形式排列的话,三氧化钨纳米颗粒就会与丙酮相互作用,以减少覆盖这种纳米颗粒的芯片的,而这是可以被测量的。


最初,他们想用这种芯片诊断糖尿病,因为未接受治疗的I型糖尿病患者呼出的气体中含有很高浓度的丙酮。然而,科学家们发现,这种传感器的灵敏度足以检测人们在运动过程中呼出气体中的非常低含量的丙酮。


研究中使用的芯片尺寸相当于1欧分硬币.研究人员们正在对测量技术进行优化,有望使其尺寸更小。他们的目标是为易于操作的设备提供芯片。Güntner说:“这将使运动员和想要减肥的普通人了解自己的身体什么时候开始消耗脂肪,以此来优化自己的训练项目。”


廉价,小巧,还灵敏


高度灵敏的丙酮检测方法已经可以通过其他设备实现,比如质谱仪,但是它是大型设备,需要花费几十万。研究人员在目前的研究中使用这些设备来验证他们的测试方法。便携的丙酮呼吸测试设备已经存在了,但是它们只能被使用一次,而且需要测试几分钟才能得到结果。Güntner说:“我们的技术的优势是便宜,可操作,而且灵敏度高,测试结果几乎是实时的。这使得它非常适合健身的人和节食的人日常使用。”


科学家们正在计划对该测试方法进一步优化,并使其最终上市。他们已经开发出了原型机。科学家们还在开发能够检测呼出气体中其他医学相关分子的空气传感器,包括测试肾功能的氨,测试胆固醇代谢的异戊二烯,以及能够检测肺癌的醛类。



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