UChicago คิดค้นอุปกรณ์ตรวจจับโรคจากลมหายใจ

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยชิคาโก (UChicago) คิดค้นอุปกรณ์ล้ำสมัย ตรวจจับสัญญาณโรคในอากาศ เทคโนโลยีแบบพกพาด้วยการวิเคราะห์โมเลกุลจากลมหายใจ

อุปกรณ์ใหม่ที่นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยชิคาโกคิดค้นขึ้นเพื่อตรวจจับโมเลกุลในตัวอย่างอากาศ

เทคโนโลยีนี้อาจนำไปใช้ในการวินิจฉัยโรคต่างๆ ได้หลากหลายในอนาคต Credit: Bozhi Tian

หากเคยนั่งรอที่คลินิกเพื่อเจาะเลือด บางคนอาจเคยคิดว่าคงจะดีไม่น้อยถ้าสามารถตรวจสุขภาพโดยไม่ต้องใช้เข็ม แม้จะมีความก้าวหน้าทางการแพทย์อย่างมากในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา แต่วิธีการวิเคราะห์โมเลกุลที่แม่นยำที่สุดยังคงต้องพึ่งพาตัวอย่างของเหลว เช่น เลือด อย่างไรก็ตาม งานวิจัยล่าสุดจากมหาวิทยาลัยชิคาโกอาจเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญ นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งได้พัฒนาอุปกรณ์ขนาดเล็กแบบพกพาซึ่งสามารถรวบรวมและตรวจจับโมเลกุลในอากาศได้สำเร็จ ถือเป็นความก้าวหน้าที่อาจเปลี่ยนโฉมวงการแพทย์และสาธารณสุข

นักวิจัยตั้งชื่อให้อุปกรณ์นี้ว่า ABLE (Airborne Biomarker Localization Engine) อุปกรณ์นี้สามารถตรวจหาไวรัสหรือแบคทีเรียในอากาศตามโรงพยาบาลหรือสถานที่สาธารณะได้ ทำให้ช่วยดูแลสุขภาพทารกแรกเกิด หรือแม้กระทั่งช่วยผู้ป่วยเบาหวานตรวจระดับน้ำตาลจากลมหายใจของตนเองได้ด้วยอุปกรณ์ที่มีขนาดเพียง 4 x 8 นิ้วเท่านั้น โดยผลงานวิจัยนี้ได้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม ในวารสาร Nature Chemical Engineering

ศาสตราจารย์ Bozhi Tian จากมหาวิทยาลัยชิคาโก หนึ่งในผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัย กล่าวว่า “โครงการนี้เป็นหนึ่งในงานวิจัยที่น่าตื่นเต้นที่สุดของเรา มันมีศักยภาพในการนำไปใช้จริงอย่างมาก เราดีใจที่ได้เห็นแนวคิดนี้เกิดขึ้นจริง”

นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบพื้นผิวที่มีหนามซิลิคอนขนาดเล็กมาก ซึ่งช่วยให้หยดน้ำก่อตัวขึ้นภายในอุปกรณ์เพื่ออ่านผลวิเคราะห์

หนามแต่ละอันที่แสดงในภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีขนาดประมาณ 1/200 ของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ Credit: Pengju Li

เปลี่ยนอากาศให้กลายเป็นของเหลว

หลายทศวรรษที่ผ่านมา การตรวจจับโมเลกุลในอากาศยังล้าหลังเมื่อเทียบกับการตรวจในของเหลว จึงยังต้องมีการเจาะเลือดเพื่อวินิจฉัยโรค และแม้แต่ชุดตรวจโควิด-19 ก็ยังต้องใช้ตัวอย่างน้ำลายหรือน้ำมูก

Jingcheng Ma ผู้เขียนหลักของงานวิจัยอธิบายว่า “เราสามารถใช้โทรศัพท์ถ่ายภาพหรือบันทึกเสียงได้ แต่เรายังไม่มีเทคโนโลยีลักษณะเดียวกันสำหรับดูเคมีในอากาศ”

หนึ่งในอุปสรรคใหญ่คือความเจือจาง เนื่องจากอนุภาคอย่างไวรัสอาจมีปริมาณน้อยมากในอากาศ ทำให้ตรวจจับได้ยาก อีกทั้งอุปกรณ์ตรวจจับที่มีอยู่มักมีขนาดใหญ่และราคาสูง ดังนั้นทีมวิจัยจาก UChicago จึงออกแบบระบบที่สามารถเปลี่ยนอากาศให้กลายเป็นของเหลวเพื่อการตรวจวิเคราะห์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น ระบบประกอบด้วยหลายส่วน เริ่มจากปั๊มดูดอากาศเข้าเครื่อง จากนั้นเพิ่มความชื้นโดยการเติมไอน้ำ แล้วใช้ระบบทำความเย็นเพื่อลดอุณหภูมิทำให้เกิดการควบแน่นของอากาศเป็นหยดน้ำ ซึ่งหยดน้ำเหล่านี้จะจับอนุภาคที่ต้องการตรวจสอบไว้ จากนั้นหยดน้ำจะไหลลงบนพื้นผิวชนิดพิเศษและถูกรวบรวมไว้ในภาชนะขนาดเล็ก เมื่อตัวอย่างอยู่ในรูปของเหลวแล้ว การตรวจวัดความเข้มข้นของโมเลกุลก็สามารถทำได้ด้วยเครื่องมือมาตรฐานที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ โดยในขณะสร้างอุปกรณ์นั้น ทีมงานยังไม่แน่ใจว่าจะสามารถจับโมเลกุลที่ระเหยง่ายได้หรือไม่ Ma จึงทดลองด้วยการเป่าละอองกาแฟเข้าไปในระบบ และเมื่อได้ของเหลวควบแน่นออกมา กลิ่นกาแฟที่ชัดเจนบ่งชี้ว่าการทดลองประสบความสำเร็จ ในการทดลองต่อมา ทีมวิจัยสามารถตรวจจับระดับน้ำตาลในลมหายใจ ตรวจจับแบคทีเรีย E. coli ในอากาศ และตรวจจับตัวบ่งชี้การอักเสบของหนูทดลองที่มีปัญหาลำไส้ได้สำเร็จ

ศักยภาพใหม่เพื่อการดูแลสุขภาพ

แรงบันดาลใจแรกเริ่มของโครงการนี้มาจากการเยี่ยมชมหน่วยดูแลทารกแรกเกิดวิกฤตที่โรงพยาบาลเด็ก Comer ของ UChicago ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยร่วมกับศูนย์ Center for the Science of Early Trajectories

ศาสตราจารย์ Erika Claud ผู้ก่อตั้งศูนย์และหัวหน้าภาควิชาทารกแรกเกิด กล่าวว่า “ทารกคลอดก่อนกำหนดคือกลุ่มผู้ป่วยที่เปราะบางที่สุด เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการตรวจหาตัวบ่งชี้ชีวภาพโดยไม่ต้องเจาะเลือด ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการดูแลทารกเหล่านี้ได้อย่างมาก”

นักวิจัยยังมองเห็นแนวทางการใช้งานอื่น ๆ อีกมาก แต่ยอมรับว่ายังมีความท้าทายอยู่ เนื่องจากการตรวจจับโมเลกุลในอากาศยังเป็นเรื่องใหม่ และแม้แต่นักวิทยาศาสตร์เองก็ยังไม่รู้ว่าจะต้องมองหาโมเลกุลใดบ้าง ปัจจุบัน ทีมวิจัยกำลังทำงานร่วมกับแพทย์ผู้เชี่ยวชาญด้านโรคลำไส้อักเสบ เพื่อพัฒนาเทคนิคตรวจวัดตัวบ่งชี้การอักเสบจากลมหายใจ ซึ่งต้องมีการเก็บข้อมูลเพิ่มเติมก่อนนำไปใช้งานจริง นอกจากนี้ ทีมงานยังตั้งเป้าลดขนาดอุปกรณ์ให้เล็กลงจนสามารถสวมใส่ได้ Ma ซึ่งเป็นวิศวกรเครื่องกลผู้เชี่ยวชาญด้านเทอร์โมฟลูอิดิกส์ กล่าวเสริมว่า เขารู้สึกตื่นเต้นกับศักยภาพในการค้นพบหลักฟิสิกส์ใหม่ ๆ จากกระบวนการนี้ นี่อาจเป็นจุดเริ่มต้นของสายงานวิจัยใหม่เกี่ยวกับอิทธิพลของสารปนเปื้อนในอากาศต่อพฤติกรรมการเปลี่ยนสถานะ ซึ่งอาจนำไปใช้ในหลายสาขา

ที่มา:

UChicago scientists invent breakthrough device to detect airborne signs of disease, https://www.eurekalert.org/news-releases/1084638 Airborne biomarker localization engine for open-air point-of-care detection, https://www.nature.com/articles/s44286-025-00223-9