Using Highly Sensitive Piezo Sensors in an Open System for the Diagnostic Analysis of Skin Volatile Substances

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A single sensor with a piezoelectric quartz transducer is considered a platform for simulating an “electronic nose” that performs the function of a sensor array. The analytical task was to detect volatile organic compounds, component-by-component, in biosamples at diagnostically relevant concentrations without selecting mixtures or any sample preparation. We confirmed the fundamental possibility of utilizing a single sensor for the separate detection (recognition) of vapors of organic compounds and various functional states of a body during a short contact (60–80 s) with skin, the most representative and constantly performing bioassay. Modifying the electrodes of bulk acoustic wave piezoelectric quartz resonators with 2–4 μg of the nanohydroxyapatite phase is an essential step in solving the problem. The newly calculated adsorption kinetic parameters can be used to detect biomarkers of many diseases with high reliability, including С3–С5 alcohols, ketones, linear and cyclic amines, acids, aldehydes, etc. The hydroxyapatite sensor can detect molecules pointing to problems with many organs, and any abnormalities in the functioning of the nervous and cardiovascular systems. It can also measure the body’s responses and compensatory mechanisms in relation to stress, hunger, and fatigue. The sensor has a potential as a simple diagnostic and monitoring tool for point-of-care diagnostics of both adults and children.

About the authors

T. A. Kuchmenko

Voronezh State University of Engineering Technology;
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: tak1907@mail.ru
394036, Voronezh, Russia; 119991, Moscow, Russia

D. A. Menzhulina

Burdenko State Medical University

Email: tak1907@mail.ru
394000, Voronezh, Russia

I. A. Murakhovskii

Voronezh State University of Engineering Technology

Author for correspondence.
Email: tak1907@mail.ru
394036, Voronezh, Russia

References

  1. Новикова Л.Б., Кучменко Т.А. Аналитические возможности систем искусственного обоняния и вкуса. Часть 1. Электронные носы // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. № 3. С. 236. https://doi.org/10.20914/2310-1202-2019-3-236-241
  2. https://hmdb.ca/metabolites/ (дата обращения 28.8.2022 г.).
  3. Deng Y., Sun J., Jin H., Khatib M., Li X., Wei Z., Wang F., Horev Y.D., Wu W., Haick H. Chemically modified polyaniline for the detection of volatile bio-markers of minimal sensitivity to humidity and bending // Adv Healthc. Mater. 2018. V. 7. № 15. Article e1800232.
  4. Steffens C., Leite F.L., Manzoli A., Sandovall R.D., Fatibello O., Herrmann P.S. Microcantilever sensors coated with a sensitive polyaniline layer for detecting volatile organic compounds // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. V. 14. № 9. P. 6718.
  5. Tao J., Wang X., Sun T., Cai H., Wang Y., Lin T., Fu D., Ting L.L., Gu Y., Zhao D. Hybrid photonic cavity with metal-organic framework coatings for the ultra-sensitive detection of volatile organic compounds with high immunity to humidity// Sci. Rep. 2017. V. 31. № 7 P. 41640.
  6. Khatoon Z., Fouad H., Alothman O.Y., Hashem M., Ansari Z.A., Ansari S.A. Doped SnO2 nanomaterials for E-nose based electrochemical sensing of biomarkers of lung cancer // ACS Omega. 2020. V. 5. № 42. P. 27645.
  7. Qu C., Wang S., Liu L., Bai Y., Li L., Sun F., Hao M., Li T., Lu Q., Li L., Qin S., Zhang T. Bioinspired flexible volatile organic compounds sensor based on dynamic surface wrinkling with dual-signal response // Small. 2019. V. 15. № 17. Article e1900216.
  8. Vishinkin R., Busool R., Mansour E., Fish F., Esmail A., Kumar P., Gharaa A., Cancilla J.C., Torrecilla J.S., Skenders G., Leja M., Dheda K., Singh S., Haick H. Profiles of volatile biomarkers detect tuberculosis from skin // Adv. Sci. 2021. V. 8. № 15. Article 2100235.
  9. Marchesi J.R., Holmes E., Khan F., Kochhar S., Scanlan P., Shanahan F., Wilson I.D., Wang Y. Rapid and noninvasive metabonomic characterization of inflammatory bowel disease // J. Proteome Res. 2007. V. 6. P. 546.
  10. Bain M.A., Faull R., Milne R.W., Evans A.M. Oral L-carnitine: Metabolite formation and hemodialysis // Curr. Drug Metab. 2006. V. 7. P. 811.
  11. Raman M., Ahmed I., GillevetP.M., Probert C.S., Rat-cliffe N.M., Smith S., Greenwood R. Fecal microbiome and volatile organic compound metabolome in obese humans with nonalcoholic fatty liver disease // Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2013. V. 11. P. 868.
  12. Azario I., Pievani A., Del Priore F., Antolini L., Santi L., Corsi A., Cardinale L. Neonatal umbilical cord blood transplantation halts skeletal disease progression in the murine model of MPS-I // Sci. Rep. 2017. V. 25. № 7. P. 73.
  13. Liebich H.M., Woll J. Serum volatile substances: Profile analysis and quantification // J. Chromatogr. 1977. V. 11. № 142. P. 505.
  14. Walton C., Fowler D.P., Turner C., Jia W., Whitehead R.N., Griffiths L., Dawson C., Waring R.H., Ramsden D.B., Cole J.A., Cauchi M., Bessant C., Hunter J.O. Analysis of volatile organic compounds of bacterial origin in chronic gastrointestinal diseases // Inflamm. Bowel Dis. 2013. V. 19. P. 2069.
  15. Берсенев В.А. Структура висцерокутанного сенситивного синдрома (патогенез зон Захарьина-Геда) // Журн. невропат. психиатр. 1979. Т. 79. № 7. С. 884.
  16. Лыжко Е.В. Численная модель анализа генерации тепла, кровотока и температуры в зонах Захарьина-Геда // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 11. С. 137.
  17. Соломянский А.Е. О кожно-температурных зонах Захарьина–Геда // Журн. невропат психиатр. 1974. Т. 74. № 7. С. 1020.
  18. https://meduniver.com/Medical/Anatom/503.html (дата обращения 29.8.2022 г.).
  19. Кучменко Т.А., Доровская Е.С., Менжулина Д.А., Умарханов Р.У. Патент № 2764964 РФ. Мобильное устройство на основе массива сенсоров для анализа биопроб малого объема. Заявка № 2021110885 от 16.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  20. Кучменко Т.А., Менжулина Д.А. Патент № 2764965 РФ. Одноканальный анализатор выделяемых кожей легколетучих биомолекул. Заявка № 2021110924 от 16.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  21. Кучменко Т.А., Мураховский И.А., Менжулина Д.А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2021662698, 03.08.2021. Программа “Health by smell of skin (HSMELLSOFT)” для фиксирования, расчета, представления и описания данных односенсорного гаджета. Заявка № 2021616688 от 29.04.2021. Опубл. 24.01.2022.
  22. Буланов Е.Н. Получение и исследование наноструктурированных биосовместимых материалов на основе гидроксиапатита. Нижний Новгород, 2012. 103 с.
  23. Кучменко Т.А., Умарханов Р.У., Менжулина Д.А. Биогидроксиапатит – новая фаза для селективного микровзвешивания паров органических соедине-ний – маркеров воспаления в носовой слизи телят и человека. Сообщение 1. Сорбция в модельных системах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 2. С. 142.
  24. Kuchmenko T.A., Lvova L.B. A Perspective on recent advances in piezoelectric chemical sensors for environmental monitoring and foodstuffs analysis // Chemosensors. 2019. V. 7. № 3. P. 39.
  25. Боченков В.Е., Сергеев Г.Б. Наноматериалы для сенсоров // Успехи химии. 2007. Т. 76. №. 11. С. 1084.
  26. Хатько В.В. Химические сенсоры на основе наноструктурированных материалов. Ч. 1. Газовые сенсоры (обзор) // Приборы и методы измерений. 2014. V. 2. № 9. С. 5.
  27. Wanping Aw, Shinji Fukuda. An integrated outlook on the metagenome and metabolome of intestinal diseases // Diseases. 2015. V. 3. № 4. P. 341.
  28. Кучменко Т.А., Бодренко Е.В., Анохина Е.П. Экспрессный способ анализа крепких спиртных напитков массивом пьезосенсоров “электронный нос” // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 3. С. 262.
  29. Кучменко Т.А., Доровская Е.С., Менжулина Д.А., Корнехо Туэрос Х.В., Санабриа Перез Э.А., Гевара Янки П.В., Уанка Вийянес Я.Д.П. Изучение сорбции и возможности идентификации легколетучих биомолекул в смеси по сигналам пьезосенсоров “электронного носа” на микросорбентах // Сорбционные и хроматографические процессы. 2022. Т. 22. № 1. С. 21.
  30. Kuchmenko T.A., Dorovskaya E.S., Umarkhanov R.U., Krylov V.V., Smetankina A.V., Menzhulina D.A., Bityukova V.V. Portable electronic nose system for fast gynecological-conditions diagnosis in consulting room: A case study // Sens. Actuators B: Chem. 2022. T. 358. Article 131538.
  31. Pennazza G., Santonico M., Bartolazzi A., Martinelli, Paolesse R., Di Natale C., Bono R., Tamburrelli V., Cristina S., D’Amico A. Melanoma volatile fingerprint with a gas sensor array: In vivo and in vitro study // Procedia Chemistry. 2009. V. 1. № 1. P. 995.
  32. Mochalski P., Leja M., Slefarska-Wolak D., Mezmale L., Patsko V., Ager C., Królicka A., Mayhew C. A., Shani G., Haick H. Identification of key volatile organic compounds released by gastric tissues as potential non-invasive biomarkers for gastric cancer // Diagnostics. 2023. V. 13. P. 335.
  33. Кучменко Т.А., Шуба А.А. Информативность выходных сигналов “электронного носа” на пьезосенсорах // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 2. С. 72.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (674KB)
3.

Download (208KB)
4.

Download (363KB)
5.

Download (212KB)
6.

Download (678KB)

Copyright (c) 2023 Т.А. Кучменко, Д.А. Менжулина, И.А. Мураховский

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies