PennState、糖尿病診断に新しいセンサ

September, 16, 2025, University Park--米国では、糖尿病を患っている成人 3,700 万人のうち 5 人に 1 人が、自分が糖尿病であることを知らない。糖尿病と前糖尿病を診断する現在の方法では、通常、診療所への訪問または検査室での作業が必要だが、どちらも費用と時間がかかる可能性がある。今や、糖尿病と前糖尿病の診断は呼吸と同じくらい簡単になるかもしれない。

ペンシルベニア州立大学（Penn State）の工学科学および力学のジェームズ・L・ヘンダーソン・ジュニア記念准教授であるHuanyu “Larry” Chengが率いる研究チームは、呼気サンプルだけで、糖尿病と前糖尿病を現場で数分で診断できるセンサを開発した。その結果はChemical Engineering Journalに掲載された。

これまでの診断方法では、血液や汗に含まれるブドウ糖がよく使われていたが、このセンサは呼気中のアセトンレベルを検出する。すべての人の呼気には脂肪燃焼の副産物としてアセトンが含まれているが、アセトンレベルが約1.8ppmの閾値を超えると糖尿病を示す。

「汗中のブドウ糖を検出できるセンサはある。しかし、これには運動、化学物質、サウナによって発汗を誘発する必要がある。これらは必ずしも実用的でも便利でもない」とChengは語っている。「このセンサは、バッグに息を吐き、センサを浸し、結果が得られるまで数分待つだけですむ。」

Chengによると、呼気分析センサは他にもあったが、実験室での分析が必要なバイオマーカーを検出した。アセトンは現場で検出および読み取りできるため、新しいセンサは費用対効果が高く便利になる。

バイオマーカーとしてアセトンを使用することに加えて、Chengは、センサのもう一つの目新しさは設計と材料、主にレーザ誘起グラフェンにあると話している。この材料を作成するために、CO2レーザを使用して、この研究のポリイミドフィルムなどの炭素含有材料を燃焼させ、センシングに望ましい大きな欠陥を持つパターン化された多孔質グラフェンを作成する。

「これは、パンをカーボンブラックにトーストするのと似ている。トーストしすぎると、出力や速度などのレーザパラメータを調整することで、ポリイミドを数層の多孔質グラフェンの形にトーストすることができる」（Cheng）。

研究チームがレーザ誘起グラフェンを使用したのは、多孔質が高く、ガスを通過させるためである。この品質は、息を吐くときに比較的高濃度の水分を含んでいるため、ガス分子を捕捉する可能性が高くなる。しかし、レーザ誘起グラフェン自体は、他のガスよりもアセトンを十分に選択しておらず、酸化亜鉛と組み合わせる必要があった。

「これら2つの材料の間に形成された接合部により、他の分子とは対照的にアセトンをより選択的に検出できるようになった」（Cheng）。

Chengによると、もう一つの課題は、センサ表面が水分子も吸収できることであり、呼吸は湿気が多いため、水分子がターゲットのアセトン分子と競合する可能性があることだ。これに対処するために、研究チームは、水を遮断するがアセトンが層に浸透できるようにする選択膜、つまり防湿層を導入した。

Cheungによると、現時点では、周囲環境の空気の流れなどの要因による干渉を避けるために、人がバッグに直接息を吸う必要がある。次のステップは、呼気の凝縮でガスを検出できるため、鼻の真下で使用したり、マスクの内側に取り付けたりできるようにセンサを改良することである。同氏はまた、アセトン検出呼気センサを使用して個人の健康への取り組みを最適化する方法も調査する予定だと話している。

「人がいつ、何を食べるかによって血糖値が変動するのと同じように、呼気中のアセトンレベルが食事や運動によってどのように変化するかをよりよく理解できれば、これを糖尿病の診断を超えた健康用途に活用する非常にエキサイティングな機会となる」（Cheng）。

米国国立衛生研究所と米国国立科学財団からの資金提供により、ペンシルベニア州立大学のこの研究への貢献が支援された。研究当時、ペンシルベニア州立大学工学科学力学部の客員研究員だったLi Yangが筆頭著者。資金と著者の完全なリストは、論文に記載されている。