Ο αέρας που εκπνέουμε περιέχει μόρια τα οποία προέρχονται από το αίμα μας και έχουν περάσει από τα πνευμόνια μας. Αυτά τα μόρια αντιστοιχούν στις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρο στα κύτταρα του σώματός μας· όταν νοσούμε, η χημική σύσταση του αέρα που εκπνέουμε είναι διαφορετική απ’ ό,τι όταν είμαστε υγιείς. Μια «γλυκιά» ανάσα είναι κατά κανόνα ένδειξη για διαβήτη και μπορεί να είναι αρκετή για να οδηγήσει έναν έμπειρο γιατρό στα ίχνη μιας σωστής διάγνωσης - χωρίς να χρειαστεί κάποια περαιτέρω εξέταση. Μέχρι στιγμής, ήταν πρακτικά αδύνατον να γίνουν διαγνώσεις με βάση τον αέρα που εκπνέει ο ασθενής, κι αυτό γιατί οι συσκευές μέτρησης ήταν πολύ εξειδικευμένες και μπορούσαν να εντοπίσουν μόνο μια ουσία, ή έστω πολύ λίγες. Αυτό που μας έλειπε ήταν ένα μηχάνημα που να μπορεί να εκτελεί πολλαπλές και λεπτομερείς μετρήσεις ταυτοχρόνως.

Φυσικοί και μηχανικοί του Πανεπιστημίου τού Κολοράντο έχουν κατασκευάσει μια συσκευή η οποία, σε λιγότερο από ένα λεπτό, μπορεί να αναλύσει μια σειρά ουσιών. Από μια εκπνοή και μόνο, η τεχνική αυτή μπορεί να αποκαλύψει την περιεκτικότητα του αέρα σε μια σειρά μορίων, τα οποία είναι βιολογικοί δείκτες κάποιων ασθενειών. Η «γλυκιά» ανάσα ενός διαβητικού οφείλεται στο ότι τα κύτταρα του σώματος, λόγω της έλλειψης σακχάρου, καταναλώνουν λίπος, κάτι που οδηγεί στο σχηματισμό αποβλήτων που περιέχουν ακετόνη, στην οποία οφείλεται αυτή η χαρακτηριστική μυρωδιά. Δεν είναι όμως μόνο ο διαβήτης που μπορεί να αποκαλυφθεί από τον αέρα της εκπνοής. Άσθμα, καρκίνος του πνεύμονα, καρδιαγγειακές παθήσεις, καθώς και μια σειρά άλλων ασθενειών αποκαλύπτονται επίσης από τα μη φυσιολογικά επίπεδα διαφόρων ουσιών.
Η συσκευή μπορεί, για παράδειγμα, να αποκαλύψει αυξημένες ποσότητες ακετόνης, που αποτελεί ένδειξη για διαβήτη, και ταυτόχρονα να μετρήσει αν ο αέρας της εκπνοής περιέχει μονοξείδιο του άνθρακα σε ποσότητες τέτοιες, που να αποκαλύπτουν ότι το εν λόγω άτομο πάσχει από άσθμα. Η μέτρηση μπορεί επίσης να δείξει αν ο ασθενής έχει, για παράδειγμα, έλλειψη βιταμίνης Ε, και γι’ αυτό εκπνέει αιθάνιο· ή ακόμη να δώσει στο γιατρό τη δυνατότητα να εξετάσει μια ασυνήθιστα υψηλή συγκέντρωση αμμωνίας, η οποία μπορεί να οφείλεται σε νεφρική πάθηση. Η μέθοδος δεν είναι μόνο γρήγορη και ευρείας χρήσης, είναι επίσης και πολύ ευαίσθητη, ώστε να μπορεί να ξεχωρίσει τα ισότοπα 12C και 13C του άνθρακα, κάτι που χρησιμεύει στη διάγνωση έλκους στομάχου.

Έμπνευση από νομπελίστα
Το νέο όργανο μέτρησης βασίζεται σε μια πολύ γνωστή μέθοδο ανάλυσης, τη φασματοσκοπία. Όταν φως από μια πηγή διοχετεύεται στον εκπνεόμενο αέρα, τότε ένα τμήμα του απορροφάται από τις χημικές ουσίες του αέρα. Κάθε στοιχείο ή ουσία έχει ένα εντελώς χαρακτηριστικό φάσμα απορρόφησης, κάτι που σημαίνει ότι απορροφά φως μέχρι ένα συγκεκριμένο βαθμό και σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Τα μόρια του εκπνεόμενου αέρα επηρεάζουν τη σύνθεση του φωτός που στέλνεται στο σωλήνα, με αποτέλεσμα η κατανομή του φωτός στα διάφορα μήκη κύματος να είναι διαφορετική όταν η φωτεινή ακτίνα ξαναβγαίνει από το σωλήνα. Για παράδειγμα, το λευκό ηλιακό φως είναι μια μείξη κόκκινου, πράσινου και μπλε φωτός, αλλά τα φύλλα των δέντρων απορροφούν κατά κύριο λόγο τα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο κόκκινο και μπλε φως. Αντίθετα, το πράσινο φως ως επί το πλείστον ανακλάται από τα φύλλα, γι’ αυτό και τα αντιλαμβανόμαστε ως πράσινα. Με την ίδια μέθοδο, μπορεί κανείς να ταυτοποιήσει διάφορες χημικές ουσίες, μετρώντας τα μήκη κύματος που απορροφούν. Αλλά για να είναι η μέθοδος αξιόπιστη και ευρείας εφαρμογής, θα πρέπει η συσκευή να μπορεί να αναλύει ταυτόχρονα πολλά και διαφορετικά μήκη κύματος, κάτι που μέχρι στιγμής ήταν πρακτικά αδύνατο.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου τού Κολοράντο βασίστηκαν σε μια τεχνική που ανακάλυψε ένας συνάδελφός τους, ο John L. Hall, για την οποία και κέρδισε Νόμπελ Φυσικής το 2005. Με αυτή την τεχνική καθίσταται δυνατή η ταυτόχρονη μέτρηση χιλιάδων διαφορετικών μηκών κύματος, τα οποία αποκλίνουν ελάχιστα μεταξύ τους. Αυτό εξασφαλίζει πολύ μεγάλη ακρίβεια, κι έτσι οι επιστήμονες μπορούν να ξεχωρίσουν τα διάφορα μόρια. Η ανάλυση, για παράδειγμα, του μονοξειδίου του άνθρακα είναι δύσκολη, επειδή απορροφά πολλά διαφορετικά μήκη κύματος, τα οποία όμως απορροφώνται επίσης από το διοξείδιο του άνθρακα. Υπάρχει όμως ένα μήκος κύματος που είναι μοναδικό για το μονοξείδιο του άνθρακα και είναι ακριβώς 1,5647 μικρόμετρα. Απαιτείται, δηλαδή, ασυνήθιστη ακρίβεια για το διαχωρισμό των δύο αερίων - αλλά με την καινούργια μέθοδο το πρόβλημα αυτό λύνεται. Οι επιστήμονες ασχολούνται τώρα με την περαιτέρω εξέλιξη αυτής της τεχνικής, ενώ η υπάρχουσα εκδοχή της συσκευής είναι έτοιμη για χρήση.

* ΣΕ ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟ 'SCIENCE ILLUSTRATED'