使用手机指南针测量对人类健康重要的化合物的微小浓度

几乎每部现代手机都有内置指南针或磁力计，可以检测地球磁场的方向，为导航提供关键信息。现在，美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的一组研究人员开发了一种技术，使用普通手机磁力计实现完全不同的目的——高精度测量葡萄糖(糖尿病的标志物)浓度。

同样的技术将磁力计与磁性材料结合使用，磁性材料旨在根据生物或环境线索改变其形状，可用于快速且廉价地测量许多其他生物医学特性，以监测或诊断人类疾病。 NIST 科学家加里·扎博 (Gary Zabow) 表示，该方法还具有检测环境毒素的潜力。

在他们的概念验证研究中，Zabow 和 NIST 研究员马克·费里斯 (Mark Ferris) 在手机上夹了一个小孔，其中包含待测试的溶液和一条水凝胶(一种浸入水中时会膨胀的多孔材料)。

研究人员在水凝胶中嵌入了微小的磁性颗粒，他们设计的水凝胶可以通过膨胀或收缩来对葡萄糖的存在或 pH 水平(酸度的测量)做出反应。 pH 值的变化可能与多种生物紊乱有关。

当水凝胶变大或收缩时，它们将磁性颗粒移近或远离手机的磁力计，从而检测到磁场强度的相应变化。采用这种策略，研究人员测量了小至百万分之几摩尔(物质中一定数量原子或分子的科学单位)的葡萄糖浓度。

虽然使用一滴血在家监测血糖水平不需要如此高的灵敏度，但将来可能可以对唾液中的葡萄糖进行常规检测，因为唾液中的糖浓度要低得多。

研究人员在《自然通讯》上报告了他们的发现。

Ferris 说，像 NIST 团队使用的工程水凝胶或“智能”水凝胶价格便宜且相对容易制造，并且可以定制以与医学研究人员可能想要测量的许多不同化合物发生反应。在他们的实验中，他和扎博堆叠了两种不同水凝胶的单层，每种水凝胶都会根据 pH 值或葡萄糖以不同的速率收缩和膨胀。

基于磁力计的智能手机传感的概念验证设计。全磁性水凝胶智能手机传感器平台的示意图，由固定夹、水凝胶执行器、带有容纳分析物溶液的孔的手机附件和智能手机组成。B连接到手机的原型传感器平台的照片。C T 形水凝胶致动器的示意图，具有沿水平长度的惰性区域和沿垂直长度的双层区域，由智能水凝胶(顶部，黄色)和嵌入 Nd 2的惰性水凝胶(底部，灰色)组成Fe 14 B 颗粒。在没有分析物的情况下，双层区域是平坦的，Nd 2 Fe 14 B 颗粒直接位于磁力计上方(左)，而在存在分析物的情况下，双层区域会卷曲，Nd 2 Fe 14 B 颗粒远离磁力计，从而减少了其观测值磁场。D水凝胶执行器在不存在分析物(左图，平坦)和存在分析物(右图，卷曲)的情况下的照片。 E – I水凝胶执行器随着时间的推移而卷曲，以响应分析物。为了清晰起见，图像显示了很大程度的卷曲，尽管大多数有用的信号变化发生在前几幅图中代表的卷曲中。图片来源：《自然通讯》(2024)。 DOI：10.1038/s41467-024-47073-2

这些双层放大了水凝胶的运动，使磁力计更容易跟踪磁场强度的变化。

由于该技术不需要手机以外的任何电子设备或电源，也不需要对样本进行任何特殊处理，因此它提供了一种廉价的测试方法——即使在资源相对较少的地方也是如此。

未来使用手机磁力计提高此类测量精度的努力可能会允许检测浓度低至几十纳摩尔的 DNA 链、特定蛋白质和组胺(参与人体免疫反应的化合物)。

这种改进可能会带来巨大的好处。例如，测量组胺(通常在尿液中检测到的浓度范围为 45 至 190 纳摩尔)通常需要 24 小时收集尿液并进行复杂的实验室分析。

费里斯说：“使用对纳摩尔浓度敏感的手机磁力计进行家庭测试将可以轻松完成测量。”扎博补充说，更一般地说，当只有少量物质可用于极稀量的测试时，提高灵敏度至关重要。

同样，该团队的研究表明，手机磁力计可以测量 pH 水平，其灵敏度与千美元的台式仪表相同，但成本仅为其一小部分。

家庭酿酒师或面包师可以使用磁力计快速测试各种液体的 pH 值，以完善他们的工艺，而环境科学家可以现场测量地下水样本的 pH 值，其精度比石蕊试纸提供的精度更高。

扎博说，为了使手机测量取得商业成功，工程师需要开发一种方法来批量生产水凝胶测试条并确保它们具有较长的保质期。他补充说，理想情况下，水凝胶条的设计应能够更快地对环境信号做出反应，以加快测量速度。

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