幾乎每部現(xiàn)代手機(jī)都有內(nèi)置指南針或磁力計(jì)，可以檢測地球磁場的方向，為導(dǎo)航提供關(guān)鍵信息。現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 的一組研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，使用普通手機(jī)磁力計(jì)實(shí)現(xiàn)完全不同的目的——高精度測量葡萄糖(糖尿病的標(biāo)志物)濃度。

同樣的技術(shù)將磁力計(jì)與磁性材料結(jié)合使用，磁性材料旨在根據(jù)生物或環(huán)境線索改變其形狀，可用于快速且廉價地測量許多其他生物醫(yī)學(xué)特性，以監(jiān)測或診斷人類疾病。 NIST 科學(xué)家加里·扎博 (Gary Zabow) 表示，該方法還具有檢測環(huán)境毒素的潛力。

在他們的概念驗(yàn)證研究中，Zabow 和 NIST 研究員馬克·費(fèi)里斯 (Mark Ferris) 在手機(jī)上夾了一個小孔，其中包含待測試的溶液和一條水凝膠——一種浸入水中時會膨脹的多孔材料。研究人員在水凝膠中嵌入了微小的磁性顆粒，他們設(shè)計(jì)的水凝膠可以通過膨脹或收縮來對葡萄糖的存在或 pH 水平(酸度的測量)做出反應(yīng)。 pH 值的變化可能與多種生物紊亂有關(guān)。

當(dāng)水凝膠變大或收縮時，它們將磁性顆粒移近或遠(yuǎn)離手機(jī)的磁力計(jì)，從而檢測到磁場強(qiáng)度的相應(yīng)變化。采用這種策略，研究人員測量了小至百萬分之幾摩爾(物質(zhì)中一定數(shù)量原子或分子的科學(xué)單位)的葡萄糖濃度。雖然使用一滴血在家監(jiān)測血糖水平不需要如此高的靈敏度，但它可能在未來實(shí)現(xiàn)對唾液中葡萄糖的常規(guī)檢測，因?yàn)橥僖褐械奶菨舛纫偷枚唷?/p>

研究人員在 2024 年 3 月 30 日版《 自然通訊》上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

Ferris 說，像 NIST 團(tuán)隊(duì)使用的工程水凝膠或“智能”水凝膠價格便宜且相對容易制造，并且可以定制以與醫(yī)學(xué)研究人員可能想要測量的許多不同化合物發(fā)生反應(yīng)。在他們的實(shí)驗(yàn)中，他和扎博堆疊了兩種不同水凝膠的單層，每種水凝膠都會根據(jù) pH 值或葡萄糖以不同的速率收縮和膨脹。這些雙層放大了水凝膠的運(yùn)動，使磁力計(jì)更容易跟蹤磁場強(qiáng)度的變化。

由于該技術(shù)不需要手機(jī)以外的任何電子設(shè)備或電源，也不需要對樣本進(jìn)行任何特殊處理，因此它提供了一種廉價的測試方法——即使在資源相對較少的地方也是如此。

未來使用手機(jī)磁力計(jì)提高此類測量精度的努力可能允許檢測濃度低至幾十納摩爾(十億分之一摩爾)的 DNA 鏈、特定蛋白質(zhì)和組胺(參與人體免疫反應(yīng)的化合物)。

這種改進(jìn)可能會帶來巨大的好處。例如，測量組胺(通常在尿液中檢測到的濃度范圍為 45 至 190 納摩爾)通常需要 24 小時收集尿液并進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室分析。

費(fèi)里斯說：“使用對納摩爾濃度敏感的手機(jī)磁力計(jì)進(jìn)行家庭測試將可以輕松完成測量。”扎博補(bǔ)充說，更一般地說，當(dāng)只有少量物質(zhì)可用于極稀量的測試時，提高靈敏度至關(guān)重要。

同樣，該團(tuán)隊(duì)的研究表明，手機(jī)磁力計(jì)可以測量 pH 水平，其靈敏度與千美元的臺式儀表相同，但成本僅為其一小部分。家庭釀酒師或面包師可以使用磁力計(jì)快速測試各種液體的 pH 值，以完善他們的工藝，環(huán)境科學(xué)家可以現(xiàn)場測量地下水樣本的 pH 值，其精度比石蕊試紙?zhí)峁┑木雀摺?/p>

扎博說，為了使手機(jī)測量取得商業(yè)成功，工程師需要開發(fā)一種方法來批量生產(chǎn)水凝膠測試條并確保它們具有較長的保質(zhì)期。他補(bǔ)充說，理想情況下，水凝膠條的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠更快地對環(huán)境信號做出反應(yīng)，以加快測量速度。