Brug af et mobiltelefonkompas til at måle små koncentrationer af forbindelser, der er vigtige for menneskers sundhed

Næsten alle moderne mobiltelefoner har et indbygget kompas eller magnetometer, der registrerer retningen af ​​Jordens magnetfelt og giver kritisk information til navigation. Nu har et team af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udviklet en teknik, der bruger et almindeligt mobiltelefonmagnetometer til et helt andet formål - at måle koncentrationen af ​​glukose, en markør for diabetes, med høj nøjagtighed.

Den samme teknik, som bruger magnetometeret i forbindelse med magnetiske materialer designet til at ændre deres form som reaktion på biologiske eller miljømæssige signaler, kunne bruges til hurtigt og billigt at måle en lang række andre biomedicinske egenskaber til overvågning eller diagnosticering af menneskelig sygdom. Metoden har også potentiale til at opdage miljøgifte, sagde NIST-forsker Gary Zabow.

I deres proof-of-concept-undersøgelse klemte Zabow og NIST-kollegaen Mark Ferris en lille brønd til en mobiltelefon, der indeholdt opløsningen, der skulle testes, og en strimmel hydrogel - et porøst materiale, der svulmer, når det nedsænkes i vand.

Forskerne indlejrede små magnetiske partikler i hydrogelen, som de havde konstrueret til at reagere enten på tilstedeværelsen af ​​glukose eller på pH-niveauer (et mål for surhedsgrad) ved at udvide eller trække sig sammen. Ændring af pH-niveauer kan være forbundet med en række biologiske lidelser.

Efterhånden som hydrogelerne forstørrede eller krympede, flyttede de de magnetiske partikler tættere på eller længere fra mobiltelefonens magnetometer, som detekterede de tilsvarende ændringer i magnetfeltets styrke. Ved at bruge denne strategi målte forskerne glukosekoncentrationer så små som et par milliontedele af en mol (den videnskabelige enhed for et vist antal atomer eller molekyler i et stof).

Selvom en sådan høj følsomhed ikke er påkrævet til hjemmeovervågning af glukoseniveauer ved hjælp af en dråbe blod, kan det i fremtiden muliggøre rutinemæssig testning for glukose i spyt, som indeholder en meget mindre koncentration af sukker.

Forskerne rapporterede deres resultater i Nature Communications .

Konstruerede eller "smarte" hydrogeler som dem, NIST-teamet brugte, er billige og relativt nemme at fremstille, sagde Ferris, og kan skræddersyes til at reagere på et væld af forskellige forbindelser, som medicinske forskere måske vil måle. I deres eksperimenter stablede han og Zabow enkeltlag af to forskellige hydrogeler, som hver trak sig sammen og udvidede sig med forskellige hastigheder som reaktion på pH eller glukose.

Disse dobbeltlag forstærkede hydrogelernes bevægelse, hvilket gjorde det lettere for magnetometeret at spore ændringer i magnetfeltstyrken.

Fordi teknikken ikke kræver nogen elektronik eller strømkilde ud over mobiltelefonens eller kræver nogen speciel behandling af prøven, tilbyder den en billig måde at udføre test på - selv på steder med relativt få ressourcer.

Fremtidige bestræbelser på at forbedre nøjagtigheden af ​​sådanne målinger ved hjælp af mobiltelefonmagnetometre kan muliggøre påvisning af DNA-strenge, specifikke proteiner og histaminer – forbindelser involveret i kroppens immunrespons – i koncentrationer så lave som nogle få tiere nanomol.

Den forbedring kan have væsentlige fordele. For eksempel vil måling af histaminer, som typisk påvises i urin i koncentrationer fra omkring 45 til 190 nanomol, normalt kræve en 24-timers urinopsamling og en sofistikeret laboratorieanalyse.

"En hjemmetest med et mobiltelefonmagnetometer, der er følsomt over for nanomolære koncentrationer, ville gøre det muligt at udføre målinger med meget mindre besvær," sagde Ferris. Mere generelt vil øget følsomhed være afgørende, når kun en lille mængde af et stof er tilgængelig til test i ekstremt fortyndede mængder, tilføjede Zabow.

På samme måde tyder holdets undersøgelse på, at et mobiltelefonmagnetometer kan måle pH-niveauer med samme følsomhed som en bænkmåler på tusind dollar, men til en brøkdel af prisen.

En hjemmebrygger eller en bager kunne bruge magnetometeret til hurtigt at teste pH-værdien af ​​forskellige væsker for at perfektionere deres håndværk, og en miljøforsker kunne måle pH-værdien af ​​grundvandsprøver på stedet med højere nøjagtighed end en lakmusteststrimmel kunne give.

For at gøre mobiltelefonmålingerne til en kommerciel succes, bliver ingeniører nødt til at udvikle en metode til at masseproducere hydrogelteststrimlerne og sikre, at de har en lang holdbarhed, sagde Zabow. Ideelt set, tilføjede han, burde hydrogelstrimlerne være designet til at reagere hurtigere på miljømæssige signaler for at fremskynde målingerne.

Flere oplysninger: Mark Ferris et al., Kvantitativ, højfølsom måling af flydende analytter ved hjælp af et smartphonekompas, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47073-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af National Institute of Standards and Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.