智能手機(jī)的普及帶動(dòng)了便攜式診斷技術(shù)的快速發(fā)展。這些平臺(tái)雖然取得了一定的成果，但主要以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，大多利用智能手機(jī)攝像頭作為傳感接口。相比之下，針對(duì)不透明、散射或自發(fā)熒光的樣本，利用智能手機(jī)磁力計(jì)的磁傳感技術(shù)具有固有優(yōu)勢(shì)，但該領(lǐng)域還未得到足夠的探索。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員在一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究中，利用智能手機(jī)內(nèi)置的磁力計(jì)，結(jié)合能根據(jù)特定因素改變形狀的水凝膠，成功測(cè)量了飲料中的糖濃度。他們表示，該檢測(cè)平臺(tái)有望用于測(cè)量生物樣本中的葡萄糖、檢測(cè)環(huán)境毒素，以及測(cè)試液體的pH值。相關(guān)研究成果已發(fā)表在Nature Communications期刊上。

智能手機(jī)中的指南針就是利用其中的磁力計(jì)，從三個(gè)方向測(cè)量地球磁場(chǎng)（或當(dāng)?shù)氐拇旁矗IST應(yīng)用物理系博士后研究員Mark Ferris和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Gary Zabow決定利用智能手機(jī)磁力計(jì)來(lái)測(cè)量樣本中的化學(xué)成分。

“我們嘗試制造一種新的傳感平臺(tái)，特別是一種更多人能夠利用的平臺(tái)。因此，我們選擇了大多數(shù)人都已經(jīng)擁有的智能手機(jī)作為平臺(tái)的基礎(chǔ)。”Zabow說(shuō)。

Ferris補(bǔ)充說(shuō)：“我們認(rèn)為，這種傳感器平臺(tái)是對(duì)現(xiàn)有光學(xué)設(shè)備的有益補(bǔ)充，因?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)備在處理自發(fā)熒光、散射、渾濁樣品時(shí)可能會(huì)遇到更多問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，磁傳感技術(shù)在這方面表現(xiàn)更好。”

本研究提出的智能手機(jī)傳感器平臺(tái)。智能手機(jī)中的磁力計(jì)結(jié)合磁化水凝膠，可測(cè)量液體樣本中的各種生物醫(yī)學(xué)特性。

這種磁傳感平臺(tái)依賴于嵌入微小磁性顆粒的水凝膠（浸入水中會(huì)膨脹的材料）。水凝膠會(huì)對(duì)樣本中不同的化學(xué)成分（如葡萄糖）或pH值變化產(chǎn)生響應(yīng)。

該平臺(tái)的工作原理是將一個(gè)裝有幾毫升測(cè)試溶液和水凝膠條的T型檢測(cè)模塊夾在智能手機(jī)上。當(dāng)水凝膠增大或縮小時(shí)，它們會(huì)使磁性顆粒靠近或遠(yuǎn)離智能手機(jī)中的磁力計(jì)，由此檢測(cè)并測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的相應(yīng)變化。

T型水凝膠執(zhí)行器示意圖，T型水平方向?yàn)槎栊詤^(qū)，T型垂直方向?yàn)殡p層區(qū)。雙層區(qū)由嵌入釹鐵硼（Nd2Fe14B）粒子的智能水凝膠（上層，黃色）和惰性水凝膠（下層，灰色）組成。在有分析物的情況下，水凝膠響應(yīng)驅(qū)動(dòng)雙層區(qū)域卷曲，改變了與磁力計(jì)的距離，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)變化的檢測(cè)。

研究人員通過(guò)利用堆疊水凝膠來(lái)放大粒子的運(yùn)動(dòng)，從而更容易地測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。

Zabow說(shuō)：“磁場(chǎng)特性可以直接量化。磁場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)可以測(cè)量的數(shù)字，不需要把它轉(zhuǎn)換成量化的圖片。”

到目前為止，研究人員已經(jīng)利用葡萄酒和香檳等對(duì)照測(cè)試樣本驗(yàn)證了所提出的概念平臺(tái)。他們觀察到，與低糖葡萄酒相比，高糖葡萄酒引起的磁場(chǎng)變化更大。葡萄糖濃度的測(cè)量靈敏度很高，低至每升幾百萬(wàn)分之一摩爾。

基于磁力計(jì)的葡萄糖分析表征

這種傳感器平臺(tái)成本低廉、構(gòu)建容易，可用于資源相對(duì)匱乏的場(chǎng)景。

研究人員的下一步研究將提高平臺(tái)的靈敏度和特異性，可以嘗試改變水凝膠的化學(xué)成分，或加入對(duì)不同分析物敏感的水凝膠。

Zabow說(shuō)：“在測(cè)試的特異性方面，首先需要采取一些措施，以確保在測(cè)量葡萄糖或pH值時(shí)不會(huì)受到干擾，不會(huì)因溶液中的其它物質(zhì)而帶來(lái)不必要的影響。這就是水凝膠試紙的特異性問(wèn)題，我們?nèi)孕枧鉀Q。”

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47073-2

審核編輯：劉清