研究人员使用手机指南针来测量对人体健康重要的化合物的微小浓度

　　几乎每一款现代手机都有内置的指南针或磁力计，可以探测地球磁场的方向，为导航提供关键信息。现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的一组研究人员已经开发出一种技术，将普通的手机磁力计用于一个完全不同的目的——高精度地测量葡萄糖(糖尿病的一种标志)的浓度。

　　

几乎每一款现代手机都有内置的指南针或磁力计，可以探测地球磁场的方向，为导航提供关键信息。现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的一组研究人员已经开发出一种技术，将普通的手机磁力计用于一个完全不同的目的——高精度地测量葡萄糖(糖尿病的一种标志)的浓度。

同样的技术，将磁力计与磁性材料结合使用，设计成根据生物或环境线索改变其形状，可用于快速和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的科学家Gary Zabow说，这种方法也有检测环境毒素的潜力。

在他们的概念验证研究中，Zabow和NIST的同事Mark Ferris在手机上夹了一个小孔，里面有要测试的溶液和一条水凝胶——一种浸入水中会膨胀的多孔材料。研究人员在水凝胶中嵌入了微小的磁性颗粒，他们设计了水凝胶，通过膨胀或收缩对葡萄糖或pH值(酸度的一种衡量标准)的存在做出反应。pH值的变化可能与多种生物失调有关。

当水凝胶放大或缩小时，它们会使磁性颗粒靠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，研究人员测量了葡萄糖浓度，小到百万分之几摩尔(物质中一定数量的原子或分子的科学单位)。虽然这样高的灵敏度并不需要在家里用一滴血监测血糖水平，但将来它可能会用于唾液中葡萄糖的常规检测，因为唾液中含有的糖浓度要小得多。

研究人员在2024年3月30日的《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。

像NIST团队使用的这种工程水凝胶或“智能”水凝胶价格低廉，相对容易制造，并且可以定制以对医学研究人员可能想要测量的许多不同化合物产生反应。在他们的实验中，他和Zabow将两种不同的水凝胶堆叠成单层，每层水凝胶都以不同的速度收缩和膨胀，以响应pH值或葡萄糖。这些双层结构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。

由于这项技术不需要任何电子设备或手机以外的电源，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进行测试的方法——即使在资源相对较少的地方也是如此。

未来，人们将努力利用手机磁力计来提高这种测量的准确性，或许可以在低至几十纳摩尔(十亿分之一摩尔)的浓度下检测DNA链、特定蛋白质和组胺(与人体免疫反应有关的化合物)。

这种改进可能会带来实质性的好处。例如，通常在尿液中检测到的组胺浓度在45到190纳摩尔之间，测量组胺通常需要24小时的尿液收集和复杂的实验室分析。

Ferris说:“使用对纳摩尔浓度敏感的手机磁力计进行家庭测试，可以减少测量的麻烦。”Zabow补充说，更普遍的是，当只有少量物质可用于极稀量的测试时，提高灵敏度是必不可少的。

同样，该团队的研究表明，手机磁力计可以测量pH值，其灵敏度与1000美元的台式磁力计相同，但成本只是后者的一小部分。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，环境科学家可以在现场测量地下水样品的pH值，比石蕊试纸提供的精度更高。

Zabow说，为了使手机测量在商业上取得成功，工程师们需要开发一种方法来大规模生产水凝胶测试条，并确保它们有很长的保质期。他补充说，理想情况下，水凝胶条应该被设计成对环境信号做出更快的反应，以加快测量速度。