Nästan varje modern mobiltelefon har en inbyggd kompass, eller magnetometer, som känner av riktningen för jordens magnetfält, vilket ger viktig information för navigering. Nu har ett team av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) utvecklat en teknik som använder en vanlig mobiltelefonmagnetometer för ett helt annat syfte – att mäta koncentrationen av glukos, en markör för diabetes, med hög noggrannhet.
Samma teknik, som använder magnetometern tillsammans med magnetiska material utformade för att ändra sin form som svar på biologiska eller miljömässiga signaler, skulle kunna användas för att snabbt och billigt mäta en mängd andra biomedicinska egenskaper för att övervaka eller diagnostisera mänskliga sjukdomar. Metoden har också potential att upptäcka miljögifter, säger NIST-forskaren Gary Zabow.
I sin proof-of-concept-studie klämde Zabow och NIST-kollegan Mark Ferris fast en liten brunn på en mobiltelefon som innehöll lösningen som skulle testas och en remsa av hydrogel – ett poröst material som sväller när det sänks ned i vatten.
Forskarna bäddade in små magnetiska partiklar i hydrogelen, som de hade konstruerat för att reagera antingen på närvaron av glukos eller på pH-nivåer (ett mått på surhet) genom att expandera eller dra ihop sig. Förändrade pH-nivåer kan associeras med en mängd olika biologiska störningar.
När hydrogelerna förstorades eller krympte flyttade de de magnetiska partiklarna närmare eller längre från mobiltelefonens magnetometer, som upptäckte motsvarande förändringar i magnetfältets styrka. Med denna strategi mätte forskarna glukoskoncentrationer så små som några miljondelar av en mol (den vetenskapliga enheten för ett visst antal atomer eller molekyler i ett ämne).
Även om sådan hög känslighet inte krävs för hemmaövervakning av glukosnivåer med en droppe blod, kan det i framtiden möjliggöra rutinmässiga tester för glukos i saliv, som innehåller en mycket mindre koncentration av socker.
Forskarna rapporterade sina resultat i Nature Communications .
Konstruerade eller "smarta" hydrogeler som de som NIST-teamet använde är billiga och relativt lätta att tillverka, sa Ferris, och kan skräddarsys för att reagera på en mängd olika föreningar som medicinska forskare kanske vill mäta. I sina experiment staplade han och Zabow enkla lager av två olika hydrogeler, som var och en drog ihop sig och expanderade med olika hastigheter som svar på pH eller glukos.
Dessa dubbelskikt förstärkte hydrogelernas rörelse, vilket gjorde det lättare för magnetometern att spåra förändringar i magnetfältets styrka.
Eftersom tekniken inte kräver någon elektronik eller strömkälla utöver mobiltelefonens eller kräver någon speciell bearbetning av provet, erbjuder den ett billigt sätt att utföra testning – även på platser med relativt få resurser.
Framtida ansträngningar för att förbättra noggrannheten i sådana mätningar med mobiltelefonmagnetometrar kan göra det möjligt att detektera DNA-strängar, specifika proteiner och histaminer – föreningar som är involverade i kroppens immunsvar – i koncentrationer så låga som några tiotals nanomol.
Den förbättringen kan ha betydande fördelar. Till exempel skulle mätning av histaminer, som vanligtvis detekteras i urin vid koncentrationer från cirka 45 till 190 nanomol, vanligtvis kräva en 24-timmars urinuppsamling och en sofistikerad laboratorieanalys.
"Ett hemmatest med en mobiltelefonmagnetometer som är känslig för nanomolära koncentrationer skulle tillåta mätningar att göras med mycket mindre krångel," sa Ferris. Mer generellt skulle ökad känslighet vara avgörande när endast en liten mängd av ett ämne är tillgängligt för testning i extremt utspädda mängder, tillade Zabow.
På samma sätt tyder lagets studie på att en mobiltelefonmagnetometer kan mäta pH-nivåer med samma känslighet som en bänkmätare på tusen dollar men till en bråkdel av kostnaden.
En hemmabryggare eller en bagare skulle kunna använda magnetometern för att snabbt testa olika vätskors pH-värde för att fullända sitt hantverk, och en miljöforskare kunde mäta pH-värdet i grundvattenprover på plats med högre noggrannhet än vad en lackmustestremsa kunde ge.
För att göra mobiltelefonmätningarna till en kommersiell framgång måste ingenjörer utveckla en metod för att massproducera hydrogeltestremsorna och säkerställa att de har en lång hållbarhetstid, sa Zabow. Idealiskt, tillade han, borde hydrogelremsorna utformas för att reagera snabbare på miljösignaler för att påskynda mätningarna.
Mer information: Mark Ferris et al, Kvantitativ, högkänslig mätning av flytande analyter med hjälp av en smartphonekompass, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47073-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.
