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(xún)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?。NIST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)?!盳abow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?!?/p>
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(lài)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??拷蜻h(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?!?/p>
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?!?/p>
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47073-2
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:智能手機(jī)磁力計(jì)+磁化水凝膠,可檢測(cè)葡萄糖等物質(zhì)濃度
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