智能手機的普及帶動了便攜式診斷技術的快速發展。這些平臺雖然取得了一定的成果，但主要以光學技術為基礎，大多利用智能手機攝像頭作為傳感接口。相比之下，針對不透明、散射或自發熒光的樣本，利用智能手機磁力計的磁傳感技術具有固有優勢，但該領域還未得到足夠的探索。

據麥姆斯咨詢報道，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員在一項概念驗證研究中，利用智能手機內置的磁力計，結合能根據特定因素改變形狀的水凝膠，成功測量了飲料中的糖濃度。他們表示，該檢測平臺有望用于測量生物樣本中的葡萄糖、檢測環境毒素，以及測試液體的pH值。相關研究成果已發表在Nature Communications期刊上。

智能手機中的指南針就是利用其中的磁力計，從三個方向測量地球磁場（或當地的磁源）。NIST應用物理系博士后研究員Mark Ferris和項目負責人Gary Zabow決定利用智能手機磁力計來測量樣本中的化學成分。

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

Ferris補充說：“我們認為，這種傳感器平臺是對現有光學設備的有益補充，因為光學設備在處理自發熒光、散射、渾濁樣品時可能會遇到更多問題。一般來說，磁傳感技術在這方面表現更好。”

本研究提出的智能手機傳感器平臺。智能手機中的磁力計結合磁化水凝膠，可測量液體樣本中的各種生物醫學特性。

這種磁傳感平臺依賴于嵌入微小磁性顆粒的水凝膠（浸入水中會膨脹的材料）。水凝膠會對樣本中不同的化學成分（如葡萄糖）或pH值變化產生響應。

該平臺的工作原理是將一個裝有幾毫升測試溶液和水凝膠條的T型檢測模塊夾在智能手機上。當水凝膠增大或縮小時，它們會使磁性顆粒靠近或遠離智能手機中的磁力計，由此檢測并測量磁場強度的相應變化。

T型水凝膠執行器示意圖，T型水平方向為惰性區，T型垂直方向為雙層區。雙層區由嵌入釹鐵硼（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，水凝膠響應驅動雙層區域卷曲，改變了與磁力計的距離，從而實現磁場變化的檢測。

研究人員通過利用堆疊水凝膠來放大粒子的運動，從而更容易地測量磁場強度的變化。

Zabow說：“磁場特性可以直接量化。磁場強度是一個可以測量的數字，不需要把它轉換成量化的圖片。”

到目前為止，研究人員已經利用葡萄酒和香檳等對照測試樣本驗證了所提出的概念平臺。他們觀察到，與低糖葡萄酒相比，高糖葡萄酒引起的磁場變化更大。葡萄糖濃度的測量靈敏度很高，低至每升幾百萬分之一摩爾。

基于磁力計的葡萄糖分析表征

這種傳感器平臺成本低廉、構建容易，可用于資源相對匱乏的場景。

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

Zabow說：“在測試的特異性方面，首先需要采取一些措施，以確保在測量葡萄糖或pH值時不會受到干擾，不會因溶液中的其它物質而帶來不必要的影響。這就是水凝膠試紙的特異性問題，我們仍需努力解決。”

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

審核編輯：劉清