智能手機的普及帶動了便攜式診斷技術(shù)的快速發(fā)展。這些平臺雖然取得了一定的成果，但主要以光學技術(shù)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(fā)熒光的樣本，利用智能手機磁力計的磁傳感技術(shù)具有固有優(yōu)勢，但該領(lǐng)域還未得到足夠的探索。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國國家標準與技術(shù)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(nèi)置的磁力計，結(jié)合能根據(jù)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(huán)境毒素，以及測試液體的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?shù)氐拇旁矗IST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(shù)人都已經(jīng)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(xiàn)有光學設備的有益補充，因為光學設備在處理自發(fā)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(shù)在這方面表現(xiàn)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(jié)合磁化水凝膠，可測量液體樣本中的各種生物醫(yī)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(chǎn)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(zhí)行器示意圖，T型水平方向為惰性區(qū)，T型垂直方向為雙層區(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，水凝膠響應驅(qū)動雙層區(qū)域卷曲，改變了與磁力計的距離，從而實現(xiàn)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(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(gòu)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(zhì)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?nèi)孕枧鉀Q。”

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

審核編輯：劉清