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NIST研究人员利用手机指南测量对人类健康至关重要的化合物的微量浓度

导读 这项技术将磁力计与磁性材料结合使用,磁性材料可以根据生物或环境信号改变形状,可用于快速廉价地测量大量其他生物医学特性,以监测或诊断...

这项技术将磁力计与磁性材料结合使用,磁性材料可以根据生物或环境信号改变形状,可用于快速廉价地测量大量其他生物医学特性,以监测或诊断人类疾病。NIST科学家GaryZabow表示,该方法还可能用于检测环境素。

在概念验证研究中,扎博和同事、美国国家标准与技术研究院的马克·费里斯将一个装有待测溶液的小孔和一条水凝胶(一种浸入水中会膨胀的多孔材料)夹在一部手机上。研究人员在水凝胶中嵌入了微小的磁性粒子,这些粒子经过设计,可以膨胀或收缩,对葡萄糖或pH值(一种酸度测量指标)作出反应。pH值的变化可能与多种生物疾病有关。

随着水凝胶的变大或缩小,它们将磁性粒子移近或移远手机的磁力计,磁力计会检测到磁场强度的相应变化。采用这种策略,研究人员测量的葡萄糖浓度小到几百万分之一摩尔(一种物质中一定数量的原子或分子的科学单位)。虽然在家中用一滴血监测血糖水平不需要如此高的灵敏度,但它可能在未来使唾液中的葡萄糖常规检测成为可能,唾液中的糖浓度要小得多。

Ferris表示,NIST团队所采用的工程化或“智能”水凝胶价格低廉,制造相对简单,而且可以根据医学研究人员想要测量的多种不同化合物进行定制。在实验中,他和Zabow堆叠了两种不同水凝胶的单层,每种水凝胶都会根据pH值或葡萄糖以不同的速率收缩和膨胀。这些双层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。

由于该技术不需要手机以外的任何电子设备或电源,也不需要对样品进行任何特殊处理,因此它提供了一种廉价的测试方法——即使在资源相对匮乏的地方也是如此。

未来使用手机磁力仪提高此类测量准确性的努力可能会实现对浓度低至几十纳摩尔(十亿分之一摩尔)的DNA链、特定蛋白质和组胺(参与人体免疫反应的化合物)的检测。

这种改进可能会带来巨大的好处。例如,测量组胺(通常在尿液中检测到的浓度范围为约45至190纳摩尔)通常需要收集24小时尿液并进行复杂的实验室分析。

Ferris表示:“使用对纳摩尔浓度敏感的手机磁力计进行家庭测试,可以大大减少测量的麻烦。”Zabow补充道,更普遍而言,当只有极少量的物质可供测试且数量极稀时,增强灵敏度至关重要。

同样,该团队的研究表明,手机磁力计可以测量pH值,其灵敏度与价值数千美元的台式仪表相同,但成本仅为其一小部分。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,环境科学家可以现场测量地下水样本的pH值,其准确度高于石蕊试纸。

扎博表示,为了使手机测量获得商业成功,工程师需要开发一种方法来批量生产水凝胶试纸,并确保它们具有较长的保质期。他补充说,理想情况下,水凝胶试纸应该设计成对环境线索做出更快的反应,以加快测量速度。

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