智能手机的普及带动了便携式诊断技术的快速发展。这些平台虽然取得了一定的成果，但主要以光学技术为基础，大多利用智能手机摄像头作为传感接口。相比之下，针对不透明、散射或自发荧光的样本，利用智能手机磁力计的磁传感技术具有固有优势，但该领域还未得到足够的探索。
据麦姆斯咨询报道，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在一项概念验证研究中，利用智能手机内置的磁力计，结合能根据特定因素改变形状的水凝胶，成功测量了饮料中的糖浓度。他们表示，该检测平台有望用于测量生物样本中的葡萄糖、检测环境毒素，以及测试液体的pH值。相关研究成果已发表在Nature Communications期刊上。
智能手机中的指南针就是利用其中的磁力计，从三个方向测量地球磁场（或当地的磁源）。NIST应用物理系博士后研究员Mark Ferris和项目负责人Gary Zabow决定利用智能手机磁力计来测量样本中的化学成分。
“我们尝试制造一种新的传感平台，特别是一种更多人能够利用的平台。因此，我们选择了大多数人都已经拥有的智能手机作为平台的基础。”Zabow说。
Ferris补充说：“我们认为，这种传感器平台是对现有光学设备的有益补充，因为光学设备在处理自发荧光、散射、浑浊样品时可能会遇到更多问题。一般来说，磁传感技术在这方面表现更好。”
本研究提出的智能手机传感器平台。智能手机中的磁力计结合磁化水凝胶，可测量液体样本中的各种生物医学特性。
这种磁传感平台依赖于嵌入微小磁性颗粒的水凝胶（浸入水中会膨胀的材料）。水凝胶会对样本中不同的化学成分（如葡萄糖）或pH值变化产生响应。
该平台的工作原理是将一个装有几毫升测试溶液和水凝胶条的T型检测模块夹在智能手机上。当水凝胶增大或缩小时，它们会使磁性颗粒靠近或远离智能手机中的磁力计，由此检测并测量磁场强度的相应变化。
T型水凝胶执行器示意图，T型水平方向为惰性区，T型垂直方向为双层区。双层区由嵌入钕铁硼（Nd2Fe14B）粒子的智能水凝胶（上层，黄色）和惰性水凝胶（下层，灰色）组成。在有分析物的情况下，水凝胶响应驱动双层区域卷曲，改变了与磁力计的距离，从而实现磁场变化的检测。
研究人员通过利用堆叠水凝胶来放大粒子的运动，从而更容易地测量磁场强度的变化。
Zabow说：“磁场特性可以直接量化。磁场强度是一个可以测量的数字，不需要把它转换成量化的图片。”
到目前为止，研究人员已经利用葡萄酒和香槟等对照测试样本验证了所提出的概念平台。他们观察到，与低糖葡萄酒相比，高糖葡萄酒引起的磁场变化更大。葡萄糖浓度的测量灵敏度很高，低至每升几百万分之一摩尔。
基于磁力计的葡萄糖分析表征
这种传感器平台成本低廉、构建容易，可用于资源相对匮乏的场景。
研究人员的下一步研究将提高平台的灵敏度和特异性，可以尝试改变水凝胶的化学成分，或加入对不同分析物敏感的水凝胶。
Zabow说：“在测试的特异性方面，首先需要采取一些措施，以确保在测量葡萄糖或pH值时不会受到干扰，不会因溶液中的其它物质而带来不必要的影响。这就是水凝胶试纸的特异性问题，我们仍需努力解决。”
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47073-2
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