Dank ihres Kompasses können Smartphones jetzt Glukose und andere Moleküle messen, sagen Wissenschaftler
Forscher haben eine Technik entwickelt, die das Magnetometer eines gewöhnlichen Mobiltelefons nutzt, um die Glukosekonzentration, einen Marker für Diabetes, mit hoher Genauigkeit zu messen.
Die meisten modernen Mobiltelefone verfügen über einen eingebauten Kompass oder Magnetometer, der die Richtung des Erdmagnetfeldes ermittelt und wichtige Informationen für die Navigation liefert.
Die gleiche Technik, bei der das Magnetometer zusammen mit magnetischen Materialien verwendet wird, die ihre Form als Reaktion auf biologische oder Umweltsignale verändern, kann zur schnellen und kostengünstigen Messung einer Vielzahl anderer biomedizinischer Eigenschaften verwendet werden, die zur Überwachung oder Diagnose menschlicher Krankheiten dienen. Diese Methode hat auch das Potenzial, Umweltgifte aufzuspüren, sagte NIST-Wissenschaftler Gary Zabow.
In ihrer Proof-of-Concept-Studie befestigten Zabow und sein Kollege Mark Ferris, ein Forscher am NIST, eine kleine Vertiefung mit der zu testenden Lösung und einen Streifen Hydrogel, ein poröses Material, das beim Eintauchen in Wasser aufquillt, an einem Mobiltelefon.
Die Forscher bauten winzige magnetische Partikel in das Hydrogel ein, das auf das Vorhandensein von Glukose und den pH-Wert (ein Maß für den Säuregehalt) reagiert, indem es sich ausdehnt oder zusammenzieht. Veränderungen des pH-Wertes können mit verschiedenen biologischen Störungen in Verbindung gebracht werden.
Wenn sich das Hydrogel ausdehnte oder zusammenzog, bewegten sich die magnetischen Partikel auf das Magnetometer des Telefons zu oder von ihm weg, das entsprechende Änderungen der Magnetfeldstärke feststellte.
Mit dieser Strategie haben Forscher Glukosekonzentrationen bis zu einigen Millionstel Mol (die wissenschaftliche Einheit für eine bestimmte Anzahl von Atomen oder Molekülen in einem Stoff) gemessen.
Obwohl eine so hohe Empfindlichkeit nicht notwendig ist, um den Glukosespiegel zu Hause mit einem Tropfen Blut zu überwachen, könnte in Zukunft die routinemäßige Untersuchung von Glukose im Speichel, der eine viel geringere Zuckerkonzentration enthält, ermöglicht werden.
Die Kapazität des Hydrogels
Künstliche oder "intelligente" Hydrogele, wie sie das NIST-Team verwendet hat, sind billig und relativ einfach herzustellen, so Ferris, und können so zugeschnitten werden, dass sie auf eine Reihe verschiedener Verbindungen reagieren, die medizinische Forscher messen möchten.
In ihren Experimenten stapelten Ferris und Zabow einzelne Schichten aus zwei verschiedenen Hydrogelen, die sich als Reaktion auf den pH-Wert oder Glukose unterschiedlich schnell zusammenzogen und ausdehnten. Diese Doppelschichten verstärkten die Bewegung der Hydrogele, sodass es für das Magnetometer einfacher war, Änderungen der Magnetfeldstärke zu verfolgen.
Da die Technik außer einem Mobiltelefon kein elektronisches Gerät oder eine Stromquelle benötigt, und auch keine spezielle Probenverarbeitung erforderlich ist, bietet sie eine kostengünstige Möglichkeit der Prüfung, selbst an Orten mit relativ geringen Ressourcen.
Künftige Anstrengungen zur Verbesserung der Genauigkeit solcher Messungen mithilfe von Handy-Magnetometern könnten den Nachweis von DNA-Strängen, spezifischen Proteinen und Histaminen (Verbindungen, die an der Immunreaktion des Körpers beteiligt sind) in Konzentrationen von nur einigen zehn Nanomol (Milliardstel eines Mols) ermöglichen.
Die Studie des Teams deutet darauf hin, dass ein Magnetometer für Mobiltelefone den pH-Wert mit der gleichen Empfindlichkeit messen kann wie ein 1.000 Dollar teures Messgerät, aber zu einem Bruchteil der Kosten.
Damit die Messungen mit Mobiltelefonen ein kommerzieller Erfolg werden, müssen Ingenieure eine Methode zur Massenproduktion der Hydrogel-Teststreifen entwickeln und sicherstellen, dass sie lange haltbar sind, so Zabow. Idealerweise, so fügte er hinzu, sollten die Hydrogelstreifen so konzipiert sein, dass sie schneller auf Umweltsignale reagieren, um die Messungen zu beschleunigen.
Quellenhinweis:
Ferris M., Zabow G. Quantitative, high-sensitivity measurement of liquid analytes using a smartphone compass. Nature Communications (2024).