- Смартфоны теперь могут измерять уровень глюкозы, ключевой маркер диабета, а также другие молекулы и биомаркеры, благодаря встроенным магнитным компасам.
- Исследователи NIST добавили магнитные частицы в пористый материал, который реагирует на присутствие этих молекул и заставляет материал расширяться или сжиматься.
- Использование этих намагниченных материалов в сочетании с компасами для мобильных телефонов потенциально может позволить людям диагностировать заболевания и обнаруживать токсины из окружающей среды.
Почти в каждом современном мобильном телефоне есть встроенный компас, или магнитометр, который определяет направление магнитного поля Земли, предоставляя важную информацию для навигации. Теперь команда исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработала метод, в котором обычный магнитометр мобильного телефона используется для совершенно другой цели — для измерения концентрации глюкозы, маркера диабета, с высокой точностью.
Тот же метод, в котором магнитометр используется в сочетании с магнитными материалами, предназначенными для изменения своей формы в ответ на биологические сигналы или сигналы окружающей среды, может быть использован для быстрого и дешевого измерения множества других биомедицинских свойств для мониторинга или диагностики заболеваний человека. Этот метод также может обнаруживать токсины из окружающей среды, сказал ученый NIST Гэри Забоу.
В своем исследовании, посвященном проверке концепции, Забоу и его коллега-исследователь NIST Марк Феррис прикрепили к мобильному телефону крошечную лунку с тестируемым раствором и полоску гидрогеля – пористого материала, который набухает при погружении в воду. Исследователи внедрили крошечные магнитные частицы в гидрогель, который они сконструировали так, чтобы он реагировал либо на присутствие глюкозы, либо на уровень pH (показатель кислотности), расширяясь или сжимаясь. Изменение уровня pH может быть связано с различными биологическими нарушениями.
По мере увеличения или уменьшения размеров гидрогелей магнитные частицы перемещались ближе или дальше от магнитометра мобильного телефона, который регистрировал соответствующие изменения напряженности магнитного поля. Используя эту стратегию, исследователи измерили концентрацию глюкозы всего в нескольких миллионных долях моля (научная единица, обозначающая определенное количество атомов или молекул в веществе). Хотя такая высокая чувствительность не требуется для домашнего мониторинга уровня глюкозы с использованием капли крови, в будущем это может позволить проводить рутинные тесты на содержание глюкозы в слюне, которая содержит гораздо меньшую концентрацию сахара.
Исследователи сообщили о своих выводах в выпуске Nature Communications от 30 марта 2024 года.
Инженерные, или “умные”, гидрогели, подобные тем, которые использовала команда NIST, недороги и относительно просты в изготовлении, сказал Феррис, и могут быть адаптированы для реакции на множество различных соединений, которые медицинские исследователи, возможно, захотят измерить. В своих экспериментах он и Забоу укладывали в один слой два разных гидрогеля, каждый из которых сжимался и расширялся с разной скоростью в зависимости от уровня pH или глюкозы. Эти бислои усиливали движение гидрогелей, облегчая магнитометру отслеживание изменений напряженности магнитного поля.
Поскольку этот метод не требует никакой электроники или источника питания, кроме мобильного телефона, и не требует какой-либо специальной обработки образца, он предлагает недорогой способ проведения тестирования — даже в местах с относительно небольшими ресурсами.
Будущие усилия по повышению точности таких измерений с помощью мобильных магнитометров могут позволить обнаруживать цепочки ДНК, специфические белки и гистамины — соединения, участвующие в иммунном ответе организма, — в концентрациях всего в несколько десятков наномолей (миллиардных долей моля).
Это улучшение может принести существенную пользу. Например, измерение гистаминов, которые обычно обнаруживаются в моче в концентрациях от 45 до 190 наномолей, обычно требует 24-часового сбора мочи и сложного лабораторного анализа.
“Домашний тест с использованием мобильного магнитометра, чувствительного к наномолярным концентрациям, позволил бы проводить измерения с гораздо меньшими затратами”, – сказал Феррис. В более общем плане повышенная чувствительность была бы необходима, когда для тестирования доступно лишь небольшое количество вещества в чрезвычайно разбавленных количествах, добавил Забоу.
Аналогичным образом, исследование команды предполагает, что магнитометр мобильного телефона может измерять уровни pH с той же чувствительностью, что и настольный измеритель стоимостью в тысячу долларов, но с меньшей стоимостью. Домашний пивовар или пекарь мог бы использовать магнитометр для быстрого определения рН различных жидкостей, чтобы усовершенствовать свое мастерство, а ученый-эколог мог бы измерить рН проб грунтовых вод на месте с более высокой точностью, чем может обеспечить лакмусовая полоска.
Чтобы измерения с помощью мобильного телефона имели коммерческий успех, инженерам необходимо будет разработать метод массового производства гидрогелевых тест-полосок и обеспечить их длительный срок хранения, сказал Забоу. В идеале, добавил он, гидрогелевые полоски должны быть сконструированы таким образом, чтобы быстрее реагировать на сигналы окружающей среды, чтобы ускорить измерения.
Статья: Марк Феррис и Гэри Забоу. Количественное высокочувствительное измерение жидких анализируемых веществ с помощью компаса для смартфонов. Nature Communications. Опубликовано в Сети 30 марта 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47073-2
31 марта 2023 г.
Исследователи из NIST разработали новый и надежный способ точного измерения скорости, с которой газ поступает в сосуд и выходит из него. Методика, использующая акустические волны для определения средней температуры газа и микроволны для определения объема емкости, позволяет особенно хорошо измерять потоки газа и утечки из больших емкостей.
Этот метод может позволить работникам более точно калибровать расходомеры газа, используемые в трубопроводах природного газа. Денежная стоимость природного газа в трубопроводах США в 2016 году превысила 90 миллиардов долларов, поэтому точность этих измерений является ключевой проблемой как для потребителей, так и для поставщиков природного газа.
“Мы считаем, что акустический метод, будучи доведенным до совершенства, может быть принят в качестве нового стандарта в NIST и, возможно, во всем мире”, – сказала исследователь NIST Джоди Поуп.
Чтобы определить количество газа, вытекающего из сосуда, исследователям необходимо знать несколько величин, включая объем сосуда, а также давление и температуру газа.
В текущем методе измерения расхода газа, разработанном в NIST и теперь являющемся национальным стандартом калибровки расходомеров, рабочие определяют температуру газа, погружая сосуд в водяную баню с регулируемой температурой. Поскольку этот метод дает достаточно времени для того, чтобы температура газа достигла равновесия с температурой водяной бани, температуру газа можно определить с высокой точностью.
Однако измерение температуры газа, вытекающего из больших емкостей, создает проблему, поскольку емкости нелегко погрузить в водяную баню. Альтернатива – использование многочисленных датчиков температуры, размещенных внутри резервуара, — может оказаться непрактичной из-за огромного количества датчиков, каждый из которых потребовал бы отдельной калибровки.
Для калибровки больших потоков газа с использованием действующего национального стандарта метрологи должны использовать стратегию начальной загрузки: они калибруют несколько расходомеров, которые измеряют относительно небольшие потоки и давления, затем монтируют счетчики параллельно для достижения больших потоков и давлений в несколько этапов, требующих до 48 калибровок. Эта процедура увеличивает как стоимость, так и неопределенность измерений.
Новый метод использует акустические волны для определения средней температуры газа в больших емкостях. Этот метод, не требующий дополнительных датчиков температуры, надежен, даже если температура варьируется в зависимости от объема газа, сказал Поуп. Благодаря этим преимуществам метод может значительно сократить количество этапов в цепочке калибровки и тем самым снизить неопределенность при окончательном измерении расхода.
Чтобы продемонстрировать новую технику, команда NIST установила источник звуковых волн (динамик) на одном конце цилиндрического сосуда, а микрофон – на противоположном конце системы. Микрофон принимает звуковые волны, которые модифицируются и затем подаются обратно в систему для усиления волн источника.
Это устройство, известное как контур положительной обратной связи, создает самоподдерживающиеся акустические колебания на собственной, или резонансной, частоте газа, во многом подобно тому, как органная труба отражается на определенном наборе частот. Резонансная частота зависит от скорости звука в газе, которая, в свою очередь, пропорциональна средней температуре газа. Отслеживая резонансную частоту, звуковые волны измеряют среднюю температуру газа — без использования водяной бани или большого количества датчиков температуры.
Даже если температура газа в резервуаре меняется, что происходит при поступлении газа в резервуар или из него, способность акустической системы фиксироваться на резонансной частоте гарантирует, что мгновенная температура газа всегда известна. Например, когда газ выходит из резервуара, температура оставшегося газа снижается. Но поскольку резонансная частота газа уменьшается синхронно с понижением температуры, система может регистрировать более низкую температуру.
Исследователи объединили свои точные измерения температуры с измерениями объема газа с использованием микроволн и давления газа, чтобы определить скорость потока.
Одним из преимуществ акустического метода является его относительная простота, сказал исследователь NIST Кит Гиллис. “В нем нет движущихся частей; единственное, что движется, – это газ”.
Прежде чем акустический метод станет стандартом, исследователям придется протестировать метод на более крупных сосудах и потоках газа.
Поуп, Гиллис и Джеймс Шмидт сообщили о своих результатах онлайн в выпуске от 21 марта Review of Scientific Instruments
Статья: Джоди Г. Поуп, Джеймс В. Шмидт и Кит А. Гиллис. Динамическое измерение расхода газа с использованием акустического резонансного трекинга. Обзор научных инструментов. Опубликовано в Сети 21 марта 2023 года. DOI: 10.1063/5.0143819