Wetenschap
Een mobiel kompas gebruiken om kleine concentraties van verbindingen te meten die belangrijk zijn voor de menselijke gezondheid
Bijna elke moderne mobiele telefoon heeft een ingebouwd kompas, of magnetometer, dat de richting van het magnetische veld van de aarde detecteert en cruciale informatie voor navigatie levert. Nu heeft een team van onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) een techniek ontwikkeld die een gewone gsm-magnetometer voor een heel ander doel gebruikt:het meten van de concentratie glucose, een marker voor diabetes, met hoge nauwkeurigheid.
P>Dezelfde techniek, waarbij de magnetometer wordt gebruikt in combinatie met magnetische materialen die zijn ontworpen om hun vorm te veranderen als reactie op biologische of omgevingssignalen, zou kunnen worden gebruikt om snel en goedkoop een groot aantal andere biomedische eigenschappen te meten voor het monitoren of diagnosticeren van ziekten bij de mens. De methode heeft ook het potentieel om gifstoffen uit het milieu te detecteren, zegt NIST-wetenschapper Gary Zabow.
In hun proof-of-concept-onderzoek klemden Zabow en mede-NIST-onderzoeker Mark Ferris een klein putje op een mobiele telefoon met daarin de te testen oplossing en een strookje hydrogel – een poreus materiaal dat opzwelt als het in water wordt ondergedompeld.
De onderzoekers plaatsten kleine magnetische deeltjes in de hydrogel, die ze hadden ontwikkeld om te reageren op de aanwezigheid van glucose of op de pH-waarde (een maatstaf voor de zuurgraad) door uit te zetten of te samentrekken. Veranderende pH-niveaus kunnen in verband worden gebracht met een verscheidenheid aan biologische aandoeningen.
Terwijl de hydrogels groter of kleiner werden, brachten ze de magnetische deeltjes dichter bij of verder weg van de magnetometer van de mobiele telefoon, die de overeenkomstige veranderingen in de sterkte van het magnetische veld detecteerde. Met behulp van deze strategie maten de onderzoekers glucoseconcentraties zo klein als een paar miljoensten van een mol (de wetenschappelijke eenheid voor een bepaald aantal atomen of moleculen in een stof).
Hoewel een dergelijke hoge gevoeligheid niet vereist is voor het thuis monitoren van de glucosespiegels met behulp van een druppel bloed, zou het in de toekomst routinematig testen van glucose in speeksel, dat een veel kleinere suikerconcentratie bevat, mogelijk kunnen maken.
De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in Nature Communications .
Gemanipuleerde of 'slimme' hydrogels zoals degene die het NIST-team gebruikte, zijn goedkoop en relatief eenvoudig te vervaardigen, zei Ferris, en kunnen worden aangepast om te reageren op een groot aantal verschillende verbindingen die medische onderzoekers mogelijk willen meten. In hun experimenten stapelden hij en Zabow enkele lagen van twee verschillende hydrogels op elkaar, die elk met verschillende snelheden samentrokken en uitzetten als reactie op de pH of glucose.
Deze dubbellagen versterkten de beweging van de hydrogels, waardoor het voor de magnetometer gemakkelijker werd om veranderingen in de magnetische veldsterkte te volgen.
Omdat de techniek geen andere elektronica of stroombron vereist dan die van de mobiele telefoon, noch enige speciale verwerking van het monster vereist, biedt het een goedkope manier om tests uit te voeren, zelfs op locaties met relatief weinig middelen.
Toekomstige inspanningen om de nauwkeurigheid van dergelijke metingen te verbeteren met behulp van magnetometers voor mobiele telefoons kunnen de detectie mogelijk maken van DNA-strengen, specifieke eiwitten en histaminen (verbindingen die betrokken zijn bij de immuunrespons van het lichaam) bij concentraties zo laag als enkele tientallen nanomol.
Die verbetering zou aanzienlijke voordelen kunnen opleveren. Voor het meten van histamine, die doorgaans in de urine wordt aangetroffen in concentraties van ongeveer 45 tot 190 nanomol, zou bijvoorbeeld normaal gesproken 24 uur per dag urine moeten worden verzameld en een geavanceerde laboratoriumanalyse nodig is.
"Een test thuis met behulp van een mobiele telefoonmagnetometer die gevoelig is voor nanomolaire concentraties zou het mogelijk maken metingen met veel minder gedoe uit te voeren", aldus Ferris. Meer in het algemeen zou een verhoogde gevoeligheid essentieel zijn wanneer slechts een kleine hoeveelheid van een stof beschikbaar is om te testen in extreem verdunde hoeveelheden, voegde Zabow eraan toe.
Op dezelfde manier suggereert het onderzoek van het team dat een magnetometer voor mobiele telefoons de pH-niveaus kan meten met dezelfde gevoeligheid als een tafelmeter van duizend dollar, maar tegen een fractie van de kosten.
Een thuisbrouwer of bakker zou de magnetometer kunnen gebruiken om snel de pH van verschillende vloeistoffen te testen om zijn vak te perfectioneren, en een milieuwetenschapper zou de pH van grondwatermonsters ter plaatse kunnen meten met een grotere nauwkeurigheid dan een lakmoesproefstrip zou kunnen bieden. P>
Om de mobiele telefoonmetingen tot een commercieel succes te maken, zullen ingenieurs een methode moeten ontwikkelen om de hydrogelteststrips in massa te produceren en ervoor te zorgen dat ze een lange houdbaarheid hebben, zei Zabow. Idealiter, zo voegde hij eraan toe, zouden de hydrogelstrips zo moeten worden ontworpen dat ze sneller reageren op signalen uit de omgeving om zo de metingen te versnellen.