Одной из отличительных черт современного мира являются мобильные или носимые устройства. Смартфоны, в отличие от своих предшественников, выполняют множество функций помимо голосовой или текстовой связи. Использование смартфонов и носимой электроники в диагностических целях также стало более распространенным благодаря технологическому прогрессу, а также благодаря труду ученых и инженеров. Многие диагностические приложения основаны на оптике и, как следствие, используют камеру телефона в качестве сенсорного интерфейса. Куда меньше внимания уделяется компасу телефона (магнитомеру), хотя потенциал этого устройства в диагностике велик. Ученые из Национального института стандартов и технологий (США) разработали методику диагностики уровня глюкозы, которая задействует магнитомер смартфона. Как именно был использован магнитомер, и насколько точна такая диагностика? Ответы на эти вопросы мы узнаем в докладе ученых.

Основа исследования

Ученые отмечают, что разработки в области диагностики через носимые или мобильные устройства является не просто новшеством ради новшества. Многие методы диагностики связаны с большим оборудованием, высокой стоимостью и высокими требованиями к знаниям оператора. Следовательно, создание портативных и простых в использовании диагностических устройств позволит нивелировать вышеописанные требования, тем самым подарив доступ к диагностике людям из самых разных уголков планеты. Однако далеко не все носимые устройства можно считать беспроблемными, так как для преобразования их в диагностическую платформу могут потребоваться значительные конструктивные или программные изменения.

По-настоящему интегрированный анализ с помощью смартфонов, не требующий дополнительных датчиков, питания или электроники, кроме тех, которые уже встроены в телефон, может лучше обеспечить широкое распространение диагностики. В этой области был достигнут значительный прогресс, в частности, благодаря разработкам, создавшим мобильные инструменты микроскопии, которые используют встроенную камеру смартфона и специальную насадку на нее. Однако аналогичное использование встроенных в смартфоны магнитометров помимо предполагаемого использования компаса по-прежнему практически не существует.

Несмотря на присущие ему преимущества, в том числе возможность проводить количественные измерения непосредственно из непрозрачных образцов с минимальной предварительной подготовкой проб или вообще без нее, а также невосприимчивость к автофлуоресценции и светорассеянию, телефонный магнитометр до сих пор не использовался для измерения или мониторинга аналитов в медицине или экологии.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили объединить компас смартфона и намагниченный, меняющий форму гидрогелевый композит.

Гидрогели представляют собой гидрофильные трехмерные сшитые полимерные сетки, которые набухают в воде, сохраняя при этом свою связанную структуру. Благодаря дополнительной функциональности «умные» гидрогели могут претерпевать обратимые изменения объема в целенаправленной реакции на определенные химические или физические стимулы, что делает их отличными материалами для различных применений. Хотя некоторые умные гидрогели обладают впечатляющей степенью набухания, вызванного аналитом, реакция на другие мишени аналита, такие как глюкоза, часто ограничивается более скромными изменениями (~ 10% по длине). Однако это скромное изменение можно усилить за счет инженерных изменений состава и/или геометрии гидрогеля. Например, как и в случае с металлическими биморфами внутри термостатов, усиленное скручивающее движение можно создать с помощью двухслойных гидрогелевых структур, где два соединенных слоя умного гидрогеля набухают в разной степени в ответ на определенный стимул, или где умный гидрогель соединен со вторым инертным слоем.

В предыдущих исследованиях умные гидрогели комбинировались с магнитным материалом для создания датчиков, которые преобразуют расширения (расширения или сжатия) гидрогеля в изменяющиеся сигналы магнитного поля. Однако в этих сенсорных конструкциях до сих пор использовалось только расширение однородного состава, т. е. гомогенных гидрогелевых материалов, которые смещают положение любого связанного (прикрепленного или встроенного) магнитного материала на относительно небольшие расстояния, что требует сильных магнитов и/или чувствительных магнитометров для обнаружения движения.

Напротив, бислои гидрогеля могут усиливать движение любого связанного с ним магнитного материала, иногда на порядки, аналогичным образом усиливая изменение любых измеренных полей от этих магнитов. Как отмечают ученые, это устраняет необходимость в больших магнитах, чувствительных магнитометрах или даже в непосредственной близости от магнитометра.

В данном труде ученые описывают измерение жидких аналитов на основе магнитометра смартфона с использованием двухслойной умной структуры гидрогеля (гидрогелевого актуатора или тест-полоски для аналита) со встроенными намагниченными частицами, которые скручиваются под воздействием целевого аналита, вытесняя намагниченные частицы относительно магнитометра телефона.

Результаты исследования

Изображение №1

Прототип платформы на базе смартфона, разработанный в данном исследовании для Motorola Moto E (2020), изображен на 1A. Полная платформа состоит из позиционирующего зажима, гидрогелевого актуатора, пластиковой насадки с лункой для раствора аналита и самого смартфона. Зажим фиксирует инертный горизонтальный сегмент актуатора гидрогеля на дне лунки для аналита в непосредственной близости от магнитометра. На 1B показан прототип диагностической платформы. Гидрогелевый актуатор (схематически показан на 1C) имеет плоскую Т-образную форму. Он состоит из инертного гидрогеля на горизонтальном сегменте буквы Т, используемого для фиксации актуатора на месте, и двухслойного гидрогеля на вертикальном сегменте, который включает в себя рабочую область. Двухслойный сегмент состоит из слоя инертного гидрогеля внизу и слоя умного гидрогеля, реагирующего на анализируемое вещество, сверху (показано серым и желтым цветом соответственно на 1C). Нижний слой также включает в себя внедренный, примерно дискообразный ансамбль постоянно намагниченных микрочастиц неодима, железа и бора (Nd₂Fe₁₄B), расположенный вблизи нижнего кончика Т-образной формы. Эти частицы покрыты кремнеземом для предотвращения коррозии и сведения к минимуму любых непреднамеренных изменений свойств их магнитного поля при погружении в испытательные растворы.

Гидрогелевый актуатор лежит ровно в отсутствие аналита (слева на 1C) и располагается с частицами Nd₂Fe₁₄B непосредственно над магнитометром смартфона. Затем двухслойная секция скручивается вверх при добавлении аналита (справа на 1C) из-за вызванного стимулами сжатия верхнего слоя умного гидрогеля (для умных гидрогелей, которые расширяются в ответ на аналит, слой умного гидрогеля будет располагаться на дне). Это закручивание отодвигает магнитные частицы от магнитометра, изменяя показания его магнитного поля. На 1D показана фотография гидрогелевого актуатора до (слева) и после (справа) активации аналита.

Видео №1: скручивание гидрогелевого актуатора в ответ на анализируемое вещество (также показано на 1E-1I).

Для проверки концепции ученые использовали состав на основе бороновой кислоты, который реагирует на глюкозу и другие молекулы сахара, содержащие цис-диолы, в качестве умного гидрогелевого слоя в гидрогелевом актуаторе. Инертные части гидрогелевого актуатора были изготовлены из тех же мономерных компонентов, но без группы бороновой кислоты. Количество N-(3-диметиламинопропилакриламида) (DMA) в инертном составе было отрегулировано таким образом, чтобы начальное набухание чистой водой инертного и чувствительного к анализируемому веществу гидрогеля после отверждения совпадало, в результате чего получался в основном плоский гидрогелевый композит при отсутствии аналита.

Ученые также показали универсальность данной платформы, переработав химию, чтобы гидрогелевый актуатор реагировал на pH. Данный вариант актуатора был создан с помощью акриловой кислоты в сочетании с инертным слоем гидрогеля. Когда уровень pH равен 4, актуатор стабилен, а если pH повышается, то гидрогель начинает набухать.


Изображение №2

Основные характеристики системы указаны выше. На 2A показаны изменения измеренной напряженности поля (ΔB_z), когда концентрация глюкозы в тестируемом растворе повышается до 20 мМ, а затем возвращается к нулю. Протестированный в течение трех циклов (2B) актуатор точно воспроизводил данный отклик со стандартным отклонением средних показаний магнитометра в конечной точке, составляющим не более половины процента от общего отклика (2C). Использованный гидрогелевый актуатор имел среднюю ΔB_z 87 мкТл со временем отклика примерно 20 минут в ответ на 20 мМ глюкозы.

Однако это наблюдаемое изменение поля зависит от того, насколько далеко гидрогелевый актуатор перемещает намагниченные частицы, а также от магнитного поля, создаваемого этими частицами, оба из которых могут быть увеличены во много раз. На 2D показано, что система динамически реагирует на изменения концентрации глюкозы.


Изображение №3

Хотя для ясности на 1D и 1G-1I показана большая степень отклонения от бислоя в ответ на глюкозу, большая часть ΔB_z, вызванная этой итерацией гидрогелевого актуатора, происходит с меньшей степенью отклонения в диапазоне, где магнитные частицы движутся в основном вертикально с небольшим изменением угла по отношению к поверхности телефона и где отклик датчика остается в основном линейным. Например, показания магнитометра конечной точки на 2D (вставка) воспроизведены на 3A, при этом прямая линия показывает приблизительно линейную калибровку (R² = 0.985) системы на два порядка величины. Аналогичным образом, pH система обеспечивает приблизительно линейную калибровку (R² = 0.989; 3B) в диапазоне pH, который охватывает 80% диапазона датчика.


Изображение №4

Несмотря на большой динамический диапазон, система может обнаруживать удивительно низкие концентрации глюкозы благодаря усиленному движению двухслойной конструкции. Как показано в результатах другого гидрогелевого актуатора (4A), предел обнаружения глюкозы достигает однозначных микромолярных концентраций. Следовательно, данная система уже находится на том же уровне производительности (а может и выше), что и большинство оптических и электрохимических датчиков глюкозы.

Чувствительность обнаружения ограничена шумом. В данном случае преобладает шум магнитометра телефона, а не гидрогелевых актуаторов, которые не меняют общий уровень шума при добавлении или удалении из телефона (4B). Шум также не меняется во время работы актуаторов.

Таким образом, поскольку в шуме преобладает телефон, а не гидрогелевый актуатор, существуют многочисленные возможные пути расширения пределов обнаружения вплоть до наномолярного диапазона посредством простых геометрических и/или магнитных изменений актуатора.

В качестве демонстрации данного утверждения ученые показали две элементарные модификации, основанные на магнетизме:

• увеличение нагрузки магнитного материала для увеличения наблюдаемого ΔB_z ~10× (слева на 4C) с минимальными потерями в плане шума (справа на 4C);
• уменьшением расстояния между гидрогелевым актуатором и магнитометром, чтобы обеспечить дальнейшее увеличение показаний магнитного поля на два порядка (4D).

Изображение №5

В качестве демонстрации ученые провели анализ содержания глюкозы в вине и шампанском (5A) с помощью смартфона и без какой-либо предварительной обработки. Как и ожидалось, вино с высоким содержанием сахара (сангрия) вызывает больший ΔB_z, чем образцы с низким содержанием сахара (Пино Гриджио и шампанское брют).

На 5B показаны результаты работы системы по измерению уровня pH. Здесь не использовались буферы, поскольку остатки буфера pH в лунке могут изменить pH последующих тестовых растворов. Вместо этого ΔB_z записывали по базовой линии водопроводной воды (pH ~ 6.5), где гидрогелевый актуатор сначала скручивался, а затем уплощался по мере снижения pH. Для сравнения также измеряли pH напитков с помощью стандартного pH-электрода (5B). Напитки с более низким pH, как и ожидалось, привели к большим изменениям ΔB_z.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о своем творении — система анализа глюкозы на базе смартфона.

Ученые прикрепили к обычному смартфону крошечную ячейку, содержащую тестируемый раствор и полоску гидрогеля — пористого материала, который набухает при погружении в воду. В состав гидрогеля были включены магнитные частицы, которые реагировали либо на глюкозу, либо на уровень pH. По мере того как гидрогель расширялся или сжимался, он перемещал магнитные частицы ближе или дальше от магнитометра смартфона, который обнаруживал соответствующие изменения в силе магнитного поля.

Полученная система позволяла измерять невероятно низкие концентрации глюкозы. В случае анализа крови такая точность может и не нужна, но в будущем данная система может использоваться для измерения глюкозы в слюне человека, где ее концентрации невероятно малы.

Авторы разработки отмечают, что умные гидрогели, использованные в исследовании, обладают низкой стоимостью и просты в изготовлении. Но самой важной особенностью является возможность адаптировать их для реакции на множество различных соединений. Поскольку этот метод не требует какой-либо электроники или источника питания, кроме мобильного телефона, а также какой-либо специальной обработки образца, он предлагает недорогой способ проведения диагностики.

Ученые отмечают, что совершенствование данной системы может в будущем позволить использовать магнитомер телефона для обнаружения нитей ДНК, специфических белков и гистаминов.

Использование современных технологий и разработок в медицине позволяет сделать ее по-настоящему доступной даже в тех регионах, где классические методы диагностики отсутствуют.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?