Quasi tutti i cellulari moderni sono dotati di una bussola incorporata, o magnetometro, che rileva la direzione del campo magnetico terrestre, fornendo informazioni fondamentali per la navigazione. Ora un team di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha sviluppato una tecnica che utilizza un normale magnetometro per cellulare per uno scopo completamente diverso:misurare la concentrazione di glucosio, un indicatore del diabete, con elevata precisione.
La stessa tecnica, che utilizza il magnetometro insieme a materiali magnetici progettati per cambiare forma in risposta a segnali biologici o ambientali, potrebbe essere utilizzata per misurare in modo rapido ed economico una serie di altre proprietà biomediche per il monitoraggio o la diagnosi delle malattie umane. Il metodo ha anche il potenziale per rilevare le tossine ambientali, ha affermato lo scienziato del NIST Gary Zabow.
Nel loro studio dimostrativo, Zabow e il collega ricercatore del NIST Mark Ferris hanno fissato a un cellulare un minuscolo pozzetto contenente la soluzione da testare e una striscia di idrogel, un materiale poroso che si gonfia quando immerso nell'acqua.
I ricercatori hanno incorporato minuscole particelle magnetiche all’interno dell’idrogel, che avevano progettato per reagire alla presenza di glucosio o ai livelli di pH (una misura di acidità) espandendosi o contraendosi. Il cambiamento dei livelli di pH può essere associato a una varietà di disturbi biologici.
Man mano che gli idrogel si allargavano o si restringevano, spostavano le particelle magnetiche più vicino o più lontano dal magnetometro del cellulare, che rilevava i corrispondenti cambiamenti nella forza del campo magnetico. Utilizzando questa strategia, i ricercatori hanno misurato concentrazioni di glucosio fino a pochi milionesimi di mole (l'unità scientifica per un certo numero di atomi o molecole in una sostanza).
Sebbene una sensibilità così elevata non sia necessaria per il monitoraggio domiciliare dei livelli di glucosio utilizzando una goccia di sangue, in futuro potrebbe consentire test di routine per il glucosio nella saliva, che contiene una concentrazione di zucchero molto più piccola.
I ricercatori hanno riportato le loro scoperte in Nature Communications .
Gli idrogel ingegnerizzati, o "intelligenti", come quelli impiegati dal team del NIST sono poco costosi e relativamente facili da fabbricare, ha detto Ferris, e possono essere personalizzati per reagire a una serie di composti diversi che i ricercatori medici potrebbero voler misurare. Nei loro esperimenti, lui e Zabow hanno impilato singoli strati di due diversi idrogel, ciascuno dei quali si contraeva e si espandeva a velocità diverse in risposta al pH o al glucosio.
Questi doppi strati amplificavano il movimento degli idrogel, rendendo più facile per il magnetometro monitorare i cambiamenti nell'intensità del campo magnetico.
Poiché la tecnica non richiede componenti elettronici o fonti di alimentazione oltre a quella del cellulare né richiede alcuna elaborazione speciale del campione, offre un modo economico per condurre test, anche in luoghi con relativamente poche risorse.
Gli sforzi futuri per migliorare la precisione di tali misurazioni utilizzando magnetometri per cellulari potrebbero consentire il rilevamento di filamenti di DNA, proteine specifiche e istamine, composti coinvolti nella risposta immunitaria del corpo, a concentrazioni di poche decine di nanomoli.
Questo miglioramento potrebbe avere benefici sostanziali. Ad esempio, la misurazione dell'istamina, che in genere viene rilevata nelle urine a concentrazioni comprese tra circa 45 e 190 nanomoli, richiederebbe normalmente una raccolta di urina nelle 24 ore e sofisticate analisi di laboratorio.
"Un test casalingo che utilizzi un magnetometro per cellulare sensibile alle concentrazioni nanomolari consentirebbe di effettuare misurazioni con molto meno problemi", ha affermato Ferris. Più in generale, una maggiore sensibilità sarebbe essenziale quando solo una piccola quantità di una sostanza è disponibile per i test in quantità estremamente diluite, ha aggiunto Zabow.
Allo stesso modo, lo studio del team suggerisce che un magnetometro per cellulare può misurare i livelli di pH con la stessa sensibilità di un misuratore da banco da mille dollari, ma a una frazione del costo.
Un birraio casalingo o un panettiere potrebbero utilizzare il magnetometro per testare rapidamente il pH di vari liquidi per perfezionare la propria arte, e uno scienziato ambientale potrebbe misurare il pH dei campioni di acque sotterranee in loco con una precisione maggiore di quella che potrebbe fornire una striscia reattiva.
Per rendere le misurazioni effettuate con i cellulari un successo commerciale, gli ingegneri dovranno sviluppare un metodo per produrre in serie le strisce reattive in idrogel e garantire che abbiano una lunga durata di conservazione, ha affermato Zabow. Idealmente, ha aggiunto, le strisce di idrogel dovrebbero essere progettate per reagire più rapidamente ai segnali ambientali al fine di accelerare le misurazioni.
Ulteriori informazioni: Mark Ferris et al, Misurazione quantitativa e ad alta sensibilità di analiti liquidi utilizzando una bussola per smartphone, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47073-2
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal National Institute of Standards and Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
