Usando uma bússola de celular para medir pequenas concentrações de compostos importantes para a saúde humana
A ilustração mostra como um magnetômetro de smartphone pode medir uma série de propriedades biomédicas em amostras líquidas usando um hidrogel magnetizado. Crédito:K. Dill/NIST Quase todos os celulares modernos possuem uma bússola embutida, ou magnetômetro, que detecta a direção do campo magnético da Terra, fornecendo informações críticas para a navegação. Agora, uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveu uma técnica que usa um magnetômetro comum de celular para uma finalidade totalmente diferente:medir a concentração de glicose, um marcador de diabetes, com alta precisão.
A mesma técnica, que utiliza o magnetómetro em conjunto com materiais magnéticos concebidos para mudar a sua forma em resposta a sinais biológicos ou ambientais, poderia ser usada para medir de forma rápida e barata uma série de outras propriedades biomédicas para monitorizar ou diagnosticar doenças humanas. O método também tem potencial para detectar toxinas ambientais, disse o cientista do NIST Gary Zabow.
No seu estudo de prova de conceito, Zabow e o colega investigador do NIST, Mark Ferris, prenderam a um telemóvel um pequeno poço contendo a solução a ser testada e uma tira de hidrogel – um material poroso que incha quando imerso em água.
Os pesquisadores incorporaram minúsculas partículas magnéticas dentro do hidrogel, que eles projetaram para reagir à presença de glicose ou aos níveis de pH (uma medida de acidez), expandindo-se ou contraindo-se. A alteração dos níveis de pH pode estar associada a uma variedade de distúrbios biológicos.
À medida que os hidrogéis aumentavam ou encolhiam, eles aproximavam ou afastavam as partículas magnéticas do magnetômetro do celular, que detectava as mudanças correspondentes na força do campo magnético. Empregando esta estratégia, os investigadores mediram concentrações de glicose tão pequenas quanto alguns milionésimos de mole (a unidade científica para um certo número de átomos ou moléculas numa substância).
Embora essa sensibilidade elevada não seja necessária para a monitorização caseira dos níveis de glicose utilizando uma gota de sangue, poderá, no futuro, permitir testes de rotina para a glicose na saliva, que contém uma concentração muito menor de açúcar.
Os pesquisadores relataram suas descobertas na Nature Communications .
Hidrogéis projetados, ou “inteligentes”, como os empregados pela equipe do NIST, são baratos e relativamente fáceis de fabricar, disse Ferris, e podem ser adaptados para reagir a uma série de compostos diferentes que os pesquisadores médicos podem querer medir. Em seus experimentos, ele e Zabow empilharam camadas únicas de dois hidrogéis diferentes, cada um dos quais se contraiu e se expandiu em taxas diferentes em resposta ao pH ou à glicose.
Projeto de prova de conceito para detecção de smartphone baseada em magnetômetro. A Esquema da plataforma completa do sensor de hidrogel magnético para smartphone, composta por uma pinça imobilizadora, o atuador de hidrogel, uma peça de fixação para telefone com um poço para reter a solução de analito e um smartphone. B Fotografia de um protótipo de plataforma de sensor conectado ao telefone. C Esquema de um atuador de hidrogel em forma de T, com uma região inerte ao longo do comprimento horizontal e uma região de bicamada ao longo do comprimento vertical, consistindo de um hidrogel inteligente (topo, amarelo) e um hidrogel inerte (parte inferior, cinza) com Nd2 incorporado Fe14 Partículas B. A região da bicamada fica plana na ausência de analito com o Nd2 Fe14 Partículas B posicionadas diretamente sobre um magnetômetro (esquerda) e cachos na presença de analito com o Nd2 Fe14 As partículas B afastaram-se do magnetômetro, diminuindo o campo magnético observado. D Fotografia do atuador de hidrogel na ausência (esquerda, plana) e presença (direita, enrolada) do analito. E –Eu Ondulação do atuador de hidrogel ao longo do tempo, em resposta ao analito. Para maior clareza, as imagens mostram um grande grau de ondulação, embora a maior parte da mudança útil do sinal ocorra nas curvas representadas nos primeiros painéis. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47073-2
Essas bicamadas amplificaram o movimento dos hidrogéis, tornando mais fácil para o magnetômetro rastrear mudanças na intensidade do campo magnético.
Como a técnica não requer nenhum equipamento eletrônico ou fonte de energia além do celular, nem exige nenhum processamento especial da amostra, ela oferece uma maneira barata de realizar testes – mesmo em locais com relativamente poucos recursos.
Esforços futuros para melhorar a precisão de tais medições usando magnetômetros de celulares poderão permitir a detecção de cadeias de DNA, proteínas específicas e histaminas – compostos envolvidos na resposta imunológica do corpo – em concentrações tão baixas quanto algumas dezenas de nanomoles.
Essa melhoria poderia trazer benefícios substanciais. Por exemplo, a medição de histaminas, que são normalmente detectadas na urina em concentrações que variam entre cerca de 45 e 190 nanomoles, normalmente exigiria uma colheita de urina de 24 horas e uma análise laboratorial sofisticada.
“Um teste caseiro usando um magnetômetro de celular sensível a concentrações nanomolares permitiria que as medições fossem feitas com muito menos complicações”, disse Ferris. De forma mais geral, a sensibilidade aumentada seria essencial quando apenas uma pequena quantidade de uma substância estiver disponível para teste em quantidades extremamente diluídas, acrescentou Zabow.
Da mesma forma, o estudo da equipe sugere que um magnetômetro de celular pode medir os níveis de pH com a mesma sensibilidade que um medidor de bancada de mil dólares, mas por uma fração do custo.
Um cervejeiro caseiro ou um padeiro poderia usar o magnetômetro para testar rapidamente o pH de vários líquidos para aperfeiçoar sua arte, e um cientista ambiental poderia medir o pH de amostras de águas subterrâneas no local com maior precisão do que uma tira de teste de tornassol poderia fornecer.
Para tornar as medições dos celulares um sucesso comercial, os engenheiros precisarão desenvolver um método para produzir em massa as tiras de teste de hidrogel e garantir que tenham uma vida útil longa, disse Zabow. Idealmente, acrescentou ele, as tiras de hidrogel deveriam ser projetadas para reagir mais rapidamente aos estímulos ambientais, a fim de acelerar as medições.
