指南针传感器 NIST研究人员尝试用智能手机的罗盘传感器测定人体中的化学成分

发布时间：2024-10-06 09:10:22

NIST研究人员尝试用智能手机的罗盘传感器测定人体中的化学成分

智能手机中的磁力计通过为设备的数字罗盘供电来帮助用户导航。现在，研究人员找到了一种方法，利用它通过读取血糖水平来导航人体化学反应，从而有可能使糖尿病的管理变得更加容易。

在一项概念验证研究中，美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们制作了一个小型胶囊装置，并将其夹在2020年发布的摩托罗拉Moto E智能手机上。胶囊中包含两片嵌入磁性颗粒的水凝胶薄片。水凝胶是一种富含水分的材料，从治疗脑损伤到制造微小的变形机器人，水凝胶已被广泛应用于各种领域。

根据葡萄糖的存在或液体的特定 pH 值，水凝胶片可按不同的速率膨胀或收缩。

然后，他们利用手机的磁力计读取两片磁片在移动磁性颗粒时产生的差异，或者靠近手机，或者远离手机。结果，这款设备能够以惊人的精确度测量葡萄糖水平。

该系统能够读取低至几百万分之一摩尔的糖浓度，这种测量方法通常应用于分子结构。研究人员说，这种精确度远远超出了检测血液样本中葡萄糖所需的精确度，但它可以用于读取唾液中的糖分，这意味着糖尿病患者可以每天读取葡萄糖读数，而不必忍受扎手指的痛苦。

研究人员还表示，该设备在分析内容方面可以更进一步。在目前的研究中，由于它还能检测 pH 值，研究小组称它可以用来检测一系列以体内 pH 值变化为标志的生物紊乱。由于其高度的准确性，它还可以快速、方便地测量组胺，从而有可能取代需要收集 24 小时尿液并进行详细实验室分析的检测方法。

"研究小组的研究表明，手机磁力计可以测量 pH 值，其灵敏度与价值数千美元的台式测量仪相同，但成本仅为后者的一小部分。"家庭酿酒师或面包师可以使用磁力计快速测试各种液体的 pH 值，以完善他们的工艺，而环境科学家则可以现场测量地下水样本的 pH 值，其精确度要高于石蕊试纸。

NIST 表示，该设备还可用于检测环境毒素。研究人员说，在概念验证研究的基础上，他们还需要研究如何批量生产水凝胶试纸，并找到使其在储存期间保持稳定和功能性的方法。

描述这项研究的论文已发表在《自然通讯》杂志上。

两者原理上是一样的，都是靠测地球磁场的方向来实现指南，但测量的方式不一样，毕竟手机里不可能内置小磁针。手机内置的指南针其实是一个三维电子罗盘，它可以在三个方向上测量地磁场，这样即使手机并非水平也可以算出地磁场方向。目前的主流是用霍尔效应来测量。

霍尔效应是高中物理的重要考点，当电流通过磁场中的导体时，垂直于电流和磁感线的方向上会出现电势差，称为霍尔电压。

图片来源：wikipedia

其中为材料厚度，为材料的霍尔系数。

半导体也有霍尔效应，而且霍尔系数比导体大得多，对应的霍尔电压也高，因此可以用半导体的霍尔效应来测量微弱的地磁场。霍尔传感器体积小，重量轻，很适合用在手机里。但它灵敏度低，而且受温度影响大，因此精度不高。

另外，磁阻效应也可以用于电子罗盘。磁阻传感器拥有磁各向异性，如果外加的磁场方向不同，材料的磁化率和电阻也不同，因此也可以用于测量地磁场。篇幅所限就不做过多介绍了。

那么，手机指南针是否校正了磁偏角呢？经过本人的小样本调查，发现安卓手机没有校正，但苹果手机有校正功能，就是下图中的使用真北。

其实对我们来说校正磁偏角的必要性不大。因为手机指南针容易受到其他磁场的影响，而且本身精度也不高。此外，不同地区的所需的校正值也不同，所以需要大致位置来定位。

by fiufiu