Fototermal Eğik ışık saçılımı ile hızlı ve Kimyasal içermeyen Hemoglobin Deneyi
Summary
A photo-thermal angular light scattering (PT-AS) sensor enables the rapid and chemical-free hemoglobin assay of nanoliter-scale blood samples. Here, details of the PT-AS setup and a measurement protocol for the hemoglobin concentration in blood are provided. Representative results for anemic blood samples are also presented.
Abstract
Foto-termal açısal ışık saçılması (PT-AS) kan örnekleri hemoglobin konsantrasyonu ([Hb]) ölçmek için yeni bir optik bir yöntemdir. Hemoglobin moleküllerin içsel fototermal yanıtı temelinde, sensör yüksek hassasiyetli, [Hb] kimyasal içermeyen ölçüm sağlar. [Hb] 0.35 aralığında 0.12 gr / dl sınır ile algılama yeteneği – 17.9 g / dl, daha önce ortaya konmuştur. yöntem kolayca böyle bir lazer pointer ve bir web kamerası olarak ucuz tüketici elektronik cihazları kullanılarak uygulanabilir. Kan kap gibi bir mikro-kapiller tüpün kullanılması da nanolitre ölçekli kan hacmi ve düşük işletme maliyeti Hemoglobin analizi sağlar. Burada, PT-AS optik kurulum ve sinyal işleme işlemleri için ayrıntılı talimatlar sunulmaktadır. Deney protokolleri ve anemi rahatsızlıkları kan örnekleri için temsil edici sonuçları ([Hb] = 5.3, 7.5, ve 9.9 g / dl) da sağlanmıştır, ve ölçümler, bu ileri geri karşılaştırılmıştırma hematoloji analizörü. uygulanması ve operasyonda sadeliği klinik laboratuarlar ve kaynak sınırlı ortamlarda geniş benimsenmesini sağlamalıdır.
Introduction
Bir kan testi yaygın genel insan sağlığını değerlendirmek ve belirli hastalıklarla ilgili Biyobelirteçleri tespit etmek için yapılır. Örneğin, kandaki kolesterol konsantrasyonu yakından kalp damar hastalıkları ve pankreatit ile ilgilidir, hiperlipidemi için bir kriter olarak hizmet vermektedir. glikoz düzeyi diyabetik ketoasidoz ve hiperglisemik hiperozmolar sendromu gibi komplikasyonlar ile ilişkili olarak kan şekeri içeriği, sık sık ölçülmelidir. sıtma, insan immün yetmezlik virüsü ve edinilmiş bağışıklık yetersizliği sendromu gibi ciddi hastalıklar, kan bulguları ile de teşhis ve eritrosit, trombosit dahil olmak üzere kan bileşenlerinin ölçümü ve lökosit pankreatik ve böbrek hastalıklarının taraması sağlar edilir.
Hemoglobin (Hb), kan kritik bir bileşeni, eritrositlerin yaklaşık% 96 yapar, ve insan organlara oksijen taşır. kitle konsantrasyonunun önemli değişiklik ([Hb]) Bana gösterebilirtabolic değişiklikler, hepatobiliyer hastalık ve nörolojik kardiyovasküler ve endokrinolojik bozukluklar 1. [Hb] Bu nedenle rutin kan testleri ile ölçülür. Özellikle, anemik hastalar, diyaliz hastalarında ve hamile kadınlar güçlü bir hayati görev 2 olarak [Hb] izlemek için tavsiye edilir.
Çeşitli [Hb] saptama yöntemleri, böylece geliştirilmiştir. Hemoglobin siyanür yöntem olup, [Hb] ölçümü için en yaygın tekniklerden biri, potasyum siyanid (KCN), eritrositlerin 3 lipid ikili katmanı yok etmek için kullanmaktadır. 540 nm civarında kimyasal sergileyen, yüksek emme ile üretilen siyanid hemoglobin; dolayısıyla, [Hb] ölçümleri kolorimetrik analizi ile yapılabilir. Bu yöntem yaygın olarak sadeliği sayesinde istihdam, ancak kullanılan kimyasallar (örneğin, KCN ve dimethyllaurylamine oksit) insanlar ve çevre için zehirli olduğunu. hematokrit Şema total kan vol kıyasla kırmızı kan hücrelerinin hacmi oranını ölçersantrifüjle ayırma yoluyla ume; Ancak bu nispeten büyük bir kan hacmi (50-100 ul), 4 gerektirir. Spektrofotometri yöntemleri tedbir [Hb] kesinlikle herhangi bir kimyasal olmadan, ancak birden fazla dalga boylarına ve büyük bir kan hacminde ölçümler 5,6 gereklidir. Benzer şekilde, [Hb] ölçmek için çeşitli optik yöntemler ışık saçılması dayalı algılama yöntemleri dahil olmak üzere ileri sürülmüştür, ancak ölçüm doğrulukları teorik kan modelinin doğruluğuna kuvvetle bağlıdır.
Bu sınırlamaları aşmak için, Hb fototermal (PT) etkisine dayanan [Hb] saptama yöntemleri son zamanlarda 7 ileri sürülmüştür. Ağırlıklı olarak demir oksitler oluşur Hb, 532 nm de ışığı absorbe ve ısı 8-10 içine ışık enerjisini dönüştürür. Bu PT sıcaklık artışı kan örnekleri kırılma indeksi (RI) bir değişimin ölçülmesi optik olarak tespit edilebilir. Yım ve ark. istihdam spektral domain optik koherens reflectometrY, bir kan içeren bölme 11 PT optik yol uzunluk değişimi ölçülür. yöntem kimyasal madde içermeyen ve doğrudan [Hb] ölçüm sağlasa, bir spektrometre kullanımı ve interferometrik düzenleme onun minyatür engelleyebilir. Son zamanlarda, alternatif [Hb] algılama yöntemi sunulmaktadır cihazı minyatürleştirme 12 için daha uygundur verilmedi termal açısal ışık saçılımı (PT-AS) sensör olarak adlandırılan. PT-AS sensörü kılcal tüp içinde bir kan örneğinin RI PT değişiklikleri ölçmek için geri saçılma interferometre (BSI) yüksek UR hassasiyetini patlatır. BSI çeşitli çözümler 13-15 RI ölçmek ve ücretsiz bir çözüm 16 biyokimyasal etkileşimler izlemek için kullanılmıştır. PT-AS sensör BSI gibi benzer optik düzenlemeyi istihdam ancak kan örneklerinde RI PT artışı ölçmek için fototermal uyarma kurulumu birleştirir. BSI ve PT-AS sensörlerin çalışma prensipleri başka yerlerde ayrıntılı olarak tarif edilmiştir <sup> 12,15. PT-AS sensörü geniş bir algılama aralığı (,35-17,9 g / dL) üzerinde yüksek hassasiyetli [Hb] Ölçümü gösterdi ve <100 nl örnek hacimleri ile çalışan yeteneğine sahiptir. kan örneği yok önkoşullanma gereklidir ve ölçüm süresi sadece ~ 5 sn. Burada, deney düzeneği ve detaylı bir ölçüm protokolü tarif edilmiştir. Temsilci PT-AS sonuçları anemik hastalarda kan örnekleri kullanılarak sağlanır ve sonuçlar PT-AS sensörünün doğruluğunu değerlendirmek için bir hematoloji analizörü gelenler karşılaştırılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
PT-AS sensörü işlenmemiş kan örneklerinin direkt [Hb] ölçüm yapabilen bir all-optik yöntem temsil eder. yöntem eritrositler hemoglobin moleküllerinin içsel PT yanıtını kullanarak kanda [Hb] rakamlarla. 532-nm ışık ile aydınlatma altında, Hb molekülleri ışık enerjisini emer ve ısı üretirler. Elde edilen sıcaklık yükselmesi kan örneği RI değiştirir. BSI yüksek RI duyarlılığı kanda bu RI değişimi ölçmek için istismar edilmiştir. Daha önce, PT-sensör piyasada ticari [Hb] sensö…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the research programs of the National Research Foundation of Korea (NRF) (NRF-2015R1A1A1A05001548 and NRF-2015R1A5A1037668).
Materials
| 650nm laser pointer | LASMAC | LED-1 | Probe light |
| Hollow round glass capillaries | Cm Scientific | CV2033 | Blood sample container |
| Webcam | Logitech | C525 | CMOS optical sensor |
| 532-nm DPSS laser | CNI Laser | MGL-Ⅲ-532 | Photothermal light source |
| Optical chopper system | Thorlabs | MC2000-EC | Optical chopper |
| Plastic long-pass filter | Edmund Optics | #43-942 | To reject 532-nm PT excitation light |
| Fiber clamp | Thorlabs | SM1F1-250 | Capillary tube fixture |
| EDTA coated blood sampling tube | Greiner Bio-One | VACUETTE 454217 | Blood sampling & anticoagulating |
| Hematology analyzer | Siemens AG | ADVIA 2120i | Reference hematology analyzer |
References
- Mokken, F. C., Kedaria, M., Henny, C. P., Hardeman, M., Gelb, A. The clinical importance of erythrocyte deformability, a hemorrheological parameter. Ann. Hematol. 64 (3), 113-122 (1992).
- Rosenblit, J., et al. Evaluation of three methods for hemoglobin measurement in a blood donor setting. Sao Paulo Medical Journal. 117 (3), 108-112 (1999).
- Van Kampen, E., Zijlstra, W. Standardization of hemoglobinometry II. The hemiglobincyanide method. Clin. Chim. Acta. 6 (4), 538-544 (1961).
- Billett, H. H. Hemoglobin and hematocrit. Clinical Methods: The History, Physical, and Laboratory Examinations. 3, (1990).
- Kuenstner, J. T., Norris, K. H., McCarthy, W. F. Measurement of hemoglobin in unlysed blood by near-infrared spectroscopy. Appl. Spectrosc. 48 (4), 484-488 (1994).
- Zwart, A., et al. A multi-wavelength spectrophotometric method for the simultaneous determination of five haemoglobin derivatives. Clin. Chem. Lab. Med. 19 (7), 457-464 (1981).
- Kwak, B. S., et al. Direct measurement of the in vitro hemoglobin content of erythrocytes using the photo-thermal effect of the heme group. Analyst. 135 (9), 2365-2371 (2010).
- Lapotko, D., Lukianova, E. Laser-induced micro-bubbles in cells. International Journal of Heat Mass Transfer. 48 (1), 227-234 (2005).
- Lapotko, D. O. Laser-induced bubbles in living cells. Lasers in surgery and medicine. 38 (3), 240-248 (2006).
- Lapotko, D. O., Romanovskaya, T. y. R., Shnip, A., Zharov, V. P. Photothermal time-resolved imaging of living cells. Lasers in surgery and medicine. 31 (1), 53-63 (2002).
- Yim, J., et al. Photothermal spectral-domain optical coherence reflectometry for direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes. Biosens. Bioelectron. 57, 59-64 (2014).
- Kim, U., et al. Capillary-scale direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes using photothermal angular light scattering. Biosens. Bioelectron. 74, 469-475 (2015).
- Sørensen, H. S., Larsen, N. B., Latham, J. C., Bornhop, D. J., Andersen, P. E. Highly sensitive biosensing based on interference from light scattering in capillary tubes. Appl. Phys. Lett. 89 (15), 151108 (2006).
- Swinney, K., Markov, D., Bornhop, D. J. Ultrasmall volume refractive index detection using microinterferometry. Rev. Sci. Instrum. 71 (7), 2684-2692 (2000).
- Tarigan, H. J., Neill, P., Kenmore, C. K., Bornhop, D. J. Capillary-scale refractive index detection by interferometric backscatter. Anal. Chem. 68 (10), 1762-1770 (1996).
- Bornhop, D. J., et al. Free-solution, label-free molecular interactions studied by back-scattering interferometry. science. 317 (5845), 1732-1736 (2007).
- Yang, X., et al. Simple paper-based test for measuring blood hemoglobin concentration in resource-limited settings. Clin. Chem. 59 (10), 1506-1513 (2013).
- Zhu, H., et al. Cost-effective and rapid blood analysis on a cell-phone. Lab Chip. 13 (7), 1282-1288 (2013).
- Pogačnik, L., Franko, M. Detection of organophosphate and carbamate pesticides in vegetable samples by a photothermal biosensor. Biosens. Bioelectron. 18 (1), 1-9 (2003).
