والسريع والكيميائية خالية الفحص الهيموغلوبين مع ضوئي؛ ضوحراري الزاوي تشتت الضوء
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
الضوئية الحرارية الزاوي تشتت الضوء (PT-AS) هو أسلوب بصري رواية لقياس تركيز الهيموجلوبين ([هب]) من عينات الدم. على أساس الاستجابة ضوئي؛ ضوحراري الجوهرية للجزيئات الهيموغلوبين، واستشعار تمكن ذات حساسية عالية، وقياس خالية من المواد الكيميائية من [هب]. [هب] القدرة على الكشف مع حد من 0.12 غ / دل على نطاق 0.35 – وقد تجلى 17.9 غ / دل سابقا. يمكن تنفيذها على طريقة بسهولة باستخدام الأجهزة الالكترونية الاستهلاكية غير مكلفة مثل مؤشر ليزر وكاميرا ويب. استخدام أنبوب شعري الصغرى باعتبارها حاوية الدم يمكن أيضا فحص الهيموجلوبين مع حجم الدم نانولتر النطاق وتكلفة التشغيل المنخفضة. هنا، يتم عرض تعليمات مفصلة لإجراءات معالجة الإعداد PT-AS الضوئية والإشارات. وتقدم البروتوكولات التجريبية ونتائج ممثلة لعينات الدم في ظروف فقر الدم ([هب] = 5.3، 7.5، و 9.9 غ / دل) أيضا، وتتم مقارنة القياسات مع تلك جيئة وذهاباأماه أمراض الدم محلل. البساطة في التنفيذ والتشغيل يجب تمكين اعتماد على نطاق واسع في المختبرات السريرية والمناطق ذات الموارد المحدودة.
Introduction
يتم تنفيذ اختبار الدم عادة لتقييم صحة الإنسان العامة والكشف عن المؤشرات الحيوية المرتبطة بأمراض معينة. على سبيل المثال، وتركيز الكولسترول في الدم بمثابة معيار لفرط شحميات الدم، والذي يرتبط ارتباطا وثيقا أمراض القلب والشرايين والتهاب البنكرياس. ينبغي قياس محتويات السكر في الدم بشكل متكرر، كما يرتبط مستوى الجلوكوز مع مضاعفات مثل الحماض الكيتوني السكري، ومتلازمة فرط فرط سكر الدم. يتم تشخيص أمراض خطيرة مثل الملاريا وفيروس نقص المناعة البشرية ومتلازمة نقص المناعة المكتسبة عن طريق الامتحانات الدم، وتقدير حجم مكونات الدم بما في ذلك خلايا الدم الحمراء، thrombocytes، والكريات البيض يمكن فحص البنكرياس وأمراض الكلى.
خضاب الدم (الهيموغلوبين)، وهو عنصر حاسم في الدم، تشكل حوالي 96٪ من الكريات الحمراء، وينقل الأكسجين إلى الأعضاء البشرية. تغيير كبير في تركيز كتلة لها ([هب]) قد يشير ليالتغييرات tabolic وأمراض الكبدية الصفراوية، والعصبية، القلب والأوعية الدموية والغدد الصماء اضطرابات 1. ولذلك [هب] تقاس بشكل روتيني في اختبارات الدم. ولا سيما، مرضى فقر الدم، ومرضى غسيل الكلى، والنساء الحوامل وينصح بشدة لمراقبة [هب] كمهمة الحيوية 2.
وهكذا فقد تم تطوير العديد من طرق الكشف [هب]. طريقة الهيموجلوبين السيانيد، واحدة من التقنيات الأكثر شيوعا ل[هب] الكمي، يستخدم سيانيد البوتاسيوم (KCN) لتدمير طبقة ثنائية المادة الدهنية من الكريات الحمراء 3. الهيموغلوبين السيانيد التي تنتجها المعروضات الكيميائية امتصاص عالية حول 540 نانومتر. بالتالي، [هب] القياسات يمكن أن يتم عن طريق تحليل اللونية. يعمل هذا الأسلوب على نطاق واسع نظرا لبساطته، ولكن المواد الكيميائية المستخدمة (على سبيل المثال، KCN وأكسيد dimethyllaurylamine) هي مواد سامة للإنسان والبيئة. مخطط الهيماتوكريت يقيس نسبة حجم خلايا الدم الحمراء بالمقارنة مع مجموع المجلد الدمأوميا خلال الفصل بالطرد المركزي. ومع ذلك فإنه يتطلب حجم الدم كبير نسبيا (50-100 ميكرولتر) 4. الطيفي طرق قياس [هب] على وجه التحديد دون أي مواد كيميائية، ولكن القياسات في موجات متعددة وحجم الدم كبير يطلب 5،6. وبالمثل، فقد تم اقتراح عدة وسائل بصرية لقياس [هب] بما في ذلك طرق الكشف على أساس تشتت الضوء، ولكن دقتها قياسها يعتمد بقوة على دقة النموذج الدم النظري.
للتغلب على هذه القيود، وقد تم مؤخرا اقترح [هب] طرق الكشف على أساس تأثير ضوئي؛ ضوحراري (PT) من هب 7. الهيموغلوبين، الذي يتكون أساسا من أكاسيد الحديد، تمتص الضوء في 532 نانومتر، وتحويل الطاقة الضوئية إلى حرارة 8-10. هذه الزيادة في درجة الحرارة PT يمكن أن يتم الكشف عن بصريا من خلال قياس التغير في معامل الانكسار (RI) من عينات الدم. ييم وآخرون. العاملين الطيفية المجال التماسك البصري reflectometrذ لقياس التغير البصرية مسار بطول PT في غرفة التي تحتوي على الدم 11. على الرغم من أن طريقة تمكن خالية من المواد الكيميائية ومباشر [هب] قياس، واستخدام مطياف وترتيب التداخل قد تعيق تصغيرها ل. قدمنا مؤخرا طريقة الكشف عن بديل [هب]، ووصف الزاوي تشتت الضوء (PT-AS) الاستشعار الضوئية الحرارية، الذي هو أكثر ملاءمة لتصغير الجهاز 12. أجهزة الاستشعار PT-AS يستغل حساسية RI عالية من التداخل-نثر الظهر (BSI) لقياس التغيرات PT في ري لعينة الدم داخل الأنابيب الشعرية. وقد استخدمت BSI لقياس RI من مختلف الحلول 13-15 ورصد التفاعلات الكيميائية الحيوية في حل الحرة 16. أجهزة الاستشعار PT-AS توظف ترتيب البصرية مماثلة كما هو الحال في BSI، ولكن يجمع بين الإعداد الإثارة ضوئي؛ ضوحراري لقياس زيادة PT من RI في عينات الدم. ووصف المبادئ التشغيلية للBSI وأجهزة الاستشعار PT-AS بالتفصيل في مكان آخر <sup> 12،15. أظهر PT-AS استشعار عالية الحساسية [هب] قياس مدى اكتشاف مجموعة واسعة (0،35-17،9 غ / دل)، وقادر على العمل مع وحدات التخزين عينة من <100 نيكولا لانغ. لا يلزم شروط مسبقة من عينة الدم، وقياس الوقت هو فقط ~ 5 ثانية. هنا، يتم وصف الإعداد التجريبية وبروتوكول قياس مفصلة. وتقدم ممثل PT-AS النتائج باستخدام عينات دم من مرضى فقر الدم، وتتم مقارنة النتائج ضد أولئك من محلل أمراض الدم لتقييم دقة أجهزة الاستشعار PT-AS.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمثل جهاز استشعار PT-AS سيلة جميع البصرية قادرة على القياس المباشر [هب] من عينات الدم غير المجهزة. يقيس طريقة [هب] في الدم باستخدام استجابة PT الجوهرية للجزيئات الهيموغلوبين في كريات الدم الحمراء. تحت إضاءة التي كتبها ضوء 532 نانومتر، جزيئات الهيموغلوبين تمتص الطاقة الضوئ…
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).
