Assay המוגלובין המהיר ללא כימיקלים עם פיזור photothermal זוויתי אור
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
תמונת תרמית פיזור אור זוויתי (PT-AS) הוא שיטה אופטית חדשה למדידת ריכוז המוגלובין ([Hb]) של דגימות דם. על סמך תגובת photothermal הפנימית של מולקולות ההמוגלובין, החיישן מאפשר רגישות גבוהה, מדידה ללא הכימי של [Hb]. [Hb] יכולת איתור עם הגבלה של 0.12 g / dl מעל בטווח של 0.35 – 17.9 g / dl הודגמה בעבר. השיטה יכולה להיות מיושמת בקלות באמצעות מכשירי צריכה אלקטרוניים זולה כגון מצביע ליזר ומצלמת אינטרנט. שימוש צינור מייקרו-נימים כמכל דם גם מאפשר assay המוגלובין עם נפח דם nanoliter בקנה מידה ובעלות תפעול נמוכה. הנה, הנחיות מפורטות הליכי עיבוד התקנת אות PT-AS אופטיים מוצגות. פרוטוקולי ניסוי ותוצאות נציגי דגימות דם בתנאים אנמית ([Hb] = 5.3, 7.5, ו -9.9 גרם / ד"ל) ניתנים גם, והמדידות מושוות עם אלה הלוך ושובמנתח המטולוגיה ma. הפשטות שלה ביישום ותפעול צריך לאפשר אימוץ רחב במעבדות קליניות הגדרות משאב מוגבל.
Introduction
בדיקת דם מבוצעת בדרך כלל כדי להעריך בריאות אדם כוללת וכדי לזהות סמנים ביולוגיים הקשורים למחלות מסוימות. לדוגמא, ריכוז כולסטרול בדם משמש כקריטריון היפרליפידמיה, אשר קשור קשר הדוק למחלות לב וכלי דם דלקת בלבלב. התכנים הגלוקוז בדם צריכים להימדד בתדירות גבוהה, ככל שרמת הגלוקוז קשורה סיבוכים כגון בחמצת סוכרתית ותסמונת hyperosmolar hyperglycemic. מחלות קשות כמו מלריה, נגיף הכשל החיסוני האנושי אֵידְס מאובחנים על ידי בדיקות דם, וכימות של מרכיבי הדם כולל אריתרוציטים, טרומבוציטים, ו לויקוציטים מאפשר הקרנת הלבלב ומחלות כליה.
המוגלובין (Hb), מרכיב קריטי של דם, המרכיבה כ -96% של אריתרוציטים, ומעביר חמצן איברים אנושיים. שינוי משמעותי של ריכוז המסה שלו ([Hb]) עשוי להצביע לישינויי tabolic, מחלות כיס, ונוירולוגיות, לב וכלי דם והפרעות endocrinological 1. [Hb] ולכן נמדדת באופן שגרתי בדיקות דם. בפרט, בחולים אנמיים, חולי דיאליזה, ונשים הרות מומלץ בחום לעקוב אחר [Hb] כמשימה חיונית 2.
שיטות זיהוי [Hb] שונות ובכך פותחו. השיטה ציאניד המוגלובין, אחת הטכניקות הנפוצות ביותר עבור [Hb] כימות, מעסיקה אשלגן ציאניד (KCN) להרוס את bilayer השומנים של אריתרוציטים 3. ההמוגלובין ציאניד המיוצר על ידי הקליטה הגבוהה המייצגת הכימי סביב 540 ננומטר; ומכאן, [Hb] מדידות יכולות להתבצע באמצעות ניתוח colorimetric. שיטה זו היא מועסק נרחבת בשל הפשטות שלה, אבל הכימיקלים המועסקים (למשל, KCN ותחמוצת dimethyllaurylamine) הם רעילים לאדם ולסביבה. ערכת המטוקריט מודדת את יחס הנפח של תאי דם אדומים בהשוואת כרך הדם הכוללume דרך ההפרדה צנטריפוגליים; אולם זה דורש נפח דם גדול יחסית (50-100 μl) 4. מדד שיטות spectrophotometry [Hb] בדיוק ללא כל כימיקלים, אבל מדידות באורכי גל מרובים נפח דם גדול נדרשים 5,6. באופן דומה, כמה שיטות אופטיות למדידה [Hb] הוצעו כולל שיטות זיהוי המבוססות על פיזור אור, אבל דיוק המדידה שלהם תלויות מאוד על הדיוק של מודל הדם התיאורטי.
כדי להתגבר על המגבלות האלה, [Hb] שיטות זיהוי המבוססות על אפקט photothermal (PT) של המוגלובין לאחרונה הוצעו 7. Hb, אשר מורכב בעיקר של תחמוצות ברזל, סופג אור ב 532 ננומטר וממיר את אנרגיית האור לחום 8-10. עלייה בטמפרטורה PT זה ניתן לאתר אופטית ידי מדידת שינוי מקדם השבירה (RI) של דגימות דם. Yim et al. reflectometr קוהרנטיות רפאים-תחום מועסקות האופטיותy למדוד את שינוי נתיב באורך אופטי PT בתא דם המכיל 11. למרות השיטה מאפשרת ללא כימיקלים וישיר [Hb] המדידה, השימוש ספקטרומטר ואת הסדר interferometric עלול לעכב המזעור שלה. לאחרונה הציגו חלופה [Hb] שיטת זיהוי, כינת חיישן צילום תרמי פיזור אור זוויתי (PT-AS), אשר מתאים יותר מזעור תקן 12. חיישן PT-AS מנצל את רגישות RI הגבוהה של interferometry פיזור הגב (BSI) כדי למדוד שינויי PT ב RI של דגימת דם בתוך צינור נימים. BSI כבר נוצלו כדי למדוד RI של פתרונות שונים 13-15 וכדי לפקח אינטראקציות ביוכימי בתמיסה חינם 16. חיישן PT-AS מעסיק הסדר אופטי דומה כמו BSI, אך משלב התקנת עירור photothermal למדוד גידול PT של RI בדגימות דם. עקרונות הפעלה של BSI וחיישני PT-AS מתוארים בפירוט במקום אחר <sup> 12,15. חיישן PT-AS הפגין רגישות גבוהה [Hb] מדידה על פני טווח גילוי רחב (0.35-17.9 g / dl) והוא מסוגל לפעול עם כרכים מדגמים של <100 NL. אין נפשי מראש של דגימת דם נדרש, ואת זמן המדידה הוא רק ~ 5 שניות. הנה, הגדרת הניסוי ואת פרוטוקול מדידה מפורט מתוארת. נציג תוצאות PT-AS ניתנים באמצעות דגימות דם מחולים אנמית, והתוצאות לעומת נגד מי מן מנתח המטולוגיה להעריך את הדיוק של חיישן PT-AS.
Protocol
Representative Results
Discussion
חיישן PT-AS מייצג שיטה כל-אופטית מסוגלת מדידה ישירה [Hb] של דגימות דם לא מעובד. השיטה מכמתת [Hb] בדם באמצעות תגובת PT הפנימית של מולקולות ההמוגלובין אריתרוציטים. תחת תאורה ידי אור 532 ננומטר, מולקולות המוגלובין לספוג את אנרגיית האור ולייצר חום. עליית הטמפרטורה כתוצאה משנה את R…
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).
