Un ensayo de hemoglobina rápida y libre de químicos con fototérmica angular de dispersión de luz
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
Photo-térmica angular de dispersión de luz (PT-AS) es un método óptico novedoso para la medición de la concentración de hemoglobina ([Hb]) de muestras de sangre. Sobre la base de la respuesta fototérmica intrínseca de las moléculas de hemoglobina, el sensor permite una alta sensibilidad, la medición libre de químicos de [Hb]. [Hb] capacidad de detección con un límite de 0,12 g / dl en el rango de 0,35 a 17,9 g / dl se ha demostrado previamente. El método se puede implementar fácilmente utilizando dispositivos electrónicos de bajo costo de consumo, tales como un puntero láser y una cámara web. El uso de un tubo de micro-capilar como un recipiente de sangre también permite el ensayo de la hemoglobina con un volumen de sangre de nanolitros escala y un bajo costo de operación. A continuación, se presentan instrucciones detalladas para los procedimientos de procesamiento de configuración PT-ópticos y de señal. También se proporcionan los protocolos experimentales y los resultados representativos de las muestras de sangre en condiciones anémicas ([Hb] = 5,3, 7,5, y 9,9 g / dl), y las mediciones se comparan con los froanalizador de hematología ma. Su simplicidad en la implementación y operación de permitir su adopción generalizada en los laboratorios clínicos y entornos con recursos limitados.
Introduction
Un análisis de sangre se realiza con frecuencia para evaluar la salud humana en general y para la detección de biomarcadores relacionados con ciertas enfermedades. Por ejemplo, la concentración de colesterol en la sangre sirve como criterio para la hiperlipidemia, que está estrechamente relacionada con enfermedades cardiovasculares y pancreatitis. El contenido de glucosa en sangre deben ser medidos con frecuencia, ya que el nivel de glucosa se asocia con complicaciones tales como la cetoacidosis diabética y el síndrome hiperosmolar hiperglucémico. Las enfermedades graves como la malaria, el virus de la inmunodeficiencia humana y el síndrome de inmunodeficiencia adquirida se diagnostica mediante exámenes de sangre, y la cuantificación de los componentes de la sangre incluyendo eritrocitos, trombocitos, leucocitos y permite la detección de enfermedades pancreáticas y renales.
La hemoglobina (Hb), un componente crítico de la sangre, representa aproximadamente el 96% de los eritrocitos, y transporta oxígeno a los órganos humanos. alteración significativa de su concentración en masa ([Hb]) me puede indicarcambios tabólica, enfermedad hepatobiliar y trastornos neurológicos, cardiovasculares y endocrinológicas 1. Por lo tanto, [Hb] se mide de forma rutinaria en los análisis de sangre. En particular, los pacientes con anemia, los pacientes de diálisis, y las mujeres embarazadas se recomiendan fuertemente para vigilar [Hb] como una tarea fundamental 2.
Así, se han desarrollado diversos métodos de detección [Hb]. El método de la hemoglobina cianuro, una de las técnicas más comunes para [Hb] cuantificación, emplea cianuro de potasio (KCN) para destruir la bicapa lipídica de los eritrocitos 3. La hemoglobina cianuro producido por el exposiciones químicas de alta absorción alrededor de 540 nm; Así pues, [Hb] mediciones pueden realizarse a través de análisis colorimétrico. Este método es ampliamente empleado debido a su simplicidad, pero los productos químicos empleados (por ejemplo, KCN y óxido de dimethyllaurylamine) son tóxicos para los humanos y el medio ambiente. El esquema de hematocrito mide la relación en volumen de células rojas de la sangre en comparación con el total de la sangre volume través de la separación centrífuga; sin embargo, requiere un volumen de sangre relativamente grande (50 a 100 l) 4. Espectrofotometría de métodos de medida [Hb] precisión, sin ningún producto químico, pero las mediciones de múltiples longitudes de onda y un volumen grande de sangre se requieren 5,6. Del mismo modo, se han propuesto varios métodos ópticos para la medición de [Hb] incluidos los métodos de detección basados en dispersión de luz, pero sus exactitudes de medición dependerá en gran medida de la precisión del modelo de sangre teórico.
Para superar estas limitaciones, recientemente se han propuesto métodos de detección [Hb] basados en el efecto fototérmica (PT) de Hb 7. Hb, que está compuesta principalmente de óxidos de hierro, absorbe la luz a 532 nm y convierte la energía de la luz en calor 8-10. Este aumento de temperatura PT puede detectarse ópticamente mediante la medición de un cambio en el índice de refracción (RI) de muestras de sangre. Yim et al. empleada dominio espectral de coherencia óptica reflectometry para medir el PT cambio de la longitud del recorrido óptico en una cámara 11 que contiene sangre. Aunque el método permite la medición directa [Hb] libre de productos químicos y, el uso de un espectrómetro y una disposición interferométrico pueden obstaculizar su miniaturización. Recientemente hemos presentado un método alternativo de detección [Hb], denominado sensor de foto-térmica angular de dispersión de luz (PT-AS), que es más adecuado para la miniaturización del dispositivo 12. El sensor PT-AS explota la alta sensibilidad RI de la interferometría de retrodispersión (BSI) para medir los cambios de PT de la RI de una muestra de sangre dentro de un tubo capilar. BSI se han utilizado para medir RI de diversas soluciones de 13-15 y para monitorear las interacciones bioquímicas en solución libre 16. El sensor PT-AS emplea a disposición óptica similar a la del BSI, pero combina la configuración de excitación fototérmica para medir el aumento de PT RI en muestras de sangre. Principios de funcionamiento de la BSI y los sensores PT-AS se describen en detalle en otra parte <sup> 12,15. PT-AS sensor demostró alta sensibilidad de medición [Hb] en un amplio rango de detección (0,35 a 17,9 g / dl) y es capaz de funcionar con volúmenes de muestra de <100 nl. No se requiere un preacondicionamiento de la muestra de sangre, y el tiempo de medición es solamente ~ 5 seg. A continuación, se describen la configuración experimental y un protocolo de medición detallada. Los resultados representativos PT-AS se proporcionan usando muestras de sangre de pacientes anémicos, y los resultados se comparan con los de un analizador de hematología para evaluar la precisión del sensor de PT-AS.
Protocol
Representative Results
Discussion
El sensor PT-AS representa un método totalmente óptico capaz de medir directamente la [Hb] de las muestras de sangre no procesada. El método cuantifica [Hb] en la sangre usando la respuesta PT intrínseca de las moléculas de hemoglobina en los eritrocitos. Bajo iluminación con luz de 532 nm, las moléculas de Hb absorben la energía de la luz y producen calor. El aumento de temperatura resultante cambia el RI de la muestra de sangre. La alta sensibilidad de RI de BSI fue explotada para medir este cambio de RI en la…
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
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