光热角散射（PT-AS）传感器可实现对纳升级血液样本无需化学试剂的快速血红蛋白检测。本文提供了PT-AS系统的详细构建方法及血液中血红蛋白浓度的测量方案，并展示了贫血血液样本的代表性实验结果。
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本文内容
摘要
摘要
光热角散射（PT-AS）是一种用于测量血液样本血红蛋白浓度（[Hb]）的新型光学方法。该传感器基于血红蛋白分子固有的光热响应特性，能够实现高灵敏度、无需化学试剂的[Hb]检测。此前已证明其检测范围为0.35–17.9 g/dl，检测限达0.12 g/dl。该方法可方便地使用低成本消费类电子设备（如激光笔和网络摄像头）实现。采用微毛细管作为血液容器，还可实现纳升级血量的血红蛋白检测，并具有较低的运行成本。本文提供了PT-AS光学装置和信号处理流程的详细操作说明。同时给出了贫血状态血液样本（[Hb] = 5.3、7.5 和 9.9 g/dl）的实验方案及典型结果，并与血液分析仪的测量结果进行了比较。由于其实现和操作的简便性，该方法有望在临床实验室及资源有限的环境中广泛应用。
引言
血液检测常用于评估人体整体健康状况，并检测与某些疾病相关的生物标志物。例如，血液中的胆固醇浓度是诊断高脂血症的一项指标，而高脂血症与心血管疾病和胰腺炎密切相关。血糖含量需要频繁测定，因为血糖水平异常可导致糖尿病酮症酸中毒和高血糖高渗综合征等并发症。疟疾、人类免疫缺陷病毒（HIV）感染及获得性免疫缺陷综合征（AIDS）等严重疾病可通过血液检查进行诊断，而对红细胞、血小板和白细胞等血液成分的定量分析有助于胰腺和肾脏疾病的筛查。
血红蛋白（Hb）是血液的关键组分，约占红细胞的96%，负责将氧气输送至人体器官。其质量浓度（[Hb]）的显著变化可能提示代谢异常、肝胆系统疾病以及神经、心血管和内分泌系统疾病1。因此，[Hb]是血液检测中常规测定的指标。特别是贫血患者、透析患者和孕妇，强烈建议将[Hb]监测作为一项重要任务2。
因此，已开发出多种血红蛋白浓度（[Hb]）检测方法。氰化高铁血红蛋白法是[ Hb ]定量最常用的技术之一，该方法利用氰化钾（KCN）破坏红细胞的脂质双分子层3。该反应生成的氰化血红蛋白在540 nm附近具有高吸收峰；因此，可通过比色分析进行[ Hb ]测定。该方法因操作简便而被广泛使用，但所用试剂（例如，KCN和十二烷基二甲基氧化胺）对人类和环境具有毒性。 hematocrit法通过离心分离测定红细胞体积占全血体积的比例，但需要相对较大的血液体积（50–100 μl）4。分光光度法可在无需化学试剂的情况下精确测量[ Hb ]，但需在多个波长下进行测量且需要较大血量5,6。类似地，已有多种用于测量[ Hb ]的光学方法被提出，包括基于光散射的检测方法，但其测量精度在很大程度上依赖于理论血液模型的准确性。
为了克服这些局限性，近年来提出了基于血红蛋白（Hb）光热（PT）效应的[Hb]检测方法7。Hb主要由氧化铁组成，在532 nm波长处吸收光能，并将光能转化为热能8-10。这种光热效应引起的温度升高可通过测量血液样本折射率（RI）的变化进行光学检测。Yim 等采用谱域光学相干反射测量法，测量含血腔室中的光热光程长度变化11。尽管该方法实现了无需化学试剂且直接的[Hb]测量，但光谱仪和干涉装置的使用可能限制其微型化。我们近期提出了一种替代性的[Hb]检测方法，称为光热角度散射（PT-AS）传感器，更适用于设备的小型化12。PT-AS传感器利用背向散射干涉测量法（BSI）对折射率的高灵敏度，测量毛细管内血液样本折射率的光热变化。BSI已被用于测量多种溶液的折射率13-15，并监测溶液中生化相互作用16。PT-AS传感器采用与BSI相似的光学结构，但结合了光热激发装置，以测量血液样本折射率的光热升高。BSI和PT-AS传感器的工作原理在其他文献中有详细描述12,15。PT-AS传感器在宽检测范围（0.35–17.9 g/dl）内实现了高灵敏度的[Hb]测量，且可使用小于<100 nl的样本体积。无需对血液样本进行预处理，测量时间仅约5秒。本文描述了实验装置和详细的测量流程，并利用贫血患者血液样本展示了典型的PT-AS检测结果，同时与血细胞分析仪的结果进行对比，以评估PT-AS传感器的准确性。
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方案
血液样本实验均遵循相关法律法规及机构准则进行。样本为本机构临床检测中已采集并处理后的剩余血液样本。
1. PT-AS 光学装置
注意：可使用空的微毛细管进行初始的 PT-AS 装置设置。
- 将一根内径和外径分别为200和330 μm、长度大于约5 cm的空心微毛细管安装在毛细管固定装置上。可使用 commercially-available fiber fixtures 作为毛细管固定装置。
- 牢固固定一个650 nm激光笔， 即，探针光源，用于照射毛细管。探针光束应大于毛细管直径。放置一个屏幕（例如，毛细管后方放置一张白纸，以观察角周期性图案。
- 在检测部分，移除网络摄像头中的任何透镜，以直接捕获散射图案。将摄像头置于毛细管后方，与探针光束方向成25–35°角。确保探测器能够测量毛细管产生的角周期性图案图1). 当图像传感器位置正确时，观察图像传感器中央的角周期性图案。
- 将532 nm的光热（PT）激发光源对准毛细管进行照射。PT激发光源的放置角度可任意选择，只要确保PT激发光与探针光束在毛细管处有重叠，且激发光不直接进入探测器即可。使用较高光功率对血液样本进行PT激发通常可提高光热吸收光谱（PT-AS）的灵敏度，因为这会引发更大的折射率（RI）变化。
- 使用所用光热（PT）激发光源的最高光功率。此外，确保光热激发光与探测光在毛细管上重叠。光热激发光的光束尺寸至少应为探测光的两倍，以加热整个探测体积。
- 在探测器前放置一个长通滤光片，以阻断532 nm的光，仅测量650 nm的探测光。
- 在激发光照射毛细管之前，将光学斩波器安装在光声热（PT）激发光的光路中。光学斩波器用于调制PT激发光的强度。
2. 血液样本制备
- 在贫血状态下抽取6 ml新鲜全血至乙二胺四乙酸（EDTA）采血管中，并充分混匀样本。无需其他处理。
- 采血后24小时内使用PT-AS传感器检测血液样本，以防止凝血。
3. PT-AS 测量方案
- 用待测血液样本填充毛细管。通过将毛细管插入血液样本中，利用毛细作用将血液吸入毛细管。测量所需的最小样本体积由毛细管的内径和探测光束尺寸决定。
- 使用内径为 200 μm 的毛细管。在代表性结果中，探测光束尺寸为 2 mm，表明测量所需的样本体积可小于 >63 nl。
- 将毛细管安装至夹具中指定的位置。
- 打开 650 nm 探测激光器，照射装有血液的微毛细管。应通过网络摄像头观察到角周期性散射图样。
- 打开 532 nm 光热（PT）激发激光器，照射毛细管。
- 运行光学斩波器，以 2 Hz 频率调制光热激发光的强度。
注意：选择该操作条件的理由详见“讨论”部分及 Kim et al.12 的研究。- 将斩波轮安装至光学斩波系统电机头组件中。
- 打开斩波控制器电源，使用控制台上的调节旋钮设置调制频率。
- 使用控制旋钮启动斩波器。
- 通过网络摄像头以 MPEG-4（mp4）格式记录 5 秒内的动态散射图样。
4. 信号处理
注意：PT-AS 信号处理使用实验室开发的 MATLAB 代码完成。
- 加载视频文件以提取图像。对于每一幅图像[见图2(a)中的代表性图像]，通过计算沿垂直方向的像素值平均值，获得平均散射图样[图2(b, c)]。
- 计算平均散射图样的傅里叶变换，并求取峰值空间频率处的相位。对所有记录图像的每一帧均执行上述操作。
- 利用从所有图像中获得的相位值，绘制时间上的相位波动曲线[图2(d)]。注意相位在光热（PT）调制频率下发生波动。对时间域内的相位波动进行傅里叶变换，并提取调制频率处的幅值。该信号称为光热吸收散射（PT-AS）信号[图2(e)]。
- 通过将血液样本的PT-AS信号利用第5部分方案中获得的校准曲线转换为相应的[Hb]，测量该血液样本的[Hb]浓度。
5. PT-AS 校准
- 准备血样，使血红蛋白浓度[Hb]在PT-AS传感器的检测范围内均匀分布例如，0 - 18 g/dl。
- 校准前，使用参考血液分析仪测定样本的[Hb]值，并测量样本的PT-AS信号。
- 通过线性最小二乘法拟合实验结果，建立血红蛋白浓度 [Hb] 与 PT-AS 信号之间的校准曲线，即 [Hb] = A[PT-AS 信号] + B。针对下述操作条件下指定的参数 表1，发现[Hb]与PT-AS信号之间的关系为[Hb] = 5.13 [PT-AS信号] - 0.09。使用MATLAB代码进行线性拟合。
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结果
使用PT-AS传感器进行了血红蛋白检测，并将其测量结果与血液分析仪的结果进行了比较。实验采用的PT激发光强度为1.4 W/cm2，PT调制频率为2 Hz，测量时间为5秒。表1总结了实验条件。探针光和PT激发光的光束尺寸分别为5.5 mm和2 mm。网络摄像头以30 fps的帧率记录图像。测量中采用了三种不同血红蛋白浓度的贫血血液样本。在进行PT-AS测量之前，先使用血液分析仪测得各样本的[Hb]值分别为5.3、7.5和9.9 g/dl。
图3(a) 展示了在调制的光热（PT）照明下，角散射图样的代表性时间推移相位波动。该信息通过对接收的角散射图样进行傅里叶变换，并测量峰值空间频率处的时间相位波动获得。注意，血红蛋白浓度（[Hb]）较高的血液样本表现出更大的相位偏移。相应的光热-角散射（PT-AS）信号被评估并转换为[Hb]值。每个样本进行了11次测量，得到的平均[...
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讨论
PT-AS 传感器是一种全光学方法，能够直接测量未经处理的血液样本中的血红蛋白浓度（[Hb]）。该方法利用红细胞中血红蛋白分子的固有光热（PT）响应来定量血液中的 [Hb]。在 532 nm 光照下，血红蛋白分子吸收光能并产生热量。由此引起的温度升高会改变血液样本的折射率（RI）。本研究利用背向散射干涉仪（BSI）对折射率的高灵敏度来检测血液中这一折射率变化。此前，我们已证明 PT-AS 传感器可在 0.35–17.9 g/dl 范围内实现 [Hb] 测量，检测限达 0.12 g/dl，性能与市场上商用的 [Hb] 传感器相当。
PT-AS传感器的一个显著特点是无需对血液样本或化学试剂进行任何预处理。因此，该传感器可实现直接、快速的检测（<5 秒）以及环境友好型测量。采用基于玻璃的微毛细管作为样品容器，可实现低成本的 [Hb] 检测。PT-AS 传感器的最小样品体积由毛细管的内径以及照射在毛细管上的测量光束尺寸决定。在代表性结果中，该体积估计约为 ~63 nl。与商用仪器所需的样品体积相比（例如，参考血液分析仪需50-200 μl），PT-AS传感器可显著...
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本研究由韩国国家研究基金会（NRF）的研究项目（NRF-2015R1A1A1A05001548 和 NRF-2015R1A5A1037668）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 650 nm 激光笔 | LASMAC | LED-1 | 探测光 |
| 中空圆形玻璃毛细管 | VitroCom | CV2033 | 血液样本容器 |
| 网络摄像头 | 罗技 | C525 | CMOS光学传感器 |
| 光学斩波系统 | Thorlabs | MC2000-EC | 光学斩波器 |
| 塑料长通滤光片 | Edmund Optics | #43-942 | 滤除532 nm PT激发光 |
| 光纤夹具 | Thorlabs | SM1F1-250 | 毛细管固定装置 |
| EDTA 涂层采血管 | Greiner Bio-One | VACUETTE 454217 | 采血 &和抗凝 |
| 血细胞分析仪 | 西门子股份公司 | ADVIA 2120i | 参考血液分析仪 |
参考文献
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