Caractérisation des spectres d’absorption biologique allant du visible à l’infrarouge à ondes courtes

Notre laboratoire développe des outils basés sur la lumière qui fournissent des informations de diagnostic pour les applications de santé maternelle. Nous utilisons souvent la spectroscopie optique en raison de la pléthore d’informations liées à la santé qu’elle peut fournir de manière non invasive, comme la surveillance de l’oxygénation du sang et de la concentration d’hémoglobine, deux paramètres physiologiques importants à surveiller pendant la grossesse. Certains solvants dans l’eau particulaire ont une forte absorption qui peut éclipser les solutés d’intérêt.

De plus, les spectres couvrant la région VIS-SWIR présentent souvent de grandes différences d’absorption à différentes gammes de longueurs d’onde, et nous devons modifier les paramètres expérimentaux pour différentes régions afin d’obtenir des spectres SNL élevés. La difficulté d’acquérir des spectres biologiques VIS-SWIR a contribué à limiter les spectres d’absorption biologique publiés, et nous visons à simplifier ce processus. De plus, une meilleure compréhension des caractéristiques spectrales spécifiques de chaque composant biologique aidera à choisir des longueurs d’onde optimisées qui pourraient minimiser le biais de pigmentation de la peau causé par une forte absorption de mélanine.

Nous espérons que notre protocole permettra aux chercheurs d’élargir la bibliothèque actuelle d’absorbeurs biologiques VIS-SWIR. Ces résultats mettent également en évidence l’impact de la mélanine sur les dispositifs optiques en fonction de la longueur d’onde et peuvent être utilisés pour concevoir des systèmes avec un biais minimal de pigmentation de la peau, comme dans le SWIR. Pour préparer l’échantillon d’hémoglobine oxygénée avec du sang humain hépariné entier, pipetez 1,8 millilitres de sang dans un micro-tube à centrifuger.

Centrifugez le tube à 9,6 g pendant 10 minutes et jetez environ 850 microlitres de surnageant sans déranger la pastille. Reconstituez la pastille dans environ 850 microlitres d’eau deutérée, et centrifugez-la à nouveau à 9,6 g pendant 10 minutes. Après la dernière centrifugation, pour lyser les globules rouges, reconstituez les granules de globules rouges avec 4,5 millilitres d’eau deutérée.

Si la pastille adhère au tube, rincez-la avec une partie d’eau deutérée pour la détacher. À l’aide d’une aiguille à pointe émoussée et d’une seringue, retirez la solution de sang lysé du tube. Ensuite, détachez l’aiguille à pointe émoussée de la seringue et jetez-la dans un contenant pour objets tranchants à risque biologique.

Ensuite, fixez un filtre de seringue de 0,22 micromètre à la seringue et filtrez le contenu dans un chemin de 10 millimètres, du verre de 3,5 millilitres ou une cuvette en quartz. Fixez la cuvette avec un bouchon hermétique pour éviter toute contamination. Enroulez Parafilm autour du bouchon pour assurer une étanchéité à l’air.

Préparez une référence en remplissant une cuvette propre avec le même chemin, la même longueur et le même volume, avec de l’eau deutérée pour les mesures de référence et de référence. Pour préparer l’échantillon d’hémoglobine désoxygénée, ajoutez de la dithionite de sodium à la solution sanguine dans la cuvette. Fixez la cuvette avec un bouchon hermétique et enroulez Parafilm autour du bouchon pour assurer une étanchéité à l’air.

Inclinez délicatement la cuvette d’un côté à l’autre jusqu’à ce que la dithionite de sodium soit complètement dissoute. Observez le changement de couleur de la solution sanguine du rouge à un rouge violet plus foncé. Pour commencer, allumez la lampe du spectromètre et les détecteurs, ce qui permet au système de se réchauffer pendant 5 à 20 minutes.

Nettoyez les cuvettes à l’éthanol à l’aide d’un Kimwipe. Pour un spectromètre à double faisceau, placez des cuvettes remplies d’eau deutérée comme solution de référence dans la chambre d’échantillon et dans la chambre de référence. Sélectionnez la gamme de longueurs d’onde appropriée et le détecteur en fonction de la région spectrale à mesurer.

Obtenez des mesures de référence à l’aide des paramètres par défaut. Ensuite, remplacez la cuvette dans la chambre d’échantillonnage par la cuvette contenant l’hémoglobine oxygénée. Passez en mode Live pour visualiser l’absorbance en continu pendant que les paramètres de mesure sont réglés.

En commençant par les paramètres par défaut du spectromètre, ajustez les lectures par référence et la bande passante pour obtenir un spectre d’absorption qualitativement propre sans saturation. Si la modification de la puissance lumineuse incidente, de la bande passante, du temps d’exposition et des lectures par référence n’entraîne pas un spectre de rapport signal/bruit élevé, modifiez la concentration de l’échantillon, en plaçant la cuvette de référence dans l’échantillon ou la chambre de référence ou la longueur du trajet de l’échantillon et de la référence pour obtenir un spectre de rapport signal/bruit élevé. Une fois les paramètres optimisés pour l’échantillon, documentez les paramètres pour chaque spectre acquis.

À l’aide des paramètres optimisés, remesurez en utilisant les mêmes paramètres avec la solution de référence dans la chambre de référence et la chambre d’échantillonnage pour obtenir la mesure de référence optimisée. Ensuite, remplacez la cuvette de référence dans la chambre d’échantillon par la cuvette d’échantillon d’hémoglobine oxygénée et effectuez une mesure d’échantillon optimisée. Enregistrez les mesures de référence et d’échantillon séparément.

À l’aide de l’équation suivante, calculez l’absorbance A en traitant la mesure de référence comme I0 et la mesure de l’échantillon comme I.Pour le post-traitement, ouvrez les logiciels d’analyse de données tels que MATLAB, et chargez les mesures d’absorbance acquises à partir de différentes régions du spectre. Appliquez un facteur de multiplication à une région spectrale pour assembler différentes régions avec des concentrations d’échantillons ou des longueurs de trajet variables. Le spectre de l’hémoglobine oxygénée a montré une forte corrélation avec un spectre publié par Prahl, avec des pics d’absorption distincts à 415 nanomètres et un doublet entre 540 et 575 nanomètres dans la région visible, ainsi qu’une large caractéristique d’absorption entre 800 et 1,100 nanomètres dans le proche infrarouge.

Dans la région infrarouge à ondes courtes. Le spectre de l’hémoglobine oxygénée a montré une faible absorption, probablement en raison de la teneur en eau résiduelle. Le spectre de l’hémoglobine désoxygénée a montré une forte corrélation avec le spectre de Prahl, avec des pics proéminents à 430 nanomètres, 560 nanomètres et 760 nanomètres, et des pics plus petits autour de 1 200 nanomètres et entre 1 400 et 1 600 nanomètres.