Abstract
Photo-termica angolare light scattering (PT-AS) è un metodo ottico innovativo per la misurazione della concentrazione di emoglobina ([Hb]) dei campioni di sangue. Sulla base della risposta fototermico intrinseca delle molecole di emoglobina, il sensore permette ad alta sensibilità, misura privo di sostanze chimiche di [Hb]. [Hb] capacità di rilevazione con un limite di 0,12 g / dl nel range di 0,35 - 17.9 g / dl è stata dimostrata in precedenza. Il metodo può essere facilmente implementato utilizzando dispositivi elettronici economico consumo come un puntatore laser e una webcam. L'uso di un tubo micro-capillare come un contenitore di sangue permette anche il dosaggio dell'emoglobina con un volume di sangue nanolitro scala ed un basso costo di esercizio. Qui, istruzioni dettagliate per le procedure di elaborazione di impostazione PT-AS ottica e di segnale sono presentati. protocolli sperimentali e risultati rappresentativi per i campioni di sangue in condizioni anemici ([Hb] = 5,3, 7,5, e 9,9 g / dl) sono anche previste, e le misurazioni vengono confrontati con quelli froma analizzatore ematologico. La sua semplicità di implementazione e gestione dovrebbe consentire la sua ampia adozione nei laboratori clinici e di risorse limitate.
Introduction
Un esame del sangue è comunemente eseguita per valutare la salute umana in generale e per rilevare i biomarcatori legati a determinate malattie. Ad esempio, la concentrazione di colesterolo nel sangue serve come criterio per iperlipidemia, che è strettamente correlato a malattie cardiovascolari e pancreatite. Il contenuto di glucosio nel sangue devono essere misurati di frequente, come il livello di glucosio è associata a complicazioni come la chetoacidosi diabetica e la sindrome iperosmolare iperglicemici. gravi malattie come la malaria, il virus dell'immunodeficienza umana e la sindrome da immunodeficienza acquisita sono diagnosticati da esami del sangue, e la quantificazione dei componenti del sangue, tra cui eritrociti, trombociti, leucociti e consente lo screening del pancreas e malattie renali.
L'emoglobina (Hb), una componente fondamentale del sangue, rappresenta circa il 96% degli eritrociti, e trasporta l'ossigeno a organi umani. alterazione significativa della sua concentrazione di massa ([Hb]) può indicare memodifiche tabolic, malattie epatobiliari e neurologiche, cardiovascolari e disturbi endocrinologici 1. [Hb] è quindi regolarmente misurato in esami del sangue. In particolare, i pazienti anemici, pazienti in dialisi, e le donne in gravidanza sono fortemente raccomandati per il monitoraggio [Hb] come un compito di vitale importanza 2.
Sono stati così sviluppati diversi [Hb] metodi di rilevamento. Il metodo emoglobina cianuro, una delle tecniche più comuni per [Hb] quantificazione, impiega cianuro di potassio (KCN) per distruggere il doppio strato lipidico di eritrociti 3. L'emoglobina cianuro prodotto dalla esposizioni chimiche ad alto assorbimento intorno a 540 nm; quindi, [Hb] misurazioni possono essere effettuate tramite analisi colorimetrica. Questo metodo è ampiamente utilizzato per la sua semplicità, ma i prodotti chimici utilizzati (ad esempio, KCN e ossido dimethyllaurylamine) sono tossici per l'uomo e per l'ambiente. Il regime ematocrito misura il rapporto del volume dei globuli rossi rispetto al totale vol sangueume attraverso separazione centrifuga; tuttavia richiede un volume relativamente grande di sangue (50-100 ml) 4. Spettrofotometria metodi di misura [Hb] appunto senza alcun prodotto chimico, ma misure a lunghezze d'onda multiple e un grande volume di sangue sono necessari 5,6. Analogamente, sono stati proposti diversi metodi ottici di misura [Hb] compresi metodi di rilevamento basato su luce-dispersione, ma i loro precisione delle misure dipende fortemente dalla precisione del modello sangue teorico.
Per superare queste limitazioni, sono stati recentemente proposti [Hb] metodi di rilevamento basati sull'effetto fototermico (PT) di Hb 7. Hb, che è composto principalmente da ossidi di ferro, assorbe la luce a 532 nm e converte l'energia luminosa in calore 8-10. Questo aumento di temperatura PT può essere rilevato otticamente misurando una variazione dell'indice di rifrazione (RI) dei campioni di sangue. Yim et al. impiegato spettrale-dominio di coerenza ottica reflectometry per misurare la variazione ottica percorso di lunghezza PT in una camera di sangue contenente 11. Sebbene il metodo consente chemical free e misurazione diretta [Hb], l'uso di uno spettrometro e una disposizione interferometrica possono ostacolare la sua miniaturizzazione. Recentemente abbiamo presentato un metodo di rivelazione [Hb], chiamato sensore foto-termico angolare light scattering (PT-AS), che è più adatto per il dispositivo di miniaturizzazione 12. Il sensore PT-AS sfrutta l'elevata sensibilità RI dell'interferometria retrodiffusione (BSI) per misurare le variazioni nel PT RI di un campione di sangue all'interno di un tubo capillare. BSI sono stati utilizzati per misurare RI di varie soluzioni 13-15 e per monitorare le interazioni biochimiche in soluzione free 16. Il sensore PT-AS impiega disposizione ottica simile come in BSI, ma combina l'installazione di eccitazione fototermico per misurare aumento PT di RI in campioni di sangue. principi di funzionamento del BSI e sensori PT-AS sono descritti in dettaglio altrove
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Protocol
Esperimenti con campioni di sangue sono stati eseguiti in conformità con le leggi e le linee guida istituzionali. I campioni sono stati i campioni di sangue residui che erano stati acquisiti ed elaborati in test clinici presso l'istituto.
1. PT-AS Setup ottico
NOTA: Si può utilizzare un tubo vuoto micro-capillare per una configurazione iniziale PT-AS.
- Montare un tubo micro-capillare vuota con diametri interno ed esterno rispettivamente di 200 e 330 micron, e una lunghezza superiore a ~ 5 cm un dispositivo capillare. infissi fibre disponibili in commercio possono essere usati come proiettori tubo.
- Trovare ancorare un puntatore laser 650 nm, cioè, sondare sorgente luminosa, per illuminare il tubo capillare. Il fascio sonda deve essere maggiore del tubo capillare. Posizionare uno schermo (ad esempio, carta bianca) dietro il tubo capillare per osservare un reticolo periodico angolare.
- Per la parte di rilevamento, rimuovere le lenti in una webcam per catturare direttamente il Scattrendo modello. Posizionare la webcam dietro il tubo capillare con un angolo di 25-35 ° rispetto alla direzione del fascio sonda. Assicurarsi che il modello periodica angolare prodotta dal tubo capillare può essere misurata con il rivelatore (Figura 1). Osservare il modello periodica angolare nel mezzo del sensore di immagine quando il sensore è posizionato correttamente.
- Posizionare una sorgente di luce di eccitazione PT 532 nm per illuminare il tubo capillare. Posizionare la sorgente luminosa PT con qualsiasi angolazione, finché la luce di eccitazione PT sovrappone con fascio sonda sul tubo capillare e non raggiunge direttamente il rivelatore. PT eccitazione dei campioni di sangue utilizzando alta potenza ottica tipicamente migliora la PT-AS sensibilità, in quanto porta ad un cambiamento maggiore nella RI.
- Utilizzare la massima potenza ottica della sorgente di luce di eccitazione PT impiegato. Inoltre, assicurarsi che la luce di eccitazione PT si sovrappone alla luce sonda sul tubo capillare. Utilizzare una dimensione del fascio di luce di eccitazione PTalmeno doppia di quella della luce sonda per riscaldare l'intero volume della sonda.
- Collocare un filtro passa lungo davanti al rivelatore per bloccare la luce 532 nm e misurare solo la luce della sonda 650 nm.
- Installare un chopper nel cammino ottico della luce di eccitazione PT prima illuminare il tubo capillare. Il chopper ottico è utilizzato per modulare l'intensità PT eccitazione luminosa.
2. Preparazione del campione di sangue
- Disegnare 6 ml di sangue intero fresco in condizione anemica in tubi di campionamento del sangue acido etilendiamminotetraacetico, e mescolare bene i campioni. Non è richiesta alcuna altra elaborazione.
- Misurare i campioni di sangue utilizzando il sensore PT-AS entro 24 ore di estrazione per prevenire la coagulazione.
3. PT-AS Protocolli di misura
- Caricare un tubo micro-capillare con un campione di sangue per misurare. Riempire il capillare del sangue attraverso l'azione capillare inserendo il tubo nel sangue sampio. Il volume di campione minimo richiesto per la misurazione è determinata dal diametro interno del tubo capillare e la dimensione fascio sonda.
- Impiegare un tubo con un diametro interno di 200 micron. La dimensione fascio sonda era di 2 mm nei risultati rappresentativi, suggerendo che la misurazione può essere eseguita con un volume di campione di> 63 nl.
- Montare il tubo capillare nella posizione indicata nel dispositivo.
- Accendere il laser della sonda 650 nm per illuminare il tubo micro-capillare del sangue-caricato. Il modello periodico angolare deve essere osservato con la webcam.
- Accendere il 532-nm laser PT di eccitazione per illuminare il tubo.
- Eseguire il chopper ottico per modulare l'intensità della luce di eccitazione PT a 2 Hz.
NOTA: Il razionale per la selezione di questa condizione di funzionamento è descritto in discussione e Kim et al. 12.- Montare una ruota chopper nel montaggio testa del motore del chopper otticasistema.
- Selezionare la casella di controllo del chopper, e utilizzare la manopola di comando nella console per impostare la frequenza di modulazione.
- Eseguire l'elicottero con la manopola di controllo.
- Registrare il modello di diffusione fluttuante tramite la webcam per 5 secondi in formato MPEG-4 (mp4).
4. Signal Processing
NOTA: l'elaborazione del segnale PT-AS è stata effettuata utilizzando un codice MATLAB laboratorio sviluppato.
- Caricare il file video per estrarre le immagini. Per ogni immagine [vedere figura 2 (a) per una immagine rappresentativa], ottenere il pattern dispersione media calcolando la media dei valori dei pixel lungo la direzione verticale [Figura 2 (b, c)].
- Valutare la trasformata di Fourier del modello dispersione media, e calcolare la fase alla frequenza spaziale picco. Eseguite le operazioni per tutti i fotogrammi di tutte le immagini registrate.
- Utilizzando i valori di fase ottenuti da tutte le immagini, tracciare la fase temporalefluttuazione [Figura 2 (d)]. Si noti che la fase oscilla alla frequenza di modulazione PT. Prendere la trasformata di Fourier della fluttuazione di fase nel dominio del tempo, e di ottenere l'ampiezza alla frequenza di modulazione. Questo segnale è indicato come PT-AS segnale [figura 2 (e)].
- Misurare la [Hb] di un campione di sangue convertendo il suo segnale PT-AS nella corrispondente [Hb] alla curva di taratura che si ottiene nel protocollo 5.
5. PT-AS Calibrazione
- Preparare campioni di sangue, con [Hb] valori che sono uniformemente distribuiti nel campo di rilevamento del sensore PT-AS (ad esempio 0 - 18 g / dl).
- Prima di calibrazione, quantificare i valori [Hb] dei campioni utilizzando un analizzatore ematologico di riferimento. Misurare i segnali PT-AS dei campioni.
- Ricavare una curva di calibrazione relativa [Hb] al segnale PT-AS eseguendo un lineare minimi quadrati, [Hb] = A [PT-AS segnale] + B, delle experimental risultati. Per le condizioni di esercizio di cui alla tabella 1, il rapporto tra [Hb] e il segnale di PT-AS è risultato essere [Hb] = 5.13 [segnale PT-AS] - 0.09. Usa il codice MATLAB per eseguire la misura lineare.
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Representative Results
Un test dell'emoglobina è stata eseguita utilizzando il sensore PT-AS, e le sue misure sono stati confrontati con quelli di un analizzatore ematologico. L'esperimento è stato condotto con una intensità luminosa PT di eccitazione di 1,4 W / cm 2, PT frequenza di modulazione di 2 Hz, e misura del tempo di 5 sec. La tabella 1 riassume le condizioni sperimentali. Le dimensioni del fascio di luce di eccitazione sonda e PT erano 5,5 e 2 mm, rispettivamente. La webcam ha registrato le immagini ad un frame rate di 30 fps. Per la misura, sono stati impiegati i campioni di sangue anemici con tre diverse concentrazioni di emoglobina. Prima che le misurazioni PT-AS, i valori [Hb] dei campioni sono stati misurati come 5,3, 7,5 e 9,9 g / dl dal analizzatore ematologico.
Figura 3 (a) mostra rappresentativi fluttuazioni di fase time-lapse dei modelli di scattering angolari sotto l'illuminazione a luce modulata PT. thè informazione è stata ottenuta prendendo la trasformata di Fourier del modello dispersione angolare e misurando le fluttuazioni di fase temporale alla frequenza spaziale picco. Si noti che i campioni di sangue con un più alto [Hb] espositivi più grandi spostamenti di fase. I corrispondenti segnali PT-AS sono stati valutati e convertiti in [Hb] valori. Undici misurazioni sono state effettuate per ciascun campione, e la media [Hb] valori sono risultati essere 5,46, 7,23 e 9,85 g / dl, rispettivamente. I risultati concordati bene con quelli ottenuti usando l'analizzatore ematologico [figura 3 (b)]. La [Hb] misura di precisione del sensore PT-AS è risultato essere <0,89 g / dl. Questa variazione può essere in parte rappresentato dal numero fluttuazione di eritrociti nel volume della sonda e le fluttuazioni di intensità delle sorgenti luminose utilizzate. La tabella 2 presenta un confronto dettagliato delle misure PT-AS contro quelli del analizzatore ematologico.
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Figura 1: Schema di sensore PT-AS. 650-nm luce sonda da un puntatore laser è diretto ad un tubo capillare sangue caricato. La luce viene poi dispersa dal tubo di sangue contenente, generando un modello periodica su una webcam. Su illuminazione a luce 532 nm, a cui le molecole di emoglobina mostrano alto assorbimento, le molecole di Hb assorbono l'energia luminosa e la convertono in calore. L'aumento di temperatura risultante cambia il RI del sangue. Poiché il modello periodica angolare varia con il RI e la dimensione fisica del tubo, [Hb] nel sangue è quantificato misurando questo spostamento PT della configurazione periodica angolare. Un chopper ottico viene impiegato per ottenere una misura [Hb] con un alto rapporto segnale-rumore. Un filtro passa-lungo plastica a basso costo si trova direttamente di fronte alla webcam per rilevare solo la luce della sonda.k "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: procedure di elaborazione del segnale PT-AS. (A) immagini webcam Rappresentante con luce PT di eccitazione e si spegne. Il modello di dispersione angolare sposta causa della risposta PT di molecole di Hb. (B) Ogni immagine è mediato lungo la (y) direzione verticale per ottenere il modello media. (C) Rappresentante in media modelli periodici con PT di eccitazione e si spegne. (D) Lo schema periodica mediata viene poi trasformata di Fourier, e la fase alla frequenza spaziale picco viene esaminata come funzione del tempo. Sotto l'illuminazione a luce modulata PT, la fase del modello periodica oscilla alla frequenza di modulazione. (E) L'influenza di fase misuratactuation è Fourier-trasformata, e la sua grandezza valutata alla frequenza di modulazione, denominato segnale di PT-AS, viene convertito in [Hb]. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Misurazione PT-AS di campioni di sangue anemici. (A) le fluttuazioni di fase rappresentativi dei modelli di scattering angolari misurate per tre campioni di sangue in condizioni anemici ([Hb] = 5,3, 7,5, e 9,9 g / dl). I campioni di sangue con maggiori [Hb] valori producono variazioni di fase più grandi. (B) Confronto di [Hb] i valori misurati utilizzando il sensore PT-AS con quelli del analizzatore ematologico di riferimento. Undici misure PT-AS sono state eseguite per ogni campione. il erro la barra indica la deviazione standard. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| condizioni sperimentali | |
| Frequenza di modulazione PT | 2 Hz |
| L'intensità della luce PT | 1,4 W / cm² |
| Dimensione del fascio PT | 5 mm |
| Dimensione del fascio sonda | 2 mm |
| tempo di misura | 5 sec |
| Velocità di acquisizione Telaio | 30 fps |
Tabella 1: Experimecondizioni ntale.
| Analizzatore ematologico (g / dl) | PT AS-Sensor | |
| Medio (g / dl) | SD (g / dl) | |
| 5.3 | 5.46 | 0,72 |
| 7.5 | 7.23 | 0.89 |
| 9.9 | 9.85 | 0.84 |
Tabella 2: Confronto tra [Hb] misurazioni dal sensore PT-AS con quelli dal analizzatore ematologico.
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Discussion
Il sensore PT-AS rappresenta un metodo completamente ottica in grado di misurare direttamente [Hb] di campioni di sangue non trasformati. Il metodo quantifica [Hb] nel sangue utilizzando la risposta PT intrinseca di molecole di emoglobina negli eritrociti. Sotto illuminazione da luce 532 nm, le molecole di Hb assorbono l'energia luminosa e producono calore. L'aumento di temperatura risultante cambia il RI del campione di sangue. L'elevata sensibilità del RI di BSI è stata sfruttata per misurare questo cambiamento RI nel sangue. In precedenza, abbiamo dimostrato che il sensore PT-AS consente la misurazione [Hb] con un limite di rilevazione di 0,12 g / dl nel range 0,35-17,9 g / dl, che è paragonabile a quella di commerciali [Hb] sensori presenti sul mercato.
Una caratteristica saliente del sensore PT-AS è che non richiede alcuna precondizionamento di campioni di sangue o prodotti chimici. Quindi, il sensore permette diretta, rapida (<5 sec), e la misurazione ecologico. L'uso di tubi micro-capillare a base di vetro come cont campioneAiner abilitato saggio [Hb] ad un basso costo di esercizio. Il volume di campione minimo nel sensore PT-AS è determinato dal diametro interno del capillare e la dimensione del fascio di misura sul tubo capillare. Si è stimato essere ~ 63 nl nei risultati rappresentativi. Rispetto ai volumi di campione necessari negli strumenti commerciali (ad esempio, 50-200 microlitri per l'analizzatore ematologico di riferimento), il sensore PT-AS consente la misurazione [Hb] con un volume di campione significativamente ridotto. Diversi rapida ed a basso costo [Hb] tecniche di rilevamento sono stati riportati 11,17,18 ma richiedono i volumi di campione di 2-10 ml per il funzionamento.
Diverse caratteristiche di attuazione sensore PT-come dovrebbe essere osservato. Si dovrebbe assicurare che la dimensione del fascio luminoso PT eccitazione è almeno doppia di quella del fascio luminoso sonda sul tubo capillare. I due fasci di luce devono sovrapporsi sul tubo capillare, come no o parziale sovrapposizione dei due fasci di luce su the tubo comporta sia nullo o minore PT-AS risposta. Si dovrebbe anche fare in modo che il modello di dispersione angolare non è saturo sul rivelatore. Regolazione dell'orientamento modello dispersione lungo la direzione orizzontale o verticale può essere necessario; altrimenti, l'immagine acquisita deve essere ruotato in fase di elaborazione del segnale. Si noti che la dispersione di 532-nm luce PT di eccitazione dal tubo genera anche un modello di dispersione angolare sul rivelatore. Così, un filtro passa lungo è necessario per bloccare la luce 532 nm. Più grande sensore di immagine cattura modelli periodici più angolare. Trasformata di Fourier del modello angolare sarebbe quindi produrre segnale superiore alla frequenza spaziale corrispondente, che permette la misura di fase con maggiore precisione. Inoltre, una frequenza superiore sarebbe tipicamente risultare in una misura PT-AS con un migliorato SNR, in quanto permette maggiore campionamento della fluttuazione fase temporale. Pertanto, l'uso di un grande, sensore di immagine ad alta velocità con un pixel ad alta densità è vantaggioso.
Alcuni commenti devono essere effettuate anche sul tempo di misura e frequenza di modulazione PT. Come descritto in Kim et al. 12, il segnale PT-AS riferisce all'ampiezza della trasformata di Fourier delle fluttuazioni di fase del modello di dispersione angolare misurato alla frequenza di modulazione PT. Il rumore è definito come l'ampiezza di picco della trasformata di Fourier della misura di fase prima PT eccitazione 12. Il SNR del segnale PT-AS viene valutata dividendo la grandezza del segnale PT-AS dal rumore. Un tempo di misura più lungo produce tipicamente misure con un più alto SNR, ma aumenta il tempo di dosaggio totale [Hb]. Il tempo di misurazione è stato impostato per essere 5 secondi per ottenere un SNR maggiore di 3, anche per campioni di sangue di [Hb] <1 g / dl. La frequenza ottimale di modulazione PT può essere trovato esaminando il SNR del sensore PT-AS in funzione della frequenza di modulazione PT. La frequenza di modulazione ottimale per il rappresentanterisultati rappre- è risultato essere 2 Hz. Funzionamento con una frequenza di modulazione PT meno di 2 Hz non ha prodotto un elevato SNR causa rumore a bassa frequenza, come eccessivo movimento del chopper ottico e vibrazioni.
In questa dimostrazione, il sensore PT-come è stato dimostrato in una configurazione da banco utilizzando un puntatore laser commerciale e webcam. La configurazione ottica è semplice, e, in quanto sostanze chimiche sono coinvolti, le procedure di misurazione sono semplici. D'altra parte, va sottolineato che il sensore può potenzialmente essere confezionato in un dispositivo palmare compatto. Le sorgenti luminose per sonda e PT eccitazione possono essere sostituiti da diodi laser economici o diodi emettitori di luce. Un sensore di immagine Complementary Metal-Oxide Semiconductor miniaturizzato con built-in potenza computazionale può anche essere utilizzata come rivelatore. L'integrazione di questi componenti in un piccolo fattore di forma potrebbe generare una nuova piattaforma portatile, e poco costoso privo di sostanze chimiche per la [Hb] saggio. ion Oltre a [Hb] saggio, il principio di rilevazione del sensore PT-AS può essere esteso a rilevamento vari biomarcatori e sostanze chimiche che presentano risposte PT. Per esempio, PT dosaggio di organofosfati e pesticidi stato anche dimostrato 19, e può essere facilmente realizzato con il regime PT-AS.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 650 nm laser pointer | LASMAC | LED-1 | Probe light |
| Hollow round glass capillaries | VitroCom | CV2033 | Blood sample container |
| Webcam | Logitech | C525 | CMOS optical sensor |
| 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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