En snabb och kemisk-fritt hemoglobin-analys med fototermisk Vinkel Light Scattering
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
Fototermiska vinkelljusspridning (PT-AS) är en ny optisk metod för mätning av hemoglobinkoncentrationen ([Hb]) av blodprover. På grundval av den inneboende fototermisk reaktion av hemoglobinmolekyler, möjliggör sensorn högkänsliga, kemikaliefritt mätning av [Hb]. [Hb] detekteringsförmåga med en gräns på 0,12 g / dl inom intervallet 0,35 till 17,9 g / dl har visats tidigare. Metoden kan lätt genomföras med hjälp av elektroniska apparater billig konsument såsom en laserpekare och en webbkamera. Användningen av en mikro-kapillärrör som en blodbehållare möjliggör också hemoglobinet analysen med en nanoliter-skala blodvolymen och en låg driftskostnad. Här finns detaljerade instruktioner för bearbetningsmetoder PT-AS optiska inställningar och signal presenteras. Experimentella protokoll och representativa resultat för blodprover i anemiska betingelser ([Hb] = 5,3, 7,5, och 9,9 g / dl) finns också, och mätningarna jämförs med dem tillbakama hematologianalysator. Dess enkelhet i implementering och drift bör ge sitt breda antas i kliniska laboratorier och resursbegränsad inställningar.
Introduction
Ett blodprov vanligen för att utvärdera övergripande människors hälsa och för att upptäcka biomarkörer i samband med vissa sjukdomar. Till exempel, den kolesterolkoncentrationen i blod fungerar som ett kriterium för hyperlipidemi, som är nära besläktad till kardiovaskulära sjukdomar och pankreatit. Blodglukos Innehållet ska mätas ofta som glukosnivån är förknippad med komplikationer såsom diabetisk ketoacidos och hyperglykemiska hyperosmolär syndrom. Allvarliga sjukdomar som malaria, humant immunbristvirus och förvärvat immunbristsyndrom diagnostiseras genom blodundersökningar, och kvantifiering av blodkomponenter inklusive erytrocyter, trombocyter och leukocyter möjliggör screening av pankreas och njursjukdomar.
Hemoglobin (Hb), en kritisk komponent i blod, utgör ca 96% av erytrocyter, och transporterar syre till mänskliga organ. Signifikant förändring av dess masskoncentration ([Hb]) kan tyda på migtabolic förändringar, hepatobiliär sjukdom och neurologiska, kardiovaskulära och endokrinologiska störningar 1. [Hb] är därför rutinmässigt mätas i blodprov. I synnerhet anemiska patienter, dialyspatienter och gravida kvinnor rekommenderas starkt att övervaka [Hb] som en viktig uppgift 2.
Olika [Hb] detektionsmetoder har sålunda utvecklats. Hemoglobinet cyanidmetod, en av de vanligaste teknikerna för [Hb] kvantifiering, sysselsätter kaliumcyanid (KCN) för att förstöra det dubbla lipidskiktet av erytrocyter 3. Cyanid hemoglobin som framställts genom kemisk uppvisar hög absorption runt 540 nm; därmed [Hb] mätningar kan göras via kolorimetrisk analys. Denna metod används i stor utsträckning på grund av sin enkelhet, men de använda kemikalier (t.ex. KCN och dimethyllaurylamine oxid) är giftiga för människor och miljö. Hematokritvärdet ordningen mäter volymförhållande av röda blodkroppar jämfört med den totala blod volUME genom centrifugalseparering; men det kräver en relativt stor blodvolym (50-100 | j, l) 4. Spektrofotometri metoder åtgärd [Hb] exakt utan några kemikalier, men mätningar vid flera våglängder och en stor blodvolym krävs 5,6. På samma sätt har flera optiska metoder för att mäta [Hb] föreslagits inklusive detektionsmetoder baserade på ljusspridning, men deras mätningsnoggrannheten är starkt beroende på noggrannheten av den teoretiska blod modell.
För att övervinna dessa begränsningar, har [Hb] detektionsmetoder baserade på fototermiska (PT) effekten av Hb nyligen föreslagits 7. Hb, som är sammansatt huvudsakligen av järnoxider, absorberar ljus vid 532 nm och omvandlar ljusenergi till värme 8-10. Denna ökning PT temperatur kan detekteras optiskt genom att mäta en förändring i brytningsindex (RI) av blodprover. Yim m fl. anställd spektral-domän optisk koherens reflectometry för att mäta optiska banan längd förändring PT i en blodinnehållande kammare 11. Även om metoden möjliggör kemikaliefria och direkt [Hb] mätning kan användningen av en spektrometer och en interferometrisk arrangemang hindra dess miniatyrisering. Vi presenterade nyligen ett alternativ [Hb] detekteringsmetod, benämnd foto termisk vinkelljusspridning (PT-AS) sensor, som är mer lämpade för enheten miniatyrisering 12. PT-AS sensor utnyttjar den höga RI känsligheten hos back-scattering interferometri (BSI) för att mäta PT förändringar i RI av ett blodprov inuti ett kapillärrör. BSI har använts för att mäta RI olika lösningar 13-15 och övervaka biokemiska interaktioner i fri lösning 16. PT-AS sensor använder liknande optiskt arrangemang som i BSI, men kombinerar fototermisk excitation setup för att mäta PT ökning med RI i blodprov. Verksamhetsprinciper BSI och PT-sensorer beskrivs i detalj på annat håll <sup> 12,15. PT-AS sensor visade högkänslig [Hb] mätning över ett brett detektionsområde (0,35 till 17,9 g / dl) och är i stånd att arbeta med provvolymer av <100 nl. Ingen förkonditionering av blodprovet erfordras, och mättiden är enbart ~ 5 sek. Här, är den experimentuppställning och en detaljerad mätning protokoll som beskrivs. Representativt PT-AS Resultaten tillhandahålls med användning av blodprover från anemiska patienter, och resultaten jämförs med de från en hematologi analysator för att utvärdera noggrannheten hos PT-AS-sensor.
Protocol
Representative Results
Discussion
PT-AS sensor representerar en all-optiskt förfarande med förmåga att direkt [Hb] mätning av obearbetade blodprov. Metoden kvantifierar [Hb] i blod med hjälp av inneboende PT svar av hemoglobinmolekyler i erytrocyter. Under belysning med 532 nm ljus, Hb molekyler absorberar ljusenergin och producerar värme. Den resulterande temperaturhöjningen förändrar RI av blodprovet. Den höga RI känslighet BSI utnyttjades för att mäta denna RI förändring i blod. Tidigare visade vi att PT-AS-sensor möjliggör [Hb] mät…
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).
