En rask og kjemisk fri Hemoglobin analysen med Photothermal Vinkel lysspredning
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
Foto-termisk vinkel lysspredning (PT-AS) er en ny optisk metode for måling av hemoglobinkonsentrasjon ([Hb]) av blodprøver. På grunnlag av den iboende fototermiske reaksjon av hemoglobinmolekyler, gjør det mulig for sensoren med høy følsomhet, kjemisk fri måling av [Hb]. [Hb] deteksjonsevne med en grense på 0,12 g / dl i løpet av størrelsesorden 0,35 til 17,9 g / dl er vist tidligere. Metoden kan lett implementeres ved hjelp av billig elektroniske enheter som en laserpeker og et webkamera. Bruken av en mikro kapillarrør som en blodbeholder muliggjør også hemoglobin analysen med en nanoliter stilt blodvolum og en lav driftskostnad. Her er detaljerte instruksjoner for PT-AS optisk oppsett og signalbehandling prosedyrer presentert. Eksperimentelle protokoller og representative resultater for blodprøver i anemiske tilstander ([Hb] = 5,3, 7,5 og 9,9 g / dl) er også gitt, og målingene er sammenlignet med dem froma hematologimaskin. Sin enkelhet i implementering og drift bør sette sitt store adopsjon i kliniske laboratorier og ressursbegrenset innstillinger.
Introduction
En blodprøve er vanligvis utføres for å vurdere generelle helse og for å oppdage biomarkører knyttet til visse sykdommer. For eksempel, den kolesterolkonsentrasjonen i blodet tjener som et kriterium for hyperlipidemi, som er nært relatert til hjerte- og karsykdommer og pankreatitt. Blodsukkerinnholdet skal måles ofte, som glukosenivået er forbundet med komplikasjoner som diabetisk ketoacidose og hyperglykemiske hyperosmolar syndrom. Alvorlige sykdommer som malaria, humant immunsviktvirus og ervervet immunsviktsyndrom er diagnostisert med blodprøver, og kvantifiseringen av blodkomponenter inkludert erytrocytter, trombocytter og leukocytter muliggjør screening av bukspyttkjertelen og nyresykdommer.
Hemoglobin (Hb), en kritisk komponent i blod, utgjør rundt 96% av erytrocytter, og transporterer oksygen til organer. Vesentlig endring av sin masse konsentrasjon ([Hb]) kan tyde på megmetabolske endringer, hepatobiliære sykdom og nevrologiske, hjerte- og endokrinologiske lidelser 1. [Hb] er derfor rutinemessig målt i blodprøver. Spesielt anemiske pasienter, dialysepasienter, og gravide kvinner er sterkt anbefalt å overvåke [Hb] som en viktig oppgave 2.
Ulike [Hb] deteksjonsmetoder har derfor blitt utviklet. Hemoglobinet cyanid metode, en av de mest vanlige teknikker for [Hb] kvantifisering, anvender kaliumcyanid (KCN) for å ødelegge det ytre lipid bilaget av erytrocytter 3. Den cyanid hemoglobin produsert av kjemiske utstillinger høy absorpsjon rundt 540 nm; derav, [Hb] målinger kan gjøres via kolorimetrisk analyse. Denne metoden er mye brukt på grunn av sin enkelhet, men de anvendte kjemikalier (for eksempel KCN og dimethyllaurylamine oksyd) er giftig for mennesker og miljø. Hematokrit ordningen måler volumforholdet av røde blodceller sammenlignet med det totale blod volUme gjennom sentrifugering; men det krever en forholdsvis stor blodvolum (50-100 ul) 4. Spektrofotometri metoder tiltak [Hb] presist uten kjemikalier, men målinger ved flere bølgelengder og et stort blodvolum kreves 5,6. Tilsvarende har flere optiske fremgangsmåter for måling av [Hb] er foreslått inkludert påvisningsmetoder basert på lys-spredning, men deres målenøyaktig avhenge sterkt av nøyaktigheten av den teoretiske modell blod.
For å overvinne disse begrensninger har [Hb] påvisningsmetoder basert på effekten fototermiske (PT) av Hb nylig blitt foreslått 7. Hb, som er sammensatt hovedsakelig av jernoksyder, absorberer lys ved 532 nm og omdanner lysenergi til varme 8-10. Denne økningen PT temperaturen kan bli detektert optisk ved å måle en endring i brytningsindeks (RI) av blodprøver. Yim et al. ansatt spektral-domene optisk koherens reflectometry for å måle PT optiske banelengdeendringer i en blod-inneholdende kammer 11. Selv om fremgangsmåten gjør det mulig kjemisk fri og direkte [Hb] måling, kan bruk av et spektrometer og en interferometrisk arrangement hindrer dens miniatyrisering. Vi har nylig presentert en alternativ [Hb] deteksjonsmetode, kalt foto termisk vinkel lysspredning (PT-AS) sensor, som er mer egnet for enheten miniatyrisering 12. PT-AS sensor utnytter den høye RI følsomheten til back-spredning interferometri (BSI) for å måle PT endringer i RI av en blodprøve inne i et kapillarrør. BSI har vært benyttet til å måle RI av ulike løsninger 13-15 og for å overvåke biokjemiske interaksjoner i gratis løsning 16. PT-AS sensor benytter lignende optisk ordning som i BSI, men kombinerer fototermiske eksitasjon oppsett for å måle PT økning på RI i blodprøver. Drifts prinsippene i BSI og PT-AS sensorer er beskrevet i detalj andre steder <sup> 12,15. PT-AS sensor viste høy følsomhet [Hb] måling over et bredt deteksjonsområde (0,35 til 17,9 g / dl) og er i stand til å operere med prøvevolumer på <100 nl. Ingen forbehandling av blodprøven er nødvendig, og måletiden er bare ~ 5 sek. Her blir det eksperimentelle oppsett og en detaljert måling protokollen beskrevet. Representative PT-AS Resultatene er angitt ved hjelp av blodprøver fra anemiske pasienter, og resultatene blir sammenlignet med de fra en hematologianalysator for å bedømme nøyaktigheten av PT-AS sensor.
Protocol
Representative Results
Discussion
PT-AS sensoren representerer en all-optisk metode er i stand til direkte [Hb] måling av ubehandlede blodprøver. Metoden kvantifiserer [Hb] i blodet ved hjelp av den iboende PT responsen av hemoglobinmolekyler i erytrocytter. Under belysning ved 532 nm lys, Hb molekyler absorberer lys energi og produserer varme. Den resulterende temperaturøkning endrer RI av blodprøven. Den høye følsomheten til RI BSI ble benyttet for å måle denne RI forandring i blod. Tidligere viste vi at PT-AS sensor muliggjør [Hb] måling me…
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).
