Summary

Быстрой и Бесхимический Гемоглобин Анализ с фототермического углового рассеяния света

Published: December 07, 2016
doi:

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

Фототермические угловое рассеяние света (ПТ-АС) представляет собой новый оптический метод измерения концентрации гемоглобина ([Hb]) образцов крови. На основании собственного ответа фототермическую молекул гемоглобина, датчик обеспечивает высокую чувствительность, бесхимический измерение [Hb]. [Hb] способность обнаружения с пределом 0,12 г / дл работы в диапазоне от 0,35 – 17,9 г / дл было показано ранее. Этот метод может быть легко реализован с использованием электронных устройств недорогой потребителей, таких как лазерный указатель и веб-камеры. Использование микро-капиллярной трубки в качестве контейнера в крови также позволяет анализа гемоглобина с nanoliter шкалы объема крови и низкими эксплуатационными расходами. Здесь представлены подробные инструкции для PT-AS оптической установки и сигнальных процедур обработки. Экспериментальные протоколы и показательные результаты для образцов крови в условиях анемией ([Hb] = 5,3, 7,5 и 9,9 г / дл) также предусмотрены и измерения сравниваются с теми, обозреваютма гематологический анализатор. Его простота в реализации и эксплуатации должны обеспечить его широкое применение в клинических лабораториях и условиях ограниченных ресурсов.

Introduction

Анализ крови обычно проводится для оценки общего состояния здоровья человека и для выявления биомаркеров, связанных с определенными заболеваниями. Например, концентрации холестерина в крови, служит в качестве критерия для гиперлипидемии, который тесно связан с сердечно-сосудистыми заболеваниями, и панкреатит. Содержание глюкозы в крови следует измерять часто, так как уровень глюкозы связан с осложнениями, такими как диабетический кетоацидоз и синдром гипергликемии гиперос-. Серьезные заболевания, такие как малярия, вирус иммунодефицита человека и синдром приобретенного иммунодефицита диагностируются обследования крови, и количественное определение компонентов крови, включая эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и позволяет скрининг поджелудочной железы и заболеваний почек.

Гемоглобин (Hb), одним из важнейших компонентов крови, составляет около 96% эритроцитов и переносит кислород в органы человека. Значительное изменение его массовой концентрации ([Hb]) может указывать на меняtabolic изменения, гепатобилиарной болезни и неврологические, сердечно – сосудистые и эндокринные расстройства 1. [Hb] поэтому обычно измеряется в анализах крови. В частности, у пациентов с анемией, диализных больных, а также беременным женщинам настоятельно рекомендуется контролировать [Hb] в качестве жизненно важной задачи 2.

Различные [Hb] методы обнаружения, таким образом, были разработаны. Метод гемоглобин цианида, один из наиболее распространенных методов [Hb] Количественное, использует цианид калия (KCN) , чтобы разрушить липидный бислой эритроцитов 3. Цианид гемоглобина, полученные химическим проявляет высокую поглощения около 540 нм; следовательно, [Hb] измерения могут быть сделаны с помощью колориметрического анализа. Этот метод широко применяется благодаря своей простоте, но используемые химические вещества (например, KCN и оксид dimethyllaurylamine) являются токсичными для человека и окружающей среды. Схема гематокрита измеряет соотношение объема красных кровяных клеток по сравнению с общим об кровиумэ через центробежной сепарации; Однако это требует относительно большого объема крови (50-100 мкл) 4. Спектрофотометрии методы измерения [Hb] точно без каких – либо химических веществ, но измерения на нескольких длинах волн , и большой объем крови требуется 5,6. Аналогичным образом, несколько оптических методов измерения [Hb] были предложены в том числе методы обнаружения на основе рассеяния света, но их измерения точности сильно зависят от точности теоретической модели крови.

Чтобы преодолеть эти ограничения, [Hb] методы обнаружения , основанные на фототермальный (PT) эффекта Hb Недавно было предложено 7. Hb, который состоит в основном из оксидов железа, поглощает свет при 532 нм и преобразует световую энергию в тепло 8-10. Это повышение температуры РТ может быть обнаружено оптически путем измерения изменения показателя преломления (RI) проб крови. Иим и др. занятых спектрально-оптической когерентной домена reflectometrу для измерения изменения оптической длины пути PT в камере 11 крови , содержащей. Хотя метод позволяет без химикатов и прямой [Hb] измерение, использование спектрометра и интерферометрический устройство может препятствовать его миниатюризации. Недавно мы представили метод обнаружения альтернативы [Hb], названный фототермические угловое рассеяние света (PT-AS) датчик, который больше подходит для устройства миниатюризации 12. Датчик PT-АС использует высокую чувствительность РИ обратного рассеяния интерферометрии (BSI) для измерения изменений ФП в РИ образца крови внутри капиллярной трубки. BSI были использованы для измерения RI различных решений 13-15 и мониторинга биохимических взаимодействий в свободном растворе 16. Датчик PT-AS использует аналогичную оптическую схему, как в BSI, но сочетает в себе установку возбуждения фототермическую для измерения PT увеличение RI в образцах крови. Принципы работы BSI и датчиков PT-AS подробно описаны в другом месте <sup> 12,15. Датчик PT-AS продемонстрировал высокую чувствительность [Hb] измерение в широком диапазоне чувствительности (0.35-17.9 г / дл) и способен работать с объемами выборок <100 нл. Ни один предобусловливание пробы крови не требуется, и время измерения составляет всего ~ 5 сек. Здесь, экспериментальная установка и подробный протокол измерений описаны. Результаты Представитель ПТ-AS предоставляются с использованием образцов крови у пациентов с анемией, а результаты сравниваются с теми из гематологического анализатора для оценки точности датчика PT-AS.

Protocol

Эксперименты с образцами крови были выполнены в соответствии с соответствующими законами и организационных принципов. Образцы представляли собой остаточные образцы крови, которые были получены и обработаны в ходе клинических испытаний в учреждении. 1. PT-AS Оптический Setup Приме?…

Representative Results

Пробирного гемоглобин проводили с использованием датчика PT-AS, и его измерения были сопоставлены с данными из гематологического анализатора. Эксперимент проводился с интенсивностью света PT возбуждения 1,4 Вт / см 2, PT частота модуляции 2 Гц и времени измерения 5 сек…

Discussion

Датчик PT-AS представляет собой все-оптический метод, способный прямого [Hb] измерения необработанных образцов крови. Метод квантифицирует [Hb] в крови с использованием собственного ответа PT молекул гемоглобина в эритроцитах. При освещении 532 нм света, молекулы Hb поглощают энергию света и п…

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Van Kampen, E., Zijlstra, W. Standardization of hemoglobinometry II. The hemiglobincyanide method. Clin. Chim. Acta. 6 (4), 538-544 (1961).
  4. Billett, H. H. Hemoglobin and hematocrit. Clinical Methods: The History, Physical, and Laboratory Examinations. 3, (1990).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Lapotko, D., Lukianova, E. Laser-induced micro-bubbles in cells. International Journal of Heat Mass Transfer. 48 (1), 227-234 (2005).
  9. Lapotko, D. O. Laser-induced bubbles in living cells. Lasers in surgery and medicine. 38 (3), 240-248 (2006).
  10. 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).
  11. Yim, J., et al. Photothermal spectral-domain optical coherence reflectometry for direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes. Biosens. Bioelectron. 57, 59-64 (2014).
  12. Kim, U., et al. Capillary-scale direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes using photothermal angular light scattering. Biosens. Bioelectron. 74, 469-475 (2015).
  13. 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).
  14. Swinney, K., Markov, D., Bornhop, D. J. Ultrasmall volume refractive index detection using microinterferometry. Rev. Sci. Instrum. 71 (7), 2684-2692 (2000).
  15. 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).
  16. Bornhop, D. J., et al. Free-solution, label-free molecular interactions studied by back-scattering interferometry. science. 317 (5845), 1732-1736 (2007).
  17. Yang, X., et al. Simple paper-based test for measuring blood hemoglobin concentration in resource-limited settings. Clin. Chem. 59 (10), 1506-1513 (2013).
  18. Zhu, H., et al. Cost-effective and rapid blood analysis on a cell-phone. Lab Chip. 13 (7), 1282-1288 (2013).
  19. Pogačnik, L., Franko, M. Detection of organophosphate and carbamate pesticides in vegetable samples by a photothermal biosensor. Biosens. Bioelectron. 18 (1), 1-9 (2003).

Play Video

Cite This Article
Kim, U., Song, J., Ryu, S., Kim, S., Joo, C. A Rapid and Chemical-free Hemoglobin Assay with Photothermal Angular Light Scattering. J. Vis. Exp. (118), e55006, doi:10.3791/55006 (2016).

View Video