Быстрой и Бесхимический Гемоглобин Анализ с фототермического углового рассеяния света
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
Representative Results
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
- 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).
