Name: a rapid and chemical-free hemoglobin assay with photothermal angular light scattering
Uploaded: 2016-12-07T15:00:00
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This research was supported by the research programs of the National Research Foundation of Korea (NRF) (NRF-2015R1A1A1A05001548 and NRF-2015R1A5A1037668).

Experimentos com amostras de sangue foram realizadas em conformidade com as leis e diretrizes institucionais. As amostras foram as amostras de sangue residuais que tinham sido adquiridas e processadas em testes clínicos na instituição. Configuração óptica 1. PT-AS NOTA: Pode-se usar um tubo de micro-capilar vazio para uma configuração inicial PT-AS. <ol><li> Montar um tubo de micro-capilar vazio com diâmetros interior e exterior de 200 e 330 uM, respectivamente, e um comprimento superior a cin...

<ol>
	<li>Mokken, F. C., Kedaria, M., Henny, C. P., Hardeman, M., Gelb, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+clinical+importance+of+erythrocyte+deformability,+a+hemorrheological+parameter.">The clinical importance of erythrocyte deformability, a hemorrheological parameter.</a> Ann. 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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+measurement+of+the+in+vitro+hemoglobin+content+of+erythrocytes+using+the+photo-thermal+effect+of+the+heme+group.">Direct measurement of the in vitro hemoglobin content of erythrocytes using the photo-thermal effect of the heme group.</a> Analyst. 135 (9), 2365-2371 (2010).</li><li>Lapotko, D., Lukianova, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+micro-bubbles+in+cells.">Laser-induced micro-bubbles in cells.</a> International Journal of Heat Mass Transfer. 48 (1), 227-234 (2005).</li><li>Lapotko, D. 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Bioelectron. 57, 59-64 (2014).</li><li>Kim, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capillary-scale+direct+measurement+of+hemoglobin+concentration+of+erythrocytes+using+photothermal+angular+light+scattering.">Capillary-scale direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes using photothermal angular light scattering.</a> Biosens. Bioelectron. 74, 469-475 (2015).</li><li>S&#0248;rensen, H. S., Larsen, N. B., Latham, J. C., Bornhop, D. J., Andersen, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+sensitive+biosensing+based+on+interference+from+light+scattering+in+capillary+tubes.">Highly sensitive biosensing based on interference from light scattering in capillary tubes.</a> Appl. Phys. Lett. 89 (15), 151108 (2006).</li><li>Swinney, K., Markov, D., Bornhop, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasmall+volume+refractive+index+detection+using+microinterferometry.">Ultrasmall volume refractive index detection using microinterferometry.</a> Rev. Sci. Instrum. 71 (7), 2684-2692 (2000).</li><li>Tarigan, H. J., Neill, P., Kenmore, C. K., Bornhop, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capillary-scale+refractive+index+detection+by+interferometric+backscatter.">Capillary-scale refractive index detection by interferometric backscatter.</a> Anal. Chem. 68 (10), 1762-1770 (1996).</li><li>Bornhop, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free-solution,+label-free+molecular+interactions+studied+by+back-scattering+interferometry.">Free-solution, label-free molecular interactions studied by back-scattering interferometry.</a> science. 317 (5845), 1732-1736 (2007).</li><li>Yang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+paper-based+test+for+measuring+blood+hemoglobin+concentration+in+resource-limited+settings.">Simple paper-based test for measuring blood hemoglobin concentration in resource-limited settings.</a> Clin. Chem. 59 (10), 1506-1513 (2013).</li><li>Zhu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cost-effective+and+rapid+blood+analysis+on+a+cell-phone.">Cost-effective and rapid blood analysis on a cell-phone.</a> Lab Chip. 13 (7), 1282-1288 (2013).</li><li>Poga&#269;nik, L., Franko, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+organophosphate+and+carbamate+pesticides+in+vegetable+samples+by+a+photothermal+biosensor.">Detection of organophosphate and carbamate pesticides in vegetable samples by a photothermal biosensor.</a> Biosens. Bioelectron. 18 (1), 1-9 (2003).</li></ol>

O sensor PT-AS representa um método totalmente óptica capaz de medição direta [Hb] de amostras de sangue não transformados. O método quantifica [Hb] no sangue, utilizando a resposta PT intrínseca de moléculas de hemoglobina em eritrócitos. Sob iluminação pela luz de 532 nm, as moléculas de hemoglobina absorver a energia da luz e produzir calor. O aumento da temperatura resultante altera o RI da amostra de sangue. A sensibilidade elevada RI da BSI foi explorada para medir esta mudança RI no sangue. Anteriorm...

Um exame de sangue é comumente realizada para avaliar a saúde humana em geral e para detectar biomarcadores relacionados a certas doenças. Por exemplo, a concentração de colesterol no sangue serve como um critério para a hiperlipidemia, que está estreitamente relacionada com doenças cardiovasculares e pancreatite. O conteúdo de glicose no sangue deve ser medida com frequência, pois o nível de glicose está associada a complicações tais como cetoacidose diabética e síndrome hiperosmolar hiperglicêmicos. doenças graves como a malária, o vírus da imunodeficiência humana e síndrome da imunodeficiência adquirida são diagnosticadas através de exames de sangue, e quantificação dos componentes do sangue, incluindo eritrócitos, trombócitos, leucócitos e permite o rastreio de pâncreas e doenças renais. A hemoglobina (Hb), um componente crítico de sangue, torna-se cerca de 96% dos eritrócitos, e transporta o oxigénio para órgãos humanos. alteração significativa da sua concentração de massa ([Hb]) pode indicar-memudanças tabolic, doença hepatobiliar, e distúrbios neurológicos, cardiovasculares e endocrinológicos 1. [Hb] é, portanto, rotineiramente medidos em exames de sangue. Em particular, pacientes anêmicos, pacientes de diálise, e as mulheres grávidas são fortemente recomendados para monitorar [Hb] como uma tarefa vital 2. Vários métodos de detecção [Hb] foram assim desenvolvidos. O método da hemoglobina cianeto, uma das técnicas mais comuns para [Hb] quantificação, emprega cianeto de potássio (KCN), para destruir a bicamada lipídica de eritrócitos 3. A hemoglobina cianeto produzido pelo exposições químicas alta absorção em torno de 540 nm; Assim, [Hb] medições podem ser feitas através de análise colorimétrica. Este método é amplamente utilizado devido à sua simplicidade, mas os produtos químicos utilizados (por exemplo, KCN e óxido dimethyllaurylamine) são tóxicos para os seres humanos eo meio ambiente. O regime de hematócrito mede a relação do volume de células vermelhas do sangue em comparação com o volume total de sangueume através da separação centrífuga; no entanto, exige um volume relativamente grande de sangue (50-100 ul) 4. Espectrofotometria de métodos de medida [Hb] precisamente sem produtos químicos, mas medições em vários comprimentos de onda e um volume de sangue grande são necessárias 5,6. Da mesma forma, vários métodos ópticos para medir [Hb] têm sido propostos, incluindo os métodos de detecção baseadas em luz-se espalhando, mas as suas precisões de medição dependem fortemente da precisão do modelo de sangue teórica. Para superar estas limitações, [Hb] métodos de detecção baseados no efeito fototérmico (PT) de Hb recentemente têm sido propostos 7. Hb, que é composto principalmente de óxidos de ferro, absorve a luz a 532 nm e converte a energia da luz em calor 8-10. Este aumento de temperatura PT pode ser detectado opticamente por medição de uma alteração no índice de refracção (RI) de amostras de sangue. Yim et ai. empregada espectral-domain reflectometr de coerência ópticaY para medir a alteração óptica caminho de comprimento PT numa câmara contendo 11 sangue. Embora o método permite a livre de produtos químicos e directa [Hb] medição, a utilização de um espectrómetro e um arranjo de interferometria pode dificultar a sua miniaturização. Recentemente, apresentado um método de detecção alternativo [Hb], denominado sensor de fotoï¿½tï¿½rmica angular de espalhamento de luz (PT-AS), que é mais adequado para a miniaturização do dispositivo 12. O sensor PT-AS explora a sensibilidade elevada RI da interferometria de dispersão de volta (BSI) para medir as mudanças PT no RI de uma amostra de sangue dentro de um tubo capilar. BSI têm sido utilizados para medir RI de várias soluções de 13-15 e para monitorar interacções bioquímicas em solução livre 16. O sensor PT-AS emprega disposição óptica semelhante à do BSI, mas combina configuração de excitação fototérmica para medir aumento PT de RI em amostras de sangue. Princípios de funcionamento do BSI e os sensores de PT-AS são descritos em detalhe noutro lugar <sup&gt; 12,15. PT-demonstrado como sensor de medição de alta sensibilidade [Hb] ao longo de um largo intervalo de detecção (0,35-17,9 g / dl) e é capaz de funcionar com volumes de amostra de &lt;100 nl. Sem o pré-condicionamento de amostra de sangue é necessário, e o tempo de medição é apenas ~ 5 seg. Aqui, a montagem experimental e um protocolo de medição detalhada são descritos. Os resultados representativos PT-AS são fornecidos usando amostras de sangue de pacientes anêmicos, e os resultados são comparados com os de um analisador hematológico para avaliar a precisão do sensor PT-AS.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>650nm laser pointer</td>
			<td>LASMAC</td>
			<td>LED-1</td>
			<td>Probe light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hollow round glass capillaries</td>
			<td>Cm Scientific</td>
			<td>CV2033</td>
			<td>Blood sample container</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Webcam</td>
			<td>Logitech</td>
			<td>C525</td>
			<td>CMOS optical sensor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>532-nm DPSS laser</td>
			<td>CNI Laser</td>
			<td>MGL-&#8546;-532</td>
			<td>Photothermal light source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical chopper system</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MC2000-EC</td>
			<td>Optical chopper</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic long-pass filter</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>#43-942</td>
			<td>To reject 532-nm PT excitation light</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber clamp</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>SM1F1-250</td>
			<td>Capillary tube fixture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA coated blood sampling tube</td>
			<td>Greiner Bio-One</td>
			<td>VACUETTE 454217</td>
			<td>Blood sampling &#38; anticoagulating</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hematology analyzer</td>
			<td>Siemens AG</td>
			<td>ADVIA 2120i</td>
			<td>Reference hematology analyzer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a rapid and chemical-free hemoglobin assay with photothermal angular light scattering

Fotoï¿½tï¿½rmica angular de espalhamento de luz (PT-AS) é um método óptico de novo para a medição da concentração de hemoglobina ([Hb]) de amostras de sangue. Com base na resposta fototérmico intrínseca de moléculas de hemoglobina, o sensor permite alta sensibilidade, medida livre de produtos químicos de [Hb]. [Hb] capacidade de detecção com um limite de 0,12 g / dl ao longo do intervalo de 0,35-17,9 g / dl foi demonstrada anteriormente. O método pode ser facilmente implementada usando dispositivos electrónicos de consumo de baixo custo, tais como um ponteiro laser e uma webcam. O uso de um tubo de micro-capilar como um recipiente para o sangue também permite que o ensaio de hemoglobina com um volume de sangue escala nanolitros e um baixo custo de operação. Aqui, são apresentados instruções detalhadas para os procedimentos de processamento de instalação e de sinal PT-AS óptica. Protocolos experimentais e resultados representativos para as amostras de sangue em condições anémicas ([Hb] = 5,3, 7,5, e 9,9 g / dL) são também fornecidos, e as medições são comparadas com as froma analisador hematológico. Sua simplicidade na implementação e operação deve permitir a sua ampla adoção em laboratórios clínicos e contextos de recursos limitados.

Um ensaio de hemoglobina foi realizada utilizando o sensor de PT-AS, e suas medições foram comparadas com aquelas de um analisador de hematologia. O experimento foi realizado com uma intensidade de luz PT excitação de 1,4 W / cm 2, PT modulação de frequência de 2 Hz, e medição do tempo de 5 segundos. A Tabela 1 resume as condições experimentais. Os tamanhos de feixe da luz da sonda e excitação PT foram de 5,5 e 2 mm, respectivamente. A webcam grav...

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A Rapid and Chemical-free Hemoglobin Assay with Photothermal Angular Light Scattering

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.

A rápida e sem produtos químicos dosagem de hemoglobina com Photothermal angular de espalhamento de luz

Photo-thermal angular light scattering (PT-AS) is a novel optical method for measuring the hemoglobin concentration ([Hb]) of blood samples. On the basis ...

The goal of this presentation is to demonstrate a direct and rapid hemoglobin assay of anemic blood samples using a photothermal angular light scattering sensor. The PT-AS sensor is a novel, all optical sensor capable of measuring mass concentration of hemoglobin in unprocessed nanoliter volume blood samples without any chemicals. The sensor can be readily implemented with a low cost consumer electronic devices, such as a laser pointer and webcam.And so, provides ideal platform for point of care testing devices. The sensor can also be utilized to measure various kinds of biological and chemicals species that exhibit strong photothermal response, such as hemoglobin. The blood samples employed in this presentation are the red steel blood samples that had been acquired and processed in the clinical test at the institution.To begin setting up the photothermal angular light scattering sensor. First mount a clean capillary tube upright on a capillary tube fixture. Then, mount a 650 nanometer probe laser directed at the tube.Turn on the laser and check the scattering pattern with a sheet of paper. Next, place a camera without a lens on the other side of the capillary tube at an angle of about 25 to 35 degrees relative to the laser beam. Connect the camera to a computer and open the custom camera recording software.Check that the scattering pattern is in the center of the camera feed. Then, mount a 532 nanometer photothermal excitation laser directed towards the capillary tube. Ensure that the excitation laser light intersects the probe laser at the capillary tube, but does not directly shine into the camera.Turn off both lasers and remove the capillary tube from the mount. Place a long pass filter in front of the camera so only the 650 nanometer light is detected. Then, mount an optical chopper with a chopper wheel in front of the 532 nanometer laser.First derive calibration curve for the PT-AS sensor based on reference samples with known mass hemoglobin concentrations. Then, obtain a fresh whole blood sample drawn into a blood sampling tube containing ethylenediaminetetraacetic acid. Fill a clean capillary tube from the sample.Place the sample filled capillary tube in the mount. Then, turn on the 650 nanometer laser and check that the scattering pattern is centered correctly on the camera. Turn on the 532 nanometer laser at its highest power and turn on the optical chopper control box.Set the modulation frequency to two hertz and then start the chopper wheel. Using the custom designed software, record the scattering pattern from the camera. Then, turn off the lasers.Compute the average scattering pattern for each frame of the recording. Take the Fourier transform and calculate the phase at the peak spatial frequency for each scattering pattern. Plot the phase fluctuation over all of the frames as a function of time.Then, take the Fourier transform in the Time domain to determine the PT-AS signal magnitude at the PT modulation frequency. Convert the PT-AS signal to the hemoglobin mass concentration using the calibration curve. Three different samples were tested with PT-AS and with a hematology analyzer.Larger phase fluctuations are observed in samples with higher mass hemoglobin concentrations. The PT-AS signals averaged over 11 measurements corresponded to mean mass hemoglobin concentration values of 5.46, 7.23, and 9.85 grams per deciliter, which were similar to the values obtained with the hematology analyzer. Once properly aligned and calibrated, the PT-AS sensor enables high accuracy measurement of mass concentration of hemoglobin in unprocessed blood samples.A sensor can be built with low cost consumer electronic devices and requires only a blood loaded microcapillary tube for operation. These unique features of the PT-AS sensor will therefore enable it's wide adoption in clinical laboratories and research limited settings.

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