LS785光譜儀：活體拉曼光譜無損血糖檢測

前言簡介

血液中葡萄糖含量的無損監(jiān)測，一直是醫(yī)療領(lǐng)域長久以來致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。尤其對于糖尿病患者來說，無損血糖檢測能夠大大緩解疾病帶來的痛苦。拉曼光譜作為一種無損的光學(xué)檢測手段，通過對目標(biāo)分子“指紋”一般的光譜信息的識別，在化學(xué)分析尤其是生命科學(xué)分析的領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越大的作用。使用近紅外的激光作為拉曼激發(fā)光，在活體透皮拉曼光譜中，人們已經(jīng)可以成功觀察到皮下間質(zhì)液中的葡萄糖分子;許多診所也漸漸使用拉曼光譜儀輔助進(jìn)行口服葡萄糖耐受測試。

然而這種方式也存在著許多問題，比如皮下的拉曼測試都缺少了葡萄糖分子的特征指紋峰;因此利用活體拉曼進(jìn)行血糖無損檢測的方法也備受質(zhì)疑。來自麻省理工學(xué)院激光生物制藥中心的Peter T. C. So課題組的Jeon Woong Kang的首次直接觀測到了活體皮膚下的葡萄糖拉曼指紋峰。通過葡萄糖鉗夾技術(shù)注入右旋葡萄糖和胰島素的方式來調(diào)控豬的試體的血糖濃度，研究人員使用了Teledyne Princeton Instruments LS 785光譜儀直接觀測了三只不同豬試體的葡萄糖拉曼光譜，驗(yàn)證了利用活體拉曼光譜進(jìn)行無損血糖檢測的可行性。該工作被發(fā)表在學(xué)術(shù)雜志《Science Advances》上(Kang et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaay5206 24 January 2020)。

血糖拉曼檢測

在第一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過對豬耳朵每5分鐘一次，連續(xù)采樣7小時采集得到豬試體的活體拉曼光譜。其中通常包括葡萄糖的拉曼光譜、組織(非葡萄糖成分)的拉曼光譜、組織隨時間變化的背景基線以及不隨時間變化的系統(tǒng)背景基線。理論上隨著葡萄糖鉗制實(shí)驗(yàn)的調(diào)控，葡萄糖的拉曼峰信號強(qiáng)度也會有正相關(guān)的變化，因此不同葡萄糖濃度的拉曼差譜更能凸顯葡萄糖的特征峰。

圖1 活體拉曼光譜實(shí)驗(yàn)中的葡萄糖指紋峰以及其強(qiáng)度與濃度的線性關(guān)系;A)四條不同葡萄糖濃度的差譜，葡萄糖的拉曼指紋峰位于1125cm-1;B)拉曼差譜中的葡萄糖1125cm-1峰的強(qiáng)度與其對應(yīng)的濃度差的線性關(guān)系，R=0.95;C)用差譜得到的簡單線性關(guān)系進(jìn)行葡萄糖濃度的前瞻性預(yù)測。

圖1A中展示了四條差譜，對應(yīng)了不同的葡萄糖的濃度差(ΔG=G1-G2)。其中1125cm-1的峰正是葡萄糖的拉曼特征峰。當(dāng)葡萄糖濃度增加時，其對應(yīng)的拉曼差譜中的峰強(qiáng)度也相應(yīng)增加。兩者的線性度被展示在圖1B中，且在不同濃度區(qū)間都展示出良好的線性關(guān)系。研究人員利用這種簡單的線性擬合，就可以進(jìn)行的葡萄糖濃度的前瞻性預(yù)測。如圖1C所示，其預(yù)測結(jié)果R=0.95，平均絕對誤差為6.6%。

血糖濃度預(yù)測

上述的第一組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常令人振奮，但是對于實(shí)際可穿戴式的葡萄糖濃度檢測設(shè)備來說，多次測試取差譜的方式只能算是差強(qiáng)人意。為了單次采集測試就能夠預(yù)測葡萄糖濃度，研究人員選取了葡萄糖特征峰1125cm-1與組織中其他主導(dǎo)成分，比如皮下蛋白和血脂的拉曼峰1450cm-1(圖2A)，將兩者的峰面積之比與對應(yīng)的葡萄糖濃度進(jìn)行比較，也得到了類似上述第一組實(shí)驗(yàn)的線性關(guān)系(圖2B)，并利用該線性模型進(jìn)行了前瞻性預(yù)測，R=0.94，平均絕對誤差為13.4%(圖2C)。

圖2 峰面積之比與葡萄糖濃度的線性關(guān)系;A)四次葡萄糖鉗夾實(shí)驗(yàn)中的拉曼光譜，其中黑色箭頭代表了1125cm-1處的葡萄糖拉曼峰和1450cm-1處的蛋白質(zhì)/脂類的拉曼峰;B)葡萄糖濃度與兩處峰面積之比的線性關(guān)系;C)用峰面積比得到的簡單線性關(guān)系進(jìn)行葡萄糖濃度的前瞻性預(yù)測。

拉曼檢測系統(tǒng)

為了進(jìn)行長時間的無損檢測，研究人員采取了一種離軸的拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用斜角激光照明，不僅最大化了有效采樣的體積，同時保證了長時間采樣的穩(wěn)定性。圖3A與3B分別仿真了離軸和同軸拉曼激發(fā)的照射范圍，其采樣區(qū)間的三維像素分布為圖中暗紅色區(qū)域。圖3C展示了皮下不同深度的采樣區(qū)間三維像素數(shù)量的關(guān)系曲線。仿真結(jié)果顯示，在皮下真皮層深度范圍內(nèi)，使用斜角激光照明的離軸式拉曼光譜系統(tǒng)可以更加高效地采集葡萄糖的拉曼信號。

圖3 離軸拉曼激發(fā)示意圖;A)830nm的斜角激光器離軸照射幅度示意圖;B)830nm的斜角激光器同軸照射幅度示意圖;C)同軸與離軸采樣三維像素數(shù)量與皮下深度的關(guān)系曲線。

這套離軸拉曼光譜儀系統(tǒng)由一臺830nm的激光器作為光源，并使用了Teledyne Princeton Instruments的棱鏡型成像光譜儀LS 785和PIXIS: 1024BRX CCD相機(jī)收集拉曼數(shù)據(jù)(圖4)。LS 785是一款零像差的棱鏡型成像光譜儀，可以高質(zhì)量地成像成譜。同時LS 785采用了f/2的大光圈高通量設(shè)計(jì)，最大程度收集入射的光信號。LS 785內(nèi)置的光學(xué)元件專門為750-1100nm配置，完美適配近紅外區(qū)間的拉曼、熒光光譜等應(yīng)用。

如圖5A所示，830nm的拉曼激發(fā)光以斜角入射并聚焦在皮膚表面，產(chǎn)生的拉曼信號由光纖束收集，經(jīng)過f數(shù)匹配器之后進(jìn)入LS 785光譜儀以及CCD相機(jī)。CCD相機(jī)持續(xù)曝光，每5分鐘一次全幅讀出拉曼光譜數(shù)據(jù)。圖5B展示了真實(shí)的工作環(huán)境中，活體拉曼光譜系統(tǒng)如何對豬耳皮下的葡萄糖分子進(jìn)行采樣。

圖4 LS785拉曼光譜系統(tǒng);A)LS785活體拉曼光譜系統(tǒng)檢測豬試體示意圖，F(xiàn)M，f數(shù)匹配器;LP，長通濾波片;LD，激光器;BP，帶通濾波片;B)LS785活體拉曼實(shí)際佩戴于被麻醉的豬試體的照相圖片。

技術(shù)支持

BLAZE相機(jī)是一款由Teledyne Princeton Instruments 和 Teledyne e2v最新聯(lián)合研發(fā)的高速光譜型CCD相機(jī)，最快每秒可進(jìn)行1650條光譜的拍攝。BLAZE相機(jī)CCD芯片的工藝大大優(yōu)化了近紅外區(qū)的量子效率。其可見到近紅外范圍平均量子效率維持在90-95%;900nm處可達(dá)98%;1000nm處仍可保持75%。同時BLAZE使用了PI獨(dú)家的ArcTec制冷技術(shù)，不僅能夠超高速拍攝，而且還擁有超高靈敏度，是近紅外拉曼、熒光光譜相機(jī)的理想之選!

BLAZE CCD相機(jī)以及其芯片量子效率

審核編輯 黃宇