This research was supported by the research programs of the National Research Foundation of Korea (NRF) (NRF-2015R1A1A1A05001548 and NRF-2015R1A5A1037668).

Experimente mit Blutproben wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen Gesetzen und Richtlinien des Instituts durchgeführt. Die Proben wurden die restlichen Blutproben, die in der Einrichtung in klinischen Tests erfasst und verarbeitet worden war. 1. PT-AS Optischer Aufbau HINWEIS: Man kann eine leere Mikro Kapillare für einen anfänglichen PT-AS-Setup verwenden. <ol><li> Halterung einen leeren Mikro Kapillarrohr mit inneren und äußeren Durchmessern von 200 bis 330 &amp; mgr; m sind, und eine Länge von mehr als ~ 5 cm auf einem Kapillarrohr fixture. Im Handel erhältliche Faser Vorrichtungen können als der Rohrbefestigung verwendet werden. </li><li> Sichere Verankerung eines 650 - nm - Laserpointer, dh die Sonde Lichtquelle, die Kapillare zu beleuchten. Der Sondenstrahl sollte größer sein als das Kapillarrohr sein. Legen Sie einen Bildschirm (zB weißes Papier) hinter der Kapillare eine Winkel periodisches Muster zu beobachten. </li><li> Für den Erfassungsteil, entfernen Sie alle Linsen in einer Webcam direkt auf die scatt zu erfassenEring Muster. Positionieren der Webcam hinter dem Kapillarröhrchen in einem Winkel von 25-35 ° gegenüber der Sondenstrahlrichtung. Stellen Sie sicher , dass die Winkel periodisches Muster durch das Kapillarrohr erzeugt wird, kann mit dem Detektor (Figur 1) gemessen werden. Beobachten der Winkel periodisches Muster in der Mitte des Bildsensors, wenn der Bildsensor richtig positioniert ist. </li><li> Positionieren Sie einen 532-nm-PT Anregungslichtquelle das Kapillarrohr zu beleuchten. Positionieren der PT-Lichtquelle in einem beliebigen Winkel, solange die PT Anregungslicht überlappt Sondenstrahl auf der Kapillarröhre und erreicht nicht den Detektor direkt. PT Anregung von Blutproben mit hoher optischer Leistung verbessert typischerweise die PT-AS Empfindlichkeit, da sie auf eine größere Änderung in der RI führt. <ol><li> Verwenden Sie die höchste optische Leistung des PT Anregungslichtquelle verwendet wird. Darüber hinaus sicherstellen, dass die PT Anregungslicht die Sonde Licht auf die Kapillare überlappt. Verwenden Sie eine Strahlgröße des PT-Anregungslichtmindestens zweimal der des Sondenlichts das gesamte Probenvolumen zu erhitzen. </li></ol></li><li> Legen Sie ein Langpassfilter vor dem Detektor die 532-nm-Licht zu blockieren und nur die 650-nm-Sonde Licht messen. </li><li> Installieren Sie einen optischen Chopper in dem Pfad des PT Anregungslicht vor der Kapillare zu beleuchten. Der optische Chopper verwendet, um die PT Anregungslichtintensität zu modulieren. </li></ol> 2. Blut Probenvorbereitung <ol><li> Zeichnen Sie 6 ml frisches Vollblut bei anämischen Zustand in Äthylendiamintetraessigsäure Blutprobenröhrchen, und die Proben gut mischen. Keine andere Verarbeitung erforderlich ist. </li><li> Messen Sie die Blutproben mit dem PT-AS Sensor innerhalb von 24 Stunden der Extraktion Koagulation zu verhindern. </li></ol> 3. PT-AS Messprotokolle <ol><li> Laden einer Mikro Kapillarrohr mit einer Blutprobe zu messen. Füllen Sie das Kapillarrohr mit dem Blut durch Kapillarwirkung durch den Schlauch in das Blut s platzierenreichlich. Die minimale Probenmenge erforderlich für die Messung wird durch den Innendurchmesser des Kapillarrohrs und der Sondenstrahlgröße bestimmt. <ol><li> Verwenden ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 200 um. Die Sondenstrahlgröße betrug 2 mm in den repräsentativen Ergebnissen, was darauf hindeutet, dass die Messung kann mit einem Probenvolumen von&gt; 63 nl durchgeführt werden. </li></ol></li><li> Montieren Sie das Kapillarröhrchen an der vorgesehenen Position in der Halterung. </li><li> Schalten Sie die 650 nm Sonde Laser die Blut geladen Mikro Kapillare zu beleuchten. Die Winkel periodische Muster sollte mit der Webcam beobachtet werden. </li><li> Schalten Sie den 532-nm PT Anregungslaser das Rohr zu beleuchten. </li><li> Führen des optischen Zerhackers die Intensität des PT Anregungslicht bei 2 Hz zu modulieren. HINWEIS: Die Gründe für die Auswahl dieser Betriebszustand ist in Diskussion und Kim et al. 12. <ol><li> Montieren Sie einen Chopperrads in der Motorkopfanordnung der optischen ChopperSystem. </li><li> Schalten Sie die Chopper-Steuerung ein, und verwenden Sie den Drehknopf in der Konsole die Modulationsfrequenz einzustellen. </li><li> Führen Sie den Chopper mit dem Regler. </li></ol></li><li> Notieren Sie sich die schwankende Streumuster über die Webcam für 5 Sekunden in MPEG-4 (mp4) Format. </li></ol> 4. Signalverarbeitung HINWEIS: PT-AS Signalverarbeitung wurde unter Verwendung eines Labor-entwickelten MATLAB-Code ausgeführt. <ol><li> Laden Sie die Videodatei die Bilder zu extrahieren. Für jedes Bild [Figur 2 (a) für einen repräsentativen Bild sehen], erhalten , um den gemittelten Streumuster , das durch den Mittelwert der Pixelwerte entlang der vertikalen Richtung Berechnung [Figur 2 (b, c)]. </li><li> Auswerten der Fourier des gemittelten Streumuster transformieren, und berechnet die Phase bei der Spitzenortsfrequenz. Diese Vorgänge sind für alle Rahmen aller aufgenommenen Bilder. </li><li> die Phasenwerte unter Verwendung von allen Bildern erhalten, zeichnen die zeitliche PhaseFluktuation [2 (d)]. Beachten Sie, dass die Phase an der PT Modulationsfrequenz schwankt. Nehmen der Fourier-Transformation der Phasenschwankung in der Zeitdomäne zu transformieren und zu erhalten, die Größe bei der Modulationsfrequenz. Dieses Signal wird als die PT-AS - Signal [Bild 2 (e)]. </li><li> Messung der [Hb] von einer Blutprobe durch die PT-AS Signals in das Umwandlungs entsprechenden [Hb], um die Kalibrierungskurve unter Verwendung von in Protokoll 5 erhalten wird. </li></ol> 5. PT-AS Kalibrierungs <ol><li> Bereiten Sie Blutproben, mit [Hb] Werte , die gleichmäßig in dem Erfassungsbereich des PT-AS Sensor verteilt sind (zB 0 - 18 g / dl). </li><li> Vor der Kalibrierung quantifizieren die [Hb] -Werte der Proben eines Referenz Hämatologie-Analysators. Messen Sie die PT-AS Signale der Proben. </li><li> Leiten Sie eine Eichkurve betreffend [Hb] zu dem PT-AS-Signal durch eine lineare Durchführen der kleinsten Quadrate, [Hb] = A [PT-AS Signal] + B, der experimental Ergebnisse. Für die Betriebsbedingungen in Tabelle 1 angegebenen, ist die Beziehung zwischen [Hb] und der PT-AS - Signal wurde zu sein [Hb] = 5,13 [PT-AS - Signal] gefunden - 0,09. Verwenden Sie MATLAB-Code die lineare Anpassung auszuführen. </li></ol>

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No conflict of interest is declared.

Der PT-Sensor AS stellt eine rein optische Methode, die für direktes [Hb] Messung von nicht verarbeiteten Blutproben. Das Verfahren quantifiziert [Hb] im Blut die intrinsische PT Reaktion von Hämoglobin-Moleküle in den Erythrozyten verwendet wird. Unter Beleuchtung mit 532-nm-Licht absorbieren Hb-Moleküle die Lichtenergie und Wärme erzeugen. Die sich ergebende Temperaturanstieg ändert den RI der Blutprobe. Die hohe Empfindlichkeit von RI BSI wurde nutzten diese RI Veränderung im Blut zu messen. Zuvor haben wir gezeigt, dass die PT-AS Sensor ermöglicht [Hb] Messung mit einer Nachweisgrenze von 0,12 g / dl über den Bereich von 0,35 bis 17,9 g / dl, die derjenigen des kommerziellen vergleichbar ist [Hb]-Sensoren auf dem Markt. Ein bemerkenswertes Merkmal des PT-AS-Sensor ist, dass es keine Vorbehandlung von Blutproben oder Chemikalien erforderlich ist. Somit ermöglicht der Sensor direkte, schnelle (&lt;5 s) und umweltfreundliche Messung. Die Verwendung von Glas-basierten Mikro Kapillarröhrchen als Probe container aktiviert [Hb] Assay bei niedrigen Betriebskosten. Die minimale Probenmenge in der PT-AS Sensor wird durch den Innendurchmesser des Kapillarrohrs und der Messstrahlgröße auf dem Kapillarröhrchen bestimmt. Es wird geschätzt, ~ 63 nl in den repräsentativen Ergebnissen. Im Vergleich zu den Probenvolumina in den kommerziellen Instrumenten erforderlich (beispielsweise 50-200 ul für den Referenz Hämatologieanalysator) ermöglicht der PT-Sensor AS [Hb] Messung mit einem deutlich reduzierten Probenvolumen. Mehrere schnelle und kostengünstige [Hb] Nachweistechniken wurden 11,17,18 berichtet, erfordern aber immer noch die Probenvolumina von 2-10 &amp; mgr; l für den Betrieb. Mehrere Merkmale des PT-Sensors AS Umsetzung festgestellt werden sollte. Man sollte dafür sorgen, dass die Größe des PT Anregungslichtstrahl mindestens zweimal der des Sondenlichtstrahls auf dem Kapillarrohr. Die beiden Lichtstrahlen sollten auf das Kapillarrohr überlappen, wie keine oder eine teilweise Überlappung der beiden Lichtstrahlen auf the Rohr in entweder kein oder ein kleiner PT-AS Reaktion zur Folge haben wird. Man sollte auch darauf achten, dass die Winkelstreuung Muster nicht auf dem Detektor gesättigt ist. Einstellung der Streumuster Orientierung entlang der horizontalen oder vertikalen Richtung kann notwendig sein; Andernfalls sollte das erfasste Bild in der Signalverarbeitungsstufe gedreht werden. dass die Streuung von 532 nm-Anregungslicht PT Hinweis durch das Rohr erzeugt auch eine Winkelstreuungsmuster auf dem Detektor. Somit kann ein Langpassfilter benötigt, um die 532-nm-Licht zu blockieren. Größere Bildsensor erfasst mehr Winkel periodischen Mustern. Fourier-Transformation des Winkelmuster somit höhere Signal an der entsprechenden Raumfrequenz erzeugen würde, die mit einer höheren Genauigkeit Phasenmessung ermöglicht. Darüber hinaus würde eine höhere Bildrate führen typischerweise in einem PT-AS-Messung mit einem verbesserten SNR, da es mehr Abtastung der zeitlichen Phasenschwankung ermöglicht. Daher ist die Verwendung eines großen Hochgeschwindigkeits-Bildsensor mit einer hohen Pixel dichte vorteilhaft. Einige Bemerkungen sollten auch auf die Messzeit und PT Modulationsfrequenz gemacht werden. Wie in Kim et al. 12 bezieht sich der PT-AS - Signal auf der Größe der Fourier - Transformation der Phasenschwankungen des Winkelstreuungsmuster an der PT Modulationsfrequenz gemessen transformieren. Das Rauschen wird definiert als die Spitzenamplitude des Fourier der Phasenmessung vor PT Anregungs 12 transformieren. Der SNR des PT-AS-Signal wird durch Dividieren der Größe des PT-AS-Signal durch das Rauschen beurteilt. Eine längere Messzeit ergibt typischerweise Messungen mit einem höheren SNR, sondern erhöht die Gesamt [Hb] Testzeit. Die Messzeit wurde eingestellt 5 sec zu sein, ein SNR von mehr als 3 auch für Blutproben von [Hb] &lt;1 g / dl zu erreichen. Die optimale PT Modulationsfrequenz kann durch Untersuchen des SNR des PT-AS-Sensor als eine Funktion der Modulationsfrequenz PT gefunden werden. Die optimale Modulationsfrequenz für die repsentativen Ergebnisse wurde festgestellt, 2 Hz sein. Betrieb mit einer PT Modulationsfrequenz weniger als 2 Hz nicht produzieren ein hohes SNR aufgrund niederfrequente Rauschen wie übermäßige Bewegung des optischen Zerhacker und Vibration. In dieser Demonstration wurde der PT-AS-Sensor in einer Benchtop-Konfiguration zeigte eine kommerzielle Laserpointer und Webcam. Der optische Aufbau ist einfach, und da keine Chemikalien beteiligt sind, sind die Messverfahren einfach. Auf der anderen Seite sollte betont werden, dass der Sensor möglicherweise in einem kompakten Handgerät verpackt werden kann. Die Lichtquellen für Sonde und PT Anregung kann durch Low-Cost-Laserdioden oder Leuchtdioden ersetzt werden. Ein miniaturisiertes komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Bildsensor mit einem in die Rechenleistung kann auch als Detektor verwendet werden. eine neue tragbare, chemiefreie und kostengünstige Plattform für [Hb] Test würde diese Komponenten in einem kleinen Formfaktor Integration erzeugen. ichn Zusätzlich zu [Hb] Assay, das Detektionsprinzip des PT-AS Sensor kann auf die Erfassung verschiedener Biomarker und Chemikalien erweitert werden, die PT-Antworten zeigen. Beispielsweise PT - Assay von Organophosphaten und Pestiziden wurde auch 19 gezeigt wurde, und mit dem PT-AS Schema leicht realisiert werden kann.

Ein Bluttest wird häufig durchgeführt, insgesamt die menschliche Gesundheit zu bewerten und Biomarkern zur Erkennung bestimmter Krankheiten im Zusammenhang. Zum Beispiel dient die Cholesterinkonzentration im Blut als Kriterium für Hyperlipidämie, die in engem Zusammenhang mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Pankreatitis zusammenhängt. Die Blutzucker Inhalte sollten häufig gemessen werden, da die Glucosespiegel mit Komplikationen wie diabetischer Ketoazidose und hyperglycemic hyperosmolar Syndrom assoziiert ist. Schwere Erkrankungen wie Malaria, Human Immunodeficiency Virus und Acquired Immune Deficiency Syndrome werden durch Blutuntersuchungen diagnostiziert, und die Quantifizierung von Blutkomponenten, einschließlich Erythrozyten, Thrombozyten und Leukozyten ermöglicht Screening von Bauchspeicheldrüsen- und Nierenerkrankungen. Hämoglobin (Hb), eine kritische Komponente von Blut, macht etwa 96% der Erythrozyten auf, und transportiert Sauerstoff an menschlichen Organen. Wesentliche Veränderung seiner Massenkonzentration ([Hb]) kann mir zeigentabolic Veränderungen, Leber - Gallen - Erkrankungen und neurologischen, Herz - Kreislauf- und endokrinologischen Störungen 1. [Hb] wird deshalb routinemäßig bei Bluttests gemessen. Insbesondere anämischen Patienten, Dialysepatienten und schwangere Frauen sind stark zu überwachen [Hb] als eine wichtige Aufgabe 2 empfohlen. Verschiedene [Hb] Nachweisverfahren so entwickelt worden. Das Hämoglobin Cyanid - Verfahren, eines der am häufigsten verwendeten Techniken für die [Hb] Quantifizierung verwendet Kaliumcyanid (KCN) 3 , um die Lipid - Doppelschicht von Erythrozyten zu zerstören. Das Cyanid Hämoglobin durch die chemische weist eine hohe Absorption im Bereich von 540 nm erzeugt; Somit [Hb] Messungen können über kolorimetrische Analyse durchgeführt werden. Dieses Verfahren wird weithin aufgrund seiner Einfachheit verwendet, aber die verwendeten Chemikalien (zB KCN und Dimethyllaurylamin oxide) sind toxisch für den Menschen und die Umwelt. Der Hämatokrit Regelung misst die Volumenverhältnis der roten Blutkörperchen im Vergleich zur Gesamtblut volume durch zentrifugale Trennung; jedoch erfordert sie einen relativ großen Blutvolumen (50-100 ul) 4. Spektrophotometrie Methoden Maßnahme [Hb] genau ohne Einsatz von Chemikalien, sondern Messungen bei mehreren Wellenlängen und einem großen Blutvolumen werden 5,6 erforderlich. In ähnlicher Weise mehrere optische Verfahren zur Messung von [Hb] wurden einschließlich der Nachweismethoden auf Basis von Lichtstreuung vorgeschlagen, aber ihre Messgenauigkeit hängt stark von der Genauigkeit der theoretischen Blutmodell. Um diese Einschränkungen zu überwinden, [Hb] Nachweisverfahren basierend auf dem Lichtwärmeumsetzmaterial (PT) Wirkung von Hb wurden kürzlich 7 vorgeschlagen. Hb, die hauptsächlich aus Eisenoxiden besteht, absorbiert bei 532 nm Licht und wandelt die Lichtenergie in Wärme 8-10. Diese PT Temperaturerhöhung kann optisch erfasst werden, indem eine Änderung des Brechungsindex (RI) von Blutproben zu messen. Yim et al. Arbeitnehmer spektral-Domäne optische Kohärenz reflectometry den PT optischen Pfad-Längenänderung in einem Blut enthaltenden Kammer 11 zu messen. Obwohl das Verfahren chemikalienfreie und direkte [Hb] Messung ermöglicht, kann die Verwendung eines Spektrometers und eine interferometrische Anordnung ihrer Miniaturisierung behindert. Wir stellten kürzlich eine alternative [Hb] Erfassungsverfahren, bezeichnet als photothermische Winkellichtstreuung (PT-AS) Sensor, der für die Miniaturisierung und 12 besser geeignet ist. Der PT-AS-Sensor nutzt die hohe RI Empfindlichkeit des Rückstreu Interferometrie (BSI) PT Änderungen in der RI einer Blutprobe in ein Kapillarrohr zu messen. BSI wurden verwendet RI verschiedener Lösungen zu messen 13-15 und biochemische Wechselwirkungen in freier Lösung 16 zu überwachen. Der PT-AS Sensor verwendet ähnliche optische Anordnung, wie sie in BSI, sondern verbindet Setup Lichtwärmeumsetzmaterial Anregung PT Anstieg von RI in Blutproben zu messen. Arbeitsweise des BSI und der PT-AS-Sensoren werden an anderer Stelle ausführlich beschrieben <sup&gt; 12,15. PT-AS Sensor nachgewiesen hoher Empfindlichkeit [Hb] Messung über einen weiten Erfassungsbereich (0,35 bis 17,9 g / dl) und ist in der Lage mit Probenvolumina von &lt;100 nl Betrieb. Kein Vorkonditionierung der Blutprobe erforderlich ist, und die Messzeit beträgt nur ca. 5 sec. Hier ist der Versuchsaufbau und ein detailliertes Messprotokoll beschrieben. Representative PT-AS Ergebnisse werden unter Verwendung von Blutproben von anämischen Patienten zur Verfügung gestellt, und die Ergebnisse werden verglichen, die aus einem Hämatologie-Analysator die Genauigkeit des PT-AS-Sensor zu bewerten.

<table><tbody><tr><td>650 nm laser pointer</td><td>LASMAC</td><td>LED-1</td><td>Probe light</td></tr><tr><td>Hollow round glass capillaries</td><td>VitroCom</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>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 &amp;amp; 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

Photothermischen Winkellichtstreuung (PT-AS) ist ein neues optisches Verfahren zur Messung der Hämoglobinkonzentration ([Hb]) von Blutproben. Auf der Basis der intrinsischen Lichtwärmeumsetzmaterial Reaktion von Hämoglobin-Molekülen ermöglicht der Sensor mit hoher Empfindlichkeit, chemikalienfreie Messung von [Hb]. [Hb] Erfassungsfähigkeit mit einem Grenzwert von 0,12 g / dl über den Bereich von 0,35 bis 17,9 g / dl zuvor nachgewiesen wurde. Das Verfahren kann leicht unter Verwendung von preiswerten elektronischen Geräten wie beispielsweise ein Laser-Pointer und eine Webcam implementiert werden. Die Verwendung einer Mikro Kapillarrohr als Blutbehälter ermöglicht auch die Hämoglobin-Assay mit einem Nanoliter-Maßstab Blutvolumen und niedrigen Betriebskosten. Hier detaillierte Anweisungen für den PT-AS optischen Aufbau und Signalverarbeitungsverfahren werden vorgestellt. Experimentelle Protokolle und repräsentative Ergebnisse für Blutproben in anämischen Zuständen ([Hb] = 5,3, 7,5 und 9,9 g / dl) sind ebenfalls vorgesehen, und die Messungen werden mit denen verglichen froma Hämatologieanalysator. Seine Einfachheit in der Implementierung und Betrieb sollte ihre breite Akzeptanz in der klinischen Laboratorien und mit beschränkten Ressourcen ermöglichen.

Ein Hämoglobin-Assay wurde unter Verwendung des PT-Sensors AS durchgeführt und seine Messungen wurden mit denen von einem Hämatologie-Analysator verglichen. Das Experiment wurde mit einer PT Anregungslichtintensität von 1,4 W / cm 2, PT Modulationsfrequenz von 2 Hz und Messzeit von 5 sec durchgeführt. Tabelle 1 faßt die experimentellen Bedingungen. Die Strahlgrößen der Sonde und PT Anregungslicht waren 5,5 und 2 mm. Die Webcam aufgezeichnet, die Bilder mit einer Bildrate von 30 fps. Für die Messung wurden anämisch Blutproben mit drei verschiedenen Hb-Konzentrationen eingesetzt. Vor den PT-AS-Messungen, die [Hb] Werte der Proben wurden zuerst gemessen als 5,3, 7,5 und 9,9 g / dl durch das Hämatologie-Analysator. 3 (a) zeigt repräsentative Zeitraffer-Phasenfluktuationen der Winkelstreuung Muster unter dem modulierten PT Lichtbeleuchtung. thInformationen wurde berechnet, indem die Fourier-Transformation des Winkelstreumuster verwandeln erhalten und die zeitliche Phasenfluktuationen an der Spitze Raumfrequenz zu messen. Beachten Sie, dass Blutproben mit einem höheren [Hb] weisen größere Phasenverschiebungen. Die entsprechenden PT-AS-Signale wurden ausgewertet und umgewandelt in [Hb] Werte. Elf Messungen wurden für jede Probe durchgeführt und der Mittelwert [Hb] Werte gefunden wurden 5,46, 7,23 und 9,85 g / dl bzw. zu sein. Die Ergebnisse stimmten gut mit denen der Hämatologie - Analysegerät erhalten mit [3 (b)]. Die [Hb] Messgenauigkeit des PT-AS-Sensor wurde auf &lt;0,89 g / dl gefunden. Diese Schwankung kann teilweise sein, einen Anteil von durch die Anzahl Schwankung von Erythrozyten in dem Prüfvolumen und den Intensitätsschwankungen der Lichtquellen verwendet. Tabelle 2 zeigt einen detaillierten Vergleich der PT-AS Messungen gegen die aus dem Hämatologieanalysator. &gt; <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55006/55006fig1.jpg" /> Abbildung 1: Schematische Darstellung des PT-AS - Sensor. 650-nm Sondenlicht von einem Laserzeiger auf eine Blutbelasteten Kapillarrohr geleitet. Das Licht wird dann durch das Blut enthaltende Rohr verstreut, ein periodisches Muster auf einer Webcam erzeugen. Bei Beleuchtung mit 532-nm-Licht, bei der Hb-Moleküle eine hohe Absorption aufweisen, absorbieren Hb-Moleküle die Lichtenergie auf und wandeln sie in Wärme um. Die sich ergebende Temperaturanstieg ändert den RI des Blutes. Weil die Winkel periodisches Muster mit der RI und der physikalischen Größe des Rohres variiert, [Hb] im Blut wird durch Messen dieses PT Verschiebung der Winkel periodisches Muster quantifiziert. Ein optischer Zerhacker verwendet wird, [Hb] Messung mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Ein Low-Cost-Kunststoff-Langpassfilter befindet sich direkt vor der Webcam befindet sich nur die Sonde Licht zu detektieren.k &quot;&gt; Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55006/55006fig2.jpg" /> Abbildung 2: PT-AS Signalverarbeitungsverfahren. (A) Repräsentative Webcam - Bilder mit PT Anregungslicht ein und aus. Die Winkelstreumuster verschiebt sich aufgrund der PT Reaktion von Hb-Molekülen. (B) Jedes Bild wird entlang der vertikalen (y) Richtung gemittelt , um den gemittelten Muster zu erhalten. (C) Vertreter gemittelt periodische Muster mit PT Anregung auf und ab. (D) Das gemittelte periodisches Muster wird dann Fourier transformiert, und die Phase bei der Spitzenortsfrequenz als Funktion der Zeit untersucht. Unter der PT Lichtbeleuchtung moduliert wird, schwankt die Phase des periodischen Musters bei der Modulationsfrequenz. (E) Die gemessene Phase Grippectuation ist fouriertransformiert, und ihre Größe bei der Modulationsfrequenz ausgewertet, bezeichnet als das PT-AS-Signal umgewandelt wird in [Hb]. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55006/55006fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55006/55006fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55006/55006fig3.jpg" /> Abbildung 3: PT-AS Messung von anämischen Blutproben. (A) Repräsentative Phasenschwankungen der Winkelstreuungsmuster gemessen für drei Blutproben in anämischen Zuständen ([Hb] = 5,3, 7,5 und 9,9 g / dl). Die Blutproben mit höheren [Hb] Werte erzeugen größere Phasenvariationen. (B) Vergleich von [Hb] Werte gemessen unter Verwendung des PT-Sensors AS mit den aus der Referenz Hämatologieanalysator. Elf PT-AS Messungen wurden für jede Probe durchgeführt. Die erroder Bar bezeichnet die Standardabweichung. <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55006/55006fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/55006/55006fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td colspan="2"> Experimentelle Bedingungen </td></tr><tr><td> PT Modulationsfrequenz </td><td> 2 Hz </td></tr><tr><td> PT Lichtintensität </td><td> 1,4 W / cm² </td></tr><tr><td> PT Strahlgröße </td><td> 5 mm </td></tr><tr><td> Sondenstrahlgröße </td><td> 2 mm </td></tr><tr><td> Messzeit </td><td> 5 Sek </td></tr><tr><td> Rahmenerfassungsrate </td><td> 30 fps </td></tr></tbody></table> Tabelle 1: Experimental Bedingungen. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td rowspan="2"> Hämatologie - Analysator (g / dl) </td><td colspan="2"> PT-AS - Sensor </td></tr><tr><td> Mittelwert (g / dl) </td><td> SD (g / dl) </td></tr><tr><td> 5.3 </td><td> 5,46 </td><td> 0,72 </td></tr><tr><td> 7.5 </td><td> 7,23 </td><td> 0,89 </td></tr><tr><td> 9.9 </td><td> 9.85 </td><td> 0,84 </td></tr></tbody></table> Tabelle 2: Vergleich von [Hb] Messungen durch den PT-Sensor AS mit den vom Hämatologie - Analysator.

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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.

Eine schnelle und Chemiefreie Hämoglobin-Assay mit Photothermische Winkellichtstreuung

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

a-rapid-chemical-free-hemoglobin-assay-with-photothermal-angular

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.7K Aufrufe.  Yonsei University. 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.

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

Staphylococcus aureus Growth using Human Hemoglobin as an Iron Source

S. aureus is a pathogenic bacterium that requires iron to carry out vital metabolic functions and cause disease. The most abundant reservoir of iron inside the human host is heme, which is the cofactor of hemoglobin. To acquire iron from hemoglobin, S. aureus utilizes an elaborate system known as the iron-regulated surface determinant (Isd) system1. Components of the Isd system first bind host hemoglobin, then extract and import heme, and finally liberate iron from heme in the bacterial cytoplasm2,3. This pathway has been dissected through numerous in vitro studies4-9. Further, the contribution of the Isd system to infection has been repeatedly demonstrated in mouse models8,10-14. Establishing the contribution of the Isd system to hemoglobin-derived iron acquisition and growth has proven to be more challenging. Growth assays using hemoglobin as a sole iron source are complicated by the instability of commercially available hemoglobin, contaminating free iron in the growth medium, and toxicity associated with iron chelators. Here we present a method that overcomes these limitations. High quality hemoglobin is prepared from fresh blood and is stored in liquid nitrogen. Purified hemoglobin is supplemented into iron-deplete medium mimicking the iron-poor environment encountered by pathogens inside the vertebrate host. By starving S. aureus of free iron and supplementing with a minimally manipulated form of hemoglobin we induce growth in a manner that is entirely dependent on the ability to bind hemoglobin, extract heme, pass heme through the bacterial cell envelope and degrade heme in the cytoplasm. This assay will be useful for researchers seeking to elucidate the mechanisms of hemoglobin-/heme-derived iron acquisition in S. aureus and possibly other bacterial pathogens.

Staphylococcus aureus Growth using Human Hemoglobin as an Iron Source

Here we describe a growth assay for Staphylococcus aureus using hemoglobin as the sole source of available nutrient iron. This assay establishes the role of bacterial factors involved in hemoglobin-derived iron acquisition.

Staphylococcus aureus Wachstum mit menschlichen Hämoglobins als Eisenquelle

S. aureus is a pathogenic bacterium that requires iron to  carry out vital metabolic functions and cause disease. The most abundant  reservoir of iron ...

Forschung

Immunologie und Infektion

Antigens Protected Functional Red Blood Cells By The Membrane Grafting Of Compact Hyperbranched Polyglycerols

Red blood cell (RBC) transfusion is vital for the treatment of a number of acute and chronic medical problems such as thalassemia major and sickle cell anemia 1-3. Due to the presence of multitude of antigens on the RBC surface (~308 known antigens 4), patients in the chronic blood transfusion therapy develop alloantibodies due to the miss match of minor antigens on transfused RBCs 4, 5. Grafting of hydrophilic polymers such as polyethylene glycol (PEG) and hyperbranched polyglycerol (HPG) forms an exclusion layer on RBC membrane that prevents the interaction of antibodies with surface antigens without affecting the passage of small molecules such as oxygen ,glucose, and ions3. At present no method is available for the generation of universal red blood donor cells in part because of the daunting challenge presented by the presence of large number of antigens (protein and carbohydrate based) on the RBC surface and the development of such methods will significantly improve transfusion safety, and dramatically improve the availability and use of RBCs. In this report, the experiments that are used to develop antigen protected functional RBCs by the membrane grafting of HPG and their characterization are presented. HPGs are highly biocompatible compact polymers 6, 7, and are expected to be located within the cell glycocalyx that surrounds the lipid membrane 8, 9 and mask RBC surface antigens10, 11.

The cell membrane modification of red blood cells (RBCs) with hyperbranched polyglycerol (HPG) is presented. Modified RBCs were characterized by aqueous two phase partitioning, osmotic fragility and complement mediated lysis. The camouflage of surface proteins and antigens was evaluated using the flow cytometry and Micro Typing System (MTS) blood phenotyping cards.

Antigene geschützten funktionellen Red Blood Cells durch die Membran Pfropfung von Compact hyperverzweigten Polyglycerinen

Red blood cell (RBC) transfusion is vital for the treatment of a number of acute and chronic medical problems such as thalassemia major and sickle cell ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient's cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.

We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.

Magnetic Levitation Gekoppelt mit tragbaren Imaging und Analyse für Krankheitsdiagnostik

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Biotechnik

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional multispectral diffuse reflectance imaging system. This system is constructed from a broadband white light source, a motorized filter wheel with a set of narrowband interference filters, a light guide, a collecting lens, a video zoom lens, and a monochromatic charged-coupled device (CCD) camera. An ellipsoidal cranial window is made in the skull bone of a rat under isoflurane anesthesia to capture in vivo multispectral diffuse reflectance images of the cortical surface. Regulation of the fraction of inspired oxygen using a gas mixture device enables the induction of different respiratory states such as normoxia, hyperoxia, and anoxia. A Monte Carlo simulation-based multiple regression analysis for the measured multispectral diffuse reflectance images at nine wavelengths (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, and 760 nm) is then performed to visualize the two-dimensional maps of hemodynamics and the light scattering properties of the in vivo rat brain.

Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional multispectral diffuse reflectance imaging system.

Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der<em&gt; In Vivo</em&gt; Rattenhirn Mit Multispektral Diffuse Reflectance Imaging

The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional ...

Neurowissenschaften

A Precision Medicine Tool for Measurement and Monitoring of Hemoglobin S in Sickle Cell Disease Patients Receiving Transfusion Therapy

Sickle cell disease (SCD) causes many severe health complications, including anemia, stroke, and acute chest syndrome. Red blood cell transfusion is the most commonly used therapy to treat or prevent these devastating complications. Other therapies include hydroxyurea therapy as well as bone marrow transplantation. Chronic intermittent transfusion is especially indicated to prevent recurrent strokes. However, transfusion therapy is associated with significant adverse effects (e.g., alloimmunization and iron overload). The point-of-care (POC) lateral flow immunoassay used here quantifies the %HbS in 15 min using a small patient blood sample. Utilizing this information, the healthcare provider is able to adjust blood transfusion volume for SCD patients to achieve the desired target HbS (most often &#60;30%), while reducing the risk of transfusion-related complications. When compared to laboratory hemoglobin electrophoresis data for 38 whole blood samples, the POC test performed with very high correlation and linear fit (slope = 0.9949, R2 = 0.9751). The strong agreement between the two hemoglobin S percentage (%HbS) quantifying methods shows that 89.5% of samples fall within &#177;5.2% HbS bias. The calibration for quantifying %HbS is built into the device to allow for an automated quantification of %HbS. This time- and cost-effective POC test thus allows the healthcare provider to make timely informed decisions when treating SCD patients, using accurate and updated data.

We have developed a point-of-care immunoassay to rapidly quantify hemoglobin S (HbS) levels during transfusion therapy for sickle cell disease (SCD) patients. By applying a small amount of treated blood to the device, the healthcare provider can determine the %HbS in a SCD patient to immediately inform clinical decisions.

Sickle cell disease (SCD) causes many severe health complications, including anemia, stroke, and acute chest syndrome. Red blood cell transfusion is the ...

Medizin

<meta charset="utf8"></head><body>Optimierung der VIS-SWIR-Spektroskopie für biologische Moleküle

Characterization of Biological Absorption Spectra Spanning the Visible to the Short-Wave Infrared

For noninvasive light-based physiological monitoring, optimal wavelengths of individual tissue components can be identified using absorption spectroscopy. However, because of the lack of sensitivity of hardware at longer wavelengths, absorption spectroscopy has typically been applied for wavelengths in the visible (VIS) and near-infrared (NIR) range from 400 to 1,000 nm. Hardware advancements in the short-wave infrared (SWIR) range have enabled investigators to explore wavelengths in the ~1,000 nm to 3,000 nm range in which fall characteristic absorption peaks for lipid, protein, and water. These molecules are difficult to visualize in the VIS-NIR and can provide label-free sources of biological contrast. Furthermore, lower SWIR absorption has been observed for melanin, the primary chromophore responsible for skin pigmentation. In vivo&#160;optical devices like clinically standard pulse oximeters have been found to have reduced accuracy in people with darkly pigmented skin, possibly because of the stronger melanin absorption in the VIS range. Thus, error associated with skin pigmentation could be reduced by using devices operating in the SWIR. Optical instrument design is facilitated by the understanding of the absorption properties of core tissue components from the VIS to the SWIR range. This article describes protocols and instrumentation for obtaining VIS-SWIR absorption spectra of common tissue absorbers: oxygenated hemoglobin, deoxygenated hemoglobin, melanin, water, and lipid.

<meta charset="utf8"></head><body>Charakterisierung biologischer Absorptionsspektren vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot

Biological samples have distinct optical characteristics in the short-wave infrared (SWIR) compared to the visible (VIS) and near-infrared (NIR) wavelength ranges. However, recording pure SWIR absorption spectra is challenging and rarely conducted for biological molecules. This article presents a method to characterize the VIS-SWIR absorption spectra of biological absorbers.

Charakterisierung biologischer Absorptionsspektren vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot

For noninvasive light-based physiological monitoring, optimal wavelengths of individual tissue components can be identified using absorption spectroscopy. ...

An In Vitro Hemodynamic Loop Model to Investigate the Hemocytocompatibility and Host Cell Activation of Vascular Medical Devices

In this study, the hemocompatibility of tubes with an inner diameter of 5 mm made of polyvinyl chloride (PVC) and coated with different bioactive conjugates was compared to uncoated PVC tubes, latex tubes, and a stent for intravascular application that was placed inside the PVC tubes. Evaluation of hemocompatibility was done using an in vitro hemodynamic loop model that is recommended by the ISO standard 10993-4. The tubes were cut into segments of identical length and closed to form loops avoiding any gap at the splice, then filled with human blood and rotated in a water bath at 37 &#176;C for 3 hours. Thereafter, the blood inside the tubes was collected for the analysis of whole blood cell count, hemolysis (free plasma hemoglobin), complement system (sC5b-9), coagulation system (fibrinopeptide A), and leukocyte activation (polymorphonuclear elastase, tumor necrosis factor and interleukin-6). Host cell activation was determined for platelet activation, leukocyte integrin status and monocyte platelet aggregates using flow cytometry. The effect of inaccurate loop closure was examined with x-ray microtomography and scanning electron microscopy, that showed thrombus formation at the splice. Latex tubes showed the strongest activation of both plasma and cellular components of the blood, indicating a poor hemocompatibility, followed by the stent group and uncoated PVC tubes. The coated PVC tubes did not show a significant decrease in platelet activation status, but showed an increased in complement and coagulation cascade compared to uncoated PVC tubes. The loop model itself did not lead to the activation of cells or soluble factors, and the hemolysis level was low. Therefore, the presented in vitro hemodynamic loop model avoids excessive activation of blood components by mechanical forces and serves as a method to investigate in vitro interactions between donor blood and vascular medical devices.

Presented here is a protocol for a standardized in vitro hemodynamic loop model. This model allows to test the hemocompatibility of perfusion tubes or vascular stents to be in accordance with ISO (International Organization for Standardization) standard 10993-4.

Ein In-Vitro-Hämodynamik-Loop-Modell zur Untersuchung der Hämozytokompatibilität und Der hostcell-Aktivierung von Gefäßmedizingeräten

In this study, the hemocompatibility of tubes with an inner diameter of 5 mm made of polyvinyl chloride (PVC) and coated with different bioactive ...

Measurement of Tissue Non-Heme Iron Content using a Bathophenanthroline-Based Colorimetric Assay

Iron is an essential micronutrient. Both iron overload and deficiency are highly detrimental to humans, and tissue iron levels are finely regulated. The use of experimental animal models of iron overload or deficiency has been instrumental to advance knowledge of the mechanisms involved in the systemic and cellular regulation of iron homeostasis. The measurement of total iron levels in animal tissues is commonly performed with atomic absorption spectroscopy or with a colorimetric assay based on the reaction of non-heme iron with a bathophenanthroline reagent. For many years, the colorimetric assay has been used for the measurement of the non-heme iron content in a wide range of animal tissues. Unlike atomic absorption spectroscopy, it excludes the contribution of heme iron derived from hemoglobin contained in red blood cells. Moreover, it does not require sophisticated analytical skills or highly expensive equipment, and can thus be easily implemented in most laboratories. Finally, the colorimetric assay can be either cuvette-based or adapted to a microplate format, allowing higher sample throughput. The present work provides a well-established protocol that is suited for the detection of alterations in tissue iron levels in a variety of experimental animal models of iron overload or iron deficiency.

Here, a protocol for the measurement of the non-heme iron content in animal tissues is provided, using a simple, well-established colorimetric assay that can be easily implemented in most laboratories.

Messung des Gewebe-Nicht-Häm-Eisengehalts mit einem Bathophenanthrolin-basierten kolorimetrischen Assay

Iron is an essential micronutrient. Both iron overload and deficiency are highly detrimental to humans, and tissue iron levels are finely regulated. The ...

Eine schnelle und Chemiefreie Hämoglobin-Assay mit Photothermische Winkellichtstreuung

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Staphylococcus aureus Wachstum mit menschlichen Hämoglobins als Eisenquelle

Antigene geschützten funktionellen Red Blood Cells durch die Membran Pfropfung von Compact hyperverzweigten Polyglycerinen

Magnetic Levitation Gekoppelt mit tragbaren Imaging und Analyse für Krankheitsdiagnostik

Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der

A Precision Medicine Tool for Measurement and Monitoring of Hemoglobin S in Sickle Cell Disease Patients Receiving Transfusion Therapy

Charakterisierung biologischer Absorptionsspektren vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot

Charakterisierung biologischer Absorptionsspektren vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot

Charakterisierung biologischer Absorptionsspektren vom sichtbaren bis zum kurzwelligen Infrarot

Ein In-Vitro-Hämodynamik-Loop-Modell zur Untersuchung der Hämozytokompatibilität und Der hostcell-Aktivierung von Gefäßmedizingeräten

Messung des Gewebe-Nicht-Häm-Eisengehalts mit einem Bathophenanthrolin-basierten kolorimetrischen Assay