光学血糖检测生物体液

《光学血糖检测生物体液》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学血糖检测生物体液（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、生物医学光学 5（1） ，5-16（2000 年 1 月）光学血糖检测生物体液：概述罗杰 J. McNichols* 杰拉德属科特“ 生物医学工程计划 得克萨斯州 AM 大学 学院站，得克萨斯州 77843-3120抽象的。最近在光电子技术进步尝试 LED 在光学葡萄糖传感利益回潮和走向光 学葡萄糖的发展实际进展传感器。这种传感器有可能显着提高估计有 16 万在 这个国家的糖尿病患者的生活质量使日常血糖测量更方便。目前 100 多个小企 业和大学合作开发无创或微创血糖检测技术，光学方法在这些努力中发挥很大 的作用。本文评论许多光学葡萄糖传感的最新进展，包括光吸收光谱仪，旋光 法，拉曼光谱，和荧

2、光的葡萄糖感应。此外检讨校准和数据处理方法有用的光 学技术。 2000 光光学仪器工程师协会S1083-3668（00）01401-5。 关键词：葡萄糖的检测，旋光拉曼光谱，红外吸收，荧光 纸 JBO-90007，1999 年 1 月 25 日，8 月 3 日收到修改稿，1999 年出版， 1999 年 11 月 16 日接受。1 引言它已成为绝大多数明确的，频繁 的监测严格控制血糖水平是必要的， 有效的管理糖尿病和减 少患有这种 疾病的并发症。1,2疼痛和与目前的 “手指沾”的方法，为相关的麻烦血 糖降低患者依从性和故障控制血糖水 平的监测结果。因此，发展一个方便 的无创性血糖显示器有潜力显

3、著减少 与糖尿病相关的病态性和死亡率。3-9 这种传感器的发展也将允许自动细胞 培过程的闭环控制，这可能导致更有 效率和可重复性的细胞和组织的生长， 10,11这种传感器将上线的过程控制在农业产业化。12,13 近日，重新产生了兴趣，有的显著 对非侵入性光学葡萄糖传感的研究进 展来的部分原因，以前所未有的可用 性新技术。光通信的扩散系统推动了 光电子产业生产便宜可靠的光源，探测器，和成像系统，和强大的计算机 的可用性能极其复杂和强大的数据分 析应用技术。 光血糖测量技术特别有吸引力有以 下几个原因：他们利用非电离辐射， 询问样品，他们不一般需要消耗试剂， 和他们快。在这篇文章中，理论思考 和四

4、个光学葡萄糖传感舞台最近的进 展，我们会检讨包括：近红外和红外 光谱，拉曼光谱，旋光度，和荧光光 谱。虽然光学方法葡萄糖传感有吸引 力，他们往往缺乏敏感性和/或特异性 的困扰，因为在光学测量的变化取决 于诸多因素除了血糖浓度的变化。隔 离这些变化由于葡萄糖单独，并用它 们来预测血糖浓度本身是一个重大的 挑战，所有光学葡萄糖传感方法，并 在一定程度上依赖于解决所谓“校准 问题。为此，本文还将讨论校正光学 血糖测量和先进的数学技术已在受雇 攻击这一关。最后，不久的将来，光 血糖监测的结论，将会得出。2 糖尿病的审查糖尿病是一种慢性全身性疾病，其 中身体或者未能出示，或未能作出回 应的葡萄糖监管荷尔

5、蒙胰岛素。胰岛 素是为了在需要细胞从血液中的葡萄 糖，在糖尿病患者中，在胰岛素信号 的缺陷可能会引起在大的波动除非有 适当的管理技术的血糖水平受聘。据 目前估计有 16 万人在世界各地的美国和 100 万人遭受一种疾病，糖尿病， 为目前无药可治存在。14受害的人， 有什么是约 5被称为型 I 型糖尿病， 胰岛素依赖型糖尿病胰岛素依赖型 糖尿病或青少年发病型糖尿病。15 I 型糖尿病是一种自身免疫性疾病，在 人体自身的防御系统打开反对和破坏 组织，特别是生产胰岛素胰腺中的胰 岛 B 细胞。结果是一个最终无法产生 胰岛素。虽然不是很好理解，它被认为，遗传和病毒因素在这 个过程中可能发挥的作用。15

6、其余 95的糖尿病患者患 II 型糖尿病，非 胰岛素依赖型糖尿病非胰岛素依赖 型糖尿病！，或成人发病型糖尿病。 II 型糖尿病患者产生胰岛素，但由于 某种原因，他们的细胞机构不应对得 当激素，不采取适当的血糖。这两种 类型的 I 和 II 型糖尿病可诊断异常后， 富含碳水化合物的膳食，通过测量血 糖水平高。与糖尿病相关的辅助主机合谋的疾 病之一的并发症在美国的主要杀手。 时因糖尿病而急性效应血糖水平太高 高血糖！或低血糖！太低。在高 血糖，因为身体无法利用葡萄糖作为 能量，脂肪或蛋白质代谢为能量。这些物质的代谢酮体生产的结果，这是 有毒的足够高的水平，并可能导致酮 症酸中毒，昏迷，甚至死亡。在

7、低血 糖发作，身体感觉薄弱，因为没有能 量来源，休克甚至昏迷和死亡的可能 结果。糖尿病慢性并发症是不能很好 地理解，但似乎从长期的高血糖相关 的干患有该疾病。对循环系统和其血 管可造成损害的器官和组织身体。疾 病的长期并发症包括孩子滋肾病，心 脏病，失明，神经损伤，和坏疽。这 些影响不仅限于两种类型 I 或 II 糖尿 病，根据国家卫生研究院，相关的健 康保健费用，在 1995 年估计的 137 亿美元的来源。14表 1 总结了这两种 类型的 I 和 II 型糖尿病的管理和效果。 糖尿病治疗的目标是接近 24 小时一个正常的人血液中的葡萄糖周期。完 成这一目标需要经常监测血糖和治疗， 血糖水平

8、的集约化经营无论饮食，药 物，或注射胰岛素。目前，只监测血 糖的方法要求通过“手指沾收购一个 小的血液样本。这种方法不方便，混 乱，痛苦，并进行了风险感染，因此 患者的依从性往往是低，继发性并发 症的糖尿病患者往往允许进展。这个 问题的一个解决方案是一个发展无创 无痛，方便的光学血糖监测这将使血 液快速和频繁的措施血糖水平。许多 建议的技术依靠秒次级指标，如间质 液血糖葡萄糖，或房水的葡萄糖水平。 开发这些设备的进一步复杂化，不仅 时间滞后，但疾病本身的生理机能。 而二级葡萄糖措施，可能会或可能不 会很好的相关性血液正常人的血糖水平，他们可能特别糖尿病患者的问题。 血糖正常的故障传输机制，并在

9、周边 血管的变化有许多次要措施的问题， 特别是自渐进性疾病的手段，这种关 系可能会随时间的变化。鉴于此，重 要的是要确保一种非侵入性的葡萄糖 传感器与不正常的生理糖尿病患者， 以及在正常工作患者。 3 光吸收技术 光吸收的葡萄糖定量技术基于光的选 择性吸收的分子由 Beer - Lambert 定 律描述：在这里，I0是入射的光辐射的强度，I 是传输强度，E 是摩尔消光系数 (mol/L)-1(而且是依赖于波长)，C 是 摩尔浓度，L 是厘米光程。测量 光学血糖检测生物体液图 1 对葡萄糖的吸收光谱。 （一） 中红外地区从 1600 年到 900 厘米, 6.25 至 11 毫米，显示出吸收高

10、峰的 任务。 （二）近红外区域，范围从 2.0 到 2.5 毫米或 5000 至 4000 厘米。需 要注意的是三个吸光度的大小在近红 外区域的峰值要小得多。吸光度一般都在报道，这 样，几个物种的吸光度添加剂。光学 吸收光谱对葡萄糖的定量有根儿盟友 被限制或中红外（MIR）或近红外近 红外！光谱区域。图 1 显示的例子中 红外和近红外吸收光谱用于水性葡萄 糖后水减法。 MIR 地区的频谱范围从 2.5 至50mm4000-200cm-1，它是在本地区的吸收乐队由于拉伸和弯曲的基本 模式可以看出分子。出于这个原因， 在光谱和平号或“手指印”地区是非 常有用的光谱鉴定的化合物。然而， 数量级由于解

11、决方案的成分，如背景 吸收带水严重地限制了可用于路径长 度中红外透射光谱，以几百微米或少。在中红外区域透射光谱作为一种手段 量化葡萄糖已探索泽勒等。谁采用了 中红外分光光度仪和葡萄糖掺杂整个 在一个 25 毫米的硒化锌传输细胞的 血液来分析几个 8.5 和 9 毫米之间的葡萄糖峰（1175 年至 1110 年 cm-1） 16班达雷等人。调查 MIR 使用传输分光光度法测定磷酸盐缓冲液含有的解 决方案以葡萄糖和其他几个干涉元件 比较单峰校准，主要成效分量回归分 析，偏最小二乘回归锡安分析和人工 神经网络。8,17衰减到 TAL 反思(ATR)中 红外光谱技术在其中一个专门的晶体 是用来探测浅面

12、层层样本，也被建议 作为手段量化血糖和海泽已被查处等。 全血。18最后，OPTISCAN，公司报 告使用葡萄糖的 MIR 光谱测量 MIR 源自己身体的热辐射。19 在和平地区的近红外区域规范频谱， 从 700 至 2500 纳米(14000-4000 厘 米)，包含特定的信息很少。吸收峰在 这一地区由于谐基本吸收带的泛音振 动或组合丰达精神的吸收波段，主要 的 C - H 的 O - H 和 N - H 伸缩振动。 对于谐波振动，它通常只有第一，第 二和第三的色彩是可见，随着递减的 吸收峰的幅度大幅泛音为了。如前所 述，这些 AB -吸附乐队是广泛的，容 易受氢粘接和温度的影响，并展示大 量

13、重叠。尽管如此，该地区是有吸引 力的定量光谱是因为近红外光谱仪器 一应俱全减少吸收幅度允许使用的原 因 sonably 大的路径长度。理论的一 个很好的回顾和近红外光谱吸收带的分配中可以找到文献。 20 日和 21 最近文献。12 日和 22 日。 使用非常的无创性定量血糖近红外 区域700-1300纳米！最初所建议罗森 塔尔人提出使用通过指尖的近红外透 射光谱。3,23Robinson 等。结合近红 外在这部分相同的波长地区的光谱最 小二乘PLS！分析，并声称无创血 糖通过手指与 20 毫克/升的准确性预 测糖尿病患者。9最近，Danzer 等。 用漫在这一地区的反射光谱和表现出 预测误差为

14、 36 毫克/分升。24虽然具 体的葡萄糖谱峰是难以确定的，在这 个地区规范谱，尤其是在生理浓度， 但它仍然流行，因为相对便宜的光学 探测器和组件的研究人员可能会被使 用。在近红外区域位于 2.0 和 2.5mm 之间已成为越来越受欢迎的水葡萄糖 测量。这个区域包含在一个相对最低 水吸收光谱和容易识别的葡萄糖高峰 期的信息。该地区已利用 Haaland 等。 在试图量化在整个葡萄糖在体外血25马尔巴赫等。用漫反射人的嘴唇在试 图测量谷氨酸的光谱葡萄糖在体内。 26阿诺德等。已经证明，应用傅立叶滤波技术，从本地区的光谱数据的阳 离子有效量化水葡萄糖27-29和，数字滤波，也可用于纠正 近红外光谱

15、温度敏感性。30由于这个 初始兴趣，几组表现出温和的成功这 种量化在各种复杂的体外幻影，包括 盛田等人的葡萄糖水溶液浓度的光谱 区域。31使用的脂肪，蛋白质，和葡 萄糖藩汤姆斯，Chung 等。 32他用葡萄糖，谷氨酰胺的混合物，氨，乳酸，谷氨酸模拟细胞培养 ME - 直径，Mattu 等。33谁用牛幻象解决 方案本身血清白蛋白掺杂葡萄糖，麦 克沙恩等。34谁已经能够量化的葡萄 糖，乳酸，和氨获得成纤维细胞文化 的细胞培养基。每个这些研究人员利 用近红外光谱测量在 2.0-2.5 毫米谱 区 PLS 的多变量校正技术在这以后所描述的， 。近红外光谱测量提出的传 感网站指尖，9,23,24耳垂，

16、19舌头，19 唇，35和前臂。19,36 近红外光谱仪使用的葡萄糖感应是 由没有是指一个简单的问题。葡萄糖 的吸收峰大型水相比，幅度相对较小 背景光谱往往产量低信号噪声的测量。 近红外光谱测量进一步困扰缺乏可重 复性。近红外光谱敏感，主机包括温 度，P H 和散射的因素。此外，在体 内测量可能受到皮肤色素沉着的差异， 水化，血流量，头安置和探头的压力。 最后，应该指出的是对葡萄糖的近红 外光谱非常相似，其他糖37包括，尤其是果糖这是经常使用的糖尿病患者的葡萄糖替代。然而，尽管有这些困 难，近红外的方法已经证明显著的承 诺成为一个可行的无创血糖检测技术。4 旋光 葡萄糖极化量化的基础上的旋光色散ORD 现象！即在水溶液中的手性分子的平面旋转线偏振光通过解决方 案。这种旋转是由于在折射指数差异 大号和 感谢它们的左和右圆偏振 光通过通过溶液中的分子。它发生凭 借分子的手性或“霸道” ，我们平均 分子具有至少一个中心有关其镜像不 能叠加在本身。在这种随机取向的情 况下，溶液中的分子会导致在 N 中的 大批量差异大号和 N 解决方案，并 由