前言簡介

血液中葡萄糖含量的無損監(jiān)測，一直是醫(yī)療領域長久以來致力于實現(xiàn)的目標。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檢測手段，通過對目標分子“指紋”一般的光譜信息的識別，在化學分析尤其是生命科學分析的領域中發(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，人們已經可以成功觀察到皮下間質液中的葡萄糖分子;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行血糖無損檢測的方法也備受質疑。來自麻省理工學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注入右旋葡萄糖和胰島素的方式來調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，驗證了利用活體拉曼光譜進行無損血糖檢測的可行性。該工作被發(fā)表在學術雜志《Science Advances》上(Kang et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaay5206 24 January 2020)。

血糖拉曼檢測

在第一組實驗中，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驗的調控，葡萄糖的拉曼峰信號強度也會有正相關的變化，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 活體拉曼光譜實驗中的葡萄糖指紋峰以及其強度與濃度的線性關系;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峰的強度與其對應的濃度差的線性關系，R=0.95;C)用差譜得到的簡單線性關系進行葡萄糖濃度的前瞻性預測。

圖1A中展示了四條差譜，對應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。當葡萄糖濃度增加時，其對應的拉曼差譜中的峰強度也相應增加。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系。研究人員利用這種簡單的線性擬合，就可以進行的葡萄糖濃度的前瞻性預測。如圖1C所示，其預測結果R=0.95，平均絕對誤差為6.6%。

血糖濃度預測

上述的第一組實驗的結果非常令人振奮，但是對于實際可穿戴式的葡萄糖濃度檢測設備來說，多次測試取差譜的方式只能算是差強人意。為了單次采集測試就能夠預測葡萄糖濃度，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的葡萄糖濃度進行比較，也得到了類似上述第一組實驗的線性關系(圖2B)，并利用該線性模型進行了前瞻性預測，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系;A)四次葡萄糖鉗夾實驗中的拉曼光譜，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/脂類的拉曼峰;B)葡萄糖濃度與兩處峰面積之比的線性關系;C)用峰面積比得到的簡單線性關系進行葡萄糖濃度的前瞻性預測。

拉曼檢測系統(tǒng)

為了進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構設計，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)量的關系曲線。仿真結果顯示，在皮下真皮層深度范圍內，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，可以高質量地成像成譜。同時LS 785采用了f/2的大光圈高通量設計，最大程度收集入射的光信號。LS 785內置的光學元件專門為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，產生的拉曼信號由光纖束收集，經過f數(shù)匹配器之后進入LS 785光譜儀以及CCD相機。CCD相機持續(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活體拉曼實際佩戴于被麻醉的豬試體的照相圖片。

技術支持

BLAZE相機是一款由Teledyne Princeton Instruments 和 Teledyne e2v最新聯(lián)合研發(fā)的高速光譜型CCD相機，最快每秒可進行1650條光譜的拍攝。BLAZE相機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98%;1000nm處仍可保持75%。同時BLAZE使用了PI獨家的ArcTec制冷技術，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、熒光光譜相機的理想之選!

BLAZE CCD相機以及其芯片量子效率

審核編輯 黃宇