LS785光谱仪：活体拉曼光谱无损血糖检测
前言简介
血液中葡萄糖含量的无损监测，一直是医疗领域长久以来致力于实现的目标。尤其对于糖尿病患者来说，无损血糖检测能够大大缓解疾病带来的痛苦。拉曼光谱作为一种无损的光学检测手段，通过对目标分子“指纹”一般的光谱信息的识别，在化学分析尤其是生命科学分析的领域中发挥着越来越大的作用。使用近红外的激光作为拉曼激发光，在活体透皮拉曼光谱中，人们已经可以成功观察到皮下间质液中的葡萄糖分子;许多诊所也渐渐使用拉曼光谱仪辅助进行口服葡萄糖耐受测试。
然而这种方式也存在着许多问题，比如皮下的拉曼测试都缺少了葡萄糖分子的特征指纹峰;因此利用活体拉曼进行血糖无损检测的方法也备受质疑。来自麻省理工学院激光生物制药中心的Peter T. C. So课题组的Jeon Woong Kang的首次直接观测到了活体皮肤下的葡萄糖拉曼指纹峰。通过葡萄糖钳夹技术注入右旋葡萄糖和胰岛素的方式来调控猪的试体的血糖浓度，研究人员使用了Teledyne Princeton Instruments LS 785光谱仪直接观测了三只不同猪试体的葡萄糖拉曼光谱，验证了利用活体拉曼光谱进行无损血糖检测的可行性。该工作被发表在学术杂志《Science Advances》上(Kang et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaay5206 24 January 2020)。
血糖拉曼检测
在第一组实验中，研究人员通过对猪耳朵每5分钟一次，连续采样7小时采集得到猪试体的活体拉曼光谱。其中通常包括葡萄糖的拉曼光谱、组织(非葡萄糖成分)的拉曼光谱、组织随时间变化的背景基线以及不随时间变化的系统背景基线。理论上随着葡萄糖钳制实验的调控，葡萄糖的拉曼峰信号强度也会有正相关的变化，因此不同葡萄糖浓度的拉曼差谱更能凸显葡萄糖的特征峰。
图1 活体拉曼光谱实验中的葡萄糖指纹峰以及其强度与浓度的线性关系;A)四条不同葡萄糖浓度的差谱，葡萄糖的拉曼指纹峰位于1125cm-1;B)拉曼差谱中的葡萄糖1125cm-1峰的强度与其对应的浓度差的线性关系，R=0.95;C)用差谱得到的简单线性关系进行葡萄糖浓度的前瞻性预测。
图1A中展示了四条差谱，对应了不同的葡萄糖的浓度差(ΔG=G1-G2)。其中1125cm-1的峰正是葡萄糖的拉曼特征峰。当葡萄糖浓度增加时，其对应的拉曼差谱中的峰强度也相应增加。两者的线性度被展示在图1B中，且在不同浓度区间都展示出良好的线性关系。研究人员利用这种简单的线性拟合，就可以进行的葡萄糖浓度的前瞻性预测。如图1C所示，其预测结果R=0.95，平均绝对误差为6.6%。
血糖浓度预测
上述的第一组实验的结果非常令人振奋，但是对于实际可穿戴式的葡萄糖浓度检测设备来说，多次测试取差谱的方式只能算是差强人意。为了单次采集测试就能够预测葡萄糖浓度，研究人员选取了葡萄糖特征峰1125cm-1与组织中其他主导成分，比如皮下蛋白和血脂的拉曼峰1450cm-1(图2A)，将两者的峰面积之比与对应的葡萄糖浓度进行比较，也得到了类似上述第一组实验的线性关系(图2B)，并利用该线性模型进行了前瞻性预测，R=0.94，平均绝对误差为13.4%(图2C)。
图2 峰面积之比与葡萄糖浓度的线性关系;A)四次葡萄糖钳夹实验中的拉曼光谱，其中黑色箭头代表了1125cm-1处的葡萄糖拉曼峰和1450cm-1处的蛋白质/脂类的拉曼峰;B)葡萄糖浓度与两处峰面积之比的线性关系;C)用峰面积比得到的简单线性关系进行葡萄糖浓度的前瞻性预测。
拉曼检测系统
为了进行长时间的无损检测，研究人员采取了一种离轴的拉曼光谱仪结构设计，使用斜角激光照明，不仅最大化了有效采样的体积，同时保证了长时间采样的稳定性。图3A与3B分别仿真了离轴和同轴拉曼激发的照射范围，其采样区间的三维像素分布为图中暗红色区域。图3C展示了皮下不同深度的采样区间三维像素数量的关系曲线。仿真结果显示，在皮下真皮层深度范围内，使用斜角激光照明的离轴式拉曼光谱系统可以更加高效地采集葡萄糖的拉曼信号。
图3 离轴拉曼激发示意图;A)830nm的斜角激光器离轴照射幅度示意图;B)830nm的斜角激光器同轴照射幅度示意图;C)同轴与离轴采样三维像素数量与皮下深度的关系曲线。
这套离轴拉曼光谱仪系统由一台830nm的激光器作为光源，并使用了Teledyne Princeton Instruments的棱镜型成像光谱仪LS 785和PIXIS: 1024BRX CCD相机收集拉曼数据(图4)。LS 785是一款零像差的棱镜型成像光谱仪，可以高质量地成像成谱。同时LS 785采用了f/2的大光圈高通量设计，最大程度收集入射的光信号。LS 785内置的光学元件专门为750-1100nm配置，完美适配近红外区间的拉曼、荧光光谱等应用。
如图5A所示，830nm的拉曼激发光以斜角入射并聚焦在皮肤表面，产生的拉曼信号由光纤束收集，经过f数匹配器之后进入LS 785光谱仪以及CCD相机。CCD相机持续曝光，每5分钟一次全幅读出拉曼光谱数据。图5B展示了真实的工作环境中，活体拉曼光谱系统如何对猪耳皮下的葡萄糖分子进行采样。
图4 LS785拉曼光谱系统;A)LS785活体拉曼光谱系统检测猪试体示意图，FM，f数匹配器;LP，长通滤波片;LD，激光器;BP，带通滤波片;B)LS785活体拉曼实际佩戴于被麻醉的猪试体的照相图片。
技术支持
BLAZE相机是一款由Teledyne Princeton Instruments 和 Teledyne e2v最新联合研发的高速光谱型CCD相机，最快每秒可进行1650条光谱的拍摄。BLAZE相机CCD芯片的工艺大大优化了近红外区的量子效率。其可见到近红外范围平均量子效率维持在90-95%;900nm处可达98%;1000nm处仍可保持75%。同时BLAZE使用了PI独家的ArcTec制冷技术，不仅能够超高速拍摄，而且还拥有超高灵敏度，是近红外拉曼、荧光光谱相机的理想之选!
BLAZE CCD相机以及其芯片量子效率
审核编辑 黄宇
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