광음향 분광법을 사용한 비침습적 포도당 검출을 위한 이중 양자 캐스케이드 레이저

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7927(2023) 이 기사 인용

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중적외선과 광음향 분광학의 결합은 침습적 포도당 검출 기술을 대체할 수 있는 유망한 발전을 보여주었습니다. 비침습적 혈당 모니터링을 위해 광음향 분광학을 사용하여 이중 단일 파장 양자 캐스케이드 레이저 시스템이 개발되었습니다. 인간 피부와 유사한 특성을 가진 생체의학 피부 팬텀은 설정을 위한 테스트 모델로서 다양한 포도당 농도의 혈액 성분을 사용하여 준비되었습니다. 고혈당 혈당 범위에서 시스템의 감지 감도가 ± 12.5 mg/dL로 향상되었습니다. 혈액 성분이 있을 때 포도당 수준을 예측하기 위해 앙상블 기계 학습 분류기가 개발되었습니다. 72,360개의 처리되지 않은 데이터세트로 훈련된 모델은 Clarke의 오류 그리드 분석 영역 A와 B에 위치한 예측 데이터의 100%로 96.7%의 예측 정확도를 달성했습니다. 이러한 결과는 혈당 모니터에 대한 미국 식품의약국(FDA) 및 캐나다 보건부 요구 사항을 모두 충족합니다.

연구자들은 전자기 감지1,2, 임피던스 분광학3,4, 전기화학 감지5,6 및 라만 분광학7,8을 포함하여 비침습적 포도당 검출을 위한 다양한 기술을 탐구했습니다. 그럼에도 불구하고 이러한 접근법 중 어느 것도 정확도가 낮거나 작동이 불안정하기 때문에 생리학적 필요성 요구 사항을 충족하지 못했습니다9. 다른 최소 침습적 접근법이 개발되었습니다. 그러나 그들은 센서에 대한 반복적인 수술 이식을 요구하며, 이는 피부 자극 딜레마10를 야기합니다. MIR 및 NIR 영역을 포함한 적외선(IR) 분광학은 침습적 혈당계11,12에 대한 유망한 대체 기술로 개발되고 있습니다. NIR과 MIR 방식 모두 광범위하고 강력한 포도당 지문 흡수를 보여줍니다. 더욱이, MIR 영역은 NIR 영역13,14에 비해 다른 혈액 성분과의 간섭이 더 좁은 특정 포도당 지문을 가지고 있습니다.

MIR과 광음향(PA) 분광학의 결합은 최근 몇 년간 침습적 혈당 모니터링 기술을 대체할 수 있는 유망한 발전을 보여주었습니다. PA 분광법은 투과 및 흡광도 분광법의 광학적 손실을 보상하기 위한 대체 접근 방식으로 MIR 영역에서 포도당 분자의 진동 모드를 활용합니다. MIR 영역의 QCL(양자 다단계 레이저)은 강력하고 안정적인 PA 신호를 생성한다는 장점이 있습니다. QCL에 의해 생성된 음향 신호는 인간 피부의 간질액(ISF)에 도달할 수 있으며, 여기서 포도당은 표피층에 확산됩니다19. 이러한 음향 신호는 결국 민감한 마이크에 의해 수집되어 혈당 수준과 직접적인 관계를 보여줍니다.

비침습적 포도당 검출을 위한 MIR과 PA 분광학의 조합은 Lilienfeld-Toal et al.에 의해 처음으로 연구되었습니다. 두 개의 단일 파장 QCL이 사용되었습니다. 하나는 1080cm\(^{-1}\)의 포도당 흡수 피크에 있고 다른 하나는 1066cm\(^{-1}\)의 참조로 사용되었습니다. 생체 내 측정에서 0.61의 상관 계수(\(R^2\))가 달성되었습니다. 2011년에 Pleitez 등17은 3개의 QCL을 사용하여 두 개의 포도당 피크(1084 및 1054cm\(^{-1}\)) 및 1100cm\(^{-1}\)에서 손바닥의 포도당 농도를 감지했습니다. 배경을 위해. 트윈 헬름홀츠(Twin Helmholtz) 가스셀을 사용하였고, 상관계수를 0.7로 향상시켰다. 시험관 내 측정은 Kottmann et al.16에 의해 광범위하게 조정 가능한 외부 공동(EC) QCL을 사용하여 수행되었습니다. ± 100 mg/dL의 혈당 검출 한계는 0.998의 상관 계수로 획득되었습니다.

2013년 Kottmann et al.20은 포도당 수용액에서 \(R^2\) = 0.993으로 검출 감도를 ± 57 mg/dL로 향상시키기 위해 광 전송을 위해 할로겐화은 광섬유를 사용했습니다. 3년 후, 동일한 연구 그룹은 생체 내 측정을 위해 1080 및 1180 cm\(^{-1}\)에서 이중 파장 기술을 사용했습니다19. 90% 신뢰 수준에서 혈당 수치가 90~170mg/dL인 경우 예측 한계를 ±30mg/dL로 높였습니다. 최근에는 기계 학습을 통해 인공 피부 팬텀에서 1080 cm\(^{-1}\)의 단일 파장 QCL을 사용하여 감지 감도가 ± 25 mg/dL로 향상되었습니다. 그럼에도 불구하고 미국 식품의약청(FDA)과 캐나다 보건부(Health Canada22,23)에 따르면 임상적으로 승인된 혈당측정기의 검출 민감도는 ± 15mg/dL이어야 합니다. 표 1에는 포도당 검출을 위한 PA 및 MIR 분광학의 최근 진행 상황이 요약되어 있습니다.