近紅外拉曼有望實現無創血糖測試

  分析測試百科網訊 全球超過4.2億人口，約占人口總數的8.5%，都受到糖尿病影響——這是一種慢性疾病。在過去的30年中，隨著越來越多的發展中國家經歷了城市化的發展和采用西方的飲食習慣，糖尿病的發病率幾乎翻了一番。

  治療糖尿病需要持續的監測和保養，這給患者群體以及他們的家庭帶來了沉重的負擔。此外，糖尿病的持續增長對國家經濟和醫療系統造成了很大的負擔。

　 目前糖尿病的診斷標準和治療方法是繁重和具有侵入性的，而無創血糖測試一直是困擾醫學界的世界性難題。為此，諸多國際性大企業雖投入數十億元進行研究，但研究結果往往很難達到FDA認證標準。醫學傳感技術的最新進展使無創糖尿病檢測和血糖監測在醫學研究人員范圍內得以實現。

　　無創檢測

糖尿病診斷和治療的現行標準

　　糖尿病的診斷和持續管理目前需要直接測量血糖或糖化血紅蛋白水平。醫療專業人員使用的方法有幾種，包括隨機或空腹血糖測試和葡萄糖耐量試驗。這些方法大部分指安培檢測法，因為血糖對試劑的反應會產生一個小的電荷，與樣品中糖的含量成比例。這種方法在實驗室環境下是非常準確的，而且也很好理解和標準化。

　　盡管目前的檢測方法是被人們所接受的，但它們仍然給世界各地的醫學專業人士和患者帶來了許多問題。在某些文化中，可能會出現關于血液引出的社會限制或禁忌，難以保證患者的依從性。血液樣本也不穩定，需要冷藏。這可能是發展中國家的一個重大問題，特別是在農村地區，那里可能制冷和電力供應不便。

　　慢性糖尿病的治療需要患者每天頻繁監測血糖水平。這包括收集一個血液的小樣本，通常用采血針刺破手指。這是一個痛苦的過程，如果糖尿病抑制了治療能力可能會導致額外的并發癥，患者必須每天進行重復。

　　雖然手持式血糖監測儀在全世界范圍內越來越容易獲得（約占目前為消費者銷售的所有生物醫學傳感器的85%），但血糖監測仍然被認為是需要測試試紙的手動過程。

　　除了溫度、濕度等環境因素能影響測試結果外，這些血液測試儀在任何情況下都無法提供精確的測量。

無創血糖測試研究

   由于葡萄糖檢測的重復性和侵入性，以及世界范圍內血液檢測存在的困難，研究人員急切地尋找非侵入性的標準安培檢測方法。研究人員分析了許多替代方法，包括基于碳納米管的方法和電化學測試。最近的重點轉移到利用拉曼光譜和近紅外吸收的光學檢測方法。

　　即使在研究近紅外光譜的研究人員中，也有許多研究的途徑。除了血糖、糖化蛋白（即結合葡萄糖的蛋白）可以在指甲和頭發、尿液以及眼睛的房水內檢測到。

　　研究中最有希望的兩種方法包括使用近紅外光直接通過皮膚測量血糖，具有與脈搏血氧計相同的功能設計。指甲作為測試樣本是另一種正在研究中的方法。

　　在開發一種新的糖尿病無創測試協議時，研究人員所面臨的最大障礙是開發標準化的理解結果模型。測量參數必須考慮到線性吸收率，吸收模式和無數其他科學家和醫生必須了解的因素，以便開發用于解釋和預測光譜響應的標準化和可重復的模型。人類特征之間也存在差異，這些差異也必須被中和，以允許新協議的標準化。

近紅外與診斷窗口

　　許多用于生物醫學應用的光學感測技術都圍繞著近紅外線，因為一種被研究人員稱為光學窗口或診斷窗口的特殊現象。

　　人體組織對光的吸收與波長有關。DNA和蛋白質吸收紫外（UV）光譜，紅外范圍被水高度吸收，可見光被血液中的血紅蛋白吸收。然而，在可見光譜的最后，并且在650nm和1100nm之間的近紅外（NIR）范圍內，血紅蛋白或水幾乎沒有吸收，并且散射小于UV和可見光范圍。最重要的是，可以在這個范圍內對活體使用光而不會對組織造成任何損害。

　　嘗試這樣：在一個黑暗的房間里，個人可以通過手掌照射強光。他們會在手背上觀察到一個紅色光點。他們看到的是可見光譜的尾端，紅光在650-750 nm之間，屬于650-1100 nm的光學診斷窗口。通過這個光學診斷窗口，研究人員和醫生可以看到身體內部。

　　杜克大學的Frans Jobsis博士在他1977年的具有里程碑意義的研究中表明，脫氧和氧合組織在近紅外光譜中顯示出不同的吸收特性。從那時起，近紅外光譜就被用于研究代謝疾病，如癌癥，心血管疾病，糖尿病，神經障礙以及其他幾種困擾社會的疾病。

近紅外拉曼光譜

　　關于光學生物傳感器發展的最新實驗中，將Vis / NIR范圍內可用的光學窗口與拉曼光譜學的分子指紋特征相結合。雖然這種技術的潛力非常有希望，但增加的拉曼分析的復雜性增加了開發標準化診斷模型的障礙。

糖化指甲蛋白對糖尿病檢測的適用性

　　生物醫學設備開發商正在爭相展示血液監測技術的下一波進展，因為葡萄糖測試對日益增長的糖尿病人群至關重要，并且還因為葡萄糖傳感器的需求占生物傳感器市場的85％。

　　一個學術研究涉及糖化角蛋白的測定。角蛋白，構成頭發和指甲的蛋白質，可以與葡萄糖結合。該糖化與血糖水平隨時間呈線性關系。糖尿病診斷的光譜模型的研究人員選擇指甲，因為糖尿病患者指甲特征的差異可觀察。開發標準化模型時指甲是比較好的選擇，因為其生長速率變化比頭發少。

　　這種方法中使用指甲剪，可以提高糖尿病初步診斷的檢測，特別是在發展中國家。可以無痛苦地收集指甲，無需特殊訓練。此外，與體液如血液相比，手指甲的文化和心理態度是寬松的；并且由于指甲穩定，所以它們可以在不冷卻的情況下儲存數周，而不損失樣品的活性。

　　將指甲樣品研磨并與用于測試的反應試劑混合。由于指甲對這些反應劑沒有很好的滲透性，所以樣品需要準備時間以及可能進一步的處理。這種方法雖然微創，但仍然需要專業的樣品制備，應由經過培訓的人員在實驗室進行，不幸的是不適合家庭葡萄糖監測。

通過耳垂透射實現家庭使用

　　研究人員還在研究透射率測量技術，這對家庭監測應用是非常完美的。耳垂透光率測量實際上需要同時施加到耳垂的波長的組合。衰減的光被耳朵的任一側上的傳感器捕獲。首先，將綠色可見光的反射率用于確定皮膚參數，例如組織厚度。然后使用紅光透射率/吸收度來確定血容量，最后使用NIR波長來測定葡萄糖濃度。

　　這種方法顯示了很好的前景，因為它是一個簡單的設計，包括用于耳垂的夾子，它與光纖光譜儀相連，對于沒有任何特殊訓練的人相對比較容易。另外，簡易的設計和無需樣品準備意味著它可以由任何人執行，不需要實驗室監督。

克服光學葡萄糖監測的障礙

　　對于目前正在研究的許多診斷方法，完全測試驗證的主要障礙是研究人員解決個體差異以便為分析結果創建一個標準化模型的能力。這些專家和科學家的研究使我們每天離廉價、無創和準確的血糖監測方案的現實更進一步。

　　雖然不可能預測新技術或方法何時獲得聯邦藥物管理局（FDA）或相關醫療認證機構的批準，但可能性變得更加現實。由于醫生、科學家和研究人員在這些令人興奮的光學測試方法上的工作，糖尿病患者在不久的將來將不再需要經受痛苦的血液測試。