光音響分光法を使用した非侵襲的グルコース検出のためのデュアル量子カスケードレーザー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7927 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

中赤外分光法と光音響分光法の組み合わせは、侵襲的グルコース検出技術の代替として有望な開発を示しています。 デュアル単一波長量子カスケード レーザー システムは、非侵襲的なグルコース モニタリングのために光音響分光法を使用して開発されました。 人間の皮膚と同様の特性を持つ生物医学的皮膚ファントムは、セットアップのテストモデルとして、さまざまなグルコース濃度の血液成分を使用して準備されています。 システムの検出感度は、高血糖血糖領域で±12.5 mg/dLに向上しました。 アンサンブル機械学習分類器は、血液成分の存在下での血糖値を予測するために開発されました。 72,360 の未処理データセットを使用してトレーニングされたモデルは、Clarke エラー グリッド分析のゾーン A および B に位置する予測データの 100% で 96.7% の予測精度を達成しました。 これらの発見は、グルコースモニターに関する米国食品医薬品局とカナダ保健省の両方の要件を満たしています。

研究者らは、電磁的センシング 1,2、インピーダンス分光法 3,4、電気化学的センシング 5,6、ラマン分光法 7,8 など、非侵襲的なグルコース検出のためのさまざまな技術を研究してきました。 それにもかかわらず、これらのアプローチはどれも、精度が低いか動作が不安定であるため、生理学的必要性の要件を満たしていません。 他の低侵襲アプローチも開発されています。 しかし、センサーの外科的埋め込みを繰り返し行う必要があり、皮膚刺激のジレンマが生じます10。 MIR および NIR 領域を含む赤外 (IR) 分光法は、侵襲的血糖計の有望な代替技術として開発されています 11,12。 NIR と MIR の両方の領域で、広範囲かつ強力なグルコース フィンガープリントの吸収が実証されています。 さらに、MIR 領域には、NIR 領域と比較して他の血液成分との干渉が狭い特定のグルコース フィンガープリントがあります 13,14。

MIR と光音響 (PA) 分光法の組み合わせは、侵襲的グルコースモニタリング技術の代替として近年有望な発展を示しています 15、16、17、18。 PA 分光法では、透過分光法と吸光度分光法での光学損失を補償する代替アプローチとして、MIR 領域のグルコース分子の振動モードを利用します。 MIR 領域の量子カスケード レーザー (QCL) には、強力で安定した PA 信号を生成するという利点があります。 QCL によって生成された音響信号は、ヒトの皮膚の間質液 (ISF) に到達し、そこでグルコースが表皮層に拡散します 19。 これらの音響信号は最終的に高感度マイクによって収集され、血糖値との直接的な関係が示されます。

非侵襲的なグルコース検出のための MIR 分光法と PA 分光法の組み合わせは、Lilienfeld-Toal らによって最初に研究されました。 2 つの単一波長 QCL が使用されました。1 つは 1080 cm\(^{-1}\) のグルコース吸収ピークで、もう 1 つは参照として 1066 cm\(^{-1}\) でした。 in vivo 測定では、相関係数 (\(R^2\)) 0.61 が達成されました。 2011 年、Pleitez ら 17 は 3 つの QCL を使用して、2 つのグルコース ピーク (1084 および 1054 cm\(^{-1}\)) および 1100 cm\(^{-1}\) で手のひらのグルコース濃度を検出しました。背景用に。 ツイン ヘルムホルツ ガス セルが使用され、相関係数は 0.7 まで強化されました。 In vitro 測定は、Kottmann ら 16 によって、広範囲に調整可能な外部共振器 (EC) QCL を使用して実施されました。 相関係数 0.998 で、± 100 mg/dL のグルコース検出限界が得られました。

2013 年、Kottmann ら 20 は、グルコース水溶液中での検出感度を \(R^2\) = 0.993 で ± 57 mg/dL に向上させるために、光伝送にハロゲン化銀光ファイバーを使用しました。 3年後、同じ研究グループは、生体内測定に1080cmと1180cm\(^{-1}\)の二重波長技術を採用しました19。 90% 信頼レベルで 90 ～ 170 mg/dL のグルコース レベルの予測限界は ± 30 mg/dL に引き上げられました。 最近、機械学習の採用により、人工皮膚ファントムで 1080 cm\(^{-1}\) の単一波長 QCL を使用して、検出感度が ± 25 mg/dL まで強化されました 18,21。 それにもかかわらず、米国食品医薬品局 (FDA) およびカナダ保健省によれば、臨床的に承認された血糖計の検出感度は ± 15 mg/dL でなければなりません 22,23。 表 1 は、グルコース検出のための PA および MIR 分光法の最近の進歩をまとめたものです。