Διερεύνηση της δυνατότητας ανίχνευσης της γλυκόζης στον άνθρωπο μέσω φασματοσκοπίας Raman
Creators: name: Κυρίλας, Ευάγγελος Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Φασματοσκοπία Raman
Ανίχνευση γλυκόζης
Διαβήτης
Raman spectroscopy
Glucose sensing
Diabetes

description: Η χρήση της φασματοσκοπίας Raman για την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό των συστατικών του αίματος εφαρμόζεται ερευνητικά τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες. Η φασματοσκοπία Raman αποτελεί μια μη καταστρεπτική τεχνική η οποία κάνει χρήση του φαινομένου ανελαστικής σκέδασης του φωτός παρέχοντας χρήσιμες πληροφορίες για την χημική σύσταση των υλικών και ως εκ τούτου διεκδικεί δυναμικά ρόλο στην κλινική έρευνα του αίματος και γενικότερα των βιολογικών υλικών. Η παρούσα μελέτη στρέφει το ενδιαφέρον στην δυνατότητα ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης ενός από τα βασικότερα χαρακτηριστικά του αίματος, της γλυκόζης. Στόχος της είναι να διευρυνθεί η δυνατότητα ανάπτυξης μιας μη επεμβατικής μεθόδου μέτρησης της γλυκόζης με σκοπό να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες τεχνικές που είναι επώδυνες αλλά και κοστοβόρες. Για τον σκοπό αυτό οργανώσαμε και εκτελέσαμε πειράματα in-vitro σε δείγματα αίματος και πλάσματος αλλά και in-vivo σε εθελοντές. Κάναμε χρήση τριών διαφορετικών μηκών κύματος διεγείρουσας ακτινοβολίας 515, 633 και 785 nm και συμπεράναμε πως το κάθε μήκος κύματος ενδείκνυται στην ανίχνευση διαφορετικών συστατικών του αίματος όπως τα καροτένια (λ=515 nm), η φαινυλαλανίνη (λ=633, 785 nm) αλλά και η αιμοσφαιρίνη (λ=633, 785 nm). Αναδείξαμε χρήσιμες παραμέτρους που επηρεάζουν τόσο τον σχεδιασμό όσο και την εκτέλεση των πειραμάτων. Εστιάσαμε την προσοχή μας και αναλύσαμε τον τρόπο με τον οποίο η ισχύς της διεγείρουσας ακτινοβολίας, ο χρόνος λήψης των φασμάτων και ο πειραματικός εξοπλισμός επηρεάζουν τον βαθμό ανίχνευσης της γλυκόζης. Συμπεράναμε, σε πειράματα in-vitro, πως ποσότητες γλυκόζης της τάξης των 250 mg/dL είναι ανιχνεύσιμες με μήκος κύματος διεγείρουσας ακτινοβολίας 785 nm, ισχύ 100 mW και χρόνο έκθεσης 1h. Αντίθετα, σε πειράματα in-vivo, διαφαίνεται η ανάγκη περαιτέρω βελτίωσης της ισχύς της ακτινοβολίας, της συλλογής του σήματος αλλά και της υπολογιστικής μεθόδου επεξεργασίας των δεδομένων για την επιτυχή και γρήγορη μέτρηση συγκέντρωσης της γλυκόζης. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας συζητάμε τα συμπεράσματα των πειραμάτων μας και προτείνουμε μελλοντικές δράσεις και ενέργειες για την επίτευξη μιας μη επεμβατικής τεχνικής μέτρησης της γλυκόζης η οποία αποτελεί μέχρι και σήμερα ένα άλυτο πρόβλημα.
description: The application of Raman spectroscopy for blood-related investigation has been ongoing for more than four decades. Raman spectroscopy is a non-destructive technique that uses the inelastic scattering of light to provide useful information on the chemical composition of materials, and hence has a potential role in clinical assessment of blood and biological materials. In this study, we examine the possibility of detection and quantification of glucose as one of the most significant blood components. We attempt to investigate the potential to derive a non-invasive technique in order to substitute the foregoing methods, which are painful and expensive. For that purpose, we organize and accomplish in-vitro and in-vivo experiments with blood samples and with volunteers, respectively. We use three different laser excitation wavelengths 515, 633, 785 nm and noticed that each one of them is appropriate in the characterization of different blood components, such as carotenoids (λ=515 nm), phenylalanine (λ=633, 785 nm) and hemoglobin (λ=633,785 nm). In addition, we report useful parameters needed to take under account in the design and realization of such kind of experiments. We analyze and describe how laser power, source wavelength, acquisition time and different experimental arrangement affect the ability of glucose detection. We conclude that for in-vitro experiments with blood, we are able to quantify glucose concentration of 250 mg/dL with laser wavelength 785 nm, laser power 100 mW and acquisition time 1h. Contrary, for in-vivo experiments we conclude the necessity for greater laser power, better signal collection and for an advanced method of data analysis, in order to accomplish an effective and practical technique of glucose measurement. Furthermore, we discuss the results of our experiments and propose new insights and actions for further investigation in order to tackle the problem of in-vivo glucose measurement and to deliver a successful non-invasive method for a difficult problem, which still remains unsolved.