Laser a doppia cascata quantistica per il rilevamento non invasivo del glucosio mediante spettroscopia fotoacustica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7927 (2023) Citare questo articolo

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La combinazione della spettroscopia nel medio infrarosso e fotoacustica ha mostrato sviluppi promettenti come sostituto della tecnologia di rilevamento invasiva del glucosio. È stato sviluppato un sistema laser a cascata quantica a doppia lunghezza d'onda singola utilizzando la spettroscopia fotoacustica per il monitoraggio non invasivo del glucosio. Fantasmi di pelle biomedica con proprietà simili alla pelle umana sono stati preparati con componenti del sangue a diverse concentrazioni di glucosio come modelli di prova per l'allestimento. La sensibilità di rilevamento del sistema è stata migliorata a ± 12,5 mg/dL negli intervalli di glucosio nel sangue dell'iperglicemia. È stato sviluppato un classificatore di apprendimento automatico d'insieme per prevedere il livello di glucosio in presenza di componenti del sangue. Il modello, addestrato con 72.360 set di dati non elaborati, ha raggiunto un'accuratezza di previsione del 96,7% con il 100% dei dati previsti situati nelle zone A e B dell'analisi della griglia di errore di Clarke. Questi risultati soddisfano i requisiti sia della Food and Drug Administration statunitense che di Health Canada per i dispositivi di monitoraggio del glucosio.

I ricercatori hanno esplorato varie tecniche per il rilevamento non invasivo del glucosio, tra cui il rilevamento elettromagnetico1,2, la spettroscopia di impedenza3,4, il rilevamento elettrochimico5,6 e la spettroscopia Raman7,8. Tuttavia, nessuno di questi approcci ha soddisfatto i requisiti di necessità fisiologica a causa della loro bassa precisione o instabilità operativa9. Sono stati sviluppati altri approcci minimamente invasivi; tuttavia, richiedono l'impianto chirurgico iterativo dei sensori, il che solleva il dilemma dell'irritazione cutanea10. La spettroscopia a infrarossi (IR), comprese le regioni MIR e NIR, è in fase di sviluppo come promettente tecnica alternativa ai glucometri invasivi11,12. Entrambi i regimi NIR e MIR dimostrano un ampio e forte assorbimento dell'impronta digitale del glucosio. Inoltre, la regione MIR presenta impronte specifiche del glucosio con un'interferenza più stretta con altri componenti del sangue rispetto alla regione NIR13,14.

La combinazione della spettroscopia MIR e fotoacustica (PA) ha mostrato sviluppi promettenti negli ultimi anni come sostituto della tecnologia di monitoraggio invasivo del glucosio15,16,17,18. La spettroscopia PA utilizza le modalità di vibrazione delle molecole di glucosio nella regione MIR come approccio alternativo per compensare le perdite ottiche nella spettroscopia di trasmissione e assorbanza. I laser a cascata quantistica (QCL) nella regione MIR hanno il vantaggio di generare segnali PA forti e stabili. I segnali acustici generati dai QCL possono raggiungere il fluido interstiziale (ISF) della pelle umana, dove il glucosio è diffuso nello strato dell'epidermide19. Questi segnali acustici vengono infine raccolti da un microfono sensibile per mostrare una relazione diretta con il livello di glucosio nel sangue.

La combinazione della spettroscopia MIR e PA per il rilevamento non invasivo del glucosio è stata esplorata per la prima volta da Lilienfeld-Toal et al. nel 200515. Sono stati utilizzati due QCL a lunghezza d'onda singola, uno al picco di assorbimento del glucosio a 1080 cm\(^{-1}\) e il secondo come riferimento a 1066 cm\(^{-1}\). Per le misurazioni in vivo è stato ottenuto un fattore di correlazione (\(R^2\)) di 0,61. Nel 2011, Pleitez et al.17 hanno utilizzato tre QCL per rilevare la concentrazione di glucosio nel palmo della mano a due picchi di glucosio (1084 e 1054 cm\(^{-1}\)) e 1100 cm\(^{-1}\) per lo sfondo. È stata utilizzata una cella a gas doppia di Helmholtz e il fattore di correlazione è stato aumentato a 0,7. Le misurazioni in vitro sono state condotte da Kottmann et al.16 utilizzando un QCL della cavità esterna (EC) ampiamente sintonizzabile. È stato acquisito un limite di rilevamento del glucosio di ± 100 mg/dL con un fattore di correlazione di 0,998.

Nel 2013, Kottmann et al.20 hanno utilizzato la fibra ottica agli alogenuri d'argento per la trasmissione della luce per migliorare la sensibilità di rilevamento a ± 57 mg/dL con \(R^2\) = 0,993 in una soluzione acquosa di glucosio. Tre anni dopo, lo stesso gruppo di ricerca ha utilizzato una tecnica a doppia lunghezza d'onda a 1080 e 1180 cm\(^{-1}\) per misurazioni in vivo19. Il limite di previsione è stato aumentato a ± 30 mg/dl per un livello di glucosio compreso tra 90 e 170 mg/dl con un livello di confidenza del 90%. Recentemente, la sensibilità di rilevamento è stata aumentata a ± 25 mg/dL utilizzando un QCL a singola lunghezza d'onda a 1080 cm\(^{-1}\) in fantasmi di pelle artificiale con l'impiego dell'apprendimento automatico18,21. Tuttavia, per i glucometri clinicamente approvati, la sensibilità di rilevamento deve essere ± 15 mg/dL, secondo la Food and Drug Administration (FDA) statunitense e Health Canada22,23. La tabella 1 riassume i recenti progressi nella spettroscopia PA e MIR per il rilevamento del glucosio.