Science子刊：通过无痛光声检测葡萄糖

研究人员开发了一种技术，通过声波来估计溶液和组织中的葡萄糖浓度

　　

血糖测量通常采用侵入性方法，包括将小针扎入皮肤。但是患有糖尿病的人必须在一天内多次测试他们的血糖水平。这种反复使用针头是不方便的，并可能增加潜在感染的风险。

印度科学研究所（IISc）仪器与应用物理系（IAP）的研究人员进行的一项新研究提供了一种通过光声传感技术的替代解决方案。

在这种技术中，当激光束照射在生物组织上时，组织成分吸收光，组织稍微升温（低于1°C）。这会导致组织扩张和收缩，产生振动，这种振动可以被灵敏的探测器捕捉到，成为超声波。组织内部不同的材料和分子吸收不同波长的入射光的量不同，在发射的声波中产生个人的“指纹”。重要的是，这个过程不会损坏正在研究的组织样本。

在目前的研究中，研究小组利用这种方法来测量单个分子的浓度，即葡萄糖。他们使用了偏振光——一种只在特定方向上振荡的光波。例如，太阳镜通过阻挡在特定方向上振荡的光波来减少眩光。

葡萄糖是一种手性分子，这意味着它具有固有的结构不对称性，当它与分子相互作用时，偏振光会旋转其振荡方向。令人惊讶的是，研究小组发现，当溶液中与葡萄糖相互作用的偏振光的方向改变时，发射声波的强度就会改变。

“我们实际上并不知道为什么当我们改变极化状态时，声信号会发生变化。但是我们可以在葡萄糖浓度和特定波长的声信号强度之间建立关系，”IAP助理教授兼发表在《科学进展》上的研究的通讯作者Jaya Prakash解释说。

葡萄糖使偏振光旋转，并且旋转随浓度增加而增加，这反映在声信号强度上。因此，测量声信号的强度使研究人员能够反向工作并估计葡萄糖的浓度。

研究人员能够以接近临床的准确性估计水和血清溶液以及动物组织切片中的葡萄糖浓度。他们还能够准确地测量组织内不同深度的葡萄糖浓度。

“如果我们知道声音在这个组织中的速度，我们可以使用时间序列数据将我们的声音信号映射到它们来自的深度，”博士生和论文的第一作者Swathi Padmanabhan解释说。由于声波在组织内部不会散射太多，研究人员能够在不同的组织深度得到准确的测量结果。

该团队还进行了一项试点研究，在该研究中，他们使用传感器装置跟踪健康参与者三天内餐前和餐后的血糖浓度。

“找到合适的设备来做这个实验非常具有挑战性。目前，我们使用的激光源必须产生非常小的纳秒脉冲，所以它既昂贵又笨重。我们需要使它更紧凑，以便临床使用。我的实验室同事已经开始研究这个了，”Padmanabhan说。

作者相信，从理论上讲，通过改变光的波长，这种技术可以适用于任何手性分子。在这项研究中，他们还能够估计萘普生（一种用于轻度疼痛和炎症的常用药物）在乙醇溶液中的浓度。由于许多常用药物本质上是手性的，因此这种技术在医疗保健和诊断方面具有广泛的应用。