Lasers de cascata quântica dupla para detecção não invasiva de glicose usando espectroscopia fotoacústica

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7927 (2023) Citar este artigo

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A combinação de espectroscopia de infravermelho médio e fotoacústica mostrou desenvolvimentos promissores como um substituto para a tecnologia invasiva de detecção de glicose. Um sistema duplo de laser em cascata quântica de comprimento de onda único foi desenvolvido usando espectroscopia fotoacústica para monitoramento não invasivo da glicose. Fantasmas de pele biomédicos com propriedades semelhantes às da pele humana foram preparados com componentes sanguíneos em diferentes concentrações de glicose como modelos de teste para a configuração. A sensibilidade de detecção do sistema foi melhorada para ± 12,5 mg/dL nas faixas de glicemia de hiperglicemia. Um classificador de aprendizado de máquina conjunto foi desenvolvido para prever o nível de glicose na presença de componentes sanguíneos. O modelo, que foi treinado com 72.360 conjuntos de dados não processados, alcançou uma precisão de previsão de 96,7% com 100% dos dados previstos localizados nas zonas A e B da análise da grade de erro de Clarke. Essas descobertas atendem aos requisitos da Food and Drug Administration dos EUA e da Health Canada para monitores de glicose.

Os pesquisadores exploraram várias técnicas para detecção não invasiva de glicose, incluindo detecção eletromagnética1,2, espectroscopia de impedância3,4, detecção eletroquímica5,6 e espectroscopia Raman7,8. No entanto, nenhuma dessas abordagens atendeu aos requisitos de necessidade fisiológica devido à sua baixa precisão ou instabilidade operacional9. Outras abordagens minimamente invasivas foram desenvolvidas; entretanto, exigem implantação cirúrgica iterativa dos sensores, o que aumenta o dilema da irritação cutânea10. A espectroscopia infravermelha (IR), incluindo as regiões MIR e NIR, está sendo desenvolvida como uma técnica alternativa promissora aos glicosímetros invasivos11,12. Os regimes NIR e MIR demonstram ampla e forte absorção de impressões digitais de glicose. Além disso, a região MIR possui impressões digitais específicas de glicose com interferência mais estreita com outros componentes sanguíneos em comparação com a região NIR .

A combinação de espectroscopia MIR e fotoacústica (PA) mostrou desenvolvimentos promissores nos últimos anos como um substituto para a tecnologia invasiva de monitoramento de glicose15,16,17,18. A espectroscopia PA utiliza os modos de vibração das moléculas de glicose na região MIR como uma abordagem alternativa para compensar as perdas ópticas na espectroscopia de transmissão e absorvância. Os lasers quânticos em cascata (QCLs) na região MIR têm a vantagem de gerar sinais PA fortes e estáveis. Os sinais acústicos gerados pelos QCLs podem atingir o líquido intersticial (FSI) da pele humana, onde a glicose é difundida na camada da epiderme19. Estes sinais acústicos são eventualmente recolhidos por um microfone sensível para mostrar uma relação direta com o nível de glicose no sangue.

A combinação de espectroscopia MIR e PA para detecção não invasiva de glicose foi explorada pela primeira vez por Lilienfeld-Toal et al. em 200515. Foram utilizados dois QCLs de comprimento de onda único, um no pico de absorção de glicose em 1080 cm\(^{-1}\) e o segundo como referência em 1066 cm\(^{-1}\). Um fator de correlação (\(R^2\)) de 0,61 foi alcançado para medições in vivo. Em 2011, Pleitez et al.17 empregaram três QCLs para detectar a concentração de glicose na palma da mão em dois picos de glicose (1084 e 1054 cm\(^{-1}\)) e 1100 cm\(^{-1}\) para o fundo. Foi utilizada uma célula de gás Helmholtz dupla e o fator de correlação foi aumentado para 0,7. Medições in vitro foram conduzidas por Kottmann et al.16 usando um QCL de cavidade externa (EC) amplamente ajustável. Foi adquirido um limite de detecção de glicose de ± 100 mg/dL com fator de correlação de 0,998.

Em 2013, Kottmann et al.20 utilizaram fibra óptica de haleto de prata para transmissão de luz, a fim de melhorar a sensibilidade de detecção para ± 57 mg/dL com \(R^2\) = 0,993 em solução aquosa de glicose. Três anos depois, o mesmo grupo de pesquisa empregou uma técnica de comprimento de onda duplo em 1080 e 1180 cm\(^{-1}\) para medições in vivo19. O limite de predição foi elevado para ± 30 mg/dL para um nível de glicose entre 90 e 170 mg/dL com nível de confiança de 90%. Recentemente, a sensibilidade de detecção foi aumentada para ± 25 mg/dL usando um QCL de comprimento de onda único a 1080 cm\(^{-1}\) em simuladores de pele artificial com o emprego de aprendizado de máquina18,21. No entanto, para glicosímetros clinicamente aprovados, a sensibilidade de detecção deve ser de ± 15 mg/dL, de acordo com a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA e a Health Canada22,23. A Tabela 1 resume o progresso recente na espectroscopia PA e MIR para detecção de glicose.