تبلیغات

لینک باکس تبلیغاتی

تبلیغات

تبلیغات

اصول فلورسانس و تكنولوژی انعكاس نوری( بلادگزهای OPTIMedical)

1952 بازدید

اصول فلورسانس و تكنولوژی انعكاس نوری

 بلادگزهای OPTIMedical

 از: مهندس شادی نقدی

 سيستم های اندازه گيری گازهای خون با استفاده از پديده فلورسانس و سنسورهای نوری سال 1984 به وجود آمدند. در اين تحقيق قصد داريم اصول پايه و عملكرد  سنسورهای شيميايی نوری را در دستگاه Blood gas OPTIMedical بررسی كنیم. اين  دستگاه با استفاده از جديدترين تكنولوژی نوری، نه تنها PH و گازهای خونی مانند اكسيژن و دی اكسيد كربن را اندازه گيری می كند، بلكه اندازه گيری و محاسبه الكتروليت هايی چون Na+ , Ca++ , Cl- , K+ ،‌متابوليت هايی چون گلوكز و اوره، مقدار كل هموگلوبين tHb و اكسيژن اشباع شده SO2 را نيز انجام می دهد.

فلورسانس چيست؟

اگر به مولكول انرژی داده يا تحريك شود، اين مولكول برانگيخته شده و زمانی كه به حالت پايدار خود باز می گردد از خود نور ساطع می كند. به اين فرايند لوميسانس می گويند. حال اگر انرژی تحريك به صورت نور باشد، به اين فرايند  فلورسانس گفته می شود. شکل زیر فرآیند لومینسانس را نشان می دهد.

OPTIMEDOCAL بدون نياز به محلول و الكترود، در زمانی كمتر از 3 دقيقه به صورت اتوماتيك تمام اين پارامترها را در 125 ميكروليتر خون، پلاسما يا سرم اندازه گيری می كند، همين امر باعث بالا رفتن صحت نتايج و پايين آمدن قيمت نگهداری دستگاه و همچنين قيمت تست های انجام شده است.

از اين آزمايش، معمولاً درجهت سنجش كفايت اكسيژن رسانی و عملكرد مطلوب ريه ها، كليه ها و سيستم متابوليسم بدن در بيماران بستری در بيمارستان استفاده می شود. انجام اين آزمايش ساده است. نتيجه آن به سرعت آماده شده و كاربرد زيادی نيز در موارد اورژانس دارد.

سنسورهای نوری "اپتود"

سنسوری های نوری در كاست OPTI به گونه ای طراحی شده است كه آناليت به مولكول سنسور فلورسنت متصل می شود . مولكول سنسور قابل تنظيم برای آناليت های مختلف است.

نحوه عملكرد سيستم اندازه گيری بدون الكترود

همان طور كه در شكل رنگی زیر مشخص است، يك LED ، نوری آبی با طول موج و شدت مشخص توليد می كند كه اين نور توسط شكافنده پرتو (Splitter) به سنسور كاست تابيده شده و در سنسورهای كاست عمل فلورسانس انجام می پذيرد.

نور فلورسانس سنسوهای كاست از شكافنده گذشته و توسط يك لنز و فيلتر به سنسور گيرنده می رسد. سنسور گيرنده بنا به شدت نور فلورسانس آنرا به ولتاژ متناظر تبديل می كند. اين ولتاژ توسط پروسسور دستگاه تحليل و عدد دهی می شود.

شدت نور فلورسنت خارج شده، بسته به غلظت يون های (+K , +Na, +H) يا فشار نسبی مولكول های گاز (CO2 ,O2) درنمونه تغيير می كند. براي هر آناليت ، رابطه مشخصی بين آنها برقرار است.

لايه حسگر شامل يك رنگ ثابت فلورسانس است كه به بالای فويل فرستنده نوری پلی استر چسبيده است. لايه حسگر با پوششی سياه پوشانده شده است كه قابليت عبور آناليت را دارد.  اين لايه پوشاننده مانند حافظی عمل می كند كه لايه حسگر را از نوری های مزاحمی كه از جايی غير نمونه خون می آيد محافظت می كند.  بخش زيری از فويل از لايه چسبناكی پوشيده شده كه باعث چسبيدن ديسك سنسور به كاست می شود.

تمام سنسورهای اپتود از فويل های تركيبی ساخته شده اند. ديسك های منحصر به فرد سنسور با ضخامت حدود 4 ميليمتر، برای نگهداری كاست به كار می روند. بيشتر اپتودهای تعادلی و برگشت پذير هستند همين مساله سبب شده كه آناليت های خون يا نمونه سرم تا زمانی به داخل سنسور كشيده شوند كه به يك غلظت ثابت و پايداری برای اندازه گيری برسند. در خصوص گاز اكسيژن و دی اكسيد كربن، مقداری از گاز به پلاستيك دور سنسور منتشر می شود كه مشابه آناليزرهای الكتروشيميايی معمولی به يك فاكتور اصلاحی نياز دارند.

ساختار كاست های OPTI

كاست ها،  محفظه های پلاستيكی هستند كه قالب آن دو بخش به هم چسبيده است و از يك دريچه، يك پورت مكشی جهت كشيدن نمونه، يك مبدل سرنگ و همچنين ديگ سنسور نوری تشكيل شده اند. درون كاست ها مايعی وجود دارد. شکل زیر کاست نوری را نشان می دهد.

مبدل سرنگ پس از اتصال مستقيم به سرنگ، ‌به صورت اتوماتيك نمونه را از داخل آن مكش می كند. بخش پايينی قالب شامل يك مبدل برای اتصال به دستگاه است كه از طريق شش محفظه استوانه ای شكل، ديسك سنسور را تثبيت می كند، پس از پايان اندازه گيری كاست را قفل می كند، پس از پايان اندازه گيری كاست را قفل كرده تا امكان اندازه گيری مجدد با همان كاست وجود نداشته باشد. بخش بالايی قالب شامل مجرايی است كه در ارتباط با پورت مكشی جهت كشيدن نمونه خون قرار می گيرد. همچينن دريچه ای وجود دارد كه پس از اندازه گيری، بسته شده و مانع بيرون ريختن  پسماندها می شود.

تجهيزات OPTI-CCA

قلب دستگاه شامل يك محفظه اندازه گيری با دمای كنترل شده است كه كاست در آن قرار داده شده و به صورت  نوری چك می شود.

بخش الكترو- نوری شامل شش مجموعه از LED های آبی رنگ به عنوان منابع نوری و آشكار سازهای فوتوديودی است. همچنين مجموعه ای از فيلترهای ميان گذر وجود دارد كه با كمك دوSplitter  نو و رنگ به صورت طيفی، نور تحريكی آبی را از نورهای تابشی فلورسانسی سبز و قرمز تفكيك می كند. پس از تقويت و تبديل آنالوگ به ديجيتال، سيگنال ها به صورت ديجيتالی پردازش شده و مقادير آناليت ها نمايش داده می شوند. دمای لازم، برای الكترونوری ها و كاست 37 درجه با -/+۱ درجه سانتیگراد دقت است.

 در ادامه اين سيستم نوری، ‌سيستم انعكاس نوری ديگری وجود دارد كه از ديواره های ليزر قرمز و مادون برای انجام  اندازه گيری پخش نوری چند طول موجی جهت تعيين هموگلوبين و اشباع  اكسيژن استفاده كرده است.

تمام تجهيزات خشك هستند و شامل هيچ ماده شيميايی يا فاضلاب نيستند كه به منظور مكش نمونه،  از سيستم پنوماتيك بسيار ساده ای با گاز كاليبراسيون استفاده می كند.

پمپ پری استالتيك، گاز كاليبراسيون را به صورت معكوس درسيستم به جريان می اندازد  بدين ترتيب ساكشنی ايجاد شده كه سبب مكش نمونه خون می شود. اين سيلندر گاز تركيب دقيقی  از 14-/+0.02 درصد اكسيژن، 6-/+0.02 درصد دی اكسيد كربن و نيتروژن موازنه شده  است، اين مخزن دو ليتری گاز حدود 10 بار فشار دارد كه برای انجام حدود 100 كاليبراسيون كافی است.اين گاز كاليبراسيون بسته به باركد كاست ها، كالبيراسيون خاصی را برای سنسورهای اپتود انجام می دهد. شکل بالا بخش های واحد اندازه گیری نوری و شکل پاییین نحوه تحریک و آشکار سازی نور را نشان می دهد.

                          

اندازه گيری O2

 PO2 بيانگر فشار اكسيژن موجود در خون است كه بنا به عملكرد ريه ها مقداری بين 80 تا 100 ميليمتر جيوه دارد.

 در حين اندازه گيری اكسيژن ميزان فلورسانس سنسور O2 در مجاورت اكسيژن كم می شود. پس هر چه فلورسانس بيشتر، درصد اكسيژن كمتر و هر چه فلورسانس بيشتر، درصد اكسيژن كمر و هر چه فلورسانس كمتر درصد اكسيژن بيشتر خواهد بود.

در كليه سنسورهای نوری، لايه آشكار ساز به آناليت های داخل شده استناد كرده تا به يك غلظت  ثابت و مانايی برسند.

در اپتود اكسيژن، لايه آشكار ساز حاوی يك ماده فلورسانس روتنيوم رنگی حساس به اكسيژن با قطره 50 ميكرون است كه توسط ذرات  رنگی ميكس شده با نوعی  پيش پليمر جذب شده اند. اين لايه  پس از بهبود  با يك پوشش سياه سيليكونی غير فلورسانسی،  روی هم قرار داده می شوند.منحنی كاليبراسيون سنسور O2 ازماهيت استرن-ولمر رنگ های لومينسانس مشتق می شود.

در مقايسه اين سنسورها با بلادگزهای الكتروشيميايی كه از الكترود استفاده می كنند، مشاهده می كنيم كه چون هيچ اكسيژنی مصرف نشده و الكترود مرجعی مورد نياز نيست، اين سنسورها محاسب قابل توجهی برای اندازه گيری نمونه خون های كوچك دارند.

اندازه گيری PH

PH نشان دهنده ميزان اسيديته خون است و مقادير آن تحت تاثير كاركرد صحيح كليه، ريه و متابوليسم بدن است. PH نرمال مقداری بين 36/7 و 7/44 دارد.

سنسور اندازه گيری PH فقط با يون هيدروژن واكنش می دهد و زمانی كريون های هيدروژن به آن می چسبند شدت فلورسانس كمتر می شود، لايه آشكار ساز سنسور PH شامل فيبرهای سلولزی آمينواتيلی با قطر 8mum هستند. كه تركيبی از يك ماده رنگی  فلورسانسی حساس به PH و HPTS (اسيد هيدروكسی پيرن تری سولفونيك)‌ است. لايه حساس به PH دارای پيوندهای كووالانسی بوده و از فيبرهای مملو از رنگ ساخته شده كه قابليت نفوذ يون  را  دارد و باعث  محافظت از فويل می شود. به منظور ايزوله كردن نوری، اين لايه آشكار ساز با يك هيدروژل سياه رنگ پوريول اتان پوشانده شده است.

منحنی كاليبراسيون سنسور PH از قانون جرم به دست  آمده  و رابطه بين PH و شدت فلورسانس رنگ آشكار ساز PHكه مانند يك اسيد ضعيف عمل می كنند را نشان می دهد.اين تابع نشان می دهد كه افزايش شدت فلورسانس بدين معنی است كه PH زياد می شود و نقطه  عطف آن در PH نرمال فيزيولوژيك قرار گرفته است.

 در حالت HPTS، وقتی تحريكی در حدود nm470 در محيطی آبی رخ دهد، هيچ فلورسانسی از گونه های فلورسانسی پروتن دار شده  توليد نمی شود.

تابع كاليبراسيون  به سادگی با رابطه زير قابل بيان است:

[(S = [Sm / 1 + 10(pK - pH

كه باز هم S‌ شدت نسبی فلورسانس و بيانگر ميزان PH است. Sm ماكزيمم شدت است كه در بالاترين PH ديده می شود. pk نيز منفي لگاريتم ثابت تكفيك پروتن آشكار ساز است.

به علت اين سه بار منفی، pk  وابستگی زيادی به قدرت يونی دارد كه كاملاً تحت تاثير غلظت سديم خارج سلولی قرار می گيرد. بنابراين هميشه در سيستم OPTICCA سديم به طور مستقل اندازه گيری شده و از آن برای محاسبه قدرت يونی  به منظور صحيح  ضريب تفكيك HPTS استفاده می شود.  اين مساله سبب می شود كه در هر دو حالت پايين و بالا  بودن ميزان سديم  خون، مقدار PH فيزيولوژيك  با دقتی  بسيار بالا تعيين شود.

اندازه گيری PCO2

 PCO2 نشان دهنده فشار گاز دی اكسيد كربن موجود در خون است كه بايد بين 35 تا 45 ميليمتر جيوه باشد.  اين مقادير تحت تاثير عملكرد ريه ها است. در شکل زیر اولین نمودار، منحنی شدت بر حسب فشار اکسیژن دومین نمودار، منحنی شدت بر حسب pH و سومین نمودار، منحنی شدت بر حسب فشار اکسید کربن را نشان می دهد.

سنسور PCO2 نيز مانند سنسور PH عمل می كند با اين تفاوت كه در اين سنسور لايه آشكار ساز با يك لايه سيليكونی سیاه پوشانده شده كه دارای غشائی است كه يون H+ نمی تواند از آن عبور كند و فقط CO2 از آن عبور نموده و با سنسور واكنش می دهد.

 اصول عملكرد مانند همانی است كه در ABG های الكتروشيميايی متداول كه از الكترود استفاده می كند به كار برده می شود لايه حساس  به PH همواره با محلول بافر موازنه است، CO2 در سطح آن منتشر شده و به طور موضعی با PH بافر داخلی به تعادل می رسد.

از آنجايی كه پوشش رويی نسبت به يون های هيدورژنی نفوذ پذيری ندارند، مقدار PH لايه آشكار ساز تحت تاثير PH نمونه نبوده  وتنها با PCO2 ی نمونه خون تعيين می شود.

تابع عملكرد اپتودهای CO2 از تركيب تابع كاليبراسيون PH داخلی اپتود و ارتباط بين PH و PCO2 ی بافر ميانی بی كربنات داخلی به صورت زير به دست می آيد:

(S = [Sm / 1 + 10(pK - pH)]    ;    pH = f(PCO2,buffer

هرچه شدت فلورسانس بيشتر باشد به معنی CO2 كمتر و بالعكس اگر شدت فلورسانس كمتر باشد به معنی CO2 بيشتر است.

اندازه گيری SO2و tHb به روش انعكاس

سنسور PO2 دركاست OPTI دارای دو عملكرد است اولين عملكرد آن مشابه تمامی سنسورها، اندازه گيری اكسيژن است. دومين عملكرد آن آناليز كل هموگلوبين (ctHb) و اشباع  اكسيژن (SO2) است. برخلاف ساير سنسورها،‌ سنسور O2 حاوی روكش صورتی است كه به عنوان  منعكس كننده عمل می كند و در اندازه گيری فتوفيزيك O2Hb و HHb  دخيل است. اندازه گيری فتوفيزيك،‌ غلظت O2Hb و HHb را آناليز می كند. مجموع دو مشتق هموگلوبين، بيانگر ctHb و نسبت درصدی بين O2Hb و HHb بيانگر SO2 است. اين روش از سه طول موج در محدوده قرمز و مادون قرمز استفاده می كند و دو مشتق هموگلوبين را در خون هموليز نشده اندازه گيری می كند.

اپتودهای كاتيون

برای اندازه گيری  الكتروليت های سديم، پتاسيم و كلسيم  در مايعات  خارج سلولی مجموعه ديگر از رنگ های آشكار ساز استفاده می شود.  سنسورها هر كدام شامل مولكول های رنگی فلورسانسی هستند كه با يونفورهای خاصی پيوند داده شده اند و بسته به غلظت  يون ها خروجی فلورسانس را تعيين می كنند. هر سه سنسور  مشابه سنسوره ای PH هستند كه فقط در رنگ های آشكار ساز و توابع كاليبراسيون تفاوت هايی دارند.

در تمام اين رنگ ها طراحی مشتركی به كار برده شده است، هر كدام شامل يك المان  شناسايی يونفوری است كه می تواند آناليت مورد نظر را شناسايی كند.

طراحی اين يونفورها به گونه ايست كه به تغييرات فيزيولوژيكی PH حساس نيست. همچنين ساختار حفره ای مانند اين يونفورها باعث ايجاد حساسيت فوق العاده ای در برابر يون مربوطه می شود. يونفور از طريق المان واسطی با المان رنگی فلورسانس يا فلوروفور پيوند يافته است.

فلوروفور برای هر سه رنگ، يك آمينونفتالين است كه در محيط مرطوب پايداری شديدی در برابر هيدروليز نشان دارد، همچنين قابليت تحريك های آبی و انجام  عمل سويیچينگ را نيز دارند.

در آخر يك گروه پيوند دهنده به بخش پايينی فلوروفورها وجود دارد كه برای اتصالات  كووالانسی به  پليمرها استفاده می شود.

 هر كدام از اين مولكول ها مانند يك سوييچ عمل می كنند يعنی وقتی كاتيون مورد نظر مجاور يونفورها می شود فلوروفور به حالت ON سوييچ می شود.

فلورو- يونفور سديم

تحت شرايط نرمال يعنی در نبود سديم، مولكول های به علت مكانيسم دافعه بين مولكولی به وضعيت OFF سوييچ می شوند. بلافاصله پس از اينكه فلوروفور به صورت نوری تحريك شد انرژی آن به صورت داخلی جذب شده و يكی از الكترون های نيتروژن منتقل می شود. در اين حالت سوييچ OFF است.  وقتی كه يون سديم با يونفور مجار می شود، الكترونهای تك جفت نيتروژن با كاتيون  سديم به اشتراك گذاشته می شود  و هيچ الكترونی مبادله نمی شود، به همين دليل فلورسانس روشن می شود(سوييچ ON).نسبت روشن بودن به خاموش بودن گونه های فلورويونفورها، ‌بستگي به غلظت آناليز يون دارد. در نتيجه، مقدار كلی شدت فلورسانس متناسب با غلظت كاتيون است.

فلورو- يونفور پتاسيم

به صورت مشابه، يونفور پتاسيم به شدت يون های پتاسيم را انتخاب می كنند. ساختار حفره مانند فلورو-يونفور پتاسيم، به كوچكترين يون پتاسيم اجازه می دهد تا با كمترين نيرو مستقيماً به حفره ها منتشر شود.

سنسور گلوكز

اين سنسور نيز مانند بيوسنسورهای گفته شده عمل می كند. توجه داشته باشيد كه با انتشار گلوكزهای خون به داخل لايه آشكار ساز، بی درنگ  با آنزيم  اكسيداز گلوكز تركيب شده و به صورت پيوسته اكسيژن مصرف می كند. اين مصرف اكسيژن به سرعت به وسيله یک  اپتود اكسيژن اندازه گيری شده تا PO2 را به دقت اندازه گيری كند.

طراحی سيستم  OPTICCA

پس از توليد كاست ها در مقياس زياد، به نوع سنسور هر كاست، توابع كاليبراسيون را تعيين می كنند. به اين ترتيب كه تعدادی كاست و سنسور را به طور نمونه انتخاب می كنند. تست های چندگانه ای روی آن انجام داده و بدين ترتيب با اندازه گيری محدوده عملكرد هر آناليت  با كمك واسطه های مايع و گاز، كاست را كاليبره می كنند. سپس اين اطلاعات به صورت آماری تجزيه تحليل شده تا برای هر نوع كاست ها مقدار شيب و ضريب تصحيح را به دست آورند. برای هر بسته، برچسب باركدی تخصيص داده می شود كه شامل اطلاعاتی چون اطلاعات كاليبراسيون كارخانه، تاريخ انقضاء و  شماره كاست است.

بسته های حاوی كاست را می توان تا 8 ماه قبل از استفاده در دمای اتاق (40-30 درجه سانتيگراد) نگهداری كرد.در زمانی كه  كاست را به منظور اندازه گيری در محفظه قرار می دهيم  به صورت اتوماتيك كاليبره می شود. در حقيقت اين كاليبراسيون مقدار Sm را برای هر سنسور  تعيين می كند.

پس از كاليبراسيون و اتصال به سرنگ حاوی نمونه مورد نظر، دستگاه  به صورت اتوماتيك 125mul، از خون سرم يا مايع كنترل كيفيت را به داخل كشيده و اندزاه گيری را انجام می دهد، اطلاعات آناليز با اطلاعات كاليبراسيون موجود در كارخانه تركيب شده و سبب بالا رفتن كيفيت نتايج می شود. پس از آناليز، كاست به صورت اتوماتيك مهر و موم شده سپس آن را از دستگاه  در می آوريم.

اين كار در زمانی كمتر از 90 ثانيه انجام می گيرد. سيكل كامل كه شامل  كاليبراسيون  و مكش و اندازه  گيری است  حدود 150  ثانيه به طول می انجامد.

در صورت مواجهه با مشكلاتی چون، وجود حباب هوا، لخته خون، خطاهای كاليبراسيون كاست، خطاهای كابردی و... دستگاه پيغام داده و بايد اندازه گيری دوباره را تكرار كرد.

البته در 1500 اندازه گيری آزمايشی، ‌1درصد از آزمايشات با چنين مشكلاتی مواجه شد كه بخش بزرگی از آن به كاربران غير متخصص مربوط می شد.

در منوی دستگاه پارامترهای زيادی وجود دارد كه سبب می شود تا اين سيستم برای استفاده پرتابل يا متمركز مانند NICU اتاق اورژانس، اتاق عمل يا آزمايشگاه مناسب شود. از ديگر مزايای سيستم مبنی بر اپتود می توان به استفاده آسان، ‌دقت بالا و بدنه مقاوم آن اشاره كرد.

منبع:

      ماهنامه مهندسی و تجهیزات آزمایشگاهی


حمایت از سایت

هدف از راه اندازی این سایت بالا بردن سطح آگاهی و اطلاعات علمی و عمومی و همچنین ارائه مطالب جامع و کامل در تمامی زمینه های علمی، پزشکی، نجوم و ... به شما عزیزان می باشد. از آنجایی که اداره و پایداری سایت ملزم به پرداخت هزینه می باشد بنابراین احتیاج به پشتیبانی و حمایت شما داریم. در صورت تمایل از "اینجا" به تلسمیک کمک کنید.
با تشکر فراوان - مدیریت پایگاه علمی فرهنگی تلسمیک

تبلیغات

تبلیغات

دیدن این مطالب نیز به شما توصیه می شود:

درباره این مطلب (0) نظر ارسال شده است. شما هم نظری ارسال کنید:
نام شما:
رايانامه*:
تارنما:
کد تاييد*:
ارسال نظر به صورت خصوصي - نظرات خصوصي نمايش داده نخواهند شد.

به چند نکته در ارسال نظر توجه کنيد:
لطفاً نظرات غير مرتبط با اين مطلب را اينجا ارسال نکنيد.
رايانامه شما منتشر نخواهد شد.
برای مشاهده تارنما نظردهنده روی نام کلیک کنید.
نظرات شما پس از تاييد مديريت نمايش داده خواهد شد.

تبلیغات