Mid-Infrared Laser Spectroscopy for Glucose Sensing

Abstract

For å kunne lage en enhet for kontinuerlig glukosemåling som har lang levetid er det ønskelig med en forbedret spektroskopi målemetode for å kunne detektere glukose. En slik enhet vil kunne forbedre livskvaliteten til diabetikere. I denne avhandlingen ble målinger anskaffet ved bruk av fiber-koblet transmisjonsspektroskopi og dempet totalrefleksjons (ATR) spektroskopi. Regresjonsanalyse ble brukt på målingene for begge oppsettene for å kunne predikere glukose konsentrasjonene i de målte prøvene. Prøvene som ble målt var; ren glukoseløsning, ren beta-hydroksybutyrat (BHA) løsning og en mer kompleks løsning med glukose, laktat, urea og albumin oppløst i fosfatbufret saltvann. Disse andre analyttene ble inkludert i målingene for å finne oppsettets glukose selektivitet da disse har overlappende absorpsjonsbånd med glukose. Det er også ønskelig å kunne predikere disse analyttene da de kan relateres til komplikasjoner som sepsis/septisk sjokk og nyresvikt. BHA ble målt for å se hvor godt oppsettene klarte å predikere konsentrasjonen og dermed kan bli brukt til å detektere diabetisk ketoacidose. Gjennom regresjonsanalysen ble det kvadratiske gjennomsnittets avvik av prediksjon (RMSEP) og det kvadratiske gjennomsnittets avvik av kryss-validering (RMSECV) funnet til å være mindre for målingene fra det fiber-koblede transmisjons oppsettet. Dette førte til konklusjonen om at dette oppsettet var bedre enn ATR oppsettet. Det fiber-koblede transmisjons oppsettet klarte også å predikere konsentrasjonene av urea, laktat og albumin med høy nøyaktighet. RMSEP/RMSECV verdiene som en oppnådde for glukose selektiviteten med dette oppsett var veldig gode, som indikerer at denne målingsmetoden kan sørge for robuste og nøyaktige glukose prediksjoner. Analytt konsentrasjonene var helt ned til fysiologiske konsentrasjoner. Den lineære responsen oppnådd gjennom regresjonsanalysen indikerer at nøyaktige målinger av glukosekonsentrasjonene var mulig, til og med for lave konsentrasjoner (< 100 mg/dl). ATR oppsettet klarte også å predikere glukose selektiviteten og sensitiviteten samt albumin konsentrasjonen, med høy nøyaktighet. Dette oppsettet klarte ikke å predikere konsentrasjonene av urea og laktat på grunn av det lave signal-til-støy forholdet. Spektrene som en oppnådde med ATR oppsettet viste at signalet var veldig lavt og oppsettet kan dermed forbedres i sammenheng med å forsterke signalet.

An improved mid-infrared spectroscopy measurement method for detecting glucose is wanted in order to make a continuous glucose monitoring device with a longer lifetime in order to improve the quality of life for diabetics. Measurements were obtained through fibre-coupled transmission spectroscopy and attenuated total reflection (ATR) spectroscopy. Regression analysis was then performed on the measurements from both of the setups in order to predict the glucose concentrations in the measured samples. The samples that were measured were; pure glucose solution, pure beta-Hydroxybutyric acid (BHA) solution and a more complex solution with glucose, lactate, urea and albumin dissolved in phosphate-buffered saline. These other analytes were included in the measurements in order to find the setups' glucose selectivity since they have overlapping absorption bands with glucose. However, they are also related to complications like sepsis/septic shock and renal failure and therefore it could be beneficial to predict these values as well. BHA was measured to see how well the setups would be able to predict the concentration in order to detect diabetic ketoacidosis. Through regression analysis the root-mean square error of prediction (RMSEP) and the root-mean square error of cross-validation (RMSECV) were found to be smaller for the measurements obtained with the fibre-coupled transmission setup. This lead to the conclusion that this setup was superior to the ATR setup. The fibre-coupled transmission setup was also able to predict the concentration of urea, lactate and albumin with high accuracy. The RMSEP/RMSECV values achieved for the glucose selectivity by the fibre-coupled transmission setup was very good, which indicates that the measurement method provides a robust and accurate glucose prediction. The analyte concentrations measured were down to physiological concentrations. The linear response obtained through regression analysis indicated that accurate measurements of glucose concentrations was possible even at low concentrations (< 100 mg/dl). The ATR setup was also able to predict the glucose selectivity and sensitivity as well as the albumin concentration with high accuracy. It was not able to predict the concentrations of urea and lactate due to a low signal-to-noise ratio. The spectra obtained with the setup showed that the signal was very low and improvements can be done to this setup in regards to increasing the signal strength.