Optical noninvasive transcutaneous measurements of blood glucose concetration

Мерење концентрације глукозе у крви је једна од неопходних процедура у терапији и контроли дијабетеса, и најчешће коришћена метода подразумева узорковање капиларне крви из прста – што је инвазивно, болно и временом доводи до оштећења коже. Безболна гликемијска контрола би омогућила побољшање квалитета живота особа са дијабетесом и спречила појаву хипогликемијских и хипергликемијских епизода. Иако истраживачке групе широм света већ деценијама покушавају да развију неинвазивну методу са довољном специфичношћу, сензитивношћу и тачности, до данас није дошло до развоја и комерцијалне употребе ниједног таквог уређаја. Предмет истраживања ове дисертације је анализа постојећег стања и проналажење адекватне медоте на бази интеракције светлости и коже, преко које се на неинвазиван начин може, на основу сигнала или слике доћи до информације о вредности концентрације глукозе у крви. У дисертацији је испитиван потенцијал неколико већ постојећих спектроскопских метода као и имиџининг метода (у видљивом, блиском инфрацрвеном и средњем инфрацрвеном региону) у сврху аквизиције и издвајања сигнала карактеристичног за глукозу и мерење њене концентрације, а такође је развијена метода и алгоритам опто-магнетне имиџинг спектроскопије која на бази RGGB слике омогућује за испитанике који већ постоје у бази мерење концентрације глукозе на основу опто-магнетног спектра коже и крвних судова испитаника...The determination of the blood glucose level is a necessary procedure in diabetes therapy, where the most common technique involves finger-prick capillary measurements, which is invasive, uncomfortable and gradually leads to skin damage. Painless glycemic control would improve the quality of life of patients by increasing compliance to monitoring blood glucose levels and thus hyper- and hypoglycemic episodes. Although research groups have been trying for decades to separate non-invasive glucose information from interference compounds, none of the available commercial devices offers enough specificity, sensitivity, and accuracy to replace lancet derived readings. Thе subject of this thesis is to аnalize the present state of art in this field and find better methods based on interaction of light and skin, through which a non-invasive method can be based on the signal or image to get information about the concentration of glucose in the blood. The dissertation examines the potential of several existing spectroscopic methods and imaging methods (in the visible, near-infrared and mid-infrared region) for the acquisition and allocation of characteristic signals of glucose and measuring of its concentration. It also examines a newly developed methods and algorithms of opto-magnetic imaging spectroscopy, which is based on RGGB images and allows for respondents who already exist in the database measurements of glucose concentration based on the opto-magnetic spectrum of the skin..

Discrimination of mineral waters using near-infrared spectroscopy and aquaphotomics

Voda je jedan od najčešće proučavanih materijala danas, ali uprkos tome mnoga njena svojstva i dalje ostaju nerazjašnjena i neiskorišćena. Voda je neophodna za normalno funkcionisanje ljudskog organizma, između ostalog zbog toga, poremećaji homeostaze vode u ljudskom telu leže u osnovi mnogih bolesti. Analiza vode i njene ispravnosti za upotrebu u ljudskoj ishrani uglavnom se bavi onim što je prisutno u vodi - koncentracijama prisutnih anjona i katjona, prisustvu mikroorganizama i tome slično. Različite vrste voda se uglavnom i klasifikuju upravo prema vrsti elemenata koje sadrže, koncentraciji prisutnih elemenata, ili pak odnosu između koncentracije pojedinih jona i njihov efekat na ljudski organizam razmatra se isključivo sa stanovišta elemenata koji su prisutni u njoj. Međutim, iako je poznato da voda formira različite tipove klastera i može da se organizuje oko prisutnih elemenata na različite načine, klasifikacija voda na osnovu organizacije vodenih molekula, kao i efekti različito klasterizovanih voda na ljudski organizam, za sada ne postoje u literaturi. Predmet ovog rada je diskriminacija različitih tipova voda na osnovu njihovog spektra u bliskoj infracrvenoj oblasti, primenom multivarijacione analize i novog pristupa za tumačenje spektara vode u ovoj oblasti, poznatog pod nazivom Akvafotomika. Akvafotomika interpretira spektar vode u bliskoj infracrvenoj oblasti preko posebno definisanih koordinata vodene mreže (water matrix coordinates - WAMACS) kojima su pripisani tačno određeni vibracioni modovi molekula vode preko kojih se može zaključiti kako se molekuli vode organizuju. Na taj način, primenom saznanja akvafotomike, voda se može opisati i sa aspekta njene organizacije u klastere, i time se omogućiti i diskriminacija voda na osnovu prisutnih tipova klastera što je prikazano u ovom radu.Despite that water is one of the most studied materials today its dynamic properties are still not well understood. Water state in human organism is of high importance for normal healthy functioning of human body. Different kinds of water are usually classified according to their present solutes and concentrations of these solutes, but though it is known that water molecules can form clusters around present solutes, the classification of waters based on types of water molecular organization and present clusters is not present in current literature. In this study the multivariate analysis is used for classification of commercial mineral waters based on their near-infrared spectra (NIR). Further, the aquaphotomics has been applied, a new approach for interpretation of near-infrared spectra of water, that gives insight into organization of water molecules in each of these waters

Characterization of fullerenes thin film on glasses by UV/VIS/NIR and opto-magnetic imaging spectroscopy

UV/VIS ispitivanje stakala za naočare je deo standardne procedure. Razlog za to jeste da se osigura UV zaštita oka, kao i karakterizacija transparentnosti materijala. Međutim, mi smo proširiti ovo istraživanje u IR domenu iz razloga što kvalitet stakala ne zavisi samo od UV zaštite i njihove transparentnosti, već takođe i od komplementarnosti i kompatibilnosti oka sa optičkim pomagalom. Izvršena je karakterizacija osnovnog materijala za naočare pomoću UV/VIS/NIR i nove metode opto-magnetne imidžing spektroskopije. Nakon toga osnovni materijal dopiran je fulerenom, i izvršena je karakterizacija primenom istih metoda. Rezultati su predstavljeni i diskutovani.UV/VIS spectroscopic characterization of glasses is a part of the standard procedure. The reasons to do it is to ensure UV eye protection and characterization of material transparency. However, we extend this research to IR domain because the quality of glasses depend not only on UV protection and their transparency but on complementarities and compatibility of eye vision with optical device, also. We characterized basic material of glasses by UV/VIS/NIR and novel method Opto-magnetic Imaging Spectroscopy (OMIS). Then we doped basic material with fullerenes, and characterized them using the same procedure. Results are presented and discussed

Discrimination of mineral waters using near-infrared spectroscopy and aquaphotomics

Voda je jedan od najčešće proučavanih materijala danas, ali uprkos tome mnoga njena svojstva i dalje ostaju nerazjašnjena i neiskorišćena. Voda je neophodna za normalno funkcionisanje ljudskog organizma, između ostalog zbog toga, poremećaji homeostaze vode u ljudskom telu leže u osnovi mnogih bolesti. Analiza vode i njene ispravnosti za upotrebu u ljudskoj ishrani uglavnom se bavi onim što je prisutno u vodi - koncentracijama prisutnih anjona i katjona, prisustvu mikroorganizama i tome slično. Različite vrste voda se uglavnom i klasifikuju upravo prema vrsti elemenata koje sadrže, koncentraciji prisutnih elemenata, ili pak odnosu između koncentracije pojedinih jona i njihov efekat na ljudski organizam razmatra se isključivo sa stanovišta elemenata koji su prisutni u njoj. Međutim, iako je poznato da voda formira različite tipove klastera i može da se organizuje oko prisutnih elemenata na različite načine, klasifikacija voda na osnovu organizacije vodenih molekula, kao i efekti različito klasterizovanih voda na ljudski organizam, za sada ne postoje u literaturi. Predmet ovog rada je diskriminacija različitih tipova voda na osnovu njihovog spektra u bliskoj infracrvenoj oblasti, primenom multivarijacione analize i novog pristupa za tumačenje spektara vode u ovoj oblasti, poznatog pod nazivom Akvafotomika. Akvafotomika interpretira spektar vode u bliskoj infracrvenoj oblasti preko posebno definisanih koordinata vodene mreže (water matrix coordinates - WAMACS) kojima su pripisani tačno određeni vibracioni modovi molekula vode preko kojih se može zaključiti kako se molekuli vode organizuju. Na taj način, primenom saznanja akvafotomike, voda se može opisati i sa aspekta njene organizacije u klastere, i time se omogućiti i diskriminacija voda na osnovu prisutnih tipova klastera što je prikazano u ovom radu.Despite that water is one of the most studied materials today its dynamic properties are still not well understood. Water state in human organism is of high importance for normal healthy functioning of human body. Different kinds of water are usually classified according to their present solutes and concentrations of these solutes, but though it is known that water molecules can form clusters around present solutes, the classification of waters based on types of water molecular organization and present clusters is not present in current literature. In this study the multivariate analysis is used for classification of commercial mineral waters based on their near-infrared spectra (NIR). Further, the aquaphotomics has been applied, a new approach for interpretation of near-infrared spectra of water, that gives insight into organization of water molecules in each of these waters

Multivariate analysis and self organizing feature maps applied for data analysis of opto-magnetic spectra of water

Kako bi se došlo do novih saznanja u vezi strukture vode u tečnom stanju, kao i interakcija između rastvorenih materija i molekula vode korišćena je nova metoda bazirana na upotrebi opto-magnetne imidžing spektroskopije (OMIS). U pitanju je metoda bazirana na interakciji vidljive svetlosti i materije, koja omogućava detekciju odnosa električnih i magnetnih sila hemijskih veza, te daje podatke kako o klasičnim tako i kvantnim dejstvima između molekula vode i drugih materija u njoj rastvorenih. U ovom radu su za ekstrakciju i analizu podataka, dobijenih upotrebom OMIS, korišćene multivarijantna analiza i neuronske mreže. Ovim pristupom smo pokušali da izvršimo karakterizaciju i diskriminaciju različitih voda sa posebnim interesovanjem za njihove para- i dija- magnetne osobine koje ukazuju na samoorganizaciju (klasterizaciju) molekula vode. Pokazano je da upotreba OMIS paralelno sa tehnikama multivarijantne analize i neuronskih mreža može uspešno biti upotrebljena za karakterizaciju voda sa aspekta njihove strukturalne organizacije.To obtain new knowledge about structure of liquid water and interaction between constituents in water and water molecules a new approach has been attempted using Opto-magnetic imaging spectroscopy (OMIS), a method based on a light-matter interaction. Opto-magnetic imaging spectroscopy is a novel method which takes into account a ratio of electrical and magnetic forces of chemical bonds, and therefore collects data of both classical and quantum actions of water molecules and other constituents. Here, we used OMIS combined with techniques of multivariate analysis and neural networks to extract data from spectra of different waters. We have investigated this method for characterization and discrimination of different waters with special interest in para- diamagnetic properties which can give clues about organization of water molecules. It is shown that the use of OMIS together with multivariate techniques and neural networks approach can be proved as a valuable asset in characterizing water from the aspect of its structural organization

Multivariate analysis and self organizing feature maps applied for data analysis of opto-magnetic spectra of water

Kako bi se došlo do novih saznanja u vezi strukture vode u tečnom stanju, kao i interakcija između rastvorenih materija i molekula vode korišćena je nova metoda bazirana na upotrebi opto-magnetne imidžing spektroskopije (OMIS). U pitanju je metoda bazirana na interakciji vidljive svetlosti i materije, koja omogućava detekciju odnosa električnih i magnetnih sila hemijskih veza, te daje podatke kako o klasičnim tako i kvantnim dejstvima između molekula vode i drugih materija u njoj rastvorenih. U ovom radu su za ekstrakciju i analizu podataka, dobijenih upotrebom OMIS, korišćene multivarijantna analiza i neuronske mreže. Ovim pristupom smo pokušali da izvršimo karakterizaciju i diskriminaciju različitih voda sa posebnim interesovanjem za njihove para- i dija- magnetne osobine koje ukazuju na samoorganizaciju (klasterizaciju) molekula vode. Pokazano je da upotreba OMIS paralelno sa tehnikama multivarijantne analize i neuronskih mreža može uspešno biti upotrebljena za karakterizaciju voda sa aspekta njihove strukturalne organizacije.To obtain new knowledge about structure of liquid water and interaction between constituents in water and water molecules a new approach has been attempted using Opto-magnetic imaging spectroscopy (OMIS), a method based on a light-matter interaction. Opto-magnetic imaging spectroscopy is a novel method which takes into account a ratio of electrical and magnetic forces of chemical bonds, and therefore collects data of both classical and quantum actions of water molecules and other constituents. Here, we used OMIS combined with techniques of multivariate analysis and neural networks to extract data from spectra of different waters. We have investigated this method for characterization and discrimination of different waters with special interest in para- diamagnetic properties which can give clues about organization of water molecules. It is shown that the use of OMIS together with multivariate techniques and neural networks approach can be proved as a valuable asset in characterizing water from the aspect of its structural organization

Biocompatibility and cytotoxicity study of nanophotonic rigid gas permeable contact lens material

Since materials on nanoscale have different characteristics from materials on macro scale their biocompatibility should be precisely and specifically investigated. Fullerenes, the third carbon allotrope, are one of the most used nanomaterials. The least stable and the most common is fullerene C-60. One of the main disadvantages of fullerene is its low solubility in water. In order to make it soluble, it must be functionalized with polar groups such as -OH and -COOH. From all the water soluble fullerenes the most important ones are those with -OH groups attached named fullerols. We have developed new materials for contact lenses by adding fullerene (C-60) and fullerol (C-60(OH)(24)) into PMMA. The aim of our investigation was to compare the influences of those materials on aqueous solutions similar to tear film. For the analysis of the solutions we used opto-magnetic imaging and IR spectroscopy. The acquired spectrums were commented and compared with the standard contact lens material, which was analyzed by the same methods. The ISO 10993 cytotoxicity test on extract of nanophotonic material with incorporated C-60 was done as well. This research contributes to better understanding of the biocompatibility of new rigid gas permeable contact lens materials

Aquagrams: Water spectral pattern as characterization of hydrogenated nanomaterial

Akvafotomika je novi pristup u nauci o određivanju osobina vode, vodenih rastvora i prisustva u malim koncentracijama biomolekula i nanomaterijala u vodi. Ova metoda se zasniva na karakterističnim frekvencijama vode u infracrvenom (IR) spektru na osnovu kojih se izrađuje dijagram oblika 'paukove mreže'. Promene u spektralnom dijagramu 'paukove mreže' čiste vode, daje informaciju o prisustvu i organizaciji dodate materije u vodu. Intenzitet poremećaja spektara je proporcionalan koncentraciji i organizaciji unete materije. Umesto da se identifikuju čestice (mikro, nano) u vodi, kao što je do sada bio slučaj (a što je dosta teško kada se radi o malim koncentracijama), u akvagramu se identifikuju najmanje promene matriksa vode na karakterističnim frekvencijama. Karakter i intenzitet tih promena u našem istraživanju omogućio je analizu interakciju vode i hidrogenizovanog fulerenskog nanomaterijala. Infracrvena spektroskopija, sa novim razvijenim konceptom, 'paukovom mrežom', se koristi da se ispita organizacija novo nastale supstance, kao mešavina harmonizovanog hidrogeniranog fulerena (NHS) i demineralizovane vode. Analiza akvagrama pokazuje da se NHS organizovao u formu Fibonačijevog niza (Φ/φ) i da preko vodoničnih veza deluje na okruženje. Efekat razblaživanja NHS supstance na vodu se takođe analizira pomoću akvagrama. Kako su neki biološki molekuli (mikrotubule, kolagen, klatrin i dr) uređeni po Fibonačijevom nizu to prisustvo NHS u biološkim tkivima može postati pokretačka snaga prirodnog procesa samo-reparacije, koja je u stanju da obnovi oštećene funkcije biomolekula. Ova istraživanja otvaraju mogućnost razvoja nanomedicine na bazi hidrogenizovanih nanomaterijala u vodi koji su uređeni i sposobni da generišu vibracione modove po Fibonačijemom nizu.Aquaphotomics is a novel approach in science to water and aqueous solutions investigation. It is based on near infrared spectroscopy (NIR), which in our current research is used for the analysis of interaction of water and hydrogenated nanomaterial. Infrared spectroscopy, with a new developed concept that of aquaphotomics, is used to investigate the organization of matter as a mixture of harmonized hydrogenated fullerene (nano-harmonized substance-NHS) and pure water. Composition of matter follows a harmonized form by Fibonacci law (Φ/φ). The effect of dilution on nano-harmonized substance is analyzed and the results of near infrared spectra are presented in the form of aquagrams. The presence of NHS in biological tissues is a driving force of natural self-assembly process, which is capable of restoration of damaged functions of biomolecules

Ispitivanje uticaja nanofotoničnih tvrdih gaspropusnih kontaktnih sočiva na fiziološki rastvor akvafotomikom i opto-magnetnom imidžing spektroskopijom

Contact lenses represent biomaterials whose main purpose is to correct the specific refractive anomaly of the eye. Since the visible light on its way to the perceptive part of the eye has to pass through the contact lens, the characteristics of the materials can significantly modify it. Biocompatibility of the lens surface is one of the most important issues in achieving contact lens wear without problems. We have developed new nanophotonic contact lens materials by adding nanoparticles of fullerene and their derivatives into standard PMMA RGP material. The aim of our investigation was to compare the influences of these materials on saline which is similar to tear film. We used NIR spectroscopy based on 12 vibration modes, called Aquaphotomics and Opto-magnetic imaging (OMI) spectroscopy as methods for characterizing the samples. The acquired spectrums were commented and compared with the standard contact lens material, which was analyzed by the same method.Kontaktna sočiva predstavljaju biomaterijale čija je glavna svrha ispravljanje specifičnih refraktivnih anomalija oka. S obzirom da vidljiva svetlost na svom putu do perceptivnog dela oka mora da prođe kroz kontaktno sočivo, karakteristike materijala mogu značajno da je izmene. Biokompatibilnost površine sočiva je jedno od najvažnijih pitanja u postizanju nošenja kontaktnih sočiva bez problema. Razvijeni su novi nanofotonični materijali za kontaktna sočiva dodavanjem nanočestica fulerena i njihovih derivata u standardni PMMA materijal za tvrda gas propusna kontaktna sočiva. Cilj našeg istraživanja je bilo poređenje uticaja ovih materijala na fiziološki rastvor koji je sličan suznom filmu. Za karakterizaciju uzoraka koristili smo blisku infracrvenu spektroskopiju zasnovanu na 12 vibracionih modova, poznatiju kao Akvafotomika. Dobijeni spektri su komentarisani i upoređeni sa standardnim materijalom za kontaktna sočiva, koji je analiziran istom metodom

Aquagrams: Water spectral pattern as characterization of hydrogenated nanomaterial

Akvafotomika je novi pristup u nauci o određivanju osobina vode, vodenih rastvora i prisustva u malim koncentracijama biomolekula i nanomaterijala u vodi. Ova metoda se zasniva na karakterističnim frekvencijama vode u infracrvenom (IR) spektru na osnovu kojih se izrađuje dijagram oblika 'paukove mreže'. Promene u spektralnom dijagramu 'paukove mreže' čiste vode, daje informaciju o prisustvu i organizaciji dodate materije u vodu. Intenzitet poremećaja spektara je proporcionalan koncentraciji i organizaciji unete materije. Umesto da se identifikuju čestice (mikro, nano) u vodi, kao što je do sada bio slučaj (a što je dosta teško kada se radi o malim koncentracijama), u akvagramu se identifikuju najmanje promene matriksa vode na karakterističnim frekvencijama. Karakter i intenzitet tih promena u našem istraživanju omogućio je analizu interakciju vode i hidrogenizovanog fulerenskog nanomaterijala. Infracrvena spektroskopija, sa novim razvijenim konceptom, 'paukovom mrežom', se koristi da se ispita organizacija novo nastale supstance, kao mešavina harmonizovanog hidrogeniranog fulerena (NHS) i demineralizovane vode. Analiza akvagrama pokazuje da se NHS organizovao u formu Fibonačijevog niza (Φ/φ) i da preko vodoničnih veza deluje na okruženje. Efekat razblaživanja NHS supstance na vodu se takođe analizira pomoću akvagrama. Kako su neki biološki molekuli (mikrotubule, kolagen, klatrin i dr) uređeni po Fibonačijevom nizu to prisustvo NHS u biološkim tkivima može postati pokretačka snaga prirodnog procesa samo-reparacije, koja je u stanju da obnovi oštećene funkcije biomolekula. Ova istraživanja otvaraju mogućnost razvoja nanomedicine na bazi hidrogenizovanih nanomaterijala u vodi koji su uređeni i sposobni da generišu vibracione modove po Fibonačijemom nizu.Aquaphotomics is a novel approach in science to water and aqueous solutions investigation. It is based on near infrared spectroscopy (NIR), which in our current research is used for the analysis of interaction of water and hydrogenated nanomaterial. Infrared spectroscopy, with a new developed concept that of aquaphotomics, is used to investigate the organization of matter as a mixture of harmonized hydrogenated fullerene (nano-harmonized substance-NHS) and pure water. Composition of matter follows a harmonized form by Fibonacci law (Φ/φ). The effect of dilution on nano-harmonized substance is analyzed and the results of near infrared spectra are presented in the form of aquagrams. The presence of NHS in biological tissues is a driving force of natural self-assembly process, which is capable of restoration of damaged functions of biomolecules