WikiDer > Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне

Near-infrared spectroscopy
Спектр поглощения в ближнем ИК-диапазоне дихлорметан показывая сложное перекрытие обертоны характеристик поглощения в среднем ИК-диапазоне.

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRS) это спектроскопический метод, который использует ближний инфракрасный регион электромагнитный спектр (от 780 нм до 2500 нм). Типичные области применения включают медицинскую и физиологическую диагностику и исследования, в том числе содержание сахара в крови, пульсоксиметрия, функциональная нейровизуализация, спортивная медицина, спортивная подготовка высших достижений, эргономика, реабилитация, неонатальный исследование, мозг компьютерный интерфейс, урология (сокращение мочевого пузыря) и неврология (нервно-сосудистая связь). Есть также приложения в других областях, таких как фармацевтический, пищевой и агрохимический контроль качества, химия атмосферы, исследования горения и астрономия.

Теория

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне основана на молекулярном обертоне и комбинированных колебаниях. Такие переходы бывают запрещенный посредством правила отбора из квантовая механика. В результате молярная поглощающая способность в ближнем ИК-диапазоне обычно довольно мала.[нужна цитата] Одним из преимуществ является то, что NIR обычно может проникать в образец гораздо глубже, чем средний инфракрасный радиация. Таким образом, спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне не является особенно чувствительным методом, но она может быть очень полезной при зондировании объемного материала с небольшой пробоподготовкой или без нее.

Полосы молекулярного обертона и комбинации, видимые в ближнем ИК-диапазоне, обычно очень широкие, что приводит к сложным спектрам; может быть трудно присвоить определенные свойства конкретным химическим компонентам. Многомерный (несколько переменных) методы калибровки (например, анализ основных компонентов, частичные наименьшие квадраты, или же искусственные нейронные сети) часто используются для извлечения желаемой химической информации. Тщательная разработка набора калибровочных образцов и применение методов многомерной калибровки имеет важное значение для аналитических методов в ближней инфракрасной области.[1]

История

Спектр жидкого этанола в ближней инфракрасной области.

Открытие энергии в ближнем инфракрасном диапазоне приписывают Уильям Гершель в 19 ​​веке, но первое промышленное применение началось в 1950-х годах. В первых приложениях NIRS использовался только как дополнительный модуль к другим оптическим устройствам, которые использовали другие длины волн, такие как ультрафиолетовый (УФ), видимый (Vis) или средний инфракрасный (MIR) спектрометры. В 1980-х годах появилась автономная система NIRS, состоящая из одного блока, но применение NIRS было больше сосредоточено на химическом анализе. С введением света-волоконная оптика в середине 1980-х и с развитием монохроматора-детектора в начале 1990-х, NIRS стал более мощным инструментом для научных исследований.

Этот оптический метод может быть использован в ряде областей науки, в том числе в физика, физиология, или лекарство. Только в последние несколько десятилетий NIRS начал использоваться в качестве медицинского инструмента для наблюдения за пациентами.

Приборы

Приборы для спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне (NIR) аналогичны приборам для УФ-видимого и среднего ИК-диапазонов. Есть источник, детектор и диспергирующий элемент (например, призма, или, чаще, дифракционная решетка), чтобы можно было регистрировать интенсивность на разных длинах волн. БИК-инструменты с преобразованием Фурье используя интерферометр также распространены, особенно для длин волн выше ~ 1000 нм. В зависимости от образца спектр может быть измерен в отражении или пропускании.

Общий раскаленный или кварцевые галогенные лампы чаще всего используются в качестве широкополосных источников ближнего инфракрасного излучения для аналитических приложений. Светодиоды (Светодиоды) также могут быть использованы. Для высокоточной спектроскопии со сканированием по длине волны лазеры и частотные гребни в последнее время стали мощными источниками, хотя иногда и с более длительными временными рамками. При использовании лазеров может быть достаточно одного детектора без каких-либо дисперсионных элементов.

Тип используемого детектора в первую очередь зависит от диапазона измеряемых длин волн. На основе кремния ПЗС-матрицы подходят для более короткого диапазона ближнего ИК-диапазона, но не обладают достаточной чувствительностью в большей части диапазона (более 1000 нм). InGaAs и PbS устройства более подходят, хотя и менее чувствительны, чем ПЗС. В одном приборе можно комбинировать кремниевые детекторы и детекторы InGaAs. Такие приборы могут записывать спектры в УФ-видимом и ближнем ИК-диапазонах одновременно.

Инструменты, предназначенные для химическая визуализация в ближнем ИК-диапазоне можно использовать двухмерный матричный детектор с акустооптический перестраиваемый фильтр. Несколько изображений могут быть записаны последовательно в разных узких диапазонах длин волн.[2]

Многие коммерческие инструменты для УФ / видимой спектроскопии способны записывать спектры в ближнем ИК-диапазоне (возможно, до ~ 900 нм). Таким же образом диапазон некоторых приборов среднего ИК диапазона может расширяться до ближнего ИК диапазона. В этих приборах детектор, используемый для длин волн ближнего инфракрасного диапазона, часто является тем же детектором, который используется для «основного» интересующего диапазона прибора.

Приложения

Типичные приложения NIR-спектроскопии включают анализ пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, продуктов сгорания, а также основной раздел астрономической спектроскопии.

Астрономическая спектроскопия

Ближний инфракрасный спектроскопия в астрономия для изучения атмосфер холодных звезд, в которых могут образовываться молекулы. На этом изображении можно увидеть колебательные и вращательные сигнатуры таких молекул, как оксид титана, цианид и монооксид углерода. длина волны диапазон и может дать ключ к разгадке звездного спектральный класс. Он также используется для изучения молекул в других астрономических контекстах, таких как молекулярные облака где образуются новые звезды. Астрономическое явление, известное как покраснение означает, что на длины волн ближнего инфракрасного диапазона меньше влияет пыль в межзвездной среде, так что области, недоступные для оптической спектроскопии, могут быть изучены в ближнем инфракрасном диапазоне. Поскольку пыль и газ тесно связаны, именно в этих пыльных областях инфракрасная спектроскопия наиболее полезна. Спектры очень молодых звезд в ближнем инфракрасном диапазоне дают важную информацию об их возрасте и массе, что важно для понимания звездообразования в целом. Астрономические спектрографы также были разработаны для обнаружения экзопланеты с использованием Доплеровский сдвиг родительской звезды из-за лучевой скорости планеты вокруг звезды.[3][4]

сельское хозяйство

Ближний инфракрасный спектроскопия широко применяется в сельском хозяйстве для определения качества кормов, зерна и зерновых продуктов, масличных культур, кофе, чая, специй, фруктов, овощей, сахарного тростника, напитков, жиров и масел, молочных продуктов, яиц, мяса и других сельскохозяйственных продуктов. . Он широко используется для количественной оценки состава сельскохозяйственной продукции, поскольку соответствует критериям точности, надежности, скорости, неразрушающего воздействия и недорого.[5]

Удаленное наблюдение

Были разработаны методы получения изображений в ближнем ИК-диапазоне. Гиперспектральная визуализация был применен для широкого круга задач, включая дистанционное исследование растений и почв. Данные можно собирать с помощью приборов на самолетах или со спутников для оценки почвенного покрова и химического состава почвы.

Дистанционный мониторинг или дистанционное зондирование из ближней инфракрасной области спектра также могут использоваться для изучения атмосферы. Например, измерения атмосферных газов производятся по спектрам NIR, измеренным с помощью ОСО-2, ГОСАТ, а TCCON.

Материаловедение

Были разработаны методы БИК-спектроскопии микроскопических участков образцов для измерения толщины пленки, исследования оптических характеристик наночастиц и оптических покрытий для телекоммуникационной промышленности.

Медицинское использование

Применение NIRS в медицине основано на его способности предоставлять информацию о насыщении гемоглобина кислородом в микроциркуляция.[6] Вообще говоря, его можно использовать для оценки оксигенации и микрососудистой функции в головном мозге (церебральный NIRS) или в периферических тканях (Peripheral NIRS).

Церебральный NIRS

Когда определенная область мозга активируется, локализованный объем крови в этой области быстро изменяется. С помощью оптической визуализации можно измерить местоположение и активность определенных областей мозга путем непрерывного мониторинга уровня гемоглобина в крови путем определения коэффициентов оптического поглощения.[7].

Infrascanner 1000, сканер NIRS, используемый для обнаружения внутричерепного кровотечения.

NIRS можно использовать как инструмент быстрой проверки возможных внутричерепное кровотечение случаях, поместив сканер в четыре точки на голове. У здоровых пациентов мозг равномерно поглощает ближний инфракрасный свет. Когда происходит внутреннее кровотечение из-за травмы, кровь может концентрироваться в одном месте, в результате чего ближний инфракрасный свет поглощается больше, чем в других местах, что обнаруживает сканер.[8]

NIRS можно использовать для неинвазивной оценки функции мозга через неповрежденный череп у людей путем обнаружения изменений концентрации гемоглобина в крови, связанных с нервной активностью, например, в ветвях мозга. когнитивная психология как частичная замена фМРТ техники.[9] NIRS можно использовать на младенцах, и NIRS намного более портативен, чем аппараты фМРТ, доступны даже беспроводные приборы, которые позволяют проводить исследования на свободно движущихся объектах.[10][11] Однако NIRS не может полностью заменить фМРТ, потому что его можно использовать только для сканирования кортикальных тканей, а фМРТ можно использовать для измерения активации по всему мозгу. Были разработаны специальные общедоступные статистические инструменты для анализа автономных и комбинированных измерений NIRS / MRI.[12] (НИРС-СПМ).

Пример сбора данных с помощью fNIRS (Hitachi ETG-4000)

Применение в функциональном картировании коры головного мозга человека называется диффузной оптической томографией (DOT), визуализацией в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRI) или функциональным NIRS (fNIR/ fNIRS).[13] Термин диффузная оптическая томография используется для трехмерного NIRS. Термины NIRS, NIRI и DOT часто используются как синонимы, но у них есть некоторые различия. Наиболее важное различие между NIRS и DOT / NIRI заключается в том, что DOT / NIRI используется в основном для обнаружения изменений оптических свойств ткани одновременно из нескольких точек измерения и отображения результатов в виде карты или изображения в определенной области, тогда как NIRS предоставляет количественные данные в абсолютном выражении до нескольких конкретных точек. Последний также используется для исследования других тканей, таких как, например, мышцы,[14] грудь и опухоли.[15] NIRS можно использовать для количественной оценки кровотока, объема крови, потребления кислорода, скорости реоксигенации и времени восстановления мышц в мышцах.[14]

Используя несколько длин волн и методов с временным разрешением (частотная или временная область) и / или с пространственным разрешением, кровоток, объем и абсолютное насыщение ткани ( или Индекс насыщенности ткани (TSI)) может быть определен количественно.[16] Применения оксиметрии с помощью методов NIRS включают нейробиологию, эргономику, реабилитацию, интерфейс мозг-компьютер, урологию, обнаружение заболеваний, влияющих на кровообращение (например, заболевания периферических сосудов), обнаружение и оценку опухолей молочной железы и оптимизацию обучения спортивная медицина.

Использование NIRS в сочетании с болюсным введением индоцианин зеленый (ICG) использовался для измерения церебрального кровотока[17][18] и скорость мозгового метаболизма потребления кислорода (CMRO2).[19]Также было показано, что CMRO2 можно рассчитать с помощью комбинированных измерений NIRS / MRI.[20] Кроме того, метаболизм можно исследовать путем разрешения дополнительного митохондриального хромофора, цитохром-с-оксидазы, с помощью широкополосного NIRS.[21]

NIRS начинает использоваться в педиатрической реанимации, чтобы помочь пациентам после кардиохирургических вмешательств. Действительно, NIRS может измерять сатурацию венозного кислорода (SVO2), которая определяется сердечным выбросом, а также другими параметрами (FiO2, гемоглобином, потреблением кислорода). Таким образом, изучение NIRS позволяет врачам интенсивной терапии оценить сердечный выброс. NIRS предпочитают пациенты, потому что он неинвазивен, безболезнен и не требует ионизирующего излучения.

Оптической когерентной томографии (ОКТ) - это еще один метод медицинской визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяющий получать трехмерные изображения с высоким разрешением наравне с микроскопией с низким увеличением. Использование оптической когерентности для измерения длины пути фотона позволяет ОКТ строить изображения живой ткани и проводить четкие исследования морфологии ткани. Из-за различий в методике ОКТ ограничивается визуализацией на 1-2 мм ниже поверхности тканей, но, несмотря на это ограничение, ОКТ стала общепринятой практикой. медицинская визуализация техника, особенно для визуализации сетчатка и передние сегменты глаза, а также коронарные артерии.

Тип нейробиоуправления, гемоэнцефалография или HEG, использует технологию NIR для измерения активации мозга, в первую очередь лобных долей, с целью тренировки церебральной активации этой области.

Инструментальная разработка NIRS / NIRI / DOT / OCT в последние годы значительно продвинулась вперед и, в частности, с точки зрения количественной оценки, визуализации и миниатюризации.[16]

Периферийный NIRS

Функцию периферических микрососудов можно оценить с помощью NIRS. Сатурация гемоглобина в ткани кислородом (StO2) может предоставить информацию о перфузии тканей. Тест окклюзии сосудов (VOT) можно использовать для оценки функции микрососудов. Обычные места для периферического мониторинга NIRS включают в себя возвышение черепа, предплечья и икроножные мышцы.

Измерение частиц

NIR часто используется для определения размера частиц в различных областях, включая изучение фармацевтических и сельскохозяйственных порошков.

Промышленное использование

В отличие от NIRS, используемого в оптической топографии, общий NIRS, используемый в химических анализах, не обеспечивает визуализацию путем картирования. Например, клинический углекислый газ Анализатор требует эталонных методов и процедур калибровки, чтобы иметь возможность получать точные значения CO2 изменение содержания. В этом случае калибровка выполняется путем настройки нулевого контроля испытуемого образца после целенаправленной подачи 0% CO.2 или другое известное количество CO2 в образце. Обычный сжатый газ из распределителей содержит около 95% O2 и 5% CO2, который также можно использовать для регулировки% CO2 показания прибора должны составлять ровно 5% при начальной калибровке.[22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Роман Михайлович Балабин; Равиля З. Сафиева и Екатерина И. Ломакина (2007). «Сравнение линейных и нелинейных калибровочных моделей на основе данных спектроскопии в ближней инфракрасной области (NIR) для прогнозирования свойств бензина». Хемометр Intell Lab. 88 (2): 183–188. Дои:10.1016 / j.chemolab.2007.04.006.
  2. ^ Treado, P.J .; Левин, И. З .; Льюис, Э. Н. (1992). «Акустооптическая спектроскопическая микроскопия с фильтром в ближнем инфракрасном диапазоне: твердотельный подход к химической визуализации». Прикладная спектроскопия. 46 (4): 553–559. Bibcode:1992ApSpe..46..553T. Дои:10.1366/0003702924125032.
  3. ^ Quinlan, F .; Ycas, G .; Остерман, С .; Диддамс, С. А. (1 июня 2010 г.). «Гребенка оптических частот с интервалом 12,5 ГГц и охватом> 400 нм для калибровки астрономического спектрографа в ближней инфракрасной области». Обзор научных инструментов. 81 (6): 063105. arXiv:1002.4354. Bibcode:2010RScI ... 81f3105Q. Дои:10.1063/1.3436638. ISSN 0034-6748. PMID 20590223.
  4. ^ Уилкен, Тобиас; Курто, Гаспаре Ло; Probst, Rafael A .; Стейнмец, Тило; Манеско, Антонио; Паскини, Лука; Гонсалес Эрнандес, Джонай И.; Реболо, Рафаэль; Hänsch, Theodor W .; Удем, Томас; Хольцварт, Рональд (31 мая 2012 г.). «Спектрограф для наблюдений за экзопланетами, откалиброванный на уровне сантиметров в секунду». Природа. 485 (7400): 611–614. Bibcode:2012Натура.485..611Вт. Дои:10.1038 / природа11092. ISSN 0028-0836. PMID 22660320.
  5. ^ Бернс, Дональд; Чюрчак, Эмиль, ред. (2007). Справочник по анализу в ближней инфракрасной области, третье издание (практическая спектроскопия). С. 349–369. ISBN 9781420007374.
  6. ^ Батлер, Итан; Чин, Мелисса; Анеман, Андерс (2017). "Периферическая ближняя инфракрасная спектроскопия: методологические аспекты и систематический обзор у посткардиохирургических пациентов". Журнал кардиоторакальной и сосудистой анестезии. 31 (4): 1407–1416. Дои:10.1053 / j.jvca.2016.07.035. PMID 27876185.
  7. ^ Йоко Хоши (2009). "Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне для изучения высшего познания". Нейронные корреляты мышления. Берлин: Springer. С. 83–93. ISBN 978-3-540-68042-0.
  8. ^ Зеллер, Джейсон С. (19 марта 2013 г.). «Инновации EM: новые технологии, о которых вы еще не слышали». Medscape. Получено 5 марта 2015.
  9. ^ Мехагноул-Шиппер, диджей; ван дер Каллен, Б.Ф .; Colier, WNJM; van der Sluijs, MC; van Erning, LJ; Thijssen, HO; Осебург, Б; Hoefnagels, WH; Янсен, RW (2002). «Одновременное измерение изменений церебральной оксигенации во время активации мозга с помощью спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне и функциональной магнитно-резонансной томографии у здоровых молодых и пожилых людей» (PDF). Hum Brain Mapp. 16 (1): 14–23. Дои:10.1002 / hbm.10026. PMID 11870923. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-07-17.
  10. ^ Мюлеманн, Т; Haensse, D; Вольф, М. (2008). «Беспроводная миниатюрная визуализация в ближнем инфракрасном диапазоне in vivo» (PDF). Оптика Экспресс. 16 (14): 10323–30. Bibcode:2008OExpr..1610323M. Дои:10.1364 / OE.16.010323. PMID 18607442. Архивировано из оригинал (PDF) на 01.06.2010.
  11. ^ Шадган, Б; Рид, Вт; Караханлу, Р; Stothers, L; и другие. (2009). «Беспроводная ближняя инфракрасная спектроскопия оксигенации и гемодинамики скелетных мышц во время упражнений и ишемии». Спектроскопия. 23 (5–6): 233–241. Дои:10.1155/2009/719604.
  12. ^ Ye, JC; Так, S; Jang, KE; Юнг, Дж; и другие. (2009). «NIRS-SPM: статистическое параметрическое картирование для ближней инфракрасной спектроскопии» (PDF). NeuroImage. 44 (2): 428–47. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2008.08.036. PMID 18848897. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-12-03.
  13. ^ Йеонг, Хада Фонг-ха; Юань, Чжэнь (2017-04-19). «Аномальная функциональная связь в состоянии покоя в орбитофронтальной коре головного мозга потребителей героина и ее связь с тревогой: пилотное исследование fNIRS». Научные отчеты. 7: 46522. Bibcode:2017НатСР ... 746522И. Дои:10.1038 / srep46522. ISSN 2045-2322. ЧВК 5395928. PMID 28422138.
  14. ^ а б ван Биквельт, MCP (2002). «Количественная ближняя инфракрасная спектроскопия в методологических вопросах и клиническом применении скелетных мышц человека» (PDF). Докторская диссертация, Университет Неймегена. Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-10-16.
  15. ^ Ван дер Санден, ВР; Heerschap, A; Hoofd, L; Simonetti, AW; и другие. (1999). «Влияние дыхания карбогеном на физиологический профиль ксенотрансплантатов глиомы человека». Магн Резон Мед. 42 (3): 490–9. Дои:10.1002 / (sici) 1522-2594 (199909) 42: 3 <490 :: aid-mrm11> 3.3.co; 2-8. PMID 10467293.
  16. ^ а б Вольф, М; Феррари, М; Куаресима, V (2007). «Прогресс в области ближней инфракрасной спектроскопии и топографии для клинических приложений мозга и мышц» (PDF). Журнал биомедицинской оптики. 12 (6): 062104. Bibcode:2007JBO .... 12f2104W. Дои:10.1117/1.2804899. PMID 18163807. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-07.
  17. ^ Келлер, Э; Надлер, А; Алькади, H; Коллиас, СС; и другие. (2003). «Неинвазивное измерение регионального церебрального кровотока и регионального объема церебральной крови с помощью ближней инфракрасной спектроскопии и разведения красителя индоцианин-грин». NeuroImage. 20 (2): 828–839. Дои:10.1016 / S1053-8119 (03) 00315-X. PMID 14568455.
  18. ^ Браун, DW; Пико, Пенсильвания; Naeini, JG; Springett, R; и другие. (2002). «Количественное измерение церебральной гемодинамики в ближней инфракрасной области у новорожденных поросят». Педиатрические исследования. 51 (5): 564–70. Дои:10.1203/00006450-200205000-00004. PMID 11978878.
  19. ^ Тихауэр, KM; Hadway, JA; Ли, штат Тайвань; Святой Лаврентия, К. (2006). «Измерение церебрального окислительного метаболизма с помощью ближней инфракрасной спектроскопии: валидационное исследование». Журнал церебрального кровотока и метаболизма. 26 (5): 722–30. Дои:10.1038 / sj.jcbfm.9600230. PMID 16192991.
  20. ^ Так, S; Джанг, Дж; Лук-порей; Е, JC (2010). «Количественная оценка CMRO (2) без гиперкапнии с использованием одновременной ближней инфракрасной спектроскопии и измерений фМРТ». Phys Med Biol. 55 (11): 3249–69. Bibcode:2010ПМБ .... 55.3249Т. Дои:10.1088/0031-9155/55/11/017. PMID 20479515.
  21. ^ Бэйл, G; Элвелл, CE; Tachtsidis, I (сентябрь 2016 г.). «От Джобсиса до наших дней: обзор клинических измерений церебральной цитохром-с-оксидазы в ближней инфракрасной области». Журнал биомедицинской оптики. 21 (9): 091307. Bibcode:2016JBO .... 21i1307B. Дои:10.1117 / 1.JBO.21.9.091307. PMID 27170072.
  22. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-01-25. Получено 2014-05-12.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

дальнейшее чтение

  • Кули, М .: «Экспериментальные исследования неинвазивного измерения церебрального кровотока у взрослого человека с использованием ближней инфракрасной спектроскопии». Диссертация, Технический университет Мюнхена, Декабрь 2001 г.
  • Рагхавачари Р., редактор. 2001 г. Приложения ближнего инфракрасного диапазона в биотехнологии, Марсель-Деккер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
  • Workman, J .; Вейер, Л. 2007. Практическое руководство по интерпретации спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне, CRC Press-Taylor & Francis Group, Бока-Ратон, Флорида.

внешняя ссылка