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