Войти
Спектр поглощения в ближней ИК-области дихлорметана, показывающий сложные перекрывающиеся обертоны средних Характеристики ИК-поглощения. Спектроскопия в ближней инфракрасной области (NIRS ) - это спектроскопический метод, который использует ближнюю инфракрасную область электромагнитный спектр (от 780 нм до 2500 нм). Типичные области применения включают медицинскую и физиологическую диагностику и исследования, включая уровень сахара в крови, пульсоксиметрию, функциональную нейровизуализацию, спортивную медицину, элитные спортивные тренировки, эргономику, реабилитация, неонатальные исследования, мозговой компьютерный интерфейс, урология (сокращение мочевого пузыря) и неврология ( нервно-сосудистая связь). Также существуют приложения в других областях, таких как фармацевтика, контроль качества пищевых продуктов и агрохимии, химия атмосферы, исследования горения и астрономия.
Почти- Инфракрасная спектроскопия основана на молекулярном обертоне и комбинированных колебаниях. Такие переходы запрещены по правилам выбора в квантовой механике. В результате молярная поглощающая способность в ближней ИК-области обычно довольно мала. Одним из преимуществ является то, что ближнее инфракрасное излучение обычно может проникать в образец намного дальше, чем излучение в среднем инфракрасном диапазоне. 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, наблюдаемые в ближнем ИК-диапазоне, обычно очень широкие, что приводит к сложным спектрам; может быть трудно присвоить определенные свойства конкретным химическим компонентам. Многовариантные (множественные переменные) методы калибровки (например, анализ главных компонентов, частичный метод наименьших квадратов или искусственные нейронные сети ). для извлечения желаемой химической информации. Тщательная разработка набора калибровочных образцов и применение методов многомерной калибровки важны для аналитических методов в ближней инфракрасной области.
Спектр жидкого этанола в ближней инфракрасной области. Открытие ближнего инфракрасного диапазона энергия была приписана Уильяму Гершелю 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 устройства, но применение NIRS было больше сосредоточено на химическом анализе. С появлением световой волоконной оптики в середине 1980-х годов и разработкой монохроматора-детектора в начале 1990-х, NIRS стал более мощным инструментом для научных исследований.
Этот оптический метод может использоваться в ряде областей науки, включая физику, физиологию или медицину. Лишь в последние несколько десятилетий NIRS начали использовать в качестве медицинского инструмента для наблюдения за пациентами.
Приборы для спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне (NIR) аналогичны приборам для УФ-видимого и среднего ИК-диапазонов. Имеется источник, детектор и рассеивающий элемент (например, призма или, чаще, дифракционная решетка ), позволяющие регистрировать интенсивность на разных длинах волн. БИК-приборы с преобразованием Фурье с использованием интерферометра также широко распространены, особенно для длин волн выше ~ 1000 нм. В зависимости от образца спектр может быть измерен в отражении или пропускании.
Обычные лампы накаливания или кварцевые галогенные лампы чаще всего используются в качестве широкополосных источников ближнего инфракрасного излучения для аналитических приложений. Также можно использовать светодиоды (LED). Для высокоточной спектроскопии лазеры со сканированием по длине волны и частотные гребенки в последнее время стали мощными источниками, хотя иногда и с более длительными временными масштабами сбора данных. При использовании лазеров может быть достаточно одного детектора без каких-либо дисперсионных элементов.
Тип используемого детектора зависит в первую очередь от диапазона измеряемых длин волн. ПЗС на основе кремния подходят для более короткого конца ближнего инфракрасного диапазона, но не обладают достаточной чувствительностью в большей части диапазона (более 1000 нм). Устройства InGaAs и PbS более подходят, хотя и менее чувствительны, чем ПЗС-матрицы. В одном приборе можно комбинировать кремниевые детекторы и детекторы InGaAs. Такие приборы могут записывать спектры как в УФ-видимом, так и в ближнем ИК-диапазоне «одновременно».
В приборах, предназначенных для химической визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне, может использоваться двухмерный матричный детектор с акустооптическим перестраиваемым фильтром. Несколько изображений могут быть записаны последовательно в разных узких полосах длин волн.
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.
Типичные области применения NIR-спектроскопии включают анализ пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, продуктов сгорания, а также основной раздел астрономической спектроскопии.
Ближняя инфракрасная спектроскопия входит в астрономию для изучения атмосфер холодных звезд, где могут образовываться молекулы. Вибрационные и вращательные сигнатуры таких молекул, как оксид титана, цианид и моноксид углерода, можно увидеть в этом диапазоне длин волн и могут дать ключ к пониманию спектрального типа звезды. 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 длины волн ближнего инфракрасного диапазона меньше подвержены влиянию пыли 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. Также были разработаны астрономические спектрографы для обнаружения экзопланет с использованием доплеровского сдвига родительской звезды из-за радиальной скорости планеты вокруг звезды.
Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне широко применяется в сельском хозяйстве для определения качества кормов, зерна и зерновых продуктов, масличных культур, кофе, чая, специй, фруктов, овощей, сахарного тростника, напитков, жиры и масла, молочные продукты, яйца, мясо и другие сельскохозяйственные продукты. Он широко используется для количественной оценки состава сельскохозяйственной продукции, поскольку соответствует критериям точности, надежности, скорости, неразрушающего контроля и недорого.
Были разработаны методы для Спектроскопическая визуализация в ближнем инфракрасном диапазоне. Гиперспектральная визуализация применяется 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 в ближней ИК-области спектра также может использоваться для изучения атмосферы. Например, измерения атмосферных газов производятся на основе спектров NIR, измеренных с помощью OCO-2, GOSAT и TCCON.
Были разработаны методы БИК-спектроскопии микроскопических участков образцов для измерения толщины пленки, исследования оптических характеристик наночастиц и оптических покрытий для телекоммуникационной промышленности.
Применение NIRS в медицине основано на его способности предоставлять информацию о насыщении гемоглобина кислородом в пределах микроциркуляции. 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 активируется определенная область мозга, локализованный объем крови в этой области быстро изменяется. С помощью оптической визуализации можно измерить местоположение и активность определенных областей головного мозга путем непрерывного мониторинга уровня гемоглобина в крови путем определения коэффициентов оптического поглощения.
Infrascanner 1000, сканер NIRS, используемый для обнаружения внутричерепного кровотечения. NIRS можно использовать в качестве инструмента быстрого скрининга возможных случаев внутричерепного кровотечения, 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 быть сконцентрирована в одном месте, в результате чего ближний инфракрасный свет поглощается больше, чем другие участки, которые обнаруживает сканер.
БИК может использоваться для неинвазивной оценки функции мозга через неповрежденный череп у людей путем обнаружения изменений концентрации гемоглобина в крови, связанных с нервной активностью, например, в разделах когнитивной психологии в качестве частичной замены методов фМРТ. 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. Однако NIRS не может полностью заменить фМРТ, потому что его можно использовать только для сканирования кортикальной ткани, а фМРТ можно использовать для измерения активации по всему мозгу. Были разработаны специальные общедоступные статистические инструменты для анализа автономных и комбинированных измерений NIRS / MRI (NIRS-SPM ).
Пример сбора данных с использованием fNIRS (Hitachi ETG-4000) Применение функционального картирования коры головного мозга человека называется диффузной оптической томографией (DOT), визуализацией в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRI) или функциональным NIRS (fNIR / fNIRS). 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, грудь и опухоли. NIRS можно использовать для количественной оценки кровотока, объема крови, потребления кислорода, скорости реоксигенации и времени восстановления мышц в мышцах.
Используя несколько длин волн и временное разрешение (частотная или временная область) и / или методы пространственного разрешения кровь поток, объем и абсолютное насыщение ткани (
Использование NIRS в сочетании с болюсной инъекцией индоцианинового зеленого (ICG) применялось для измерения церебрального кровотока и скорости метаболизма потребления кислорода в мозге (CMRO2). Также было показано, что CMRO2 можно рассчитать с помощью комбинированных измерений NIRS / MRI. Кроме того, метаболизм может быть исследован путем выделения дополнительного митохондриального хромофора, цитохром-с-оксидазы, с помощью широкополосного NIRS.
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, поглощением 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.
Оптическая когерентная томография (ОКТ) - это еще один метод медицинской визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяющий получать трехмерные изображения с высоким разрешением, сопоставимым с микроскопией с малым увеличением. Использование оптической когерентности для измерения длины пути фотона позволяет ОКТ создавать изображения живой ткани и проводить четкие исследования морфологии тканей. Из-за различий в методике ОКТ ограничивается визуализацией на 1-2 мм ниже поверхности тканей, но, несмотря на это ограничение, ОКТ стала общепризнанным методом медицинской визуализации, особенно для визуализации сетчатки и передних сегментов. 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.
Периферийный NIRS
Периферическую микрососудистую функцию 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.
NIR часто используется для определения размера частиц в различных областях, включая изучение фармацевтических и сельскохозяйственных порошков.
В отличие от NIRS, используемого в оптической топографии, общий NIRS, используемый в химических анализах, не обеспечивает отображение путем картирования. Например, для клинического анализатора углекислого газа требуются эталонные методы и процедуры калибровки, чтобы иметь возможность получить точное изменение содержания CO 2. В этом случае калибровка выполняется путем настройки нулевого контроля исследуемого образца после целенаправленной подачи 0% CO 2 или другого известного количества CO 2 в образце. Обычный сжатый газ от распределителей содержит около 95% O 2 и 5% CO 2, которые также можно использовать для точной настройки показаний счетчика% CO 2. 5% при начальной калибровке.
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Ближним- инфракрасная спектроскопия. |
