Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Спектр поглощения дихлорметана в ближнем ИК-диапазоне показывает сложные перекрывающиеся обертоны характеристик поглощения в среднем ИК-диапазоне.

Спектроскопия в ближней инфракрасной области ( NIRS ) - это спектроскопический метод, который использует ближнюю инфракрасную область электромагнитного спектра (от 780 нм до 2500 нм). Типичные области применения включают медицинскую и физиологическую диагностику и исследования, включая сахар в крови , пульсоксиметрию , функциональную нейровизуализацию , спортивную медицину, элитные спортивные тренировки, эргономику , реабилитацию , неонатальные исследования, интерфейс мозг-компьютер , урологию (сокращение мочевого пузыря) и неврологию.(нервно-сосудистая связь). Существуют также приложения в других областях, таких как фармацевтический , пищевой и агрохимический контроль качества, химия атмосферы , исследования горения и астрономия.

Теория [ править ]

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне основана на молекулярном обертоне и комбинированных колебаниях. Такие переходы запрещены по правилам отбора в квантовой механике . В результате молярная поглощающая способность в ближней ИК-области обычно довольно мала. [ необходима цитата ] Одним из преимуществ является то, что ближнее инфракрасное излучение обычно может проникать в образец намного глубже, чем среднее инфракрасное излучение. Таким образом, спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне не является особенно чувствительным методом, но она может быть очень полезной при исследовании объемного материала с небольшой подготовкой образца 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. Методы многомерной (с множеством переменных) калибровки (например, анализ главных компонентов , частичные наименьшие квадраты или 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 [ править ]

Спектр жидкого этанола в ближней инфракрасной области.

Открытие энергии в ближнем инфракрасном диапазоне приписывают 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 ультрафиолетовые (УФ), видимые (Vis) или средние инфракрасные (MIR) спектрометры. В 1980-х годах появилась автономная система NIRS, состоящая из одного блока, но применение NIRS было больше сосредоточено на химическом анализе. С появлением волоконной оптики в середине 1980-х и разработкой монохроматора-детектора в начале 1990-х, NIRS стал более мощным инструментом для научных исследований.

Этот оптический метод можно использовать во многих областях науки, включая физику , физиологию или медицину. Только в последние несколько десятилетий NIRS начали использовать в качестве медицинского инструмента для наблюдения за пациентами.

Инструменты [ править ]

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, использующие интерферометр , также широко распространены, особенно для длин волн выше ~ 1000 нм. В зависимости от образца спектр может быть измерен как на отражение, так и на пропускание.

Обычные лампы накаливания или кварцевые галогенные лампы чаще всего используются в качестве широкополосных источников ближнего инфракрасного излучения для аналитических приложений. Также могут использоваться 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 диспергирующих элементов.

Тип используемого детектора зависит в первую очередь от диапазона измеряемых длин волн. ПЗС - матрицы на основе кремния подходят для более короткого диапазона ближнего ИК-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 на основе InGaAs. Такие приборы могут записывать спектры в УФ-видимом и ближнем ИК-диапазонах «одновременно».

В приборах, предназначенных для получения химических изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, может использоваться двухмерный матричный детектор с акустооптическим перестраиваемым фильтром . 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 ИК-диапазона, часто является тем же детектором, который используется для «основного» интересующего диапазона прибора.

Приложения [ править ]

Типичные приложения NIR-спектроскопии включают анализ пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, продуктов сгорания и важную отрасль астрономической спектроскопии.

Астрономическая спектроскопия [ править ]

Спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне используется в астрономии для изучения атмосфер холодных звезд, в которых могут образовываться молекулы. Колебательные и вращательные сигнатуры таких молекул, как оксид титана, цианид и монооксид 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, например, в молекулярных облаках, где образуются новые звезды. Астрономическое явление, известное как покраснениеозначает, 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 экзопланет с использованием доплеровского сдвига родительской звезды из-за радиальной скорости планеты вокруг звезды. [3] [4]

Сельское хозяйство [ править ]

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, жиров и масел, молочных продуктов, яиц, мяса, и другие сельскохозяйственные продукты. Он широко используется для количественной оценки состава сельскохозяйственной продукции, поскольку соответствует критериям точности, надежности, скорости, неразрушающего воздействия и недорого. [5]

Удаленный мониторинг [ править ]

Были разработаны методы получения изображений в ближнем ИК-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 из ближней инфракрасной области спектра также можно использовать для изучения атмосферы. Например, измерения атмосферных газов производятся по спектрам NIR, измеренным с помощью OCO-2 , GOSAT и TCCON .

Материаловедение [ править ]

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

Медицинское использование [ править ]

Применение NIRS в медицине основано на его способности предоставлять информацию о насыщении гемоглобина кислородом в пределах микроциркуляции . [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 активируется определенная область мозга, локализованный объем крови в этой области быстро изменяется. С помощью оптического изображения 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 в качестве инструмента для 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 концентрироваться в одном месте, в результате чего ближний инфракрасный свет поглощается больше, чем в других местах, что обнаруживает сканер. [8]

NIRS может использоваться для неинвазивной оценки функции мозга через неповрежденный череп у людей путем обнаружения изменений концентрации гемоглобина в крови, связанных с нейронной активностью, например, в областях когнитивной психологии в качестве частичной замены методов фМРТ . [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] ( NIRS-SPM ).

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

Приложение для функционального картирования коры головного мозга человека называется функциональной NIRS (fNIRS) или диффузной оптической томографией (DOT). [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] груди 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, можно количественно определить кровоток, объем и абсолютную насыщенность ткани ( или индекс насыщения ткани (TSI)). [16] Применение оксиметрии методами NIRS включает 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 спортивной медицине.

Использование NIRS в сочетании с болюсной инъекцией индоцианинового зеленого (ICG) использовалось для измерения мозгового кровотока [17] [18] и скорости 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 выделения 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.

Оптическая когерентная томография (ОКТ) - это еще один метод медицинской визуализации в ближнем инфракрасном диапазоне, позволяющий получать трехмерные изображения с высоким разрешением наравне с микроскопией с малым увеличением. Использование оптической когерентности для измерения длины пути фотона позволяет ОКТ создавать изображения живой ткани и проводить четкие исследования морфологии ткани. Из-за различий в технике ОКТ ограничивается визуализацией на 1-2 мм ниже поверхности тканей, но, несмотря на это ограничение, ОКТ стала признанным методом медицинской визуализации , особенно для визуализации сетчатки и передних сегментов глаза, а также коронарных артерий.

Тип нейробиоуправления, гемоэнцефалография или ГЭГ, 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. Насыщение 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 [ править ]

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

Промышленное использование [ править ]

В отличие от NIRS, используемого в оптической топографии, общий NIRS, используемый в химических анализах, не обеспечивает визуализацию путем картирования. Например, клинический анализатор углекислого газа требует эталонных методов и процедур 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 корректировки показаний измерителя % CO 2, чтобы они были точно 5% при начальной калибровке. [22]

См. Также [ править ]

  • Химическая визуализация
  • Гиперспектральная визуализация
  • Вращательная спектроскопия
  • Колебательная спектроскопия
  • Терагерцовая спектроскопия во временной области
  • Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIR / fNIRS)
  • ИК-спектроскопия
  • Спектроскопия с преобразованием Фурье
  • Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье
  • Оптическое изображение
  • Спектроскопия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Роман М. 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. DOI : 10.1016 / j.chemolab.2007.04.006 .
  2. ^ Тредо, П.Дж.; Левин, И.В.; Льюис, EN (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 . DOI : 10.1366 / 0003702924125032 .
  3. ^ Quinlan, F .; Ycas, G .; Остерман, С .; Diddams, SA (1 июня 2010 г.). «Оптическая частотная гребенка с разнесением 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 . DOI : 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 : 2012Natur.485..611W . DOI : 10.1038 / nature11092 . 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. DOI : 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. Перейти ↑ Zeller, Jason S. (19 марта 2013 г.). «Инновации EM: новые технологии, о которых вы еще не слышали» . Medscape . Проверено 5 марта 2015 года .
  9. ^ Mehagnoul-Шиппер, DJ; ван дер Каллен, BF; Colier, WNJM; van der Sluijs, MC; van Erning, LJ; Thijssen, HO; Осебург, Б; Hoefnagels, WH; Янсен, RW (2002). «Одновременные измерения 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. DOI : 10.1002 / hbm.10026 . PMID 11870923 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 июля 2012 года.  
  10. ^ Muehlemann, T; Haensse, D; Вольф, М. (2008). «Беспроводная миниатюрная визуализация in vivo в ближнем инфракрасном диапазоне» (PDF) . Оптика Экспресс . 16 (14): 10323–30. Bibcode : 2008OExpr..1610323M . DOI : 10,1364 / OE.16.010323 . PMID 18607442 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.06.2010.  
  11. ^ Шадган, B; Рид, Вт; Гараханлу, Р; Stothers, L; и другие. (2009). «Беспроводная ближняя инфракрасная спектроскопия оксигенации скелетных мышц и гемодинамики во время физических упражнений и ишемии» . Спектроскопия . 23 (5–6): 233–241. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2008.08.036 . PMID 18848897 . Архивировано из оригинального (PDF) 03 декабря 2011 года.  
  13. ^ Ieong, Хад Фонг-га; Юань, Чжэнь (2017-04-19). «Аномальная функциональная связь состояния покоя в орбитофронтальной коре головного мозга потребителей героина и ее связь с тревогой: пилотное исследование fNIRS» . Научные отчеты . 7 : 46522. Bibcode : 2017NatSR ... 746522I . DOI : 10.1038 / srep46522 . ISSN 2045-2322 . PMC 5395928 . PMID 28422138 .   
  14. ^ a b van Beekvelt, MCP (2002). «Количественная ближняя инфракрасная спектроскопия в методологических вопросах и клиническом применении скелетных мышц человека» (PDF) . Докторская диссертация, Университет Неймегена . Архивировано из оригинального (PDF) 16 октября 2013 года.
  15. ^ Ван дер Санден, BP; Heerschap, A; Hoofd, L; Simonetti, AW; и другие. (1999). «Влияние карбогенового дыхания на физиологический профиль ксенотрансплантатов глиомы человека» . Magn Reson Med . 42 (3): 490–9. DOI : 10.1002 / (sici) 1522-2594 (199909) 42: 3 <490 :: aid-mrm11> 3.3.co; 2-8 . PMID 10467293 . 
  16. ^ а б Волк, 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 . DOI : 10.1117 / 1.2804899 . PMID 18163807 . Архивировано из оригинального (PDF) 07.07.2011.  
  17. ^ Келлер, E; 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. DOI : 10.1016 / S1053-8119 (03) 00315-X . PMID 14568455 . 
  18. ^ Браун, DW; Пико, Пенсильвания; Naeini, JG; Спрингетт, Р. и другие. (2002). «Количественное измерение гемодинамики головного мозга в ближней инфракрасной области у новорожденных поросят» . Педиатрические исследования . 51 (5): 564–70. DOI : 10.1203 / 00006450-200205000-00004 . PMID 11978878 . 
  19. ^ Тихауэр, KM; Hadway, JA; Ли, штат Техас; Святой Лаврентия, К. (2006). «Измерение церебрального окислительного метаболизма с помощью ближней инфракрасной спектроскопии: исследование для проверки» . Журнал мозгового кровотока и метаболизма . 26 (5): 722–30. DOI : 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 : 2010PMB .... 55.3249T . DOI : 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 ближнем инфракрасном диапазоне» . Журнал биомедицинской оптики . 21 (9): 091307. Bibcode : 2016JBO .... 21i1307B . DOI : 10.1117 / 1.JBO.21.9.091307 . PMID 27170072 . 
  22. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 25 января 2014 года . Проверено 12 мая 2014 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • БИК- спектроскопия Новости БИК-спектроскопии