Nahinfrarotspektroskopie

Nah-ir-Absorptionsspektrum von Dichlormethan komplizierte Überlappung zeigen Obertöne von mittleren IR -Absorptionsmerkmalen.

Nahinfrarotspektroskopie (Nirs) ist ein spektroskopisch Methode, die die verwendet Nah-Infrarot Region der elektromagnetisches Spektrum (von 780 nm bis 2500 nm).[1] Typische Anwendungen umfassen medizinische und physiologische Diagnose und Forschung, einschließlich Blutzucker, Pulsoximetrie, Funktionelles Neuroimaging, Sportmedizin, Elite Sporttraining, Ergonomie, Rehabilitation, Neugeborene Forschung, Gehirncomputerschnittstelle, Urologie (Blasenkontraktion) und Neurologie (Neurovaskuläre Kopplung). Es gibt auch Anwendungen in anderen Bereichen, wie z. pharmazeutisch, Lebensmittel und agrochemische Qualitätskontrolle, Atmosphärische Chemie, Verbrennungsforschung und Astronomie.

Theorie

Die Nahinfrarotspektroskopie basiert auf molekularen Oberton- und Kombinationsschwingungen. Solche Übergänge sind verboten bis zum Auswahlregeln von Quantenmechanik. Infolgedessen die molare Absorptionsivität In der Nah-IR-Region ist die Region in der Regel recht klein.[2] (NIR-Absorptionsbanden sind typischerweise 10–100 mal schwächer als das entsprechende grundlegende Mid-IR-Absorptionsband.)[3] Ein Vorteil ist, dass NIR normalerweise viel weiter in eine Probe eindringen kann als Mid Infrarot Strahlung. Nahinfrarot-Spektroskopie ist daher keine besonders empfindliche Technik, kann jedoch sehr nützlich sein, um Schüttgutmaterial mit wenig oder gar keinem Probenvorbereitung zu untersuchen.

Die im Nah-IR beobachteten molekularen Oberton- und Kombinationsbanden sind typischerweise sehr breit und führen zu komplexen Spektren; Es kann schwierig sein, bestimmten chemischen Komponenten bestimmte Merkmale zuzuweisen. Multivariate (mehrere Variablen) Kalibrierungstechniken (z. B.,, Hauptkomponentenanalyse, teilweise kleinste Quadrate, oder künstliche neurale Netzwerke) werden häufig verwendet, um die gewünschten chemischen Informationen zu extrahieren. Eine sorgfältige Entwicklung einer Reihe von Kalibrierungsproben und die Anwendung multivariater Kalibrierungstechniken ist für die analytische Methoden nahezu infrarotes.[4]

Geschichte

Nahinfrarot-Spektrum von flüssigem Ethanol.

Die Entdeckung der Energie in der Nahinfrarot wird auf William Herschel im 19. Jahrhundert,[5] Der erste industrielle Antrag begann jedoch in den 1950er Jahren. In den ersten Anwendungen wurde NIRS nur als Add-On-Einheit zu anderen optischen Geräten verwendet, die andere Wellenlängen verwendeten, wie z. Ultraviolett (UV), sichtbar (vis) oder Mittelinfrarot (miR) -Spektrometer. In den 1980er Jahren wurde ein eigenständiges, eigenständiges NIRS-System zur Verfügung gestellt.

In den 1980er Jahren war Karl Norris (während er im USDA Instrumentation Research Laboratory in Beltsville, USA arbeitete) die NIR -Spektroskopie für Qualitätsbewertungen von landwirtschaftlichen Produkten. Seitdem hat sich die Verwendung von Lebensmitteln und landwirtschaftlich auf chemische, Polymer- und Erdölindustrien erweitert. Pharmaindustrie; Biomedizinische Wissenschaften; und Umweltanalyse.[6]

Mit der Einführung von Licht-Glasfaseroptik Mitte der 1980er Jahre und die Monochromator-Detektorentwicklungen in den frühen neunziger Jahren wurden NIRS zu einem leistungsfähigeren Instrument für die wissenschaftliche Forschung. Die Methode wurde in einer Reihe von Wissenschaftsfeldern einschließlich der Wissenschaft verwendet, einschließlich Physik, Physiologie, oder Medizin. Erst in den letzten Jahrzehnten wurde die NIRs als medizinisches Instrument zur Überwachung von Patienten mit der ersten klinischen Anwendung von sogenannten Anwendungen verwendet fnirs 1994.[7]

Instrumentierung

Die Instrumentierung der Nah-IR-Spektroskopie (NER-IR) ähnelt den Instrumenten für die UV-sichtbaren und mittelgroßen Ranges. Es gibt eine Quelle, einen Detektor und ein dispersives Element (wie a Prismaoder, oder häufiger a Beugungsgitter), um die Intensität bei verschiedenen Wellenlängen aufzuzeichnen. Fourier transformieren NIR -Instrumente mit an ein Interferometer sind auch häufig, insbesondere für Wellenlängen über ~ 1000 nm. Abhängig von der Probe kann das Spektrum entweder in Reflexion oder Übertragung gemessen werden.

Verbreitet Glühbirnen oder Quarz-Halogen-Glühbirnen werden am häufigsten als Breitbandquellen für die Nahinfrarotstrahlung für analytische Anwendungen verwendet. Leuchtdioden (LEDs) können auch verwendet werden. Für eine hochpräziige Spektroskopie, Wellenlängen-Scanned Laser und Frequenzkämme sind in letzter Zeit zu mächtigen Quellen geworden, wenn auch mit manchmal längeren Erwerbszeiten. Wenn Laser verwendet werden, kann ein einzelner Detektor ohne dispersive Elemente ausreichen.

Die Art des verwendeten Detektors hängt hauptsächlich vom Bereich der zu gemessenen Wellenlängen ab. Siliziumbasis CCDs sind für das kürzere Ende des NIR -Bereichs geeignet, sind jedoch über den größten Teil des Bereichs (über 1000 nm) nicht ausreichend empfindlich. Ingaas und PBS Geräte sind besser geeignet und haben eine höhere Quanteneffizienz für Wellenlängen über 1100 nm. Es ist möglich, Silizium- und IngaAs-Detektoren im selben Instrument zu kombinieren. Solche Instrumente können sowohl UV-sichtbar als auch NIR-Spektren gleichzeitig aufzeichnen.

Instrumente für Chemische Bildgebung im NIR kann einen 2D -Array -Detektor mit einem verwenden Akusto-optischer Abstimmungsfilter. Mehrere Bilder können nacheinander bei verschiedenen schmalen Wellenlängenbändern aufgezeichnet werden.[8]

Viele kommerzielle Instrumente für die UV/VIS -Spektroskopie können Spektren im NIR -Bereich aufzeichnen (auf vielleicht ~ 900 nm). Ebenso kann sich der Bereich einiger Mid-IR-Instrumente in den NIR erstrecken. In diesen Instrumenten ist der für die NIR -Wellenlängen verwendete Detektor häufig derselbe Detektor, der für den "Haupt" -Rebereich des Instruments verwendet wird.

NIRs als analytische Technik

Die Verwendung von NIR als analytische Technik entstand nicht aus der Ausweitung der Verwendung von Mid-IR in den Nah-IR-Bereich, sondern sich unabhängig voneinander entwickelte. Eine auffällige Art und Weise, wie dies ausgestellt wurde Wellenzahlen (cm–1) Bei der Anzeige von Spektren verwendeten NIR -Spektroskopisten Wellenlänge (nm), wie in verwendet wird Ultraviolett -sichtbare Spektroskopie. Die frühen Praktizierenden von IR -Spektroskopie, die von der Zuordnung von Absorptionsbändern zu bestimmten Bindungsarten abhängig waren, waren durch die Komplexität der Region frustriert. Als quantitatives Instrument neigte jedoch die niedrigeren molaren Absorptionsniveaus in der Region dazu, die Absorptionsmaxima "im Maßstab" zu halten, was die quantitative Arbeit mit wenig ermöglichte Probenvorbereitung. Die Techniken, die angewendet wurden, um die quantitativen Informationen aus diesen komplexen Spektren zu extrahieren, bei denen analytische Chemiker nicht vertraut waren, und die Technik in der Wissenschaft mit Verdacht angesehen wurde.

Im Allgemeinen wird eine quantitative NIR -Analyse durch Auswahl einer Gruppe von durchgeführt Kalibrierungsproben, für die die Konzentration des interessierenden Analyten durch eine Referenzmethode und eine Korrelation zwischen verschiedenen spektralen Merkmalen und diesen Konzentrationen mit a bestimmt wurde chemometrisch Werkzeug. Die Kalibrierung wird dann validiert, indem die Analytwerte für Proben in einem Validierungssatz vorhergesagt werden, deren Werte mit der Referenzmethode bestimmt wurden, jedoch nicht in die Kalibrierung einbezogen wurden. Eine validierte Kalibrierung wird dann verwendet, um die Werte von Proben vorherzusagen. Die Komplexität der Spektren wird durch die Verwendung einer multivariaten Kalibrierung überwunden. Die beiden Werkzeuge verwendeten am häufigsten eine Mehrwellenlänge lineare Regression und teilweise kleinste Quadrate.

Anwendungen

Typische Anwendungen der NIR -Spektroskopie umfassen die Analyse von Lebensmitteln, Pharmazeutika, Verbrennungsprodukten und einen Hauptzweig der astronomischen Spektroskopie.

Astronomische Spektroskopie

Nah-Infrarot Spektroskopie wird in verwendet Astronomie zum Untersuchung der Atmosphären cooler Sterne, in denen sich Moleküle bilden können. In dieser Wellenlänge Reichweite und kann einen Hinweis auf den Stern geben Spektralart. Es wird auch zur Untersuchung von Molekülen in anderen astronomischen Kontexten verwendet, wie in Molekulare Wolken wo neue Sterne gebildet werden. Das astronomische Phänomen, das als bekannt ist Rötung bedeutet, dass Wellenlängen nahe Infrarot im interstellaren Medium weniger durch Staub beeinflusst werden, so dass Regionen, die durch optische Spektroskopie unzugänglich sind, im Nahinfrarot untersucht werden können. Da Staub und Gas stark assoziiert sind, sind diese staubigen Regionen genau diejenigen, bei denen die Infrarotspektroskopie am nützlichsten ist. Die nahezu Infrarotspektren sehr junger Sterne liefern wichtige Informationen über ihre Altersgruppen und Massen, was für das Verständnis der Sternbildung im Allgemeinen wichtig ist. Es wurden auch astronomische Spektrographen entwickelt, um die Erkennung von Exoplaneten Verwendung der Doppler -Verschiebung des übergeordneten Sterns aufgrund der radialen Geschwindigkeit des Planeten um den Stern.[9][10]

Landwirtschaft

Nah-Infrarot Spektroskopie wird in der Landwirtschaft weit verbreitet[11][12] Für die Bestimmung der Qualität der Futter-, Getreide- und Getreideprodukte, Ölsaaten, Kaffee, Tee, Gewürze, Obst, Gemüse, Zuckerrohr, Getränke, Fette und Öle, Milchprodukte, Eier, Fleisch und anderen landwirtschaftlichen Produkten. Es wird häufig verwendet, um die Zusammensetzung landwirtschaftlicher Produkte zu quantifizieren, da es den Kriterien erfüllt, genau, zuverlässig, schnell, nicht zerstörerisch und kostengünstig zu sein.[13][14] Abeni und Bergoglio 2001 wenden NIRs auf Hühnerzucht als Assay -Methode für Eigenschaften der Fettzusammensetzung.[14]

Fernüberwachung

Für die nir -spektroskopische Bildgebung wurden Techniken entwickelt. Hyperspektrale Bildgebung wurde für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten angewendet, einschließlich der Fernuntersuchung von Pflanzen und Böden. Daten können aus Instrumenten auf Flugzeugen oder Satelliten gesammelt werden, um die Bodenbedeckung und die Bodenchemie zu bewerten.

Fernüberwachung oder Fernerkundung aus der nir -spektroskopischen Region kann auch zur Untersuchung der Atmosphäre verwendet werden. Zum Beispiel werden Messungen von atmosphärischen Gasen aus NIR -Spektren durchgeführt, die von der gemessen werden OCO-2, Gosat, und die Tccon.

Materialwissenschaften

Für die NIR -Spektroskopie von mikroskopischen Probenbereichen für Filmdickenmessungen, die Erforschung der optischen Eigenschaften von Nanopartikeln und optischen Beschichtungen für die Telekommunikationsbranche wurden Techniken entwickelt.

Medizinische Anwendungen

Die Anwendung von NIRs in der Medizin konzentriert sich auf die Fähigkeit, Informationen über die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin innerhalb der zu liefern Mikrozirkulation.[15] Im Großen und Ganzen kann es verwendet werden, um die Sauerstoffversorgung und mikrovaskuläre Funktion im Gehirn (zerebrale NIRs) oder im peripheren Gewebe (periphere NIRs) zu bewerten.

Zerebrale Nirs

Wenn ein bestimmter Bereich des Gehirns aktiviert wird, ändert sich das lokalisierte Blutvolumen in diesem Bereich schnell. Die optische Bildgebung kann die Position und Aktivität spezifischer Regionen des Gehirns messen, indem die Bluthämoglobinspiegel durch die Bestimmung der optischen Absorptionskoeffizienten kontinuierlich überwacht werden.[16]

Infrascanner 1000, ein NIRS -Scanner zum Nachweis intrakranieller Blutungen.

NIRs können als schnelles Screening -Tool für möglich verwendet werden intrakranielle Blutungen Fälle durch Platzieren des Scanners an vier Stellen auf dem Kopf. Bei nicht verletzten Patienten absorbiert das Gehirn das NIR-Licht gleichmäßig. Bei einer inneren Blutung durch eine Verletzung kann das Blut an einem Ort konzentriert sein, was dazu führt, dass das NIR -Licht mehr absorbiert als an anderen Stellen, die der Scanner erkennt.[17]

Sogenannt Funktionelle NIRs kann zur nicht-invasiven Bewertung der Gehirnfunktion durch den intakten Schädel bei menschlichen Probanden verwendet werden kognitive Psychologie als teilweise Ersatz für fmri Techniken.[18] NIRs können bei Säuglingen verwendet werden, und NIRs sind viel tragbarer als fMRI -Maschinen, selbst drahtlose Instrumente sind verfügbar, wodurch Untersuchungen bei frei bewegenden Probanden ermöglicht werden können.[19][20] NIRs können jedoch das fMRI nicht vollständig ersetzen, da sie nur zum Scannen von kortikalem Gewebe verwendet werden kann, während fMRI zur Messung der Aktivierung im gesamten Gehirn verwendet werden kann. Spezielle statistische Toolboxen für öffentliche Domänen zur Analyse von Stand allein und kombinierter NIRS/MRT -Messung wurden entwickelt[21] (NIRS-SPM).

Beispiel für die Datenerfassung unter Verwendung von FNIRs (Hitachi ETG-4000)

Die Anwendung in der Funktionszuordnung des menschlichen Kortex wird aufgerufen Funktionelle NIRs (FNIRs) oder diffuse optische Tomographie (Punkt).[22] Der Begriff diffuse optische Tomographie wird für dreidimensionale NIRs verwendet. Die Begriffe NIRs, Niri und DOT werden oft austauschbar verwendet, haben jedoch einige Unterscheidungen. Der wichtigste Unterschied zwischen NIRS und DOT/NIRI besteht darin, dass DOT/NIRI hauptsächlich verwendet wird Bietet quantitative Daten in absoluten Begriffen zu wenigen spezifischen Punkten. Letzteres wird auch verwendet, um andere Gewebe wie z. B. Muskeln zu untersuchen,[23] Brust und Tumoren.[24] NIRs können verwendet werden, um den Blutfluss, das Blutvolumen, den Sauerstoffverbrauch, die Reoxygenierungsraten und die Muskelwiederherstellungszeit im Muskel zu quantifizieren.[23]

Durch die Verwendung mehrerer Wellenlängen und Zeitauflösungen (Frequenz- oder Zeitdomäne) und/oder räumlich aufgelöste Methoden Blutfluss, Volumen und absolute Gewebesättigung (Sättigung ( oder Gewebesättigungsindex (TSI)) kann quantifiziert werden.[25] Anwendungen der Oximetrie nach NIRS -Methoden umfassen Neurowissenschaften, Ergonomie, Rehabilitation, Hirn-Computer-Schnittstelle, Urologie, der Nachweis von Krankheiten, die die Durchblutung (z. B. periphere Gefäßerkrankungen), die Erkennung und Bewertung von Brusttumoren sowie die Optimierung des Trainings in der Sportmedizin beeinflussen.

Die Verwendung von NIRs in Verbindung mit einer Bolusinjektion von Indocyaningrün (ICG) wurde verwendet, um den zerebralen Blutfluss zu messen[26][27] und zerebrale Stoffwechselrate des Sauerstoffverbrauchs (CMRO2).[28] Es wurde auch gezeigt, dass CMRO2 mit kombinierten NIRs/MRT -Messungen berechnet werden kann.[29] Zusätzlich kann der Metabolismus durch Auflösung eines zusätzlichen mitochondrialen Chromophors, Cytochrom-C-Oxidase unter Verwendung von Breitband-NIRs, verhört werden.[30]

NIRs beginnt in der pädiatrischen Intensivversorgung eingesetzt zu werden, um Patienten nach Herzoperation zu leiten. In der Tat ist NIRs in der Lage, die venöse Sauerstoffsättigung (SVO2) zu messen, die durch den Herzzeitvolumen sowie andere Parameter (FIO2, Hämoglobin, Sauerstoffaufnahme) bestimmt wird. Die Untersuchung der NIRS bietet daher eine Schätzung des Herzzeitvolumens in kritischen Pflege Ärzten. NIRs wird von Patienten bevorzugt, da es nicht invasiv, schmerzlos ist und keine ionisierende Strahlung erfordert.

Optische Kohärenztomographie (OCT) ist eine weitere medizinische Bildgebungstechnik der NIR, die 3D-Bildgebung mit hoher Auflösung mit geringer Leistung Mikroskopie in der Lage ist. Durch die Verwendung optischer Kohärenz zur Messung der Photonenpfad kann OCT Bilder von lebendem Gewebe und klaren Untersuchungen der Gewebemorphologie erstellen. Aufgrund von Technikunterschieden ist OCT auf die Bildgebung von 1–2 mm unter den Gewebeflächen beschränkt, aber trotz dieser Einschränkung ist OCT ein etablierter geworden medizinische Bildgebung Technik besonders für die Bildgebung der Retina und vordere Augensegmente sowie Kröner.

Eine Art von Neurofeedback, Hämoenzephalographie oder HEG verwendet die NIR -Technologie, um die Aktivierung des Gehirns, vor allem der Frontallappen, zum Zweck der Ausbildung der zerebralen Aktivierung dieser Region zu messen.

Die instrumentelle Entwicklung von NIRS/NIRI/DOT/OCT ist in den letzten Jahren und insbesondere in Bezug auf Quantifizierung, Bildgebung und Miniaturisierung enorm verlaufen.[25]

Periphere Nirs

Die periphere mikrovaskuläre Funktion kann unter Verwendung von NIRs bewertet werden. Die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin im Gewebe (STO2) kann Informationen über die Perfusion des Gewebes liefern. Ein Gefäßverschlusstest (VOT) kann eingesetzt werden, um die mikrovaskuläre Funktion zu bewerten. Häufige Stellen für die Überwachung der peripheren NIRs umfassen die Muskeln Thenar Eminenz, Unterarm und Waden.

Partikelmessung

NIR wird häufig in der Partikelgrößen in einer Reihe verschiedener Bereiche verwendet, einschließlich der Untersuchung der pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Pulver.

Industrielle Verwendungen

Im Gegensatz zu NIRs, die in der optischen Topographie verwendet werden, bieten allgemeine NIRs, die in chemischen Assays verwendet werden, keine Bildgebung durch Kartierung. Zum Beispiel eine klinische Kohlendioxid Analysator benötigt Referenztechniken und Kalibrierungsroutinen, um genaue CO zu erhalten2 Inhaltsveränderung. In diesem Fall wird die Kalibrierung durchgeführt, indem die Null -Kontrolle der Probe getestet wird, nachdem absichtlich 0% co geliefert wurde2 oder eine andere bekannte Menge an co2 in der Probe. Normales Druckgas aus Distributoren enthält etwa 95% o2 und 5% co2, mit der auch %co eingestellt werden kann2 Der Messwert ist bei der anfänglichen Kalibrierung genau 5%.[31]

Siehe auch

Verweise

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Weitere Lektüre

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Externe Links