Blízká infračervená spektroskopie

Blízké IR absorpční spektrum dichlormethanu vykazující komplikované překrývající se přesahy středních IR absorpčních rysů.

Blízká infračervená spektroskopie (NIRS) je spektroskopická metoda, která využívá blízkou infračervenou oblast elektromagnetického spektra (od cca 800 nm do 2500 nm). Mezi typické aplikace patří farmaceutická, lékařská diagnostika (včetně cukru v krvi a pulzní oxymetrie), kontrola kvality potravin a agrochemie a výzkum spalování, dále výzkum v oblasti funkčního neurozobrazování, sportovní medicína a věda, elitní sportovní trénink, ergonomie, rehabilitace, neonatální výzkum, rozhraní mozkového počítače, urologie (kontrakce močového měchýře) a neurologie (neurovaskulární spojení).

Téměř infračervená spektroskopie je založena na molekulárním přesahu a kombinovaných vibracích. Takové přechody jsou zakázány výběrovými pravidly kvantové mechaniky. Výsledkem je, že molární absorptivita v blízké IR oblasti je typicky poměrně malá. Jednou z výhod je, že NIR může typicky proniknout mnohem dál do vzorku než střední infračervené záření. Téměř infračervená spektroskopie tedy není zvlášť citlivou technikou, ale může být velmi užitečná při sondování sypkého materiálu s malou nebo žádnou přípravou vzorku.

Molekulární přesah a kombinační pásma pozorovaná v blízkém infračerveném záření jsou typicky velmi široká, což vede ke komplexnímu spektru; může být obtížné přiřadit specifické vlastnosti konkrétním chemickým složkám. K získání požadovaných chemických informací se často používají vícerozměrné (více proměnných) kalibrační techniky (např. analýza hlavních složek, parciálních nejmenších čtverců nebo umělé neuronové sítě). Pečlivý vývoj sady kalibračních vzorků a aplikace vícerozměrných kalibračních technik je nezbytná pro metody blízké infračervenému záření.

Blízké infračervené spektrum tekutého etanolu.

Objev blízké infračervené energie je připisován Herschelovi v 19. století, ale první průmyslové využití začalo v 50. letech 20. století. V prvních aplikacích byl NIRS používán pouze jako přídavná jednotka k jiným optickým přístrojům, které používaly jiné vlnové délky jako ultrafialové (UV), viditelné (Vis) nebo střední infračervené (MIR) spektrometry. V 80. letech 20. století byla k dispozici jediná jednotka, samostatný systém NIRS, ale aplikace NIRS byla zaměřena spíše na chemickou analýzu. Se zavedením světelné optiky v polovině 80. let a vývojem monochromatických detektorů na počátku 90. let 20. století se NIRS stal výkonnějším nástrojem pro vědecký výzkum.

Tato optická metoda může být použita v řadě vědních oborů včetně fyziky, fyziologie nebo medicíny. Teprve v posledních několika desetiletích se NIRS začal používat jako lékařský nástroj pro sledování pacientů.

Typ použitého detektoru závisí především na rozsahu vlnových délek, které mají být měřeny. CCD na bázi křemíku jsou vhodné pro kratší konec rozsahu NIR, ale nejsou dostatečně citlivé na většinu rozsahu (nad 1000 nm). Zařízení InGaA a PbS jsou vhodnější, i když méně citlivé než CCD. V některých přístrojích NIRS na bázi diodového pole (DA) jsou ve stejném přístroji použity detektory na bázi křemíku i InGaAs. Takové přístroje mohou zaznamenávat UV-viditelná i NIR spektra „současně“.

Přístroje určené pro chemické zobrazování v NIR mohou používat 2D detektor pole s akusticko-optickým laditelným filtrem. Vícenásobné snímky mohou být zaznamenávány postupně v různých úzkých vlnových délkách.

Mnoho komerčních přístrojů pro UV/vis spektroskopii je schopno zaznamenat spektra v rozsahu NIR (možná až do ~900 nm). Stejně tak může být dosah některých přístrojů se středním IR rozšířen i do NIR. V těchto přístrojích je detektor používaný pro vlnové délky NIR často stejným detektorem používaným pro „hlavní“ sledovaný rozsah přístroje.

Primární aplikace NIRS na lidské tělo využívá skutečnost, že přenos a absorpce světla NIR ve tkáních lidského těla obsahuje informace o změnách koncentrace hemoglobinu. Když je aktivována specifická oblast mozku, lokalizovaný objem krve v této oblasti se rychle mění. Optické zobrazování může měřit polohu a aktivitu specifických oblastí mozku průběžným monitorováním hladiny hemoglobinu v krvi pomocí stanovení optických absorpčních koeficientů.

Typické aplikace NIR spektroskopie zahrnují analýzu potravin, léčiv, produktů spalování a významný obor astronomické spektroskopie.

Lékařské aplikace NIRS centra na neinvazivní měření množství a obsahu kyslíku hemoglobinu, stejně jako použití exogenních optických stopovacích látek ve spojení s kinetikou toku.

NIRS může být použit pro neinvazivní hodnocení mozkových funkcí skrz neporušenou lebku u lidských subjektů detekcí změn koncentrací hemoglobinu v krvi spojených s nervovou aktivitou, např. v oborech kognitivní psychologie jako částečná náhrada za techniky fMRI. NIRS může být použit u kojenců a NIRS je mnohem přenosnější než přístroje fMRI, dokonce je k dispozici bezdrátová instrumentace, která umožňuje vyšetření u volně se pohybujících subjektů. NIRS však nemůže plně nahradit fMRI, protože může být použit pouze pro skenování kortikální tkáně, kde fMRI může být použito pro měření aktivace v celém mozku. Byly vyvinuty speciální veřejné statistické nástroje pro analýzu samostatného a kombinovaného měření NIRS/MRI (NIRS-SPM).

Aplikace ve funkčním mapování lidské kůry se nazývá difuzní optická tomografie (DOT), blízká infračervenému zobrazování (NIRI) nebo funkční NIRS (fNIR). Termín difuzní optická tomografie se používá pro trojrozměrnou NIRS. Termíny NIRS, NIRI a DOT se často používají zaměnitelně, ale mají určité odlišnosti. Nejdůležitější rozdíl mezi NIRS a DOT/NIRI je ten, že DOT/NIRI se používá hlavně pro detekci změn v optických vlastnostech tkáně současně z více měřicích bodů a zobrazení výsledků ve formě mapy nebo obrázku nad konkrétní oblastí, zatímco NIRS poskytuje kvantitativní údaje v absolutních hodnotách až na několik konkrétních bodů. Druhý jmenovaný se také používá pro zkoumání dalších tkání, jako jsou např. svaly, prsa a nádory. NIRS lze použít pro kvantifikaci průtoku krve, objemu krve, spotřeby kyslíku, rychlosti reoxygenace a doby zotavení svalů ve svalech.

Použitím několika vlnových délek a časově rozlišených (frekvenční nebo časová doména) a/nebo prostorově rozlišených metod lze kvantifikovat průtok krve, objem a absolutní saturaci tkáně (neboli Tkáňový saturační index (TSI)). Aplikace oximetrie metodami NIRS zahrnují neurovědu, ergonomii, rehabilitaci, rozhraní mozkového počítače, urologii, detekci nemocí, které ovlivňují krevní oběh (např. onemocnění periferních cév), detekci a hodnocení nádorů prsu a optimalizaci výuky sportovní medicíny.

Použití NIRS ve spojení s bolusovou injekcí indocyanin green (ICG) bylo použito k měření průtoku krve mozkem a rychlosti metabolismu kyslíku v mozku.
Bylo také prokázáno, že CMRO2 lze vypočítat pomocí kombinovaných měření NIRS/MRI.

NIRS se začíná používat v dětské kritické péči, která pomáhá řešit operace srdce po operaci. NIRS je totiž schopen měřit saturaci žilního kyslíku (SVO2), která je určena srdečním výdejem, stejně jako dalšími parametry (FiO2, hemoglobin, vychytávání kyslíku). Proto sledování NIRS dává lékařům v kritické péči představu o srdečním výdeji. NIRS mají pacienti rádi, protože je neinvazivní, bezbolestný a používá neionizující záření.

Optická koherentní tomografie (OCT) je další NIR lékařská zobrazovací technika schopná 3D zobrazování s vysokým rozlišením na stejné úrovni jako mikroskopie s nízkým výkonem. Použití optické koherence pro měření délky dráhy fotonu umožňuje OCT vytvářet obrazy živé tkáně a jasné vyšetření morfologie tkáně. Vzhledem k rozdílům v technice je OCT omezena na zobrazování 1–2 mm pod povrchem tkáně, ale i přes toto omezení se OCT stala zavedenou lékařskou zobrazovací technikou zejména pro zobrazování sítnice a předních segmentů oka.

Přístrojový vývoj NIRS/NIRI/DOT/OCT v posledních letech ohromně pokročil a to zejména v oblasti kvantifikace, zobrazování a miniaturizace.