Espectroscopia de infravermelho próximo - Near-infrared spectroscopy

Espectro de absorção de infravermelho próximo de diclorometano mostrando sobretons sobrepostos complicados de recursos de absorção de infravermelho médio.

A espectroscopia no infravermelho próximo ( NIRS ) é um método espectroscópico que usa a região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético (de 780 nm a 2500 nm). As aplicações típicas incluem diagnósticos e pesquisas médicos e fisiológicos, incluindo açúcar no sangue , oximetria de pulso , neuroimagem funcional , medicina esportiva, treinamento esportivo de elite, ergonomia , reabilitação , pesquisa neonatal , interface cérebro-computador , urologia (contração da bexiga) e neurologia (acoplamento neurovascular) Existem também aplicações em outras áreas, como farmacêutica , controle de qualidade de alimentos e agroquímicos, química atmosférica , pesquisa de combustão e astronomia.

Teoria

A espectroscopia no infravermelho próximo é baseada em sobretons moleculares e vibrações combinadas. Essas transições são proibidas pelas regras de seleção da mecânica quântica . Como resultado, a absortividade molar na região de infravermelho próximo é tipicamente muito pequena. Uma vantagem é que o NIR pode penetrar muito mais longe em uma amostra do que a radiação infravermelha média . A espectroscopia no infravermelho próximo não é, portanto, uma técnica particularmente sensível, mas pode ser muito útil na sondagem de material a granel com pouca ou nenhuma preparação de amostra.

O sobretom molecular e as bandas de combinação vistos no infravermelho próximo são tipicamente muito amplos, levando a espectros complexos; pode ser difícil atribuir características específicas a componentes químicos específicos. Técnicas de calibração multivariada (variáveis ​​múltiplas) (por exemplo, análise de componentes principais , mínimos quadrados parciais ou redes neurais artificiais ) são freqüentemente empregadas para extrair as informações químicas desejadas. O desenvolvimento cuidadoso de um conjunto de amostras de calibração e a aplicação de técnicas de calibração multivariada são essenciais para métodos analíticos no infravermelho próximo.

História

Espectro infravermelho próximo do etanol líquido.

A descoberta da energia do infravermelho próximo é atribuída a William Herschel no século 19, mas a primeira aplicação industrial começou na década de 1950. Nas primeiras aplicações, o NIRS era usado apenas como uma unidade adicional para outros dispositivos ópticos que usavam outros comprimentos de onda, como espectrômetros ultravioleta (UV), visível (Vis) ou infravermelho médio (MIR). Na década de 1980, um sistema NIRS autônomo e de unidade única foi disponibilizado, mas a aplicação do NIRS se concentrou mais na análise química. Com a introdução da fibra ótica de luz em meados da década de 1980 e os desenvolvimentos do detector de monocromador no início da década de 1990, o NIRS se tornou uma ferramenta mais poderosa para a pesquisa científica.

Este método óptico pode ser usado em vários campos da ciência, incluindo física , fisiologia ou medicina. Somente nas últimas décadas o NIRS começou a ser utilizado como ferramenta médica para o monitoramento de pacientes, com a primeira aplicação clínica do chamado fNIRS em 1994.

Instrumentação

A instrumentação para espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) é semelhante aos instrumentos para as faixas de UV-visível e infravermelho médio. Há uma fonte, um detector e um elemento dispersivo (como um prisma ou, mais comumente, uma rede de difração ) para permitir que a intensidade em diferentes comprimentos de onda seja registrada. Instrumentos NIR de transformada de Fourier usando um interferômetro também são comuns, especialmente para comprimentos de onda acima de ~ 1000 nm. Dependendo da amostra, o espectro pode ser medido em reflexão ou transmissão.

Lâmpadas incandescentes comuns ou de halogênio de quartzo são mais frequentemente usadas como fontes de banda larga de radiação infravermelha próxima para aplicações analíticas. Diodos emissores de luz (LEDs) também podem ser usados. Para espectroscopia de alta precisão, lasers com varredura de comprimento de onda e combs de frequência tornaram-se recentemente fontes poderosas, embora às vezes com escalas de tempo de aquisição mais longas. Quando os lasers são usados, um único detector sem nenhum elemento dispersivo pode ser suficiente.

O tipo de detector usado depende principalmente da faixa de comprimentos de onda a serem medidos. Os CCDs baseados em silício são adequados para a extremidade mais curta da faixa NIR, mas não são suficientemente sensíveis na maior parte da faixa (acima de 1000 nm). Os dispositivos InGaAs e PbS são mais adequados e têm maior eficiência quântica para comprimentos de onda acima de 1100 nm. É possível combinar detectores à base de silício e InGaAs no mesmo instrumento. Esses instrumentos podem registrar espectros UV-visíveis e NIR 'simultaneamente'.

Os instrumentos destinados à geração de imagens químicas no NIR podem usar um detector de matriz 2D com um filtro sintonizável acústico-óptico . Múltiplas imagens podem ser gravadas sequencialmente em diferentes bandas estreitas de comprimento de onda.

Muitos instrumentos comerciais para espectroscopia UV / vis são capazes de registrar espectros na faixa NIR (talvez ~ 900 nm). Da mesma forma, o alcance de alguns instrumentos de infravermelho médio pode se estender para o NIR. Nesses instrumentos, o detector usado para os comprimentos de onda NIR é frequentemente o mesmo detector usado para a faixa "principal" de interesse do instrumento.

Formulários

As aplicações típicas da espectroscopia NIR incluem a análise de produtos alimentícios, farmacêuticos, produtos de combustão e um importante ramo da espectroscopia astronômica.

Espectroscopia astronômica

A espectroscopia no infravermelho próximo é usada em astronomia para estudar a atmosfera de estrelas frias onde as moléculas podem se formar. As assinaturas vibracionais e rotacionais de moléculas como óxido de titânio, cianeto e monóxido de carbono podem ser vistas nesta faixa de comprimento de onda e podem dar uma pista sobre o tipo espectral da estrela . Ele também é usado para estudar moléculas em outros contextos astronômicos, como em nuvens moleculares onde novas estrelas são formadas. O fenômeno astronômico conhecido como avermelhamento significa que os comprimentos de onda do infravermelho próximo são menos afetados pela poeira no meio interestelar, de modo que regiões inacessíveis por espectroscopia óptica podem ser estudadas no infravermelho próximo. Como a poeira e o gás estão fortemente associados, essas regiões empoeiradas são exatamente aquelas onde a espectroscopia infravermelha é mais útil. Os espectros de infravermelho próximo de estrelas muito jovens fornecem informações importantes sobre suas idades e massas, o que é importante para a compreensão da formação estelar em geral. Espectrógrafos astronômicos também foram desenvolvidos para a detecção de exoplanetas usando o deslocamento Doppler da estrela-mãe devido à velocidade radial do planeta ao redor da estrela.

Agricultura

A espectroscopia de infravermelho próximo é amplamente aplicada na agricultura para determinar a qualidade de forragens, grãos e produtos de grãos, sementes oleaginosas, café, chá, especiarias, frutas, vegetais, cana-de-açúcar, bebidas, gorduras e óleos, laticínios, ovos, carne, e outros produtos agrícolas. É amplamente utilizado para quantificar a composição de produtos agrícolas porque atende aos critérios de ser preciso, confiável, rápido, não destrutivo e barato.

Monitoramento remoto

Técnicas foram desenvolvidas para imagens espectroscópicas NIR. A imagem hiperespectral tem sido aplicada para uma ampla gama de usos, incluindo a investigação remota de plantas e solos. Os dados podem ser coletados de instrumentos em aviões ou satélites para avaliar a cobertura do solo e a química do solo.

O monitoramento remoto ou sensoriamento remoto da região espectroscópica NIR também pode ser usado para estudar a atmosfera. Por exemplo, as medições de gases atmosféricos são feitas a partir de espectros NIR medidos pelo OCO-2 , GOSAT e TCCON .

Ciência de materiais

Técnicas foram desenvolvidas para espectroscopia NIR de áreas de amostra microscópicas para medições de espessura de filme, pesquisa sobre as características ópticas de nanopartículas e revestimentos ópticos para a indústria de telecomunicações.

Usos médicos

A aplicação da NIRS em Medicina centra-se na sua capacidade de fornecer informações sobre a saturação de oxigênio da hemoglobina dentro da microcirculação . Em termos gerais, pode ser usado para avaliar a oxigenação e a função microvascular no cérebro (NIRS cerebral) ou nos tecidos periféricos (NIRS periférica).

NIRS cerebrais

Quando uma área específica do cérebro é ativada, o volume de sangue localizado nessa área muda rapidamente. As imagens ópticas podem medir a localização e a atividade de regiões específicas do cérebro monitorando continuamente os níveis de hemoglobina no sangue por meio da determinação dos coeficientes de absorção óptica.

Infrascanner 1000, um scanner NIRS usado para detectar sangramento intracraniano.

O NIRS pode ser usado como uma ferramenta de triagem rápida para possíveis casos de sangramento intracraniano , colocando o scanner em quatro locais na cabeça. Em pacientes não feridos, o cérebro absorve a luz NIR de maneira uniforme. Quando há um sangramento interno devido a uma lesão, o sangue pode se concentrar em um local, fazendo com que a luz NIR seja absorvida mais do que em outros locais detectados pelo scanner.

O chamado NIRS funcional pode ser usado para avaliação não invasiva da função cerebral por meio do crânio intacto em sujeitos humanos, detectando alterações nas concentrações de hemoglobina no sangue associadas à atividade neural, por exemplo, em ramos da psicologia cognitiva como um substituto parcial para técnicas de fMRI . O NIRS pode ser usado em bebês, e o NIRS é muito mais portátil do que as máquinas de fMRI, até mesmo instrumentação sem fio está disponível, o que permite investigações em assuntos que se movem livremente. No entanto, o NIRS não pode substituir totalmente o fMRI porque só pode ser usado para escanear o tecido cortical, enquanto o fMRI pode ser usado para medir a ativação em todo o cérebro. Foram desenvolvidas caixas de ferramentas estatísticas de domínio público especiais para análise de medição autônoma e combinada de NIRS / MRI ( NIRS-SPM ).

Exemplo de aquisição de dados usando fNIRS (Hitachi ETG-4000)

A aplicação no mapeamento funcional do córtex humano é chamada de NIRS funcional (fNIRS) ou Tomografia Óptica Difusa (DOT). O termo tomografia óptica difusa é usado para NIRS tridimensional. Os termos NIRS, NIRI e DOT são freqüentemente usados ​​alternadamente, mas eles têm algumas distinções. A diferença mais importante entre NIRS e DOT / NIRI é que o DOT / NIRI é usado principalmente para detectar mudanças nas propriedades ópticas do tecido simultaneamente a partir de vários pontos de medição e exibir os resultados na forma de um mapa ou imagem sobre uma área específica, enquanto o NIRS fornece dados quantitativos em termos absolutos em até alguns pontos específicos. Este último também é usado para investigar outros tecidos como, por exemplo, músculos, mama e tumores. O NIRS pode ser usado para quantificar o fluxo sanguíneo, o volume sanguíneo, o consumo de oxigênio, as taxas de reoxigenação e o tempo de recuperação muscular no músculo.

Ao empregar vários comprimentos de onda e tempo resolvido (frequência ou domínio do tempo) e / ou métodos espacialmente resolvidos, o fluxo sanguíneo, o volume e a saturação absoluta do tecido ( ou Índice de Saturação do Tecido (TSI)) podem ser quantificados. Aplicações de oximetria por métodos NIRS incluem neurociência, ergonomia, reabilitação, interface cérebro-computador , urologia, a detecção de doenças que afetam a circulação sanguínea (por exemplo, doença vascular periférica), a detecção e avaliação de tumores de mama e a otimização do treinamento em medicina esportiva.

O uso de NIRS em conjunto com uma injeção em bolus de verde de indocianina (ICG) tem sido usado para medir o fluxo sanguíneo cerebral e a taxa metabólica cerebral de consumo de oxigênio (CMRO2). Também foi demonstrado que o CMRO2 pode ser calculado com medições NIRS / MRI combinadas. Além disso, o metabolismo pode ser interrogado resolvendo um cromóforo mitocondrial adicional, citocromo-c-oxidase, usando NIRS de banda larga.

O NIRS está começando a ser usado em cuidados intensivos pediátricos, para ajudar no tratamento de pacientes após cirurgia cardíaca. De fato, a NIRS é capaz de medir a saturação venosa de oxigênio (SVO2), que é determinada pelo débito cardíaco, bem como outros parâmetros (FiO2, hemoglobina, consumo de oxigênio). Portanto, o exame do NIRS fornece aos médicos de cuidados intensivos uma estimativa do débito cardíaco. A NIRS é preferida pelos pacientes por ser não invasiva, indolor e não requer radiação ionizante.

A tomografia de coerência óptica (OCT) é outra técnica de imagem médica NIR capaz de fazer imagens 3D com alta resolução, comparável à microscopia de baixo poder. O uso da coerência óptica para medir o comprimento do caminho do fóton permite que a OCT construa imagens de tecido vivo e exames claros da morfologia do tecido. Devido às diferenças técnicas, a OCT está limitada a imagens 1–2 mm abaixo das superfícies do tecido, mas, apesar dessa limitação, a OCT tornou-se uma técnica de imagem médica estabelecida , especialmente para imagens da retina e dos segmentos anteriores do olho, bem como das coronárias.

Um tipo de neurofeedback, a hemoencefalografia ou HEG, usa a tecnologia NIR para medir a ativação do cérebro, principalmente dos lobos frontais, com o objetivo de treinar a ativação cerebral dessa região.

O desenvolvimento instrumental do NIRS / NIRI / DOT / OCT avançou tremendamente nos últimos anos e, em particular, em termos de quantificação, imagem e miniaturização.

NIRS periféricos

A função microvascular periférica pode ser avaliada usando NIRS. A saturação de oxigênio da hemoglobina no tecido (StO2) pode fornecer informações sobre a perfusão tecidual. Um teste de oclusão vascular (VOT) pode ser empregado para avaliar a função microvascular. Os locais comuns para monitoramento NIRS periférico incluem a eminência tenar, antebraço e músculos da panturrilha.

Medição de partículas

O NIR é frequentemente usado no dimensionamento de partículas em uma variedade de campos diferentes, incluindo o estudo de pós agrícolas e farmacêuticos.

Usos industriais

Ao contrário do NIRS usado em topografia óptica, o NIRS geral usado em ensaios químicos não fornece imagens por mapeamento. Por exemplo, um analisador clínico de dióxido de carbono requer técnicas de referência e rotinas de calibração para conseguir uma alteração precisa do conteúdo de CO 2 . Neste caso, a calibração é realizada ajustando o controle zero da amostra sendo testada após o fornecimento proposital de 0% de CO 2 ou outra quantidade conhecida de CO 2 na amostra. O gás comprimido normal de distribuidores contém cerca de 95% O 2 e 5% CO 2 , que também pode ser usado para ajustar a leitura do medidor de % CO 2 para ser exatamente 5% na calibração inicial.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Kouli, M .: "Investigações experimentais de medição não invasiva do fluxo sanguíneo cerebral em humanos adultos usando a espectroscopia de infravermelho próximo." Dissertação, Universidade Técnica de Munique , dezembro de 2001.
  • Raghavachari, R., Editor. 2001. Near-Infrared Applications in Biotechnology , Marcel-Dekker, New York, NY.
  • Workman, J .; Weyer, L. 2007. Practical Guide to Interpretive Near-Infrared Spectroscopy , CRC Press-Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL.

links externos

  • NIR Spectroscopy Notícias sobre espectroscopia NIR