La espectroscopia de infrarrojo cercano ( NIRS ) es un método espectroscópico que utiliza la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético (de 780 nm a 2500 nm). Las aplicaciones típicas incluyen diagnósticos e investigaciones médicos y fisiológicos que incluyen azúcar en sangre , oximetría de pulso , neuroimagen funcional , medicina deportiva, entrenamiento deportivo de élite, ergonomía , rehabilitación , investigación neonatal , interfaz cerebro-computadora , urología (contracción de la vejiga) y neurología(acoplamiento neurovascular). También existen aplicaciones en otras áreas como la farmacéutica , el control de calidad de los alimentos y agroquímicos, la química atmosférica , la investigación de la combustión y la astronomía.
Teoría
La espectroscopia de infrarrojo cercano se basa en vibraciones de combinación y armónicos moleculares. Tales transiciones están prohibidas por las reglas de selección de la mecánica cuántica . Como resultado, la absortividad molar en la región del IR cercano es típicamente bastante pequeña. [ cita requerida ] Una ventaja es que NIR típicamente puede penetrar mucho más en una muestra que la radiación infrarroja media . La espectroscopia de infrarrojo cercano, por lo tanto, no es una técnica particularmente sensible, pero puede ser muy útil para sondear material a granel con poca o ninguna preparación de la muestra.
El sobretono molecular y las bandas de combinación que se ven en el IR cercano son típicamente muy anchas, lo que conduce a espectros complejos; Puede resultar difícil asignar características específicas a componentes químicos específicos. Las técnicas de calibración multivariadas (variables múltiples) (por ejemplo, análisis de componentes principales , mínimos cuadrados parciales o redes neuronales artificiales ) se emplean a menudo para extraer la información química deseada. El desarrollo cuidadoso de un conjunto de muestras de calibración y la aplicación de técnicas de calibración multivariante es esencial para los métodos analíticos del infrarrojo cercano. [1]
Historia
El descubrimiento de la energía del infrarrojo cercano se atribuye a William Herschel en el siglo XIX, pero la primera aplicación industrial comenzó en la década de 1950. En las primeras aplicaciones, NIRS se usó solo como una unidad adicional a otros dispositivos ópticos que usaban otras longitudes de onda, como espectrómetros ultravioleta (UV), visible (Vis) o de infrarrojo medio (MIR). En la década de 1980, se puso a disposición un sistema NIRS autónomo de una sola unidad, pero la aplicación de NIRS se centró más en el análisis químico. Con la introducción de la fibra óptica de luz a mediados de la década de 1980 y los desarrollos de monocromador-detector a principios de la década de 1990, NIRS se convirtió en una herramienta más poderosa para la investigación científica.
Este método óptico se puede utilizar en varios campos de la ciencia, incluida la física , la fisiología o la medicina. Recién en las últimas décadas se empezó a utilizar la NIRS como herramienta médica para el seguimiento de los pacientes, con la primera aplicación clínica de la denominada fNIRS en 1994 [2] .
Instrumentación
La instrumentación para la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) es similar a los instrumentos para los rangos UV-visible e IR medio. Hay una fuente, un detector y un elemento dispersivo (como un prisma o, más comúnmente, una rejilla de difracción ) para permitir que se registre la intensidad en diferentes longitudes de onda. Los instrumentos NIR de transformada de Fourier que utilizan un interferómetro también son comunes, especialmente para longitudes de onda superiores a ~ 1000 nm. Dependiendo de la muestra, el espectro se puede medir en reflexión o transmisión.
Las bombillas incandescentes o halógenas de cuarzo comunes se utilizan con mayor frecuencia como fuentes de banda ancha de radiación infrarroja cercana para aplicaciones analíticas. También se pueden utilizar diodos emisores de luz (LED). Para la espectroscopia de alta precisión, los láseres escaneados en longitud de onda y los peines de frecuencia se han convertido recientemente en fuentes poderosas, aunque a veces con escalas de tiempo de adquisición más largas. Cuando se utilizan láseres, un solo detector sin ningún elemento dispersivo puede ser suficiente.
El tipo de detector utilizado depende principalmente del rango de longitudes de onda que se van a medir. Los CCD basados en silicio son adecuados para el extremo más corto del rango NIR, pero no son lo suficientemente sensibles en la mayor parte del rango (más de 1000 nm). Los dispositivos InGaAs y PbS son más adecuados aunque menos sensibles que los CCD. Es posible combinar detectores basados en silicio e InGaAs en el mismo instrumento. Estos instrumentos pueden registrar espectros UV-visible y NIR "simultáneamente".
Los instrumentos destinados a la obtención de imágenes químicas en el NIR pueden utilizar un detector de matriz 2D con un filtro sintonizable acústico-óptico . Se pueden grabar múltiples imágenes secuencialmente en diferentes bandas estrechas de longitud de onda. [3]
Muchos instrumentos comerciales para espectroscopía UV / vis son capaces de registrar espectros en el rango NIR (hasta quizás ~ 900 nm). De la misma manera, el rango de algunos instrumentos de infrarrojos medios puede extenderse al NIR. En estos instrumentos, el detector que se usa para las longitudes de onda NIR es a menudo el mismo detector que se usa para el rango de interés "principal" del instrumento.
Aplicaciones
Las aplicaciones típicas de la espectroscopia NIR incluyen el análisis de productos alimenticios, farmacéuticos, productos de combustión y una rama importante de la espectroscopia astronómica.
Espectroscopía astronómica
La espectroscopia de infrarrojo cercano se utiliza en astronomía para estudiar las atmósferas de estrellas frías donde se pueden formar moléculas. Las firmas vibratorias y rotacionales de moléculas como el óxido de titanio, el cianuro y el monóxido de carbono se pueden ver en este rango de longitud de onda y pueden dar una pista sobre el tipo espectral de la estrella . También se utiliza para estudiar moléculas en otros contextos astronómicos, como en las nubes moleculares donde se forman nuevas estrellas. El fenómeno astronómico conocido como enrojecimiento significa que las longitudes de onda del infrarrojo cercano se ven menos afectadas por el polvo en el medio interestelar, de modo que las regiones inaccesibles por espectroscopía óptica se pueden estudiar en el infrarrojo cercano. Dado que el polvo y el gas están fuertemente asociados, estas regiones polvorientas son exactamente aquellas en las que la espectroscopia infrarroja es más útil. Los espectros del infrarrojo cercano de estrellas muy jóvenes proporcionan información importante sobre sus edades y masas, lo cual es importante para comprender la formación estelar en general. También se han desarrollado espectrógrafos astronómicos para la detección de exoplanetas utilizando el desplazamiento Doppler de la estrella madre debido a la velocidad radial del planeta alrededor de la estrella. [4] [5]
Agricultura
La espectroscopia de infrarrojo cercano se aplica ampliamente en la agricultura para determinar la calidad de forrajes, granos y productos de granos, semillas oleaginosas, café, té, especias, frutas, verduras, caña de azúcar, bebidas, grasas y aceites, productos lácteos, huevos, carne, y otros productos agrícolas. Se usa ampliamente para cuantificar la composición de productos agrícolas porque cumple con los criterios de ser preciso, confiable, rápido, no destructivo y económico. [6]
Monitoreo remoto
Se han desarrollado técnicas para la obtención de imágenes espectroscópicas NIR. Las imágenes hiperespectrales se han aplicado para una amplia gama de usos, incluida la investigación remota de plantas y suelos. Los datos se pueden recopilar de instrumentos en aviones o satélites para evaluar la cobertura del suelo y la química del suelo.
La monitorización remota o la teledetección de la región espectroscópica NIR también se pueden utilizar para estudiar la atmósfera. Por ejemplo, las mediciones de gases atmosféricos se realizan a partir de espectros NIR medidos por OCO-2 , GOSAT y TCCON .
Ciencia de los Materiales
Se han desarrollado técnicas de espectroscopia NIR de áreas de muestras microscópicas para mediciones de espesores de películas, investigación de las características ópticas de nanopartículas y recubrimientos ópticos para la industria de las telecomunicaciones.
Usos médicos
La aplicación de NIRS en Medicina se centra en su capacidad para proporcionar información sobre la saturación de oxígeno de la hemoglobina dentro de la microcirculación . [7] En términos generales, se puede utilizar para evaluar la oxigenación y la función microvascular en el cerebro (NIRS cerebral) o en los tejidos periféricos (NIRS periférico).
NIRS cerebrales
Cuando se activa un área específica del cerebro, el volumen de sangre localizado en esa área cambia rápidamente. Las imágenes ópticas pueden medir la ubicación y la actividad de regiones específicas del cerebro al monitorear continuamente los niveles de hemoglobina en sangre a través de la determinación de coeficientes de absorción óptica. [8]
NIRS se puede utilizar como una herramienta de detección rápida para posibles casos de hemorragia intracraneal colocando el escáner en cuatro lugares de la cabeza. En pacientes no lesionados, el cerebro absorbe la luz NIR de manera uniforme. Cuando hay una hemorragia interna por una lesión, la sangre puede estar concentrada en un lugar, lo que hace que la luz NIR se absorba más que en otros lugares, que detecta el escáner. [9]
El denominado NIRS funcional se puede utilizar para la evaluación no invasiva de la función cerebral a través del cráneo intacto en sujetos humanos detectando cambios en las concentraciones de hemoglobina en sangre asociadas con la actividad neural, por ejemplo, en ramas de la psicología cognitiva como un reemplazo parcial de las técnicas de fMRI . [10] El NIRS se puede utilizar en bebés, y el NIRS es mucho más portátil que las máquinas de resonancia magnética funcional, incluso se dispone de instrumentación inalámbrica que permite realizar investigaciones en sujetos que se mueven libremente. [11] [12] Sin embargo, NIRS no puede reemplazar completamente la fMRI porque solo se puede usar para escanear tejido cortical, mientras que la fMRI se puede usar para medir la activación en todo el cerebro. Se han desarrollado cajas de herramientas estadísticas de dominio público especiales para el análisis de mediciones NIRS / MRI independientes y combinadas [13] ( NIRS-SPM ).
La aplicación en el mapeo funcional de la corteza humana se denomina NIRS funcional (fNIRS) o Tomografía Óptica Difusa (DOT). [14] El término tomografía óptica difusa se utiliza para NIRS tridimensional. Los términos NIRS, NIRI y DOT a menudo se usan indistintamente, pero tienen algunas distinciones. La diferencia más importante entre NIRS y DOT / NIRI es que DOT / NIRI se utiliza principalmente para detectar cambios en las propiedades ópticas del tejido simultáneamente desde múltiples puntos de medición y mostrar los resultados en forma de mapa o imagen sobre un área específica, mientras que NIRS proporciona datos cuantitativos en términos absolutos sobre algunos puntos específicos. Este último también se utiliza para investigar otros tejidos como, por ejemplo, músculo, [15] mama y tumores. [16] NIRS se puede utilizar para cuantificar el flujo sanguíneo, el volumen sanguíneo, el consumo de oxígeno, las tasas de reoxigenación y el tiempo de recuperación muscular en el músculo. [15]
Empleando varias longitudes de onda y métodos de resolución temporal (frecuencia o dominio del tiempo) y / o resolución espacial, flujo sanguíneo, volumen y saturación absoluta de tejido (o el índice de saturación tisular (TSI)). [17] Las aplicaciones de la oximetría por métodos NIRS incluyen neurociencia, ergonomía, rehabilitación, interfaz cerebro-computadora , urología, la detección de enfermedades que afectan la circulación sanguínea (por ejemplo, enfermedad vascular periférica), la detección y evaluación de tumores de mama y la Optimización de la formación en medicina deportiva.
El uso de NIRS junto con una inyección en bolo de verde de indocianina (ICG) se ha utilizado para medir el flujo sanguíneo cerebral [18] [19] y la tasa metabólica cerebral de consumo de oxígeno (CMRO2). [20] También se ha demostrado que CMRO2 se puede calcular con mediciones combinadas de NIRS / MRI. [21] Además, el metabolismo puede ser interrogado resolviendo un cromóforo mitocondrial adicional, citocromo-c-oxidasa, usando NIRS de banda ancha. [22]
NIRS está comenzando a usarse en cuidados intensivos pediátricos, para ayudar a manejar a los pacientes después de una cirugía cardíaca. De hecho, NIRS es capaz de medir la saturación de oxígeno venoso (SVO2), que está determinada por el gasto cardíaco, así como por otros parámetros (FiO2, hemoglobina, captación de oxígeno). Por lo tanto, el examen del NIRS proporciona a los médicos de cuidados intensivos una estimación del gasto cardíaco. Los pacientes prefieren la NIRS porque no es invasiva, es indolora y no requiere radiación ionizante.
La tomografía de coherencia óptica (OCT) es otra técnica de imágenes médicas NIR capaz de obtener imágenes en 3D con alta resolución a la par con la microscopía de baja potencia. El uso de coherencia óptica para medir la longitud de la trayectoria de los fotones permite que la OCT cree imágenes de tejido vivo y exámenes claros de la morfología del tejido. Debido a las diferencias de la técnica, la OCT se limita a obtener imágenes de 1 a 2 mm por debajo de las superficies de los tejidos, pero a pesar de esta limitación, la OCT se ha convertido en una técnica de imagen médica establecida , especialmente para obtener imágenes de la retina y los segmentos anteriores del ojo, así como las coronarias.
Un tipo de neurofeedback, hemoencefalografía o HEG, utiliza tecnología NIR para medir la activación cerebral, principalmente de los lóbulos frontales, con el propósito de entrenar la activación cerebral de esa región.
El desarrollo instrumental de NIRS / NIRI / DOT / OCT ha avanzado enormemente durante los últimos años y, en particular, en términos de cuantificación, imagen y miniaturización. [17]
NIRS periféricos
La función microvascular periférica se puede evaluar mediante NIRS. La saturación de oxígeno de la hemoglobina en el tejido (StO2) puede proporcionar información sobre la perfusión tisular. Se puede emplear una prueba de oclusión vascular (VOT) para evaluar la función microvascular. Los sitios comunes para la monitorización NIRS periférica incluyen la eminencia tenar, los músculos del antebrazo y la pantorrilla.
Medición de partículas
NIR se utiliza a menudo en el dimensionamiento de partículas en una variedad de campos diferentes, incluido el estudio de polvos farmacéuticos y agrícolas.
Usos industriales
A diferencia del NIRS utilizado en la topografía óptica, el NIRS general utilizado en los ensayos químicos no proporciona imágenes por mapeo. Por ejemplo, un analizador clínico de dióxido de carbono requiere técnicas de referencia y rutinas de calibración para poder obtener cambios precisos en el contenido de CO 2 . En este caso, la calibración se realiza ajustando el control cero de la muestra que se está probando después de suministrar intencionalmente 0% de CO 2 u otra cantidad conocida de CO 2 en la muestra. El gas comprimido normal de los distribuidores contiene aproximadamente un 95% de O 2 y un 5% de CO 2 , que también se puede utilizar para ajustar la lectura del medidor de % CO 2 para que sea exactamente del 5% en la calibración inicial. [23]
Ver también
- Imágenes químicas
- Imágenes hiperespectrales
- Espectroscopia rotacional
- Espectroscopia vibratoria
- Espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios
- Espectroscopia funcional del infrarrojo cercano (fNIR / fNIRS)
- Espectroscopia infrarroja
- Espectroscopia de transformada de Fourier
- Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier
- Imágenes ópticas
- Espectroscopia
Referencias
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Otras lecturas
- Kouli, M .: "Investigaciones experimentales de medición no invasiva del flujo sanguíneo cerebral en humanos adultos utilizando la espectroscopia de infrarrojo cercano". Disertación, Universidad Técnica de Munich , diciembre de 2001.
- Raghavachari, R., Editor. 2001. Aplicaciones del infrarrojo cercano en biotecnología , Marcel-Dekker, Nueva York, NY.
- Workman, J .; Weyer, L. 2007. Guía práctica para la espectroscopia interpretativa del infrarrojo cercano , CRC Press-Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL.
enlaces externos
- Espectroscopía NIR Noticias sobre espectroscopía NIR