Близуинфрацрвена спектроскопија

Близуинфрацрвената спектроскопија (NIRS) е спектроскопски метод што го користи блискиот инфрацрвен регион од електромагнетниот спектар (од 780 nm до 2500nm). Овој метод се користи во медицинската и физиолошката дијагностика и истражувања, вклучувајќи шеќер во крвта, пулсна оксиметрија, функционално невровизуелизирање, спортска медицина, тренинг за елитни спортови, ергономија, рехабилитација, неонатално истражување, интерфејс на мозок-компјутер, урологија (контракција на мочниот меур) и неврологија. Блискоинфрацрвената спектроскопија наоѓа примени и во области како што се фармацевтската, прехранбената и агрохемиската контрола на квалитетот и атмосферската хемија.
1 Теорија
Близуинфрацрвената спектроскопија се заснова на молекуларни обертонски комбинациони вибрации. Обертоновите и комбинациите покажуваат помал интензитет во споредба со основните вибрации. Како резултат, моларната апсорптивност во регионот на близуинфрацрвеното зрачење е обично доста мала. (NIR апсорпционите ленти се обично 10-100 пати послаби од соодветниот фундаментален опсег на апсорпција од средна инфрацрвена област.) Помалата апсорпција му овозможува на NIR зрачењето да продре многу подлабоко во примерокот отколку средно- инфрацрвеното зрачење. Затоа, близуинфрацрвената спектроскопија не е особено чувствителна техника, но може да биде многу корисна при испитување на масивни материјали со мала или воопшто без подготовка на примерокот.
Молекуларните обертонски и комбинациони ленти што се забекежуваат во близуинфрацрвеното подрачје се обично многу широки, што доведува до сложени спектри, поради што може да биде тешко да се доделат специфични карактеристики на конкретни хемиски компоненти. Мултиваријантните (со повеќе променливи) калибрациски техники (на пр. анализа на главни компоненти, парцијални најмали квадрати или вештачки невронски мрежи) често се применуваат за да се извлече бараната хемиска информација. Внимателното развивање на сет од калибрациски примероци и примената на техники за калибрација со повеќе варијабли е од суштинско значење за аналитичките методи во близуинфрацрвеното подрачје.
2 Историја
Откривањето на близуинфрацрвената енергија му се припишува на Вилијам Хершел во 19 век, но првата индустриска примена започнала во 50-тите години на минатиот век. Во првите примени, близуинфрацрвената спектроскопија се користела само како дополнителна единица на други оптички уреди кои користеле други бранови должини, како што се ултравиолетови (UV), видливи (Vis) или средно-инфрацрвени (MIR) спектрометри. Во 1980-тите години бил достапен самостоен NIRS систем со една единица.
Во 80-тите години на минатиот век, Карл Норис (додека работел во Лабораторијата за истражување на инструменти на USDA, Белтсвил, САД) ја пионеризирал употребата на NIR спектроскопија за проценка на квалитетот на земјоделските производи. Оттогаш, нејзината примена се проширила од прехранбената и земјоделската индустрија до хемиската, полимерната и нафтената индустрија; фармацевтската индустрија; биомедицинските науки; и анализата на животната средина.
Со воведувањето на оптиката со светлосни влакна во средината на 1980-тите години и развојот на монохроматор-детектор во раните 1990-ти години, близуинфрацрвената спектроскопија станува моќна алатка за научни истражувања. Методот се користи во голем број области на науката, вклучувајќи ги физиката, физиологијата и медицината. Во последните неколку децении NIRS почнала да се користи како медицинска алатка за следење на пациенти, со првата клиничка примена на таканаречениот fNIRS во 1994 година.
3 Инструментација
Инструментацијата за близуинфрацрвената спектроскопија (NIR) е слична на инструментите за UV-видливите и средните инфрацрвени подрачја. Разликуваме извор, детектор и дисперзивен елемент (призма или, почесто, дифракциона решетка ) за да се овозможи снимање на интензитетот на различни бранови должини. Инструментите за близуинфрацрвена спектроскопија со Фурие трансформација што користат интерферометар се исто така вообичаени, особено за бранови должини над ~1000 nm. Во зависност од примерокот, спектарот може да се мери или со рефлексија или со трансмисија.
Вообичаените блескави или кварцни халогени светилки најчесто се користат како широко-појасни извори на близуинфрацрвено зрачење за аналитички примени. Исто така, може да се користат и светлосни диоди (LED). За високопрецизна спектроскопија, ласерите скенирани со бранова должина и фреквентните чешли во поново време станале моќни извори, иако понекогаш со подолги временски интервали за мерење. Кога се користат ласери, еден детектор без дисперзивни елементи може да биде доволен.
Видот на детектор што се користи пред сѐ зависи од опсегот на бранови должини што треба да се измерат. Уредите базирани на силициум се погодни за пократкиот крај на близуинфрацрвеното подрачје, но не се доволно чувствителни во поголемиот дел од опсегот (над 1000 nm). Уредите InGaAs и PbS се посоодветни и имаат поголема квантна ефикасност за бранови должини над 1100 nm. Исто така, можно е да се комбинираат детектори базирани на силициум и InGaAs во истиот инструмент. Ваквите инструменти можат истовремено да снимаат и UV-видливи и близуинфрацрвени спектри.
Инструментите наменети за хемиско снимање во близуинфрацрвеното подрачје може да користат дводимензионален детектор со низа со акустичко-оптички филтер што може да се подесува . Повеќе слики може да се снимаат секвенцијално во различни тесни подрачја на бранова должина.
Многу комерцијални инструменти за UV/vis спектроскопија се способни да снимаат спектри во близуинфрацрвеното подрачје (можеби до ~900nm). На ист начин, подрачјето на некои средно-инфрацрвени инструменти може да се прошири во блиско-инфрацвен. Кај овие инструменти, детекторот што се користи за близуинфрацрвените брановите должини е често оној детектор што се користи за главниот опсег од интерес на инструментот.
4 NIRS како аналитичка техника
Употребата на близуинфрацрвената спектроскопија како аналитичка техника не произлегла од проширувањето на употребата на средно-инфрацрвеното во близуинфрацрвениот опсег, туку се развила независно. Впечатлив показател е фактот што, додека спектроскопистите во средно-инфрацрвеното подрачје користат бранови броеви (''cm''<sup>−1</sup>) при прикажување на спектри, NIR спектроскопистите користат бранова должина (''nm''), како што се користи во ултравиолетово-видливата спектроскопија. Раните практичари на инфрацрвена спектроскопија, кои се потпирале на доделување на апсорпциони ленти на специфични типови врски, не биле задоволни од сложеноста на врзувачките региони што ги мереле. Сепак, како квантитативна алатка, пониските моларни нивоа на апсорпција во регионот на поврзување овозможувале максимумите на апсорпција да останат „на ниво“, овозможувајќи квантитативна работа со мала подготовка на примерокот. Техниките што се применувале за извлекување на квантитативните информации од овие сложени спектри биле непознати за аналитичките хемичари, а техниката била гледана со сомнеж во академијата.