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Espectroscopia de infrarrojo cercano

Espectro de absorción en el infrarrojo cercano del diclorometano que muestra sobretonos superpuestos complejos de características de absorción en el infrarrojo medio. La espectr...

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Espectro de absorción en el infrarrojo cercano del diclorometano que muestra sobretonos superpuestos complejos de características de absorción en el infrarrojo medio.

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). [ 1 ] Las aplicaciones típicas incluyen diagnósticos e investigaciones médicas y fisiológicas, como la medición de la glucemia , la oximetría de pulso , la neuroimagen funcional , la medicina deportiva, el entrenamiento de atletas de élite, la ergonomía , la rehabilitación , la investigación neonatal , la interfaz cerebro-computadora , la urología (contracción de la vejiga) y la neurología (acoplamiento neurovascular). También existen aplicaciones en otras áreas, como el control de calidad farmacéutico , alimentario y agroquímico , la química atmosférica y la propagación de la combustión.

Teoría

La espectroscopia de infrarrojo cercano se basa en vibraciones de sobretono y combinación moleculares. [ 2 ] Los sobretonos y las combinaciones presentan una intensidad menor en comparación con la fundamental; como resultado, la absortividad molar en la región del infrarrojo cercano suele ser bastante pequeña. [ 3 ] (Las bandas de absorción del infrarrojo cercano suelen ser entre 10 y 100 veces más débiles que la banda de absorción fundamental correspondiente del infrarrojo medio). [ 4 ] La menor absorción permite que la radiación del infrarrojo cercano penetre mucho más en una muestra que la radiación del infrarrojo medio . [ 5 ] Por lo tanto, la espectroscopia de infrarrojo cercano no es una técnica particularmente sensible, pero puede ser muy útil para analizar materiales a granel con poca o ninguna preparación de la muestra.

Las bandas de sobretono y combinación moleculares observadas en el infrarrojo cercano suelen ser muy amplias, lo que da lugar a espectros complejos; puede resultar difícil asignar características específicas a componentes químicos concretos. A menudo se emplean técnicas de calibración multivariante (con múltiples variables) (por ejemplo, análisis de componentes principales , mínimos cuadrados parciales o redes neuronales artificiales ) para extraer la información química deseada. El desarrollo cuidadoso de un conjunto de muestras de calibración y la aplicación de técnicas de calibración multivariante son esenciales para los métodos analíticos en el infrarrojo cercano. [ 6 ]

Historia

Espectro infrarrojo cercano del etanol líquido.

El descubrimiento de la energía infrarroja cercana se atribuye a William Herschel en el siglo XIX, [ 7 ] pero la primera aplicación industrial comenzó en la década de 1950. En las primeras aplicaciones, la NIRS se utilizaba únicamente como unidad complementaria de otros dispositivos ópticos que empleaban otras longitudes de onda, como espectrómetros ultravioleta (UV), visible (Vis) o infrarrojo medio (MIR). En la década de 1980, se comercializó un sistema NIRS independiente de una sola unidad.

En la década de 1980, Karl Norris (mientras trabajaba en el Laboratorio de Investigación de Instrumentación del USDA en Beltsville, EE. UU.) fue pionero en el uso de la espectroscopia NIR para la evaluación de la calidad de los productos agrícolas. Desde entonces, su uso se ha extendido de la industria alimentaria y agrícola a las industrias química, de polímeros y petrolera; la industria farmacéutica; las ciencias biomédicas; y el análisis ambiental. [ 8 ]

Con la introducción de la fibra óptica a mediados de la década de 1980 y el desarrollo de detectores monocromadores a principios de la década de 1990, la NIRS se convirtió en una herramienta más potente para la investigación científica. Este método se ha utilizado en diversos campos de la ciencia, como la física , la fisiología y la medicina. Solo en las últimas décadas se empezó a utilizar la NIRS como herramienta médica para la monitorización de pacientes, con la primera aplicación clínica de la denominada fNIRS en 1994. [ 9 ]

Instrumentación

La instrumentación para espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) es similar a la utilizada en los rangos UV-visible e infrarrojo medio. Consta de una fuente, un detector y un elemento dispersivo (como un prisma o, más comúnmente, una red de difracción ) que permite registrar 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 puede medirse por reflexión o por transmisión.

Las bombillas incandescentes o halógenas de cuarzo comunes se utilizan con mayor frecuencia como fuentes de radiación infrarroja cercana de banda ancha para aplicaciones analíticas. También se pueden utilizar diodos emisores de luz (LED). Para la espectroscopia de alta precisión, los láseres de barrido de longitud de onda y los peines de frecuencia se han convertido recientemente en fuentes potentes, aunque a veces con tiempos de adquisición más prolongados. Cuando se utilizan láseres, un solo detector sin elementos dispersivos puede ser suficiente.

El tipo de detector utilizado depende principalmente del rango de longitudes de onda que se va a medir. Los CCD basados ​​en silicio son adecuados para el extremo más corto del rango NIR, pero no son suficientemente sensibles en la mayor parte del rango (por encima de 1000  nm). Los dispositivos de InGaAs y PbS son más adecuados y tienen una mayor eficiencia cuántica para longitudes de onda superiores a 1100 nm. Es posible combinar detectores basados ​​en silicio e InGaAs en el mismo instrumento. Dichos instrumentos pueden registrar espectros UV-visible y NIR simultáneamente.

Los instrumentos destinados a la obtención de imágenes químicas en el infrarrojo cercano pueden utilizar un detector de matriz 2D con un filtro sintonizable acustoóptico . Se pueden registrar múltiples imágenes secuencialmente en diferentes bandas de longitud de onda estrechas. [ 10 ]

Muchos instrumentos comerciales para espectroscopia UV/Vis son capaces de registrar espectros en el rango del infrarrojo cercano (hasta aproximadamente 900  nm). Del mismo modo, el rango de algunos instrumentos de infrarrojo medio puede extenderse hasta el infrarrojo cercano. En estos instrumentos, el detector utilizado para las longitudes de onda del infrarrojo cercano suele ser el mismo que se utiliza para el rango principal de interés del instrumento.

NIRS como técnica analítica

El uso del infrarrojo cercano (NIR) como técnica analítica no surgió de la extensión del infrarrojo medio (mid-IR) al rango del infrarrojo cercano, sino que se desarrolló de forma independiente. Una forma notable de demostrarlo es que, mientras que los espectroscopistas de infrarrojo medio utilizan números de onda ( cm⁻¹ ) al mostrar espectros, los espectroscopistas de NIR utilizan longitudes de onda ( nm ), como se hace en la espectroscopia ultravioleta-visible . Los primeros practicantes de la espectroscopia de infrarrojo , que dependían de la asignación de bandas de absorción a tipos de enlaces específicos, se vieron frustrados por la complejidad de las regiones de enlace que se medían. Sin embargo, como herramienta cuantitativa, los niveles de absorción molar más bajos en la región de enlace tendían a mantener los máximos de absorción "en escala", lo que permitía realizar trabajos cuantitativos con poca preparación de la muestra . Las técnicas aplicadas para extraer la información cuantitativa de estos espectros complejos eran desconocidas para los químicos analíticos, y la técnica era vista con recelo en el ámbito académico.

Generalmente, el análisis cuantitativo NIR se realiza seleccionando un grupo de muestras de calibración , para las cuales la concentración del analito de interés se ha determinado mediante un método de referencia, y encontrando una correlación entre varias características espectrales y esas concentraciones utilizando una herramienta quimiométrica . La calibración se valida luego usándola para predecir los valores del analito para muestras en un conjunto de validación, cuyos valores se han determinado mediante el método de referencia pero no se han incluido en la calibración. Una calibración validada se utiliza luego para predecir los valores de las muestras. La complejidad de los espectros se supera mediante el uso de calibración multivariante. Las dos herramientas más utilizadas son la regresión lineal de múltiples longitudes de onda y los mínimos cuadrados parciales .

Aplicaciones

Las aplicaciones típicas de la espectroscopia NIR incluyen el análisis de productos alimenticios, productos farmacéuticos, productos de combustión y una rama importante de la espectroscopia astronómica.

Espectroscopia astronómica

La espectroscopia de infrarrojo cercano se utiliza en astronomía para estudiar las atmósferas de estrellas frías, donde se forman moléculas. Las señales vibracionales y rotacionales de moléculas como el óxido de titanio, el cianuro y el monóxido de carbono se pueden observar en este rango de longitud de onda y pueden proporcionar información sobre el tipo espectral de la estrella . También se utiliza para estudiar moléculas en otros contextos astronómicos, como en nubes moleculares donde se forman nuevas estrellas. El fenómeno astronómico conocido como enrojecimiento implica 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 mediante espectroscopia óptica pueden estudiarse en el infrarrojo cercano. Dado que el polvo y el gas están fuertemente asociados, estas regiones polvorientas son precisamente aquellas donde la espectroscopia infrarroja resulta más útil. Los espectros de infrarrojo cercano de estrellas muy jóvenes proporcionan información importante sobre sus edades y masas, lo cual es fundamental 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. [ 11 ] [ 12 ]

Agricultura

La espectroscopia de infrarrojo cercano se aplica ampliamente en la agricultura [ 13 ] [ 14 ] 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. [ 15 ] [ 16 ] Se utiliza ampliamente para cuantificar la composición de productos agrícolas porque cumple con los criterios de ser precisa, confiable, rápida, no destructiva y económica. [ 17 ] [ 18 ] Abeni y Bergoglio 2001 aplican NIRS a la cría de pollos como método de ensayo para las características de la composición de la grasa. [ 18 ]

Monitoreo remoto

Se han desarrollado técnicas para la obtención de imágenes espectroscópicas en el infrarrojo cercano (NIR). La obtención de imágenes hiperespectrales se ha aplicado a una amplia gama de usos, incluyendo la investigación remota de plantas y suelos. Se pueden recopilar datos mediante instrumentos instalados en aviones, satélites o sistemas aéreos no tripulados para evaluar la cobertura vegetal y la química del suelo.

La monitorización remota o la teledetección desde la región espectroscópica del infrarrojo cercano (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 los satélites OCO-2 , GOSAT y TCCON .

Ciencias de los materiales

Se han desarrollado técnicas para la espectroscopia NIR de áreas de muestras microscópicas para mediciones de espesor 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 . [ 19 ] 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 cerebral

Cuando se activa un área específica del cerebro, el volumen sanguíneo localizado en esa área cambia rápidamente. Las imágenes ópticas pueden medir la ubicación y la actividad de regiones específicas del cerebro mediante el monitoreo continuo de los niveles de hemoglobina en sangre a través de la determinación de los coeficientes de absorción óptica. [ 20 ] [ 21 ]

Infrascanner 1000, un escáner NIRS utilizado para detectar hemorragias intracraneales.

La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) puede utilizarse como herramienta de cribado rápido para detectar posibles hemorragias intracraneales colocando el escáner en cuatro puntos de la cabeza. En pacientes sin lesiones, el cerebro absorbe la luz infrarroja cercana de manera uniforme. Cuando se produce una hemorragia interna por una lesión, la sangre puede concentrarse en un punto, lo que provoca que la luz infrarroja cercana se absorba más que en otros puntos, algo que el escáner detecta. [ 22 ]

La denominada NIRS funcional puede utilizarse 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 asociados con la actividad neuronal, por ejemplo, en ramas de la psicología cognitiva como un reemplazo parcial de las técnicas de fMRI . [ 23 ] La NIRS puede utilizarse en bebés y es mucho más portátil que las máquinas de fMRI; incluso existe instrumentación inalámbrica, lo que permite realizar investigaciones en sujetos en movimiento libre. [ 24 ] [ 25 ] Sin embargo, la NIRS no puede reemplazar completamente a la fMRI porque solo puede utilizarse para escanear el tejido cortical, mientras que la fMRI puede utilizarse para medir la activación en todo el cerebro. Se han desarrollado herramientas estadísticas de dominio público para el análisis de mediciones NIRS/MRI, tanto individuales como combinadas. [ 26 ]

Ejemplo de adquisición de datos mediante fNIRS (Hitachi ETG-4000)

La aplicación en el mapeo funcional de la corteza humana se llama NIRS funcional (fNIRS) o tomografía óptica difusa (DOT). [ 27 ] El término tomografía óptica difusa se usa para NIRS tridimensional. Los términos NIRS, NIRI y DOT se usan a menudo indistintamente, pero tienen algunas distinciones. La diferencia más importante entre NIRS y DOT/NIRI es que DOT/NIRI se usa principalmente para detectar cambios en las propiedades ópticas del tejido simultáneamente desde múltiples puntos de medición y mostrar los resultados en forma de un mapa o imagen sobre un área específica, mientras que NIRS proporciona datos cuantitativos en términos absolutos en hasta unos pocos puntos específicos. Este último también se usa para investigar otros tejidos como, por ejemplo, músculo, [ 28 ] mama y tumores. [ 29 ] NIRS se puede usar 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. [ 28 ]

Mediante el empleo de varias longitudes de onda y métodos resueltos en el tiempo (dominio de la frecuencia o del tiempo) y/o resueltos espacialmente, se puede determinar el flujo sanguíneo, el volumen y la saturación absoluta del tejido (StO2{\displaystyle StO_{2}}o el Índice de Saturación Tisular (TSI)) se pueden cuantificar. [ 30 ] Las aplicaciones de la oximetría mediante métodos NIRS incluyen neurociencia, ergonomía, rehabilitación, interfaz cerebro-computadora , urología, detección de enfermedades que afectan la circulación sanguínea (por ejemplo, enfermedad vascular periférica), detección y evaluación de tumores de mama y optimización del entrenamiento 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 [ 31 ] [ 32 ] y la tasa metabólica cerebral de consumo de oxígeno (CMRO2). [ 33 ] También se ha demostrado que la CMRO2 se puede calcular con mediciones combinadas de NIRS/RM. [ 34 ] Adicionalmente, el metabolismo se puede investigar resolviendo un cromóforo mitocondrial adicional, la citocromo c oxidasa, utilizando NIRS de banda ancha. [ 35 ]

La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se está empezando a utilizar en cuidados intensivos pediátricos para ayudar en el manejo de pacientes tras cirugía cardíaca. De hecho, la NIRS permite medir la saturación venosa de oxígeno (SvO2), que está determinada por el gasto cardíaco, así como otros parámetros (FiO2, hemoglobina, captación de oxígeno). Por lo tanto, el análisis mediante NIRS proporciona a los médicos de cuidados intensivos una estimación del gasto cardíaco. La NIRS es una técnica preferida por los pacientes, ya que no es invasiva, es indolora y no requiere radiación ionizante.

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es otra técnica de imagen médica en el infrarrojo cercano (NIR) capaz de generar imágenes 3D con una alta resolución comparable a la de la microscopía de baja potencia. El uso de la coherencia óptica para medir la longitud del recorrido de los fotones permite a la OCT crear imágenes de tejido vivo y realizar exámenes nítidos de la morfología tisular. Debido a las diferencias técnicas, la OCT se limita a obtener imágenes a una profundidad de 1 a 2  mm por debajo de la superficie del tejido, pero a pesar de esta limitación, se ha consolidado como una técnica de imagen médica, especialmente para la obtención de imágenes de la retina y los segmentos anteriores del ojo, así como de las arterias coronarias.

Un tipo de neurofeedback, la hemoencefalografía o HEG, utiliza tecnología NIR para medir la activación cerebral, principalmente de los lóbulos frontales, con el fin 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, obtención de imágenes y miniaturización. [ 30 ]

NIRS periférico

La función microvascular periférica se puede evaluar mediante NIRS. La saturación de oxígeno de la hemoglobina en el tejido (StO2) proporciona información sobre la perfusión tisular. Se puede emplear una prueba de oclusión vascular (POV) para evaluar la función microvascular. Los sitios comunes para la monitorización periférica con NIRS incluyen la eminencia tenar, el antebrazo y los músculos de la pantorrilla.

Medición de partículas

La espectroscopia NIR se utiliza con frecuencia para la determinación del tamaño de partículas en diversos campos, incluido el estudio de polvos farmacéuticos y agrícolas.

Usos industriales

A diferencia de la NIRS utilizada en topografía óptica, la NIRS general empleada en ensayos químicos no proporciona imágenes mediante mapeo. Por ejemplo, un analizador clínico de dióxido de carbono requiere técnicas de referencia y rutinas de calibración para obtener una medición precisa del cambio en el contenido de CO₂ . En este caso, la calibración se realiza ajustando el control cero de la muestra analizada tras suministrar intencionadamente un 0 % de CO₂ u otra cantidad conocida de CO₂ en la muestra. El gas comprimido normal de los distribuidores contiene aproximadamente un 95 % de O₂ y un 5 % de CO₂ , que también puede utilizarse para ajustar la lectura del medidor de %CO₂ a un valor exacto del 5 % en la calibración inicial. [ 36 ]

Véase también

Referencias

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Further reading

  • Kouli, M.: "Experimental investigations of non invasive measuring of cerebral blood flow in adult human using the near infrared spectroscopy." Dissertation, Technical University of Munich, December 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 de infrarrojo cercano , CRC Press-Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL.
  • Espectroscopia NIR Archivada el 12/01/2015 en Wayback Machine Noticias sobre espectroscopia NIR