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 diagnóstico e investigación 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 (neurovascular). acoplamiento). También existen aplicaciones en otras áreas, como el control de calidad farmacéutico , alimentario y agroquímico, la química atmosférica , la investigación y el conocimiento sobre la combustión.
La espectroscopia de infrarrojo cercano se basa en matices moleculares y vibraciones combinadas. Estas transiciones están prohibidas por las reglas de selección de la mecánica cuántica . [2] Como resultado, la absortividad molar en la región del IR cercano suele ser bastante pequeña. [3] (Las bandas de absorción NIR suelen ser entre 10 y 100 veces más débiles que la banda de absorción fundamental del IR medio correspondiente). [4] Una ventaja es que el NIR normalmente puede penetrar mucho más en una muestra que la radiación del infrarrojo medio . Por lo tanto, la espectroscopia de infrarrojo cercano no es una técnica particularmente sensible, pero puede ser muy útil para sondear material a granel con poca o ninguna preparación de la muestra.
Los armónicos moleculares y las bandas combinadas que se observan en el IR cercano suelen ser muy amplios, lo que da lugar a espectros complejos; Puede resultar difícil asignar características específicas a componentes químicos específicos. A menudo se emplean técnicas de calibración multivariadas (múltiples variables) (p. ej., 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 multivariadas es esencial para los métodos analíticos del infrarrojo cercano. [5]
El descubrimiento de la energía del infrarrojo cercano se atribuye a William Herschel en el siglo XIX, [6] pero la primera aplicación industrial comenzó en la década de 1950. En las primeras aplicaciones, NIRS se utilizó sólo como una unidad complementaria a otros dispositivos ópticos que utilizaban otras longitudes de onda, como espectrómetros ultravioleta (UV), visible (Vis) o infrarrojo medio (MIR). En la década de 1980, se puso a disposición un sistema NIRS autónomo de una sola unidad.
En la década de 1980, Karl Norris (mientras trabajaba en el Laboratorio de Investigación de Instrumentación del USDA, Beltsville, EE. UU.) fue pionero en el uso de la espectroscopia NIR para evaluaciones de calidad de productos agrícolas. Desde entonces, su uso se ha expandido desde la industria alimentaria y agrícola hasta la industria química, de polímeros y del petróleo; industria farmacéutica; Ciencias Biomédicas; y análisis ambiental. [7]
Con la introducción de la fibra óptica a mediados de los años 1980 y los desarrollos del detector monocromador a principios de los años 1990, el NIRS se convirtió en una herramienta más poderosa para la investigación científica. El método se ha utilizado en varios campos de la ciencia, incluidos la física , la fisiología o la medicina. Sólo en las últimas décadas la NIRS comenzó a utilizarse como herramienta médica para el seguimiento de los pacientes, con la primera aplicación clínica de la llamada fNIRS en 1994. [8]
La instrumentación para espectroscopía de IR 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 registrar la intensidad en diferentes longitudes de onda. Los instrumentos NIR por 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 espectroscopía de alta precisión, los láseres de longitud de onda escaneada 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 único detector sin elementos dispersivos podría ser suficiente.
El tipo de detector utilizado depende principalmente del rango de longitudes de onda 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 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 de silicio e InGaAs en el mismo instrumento. Estos instrumentos pueden registrar tanto el espectro UV-visible como el 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. [9]
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 alcance de algunos instrumentos del IR medio puede extenderse hasta el NIR. En estos instrumentos, el detector utilizado para las longitudes de onda NIR es a menudo el mismo detector utilizado para el rango de interés "principal" del instrumento.
El uso del NIR como técnica analítica no surgió de la extensión del uso del IR medio al rango del IR cercano, sino que se desarrolló de forma independiente. Una forma sorprendente de demostrar esto es que, mientras que los espectroscopistas de IR medio usan números de onda ( cm −1 ) al mostrar espectros, los espectroscopistas de NIR usaron longitudes de onda ( nm ), como se usa en la espectroscopía ultravioleta-visible . Los primeros practicantes de la espectroscopia IR , que dependían de la asignación de bandas de absorción a tipos de enlaces específicos, se sintieron frustrados por la complejidad de la región. Sin embargo, como herramienta cuantitativa, los niveles de absorción molar más bajos en la región tendieron a mantener los máximos de absorción "a escala", lo que permitió el trabajo cuantitativo con poca preparación de la muestra . Las técnicas aplicadas para extraer información cuantitativa de estos espectros complejos no eran familiares para los químicos analíticos, y la técnica fue vista con sospecha en el mundo académico.
Generalmente, un análisis NIR cuantitativo se logra 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 . Luego, la calibración se valida utilizándola para predecir los valores de analitos 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. Luego se utiliza una calibración validada para predecir los valores de las muestras. La complejidad de los espectros se supera mediante el uso de calibración multivariada. Las dos herramientas utilizaron con mayor frecuencia una regresión lineal de múltiples longitudes de onda y mínimos cuadrados parciales .
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.
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 en el infrarrojo cercano se pueden estudiar regiones inaccesibles a la espectroscopia óptica. Dado que el polvo y el gas están fuertemente asociados, estas regiones polvorientas son exactamente aquellas donde 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. [10] [11]
La espectroscopia de infrarrojo cercano se aplica ampliamente en la agricultura [12] [13] para determinar la calidad de forrajes, cereales y productos de cereales, semillas oleaginosas, café, té, especias, frutas, verduras, caña de azúcar, bebidas, grasas y aceites, productos lácteos. productos agrícolas, huevos, carne y otros productos agrícolas. [14] [15] Se utiliza ampliamente para cuantificar la composición de productos agrícolas porque cumple con los criterios de ser preciso, confiable, rápido, no destructivo y económico. [16] [17] Abeni y Bergoglio 2001 aplican NIRS a la cría de pollos como método de ensayo para las características de la composición de la grasa. [17]
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 a partir de instrumentos instalados en aviones, satélites o sistemas aéreos no tripulados para evaluar la cobertura del suelo y la química del suelo.
También se puede utilizar la monitorización remota o la teledetección desde la región espectroscópica NIR 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 .
Se han desarrollado técnicas de 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.
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 . [18] 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 periférica).
NIRS cerebrales
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 mediante la determinación de coeficientes de absorción óptica. [19]
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 debido a una lesión, la sangre puede concentrarse en un lugar, lo que hace que la luz NIR se absorba más que en otros lugares, lo que detecta el escáner. [20]
La denominada NIRS funcional se puede utilizar para la evaluación no invasiva de la función cerebral a través del cráneo intacto en seres humanos mediante la detección de cambios en las concentraciones de hemoglobina en sangre asociados con la actividad neuronal, por ejemplo, en ramas de la psicología cognitiva como reemplazo parcial de las técnicas de resonancia magnética funcional . [21] NIRS se puede utilizar en bebés, y NIRS es mucho más portátil que las máquinas de fMRI, incluso hay instrumentación inalámbrica disponible, que permite investigaciones en sujetos que se mueven libremente. [22] [23] Sin embargo, NIRS no puede reemplazar completamente la fMRI porque solo se puede usar para escanear el 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 [24] (NIRS-SPM).
La aplicación en el mapeo funcional de la corteza humana se llama NIRS funcional (fNIRS) o tomografía óptica difusa (DOT). [25] El término tomografía óptica difusa se utiliza para NIRS tridimensional. Los términos NIRS, NIRI y DOT suelen usarse 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 hasta sobre unos pocos puntos específicos. Este último también se utiliza para investigar otros tejidos como, por ejemplo, músculos, [26] mama y tumores. [27] 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. [26]
Al emplear varias longitudes de onda y métodos resueltos en el tiempo (frecuencia o dominio del tiempo) y/o resueltos espacialmente , se puede cuantificar el flujo sanguíneo, el volumen y la saturación tisular absoluta ( o índice de saturación tisular (TSI)). [28] Las aplicaciones de la oximetría mediante 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 [29] [30] y la tasa metabólica cerebral de consumo de oxígeno (CMRO2). [31] También se ha demostrado que CMRO2 se puede calcular con mediciones combinadas NIRS/MRI. [32] Además, se puede investigar el metabolismo resolviendo un cromóforo mitocondrial adicional, la citocromo-c-oxidasa, utilizando NIRS de banda ancha. [33]
NIRS está comenzando a utilizarse en cuidados intensivos pediátricos, para ayudar a tratar a los pacientes después de una cirugía cardíaca. De hecho, NIRS es capaz de medir la saturación venosa de oxígeno (SVO2), que está determinada por el gasto cardíaco, así como otros parámetros (FiO2, hemoglobina, consumo de oxígeno). Por lo tanto, examinar el 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 generar imágenes en 3D con alta resolución a la par de la microscopía de baja potencia. El uso de la coherencia óptica para medir la longitud de la trayectoria de los fotones permite que la OCT genere imágenes de tejido vivo y exámenes claros de la morfología del tejido. Debido a diferencias técnicas, la OCT se limita a obtener imágenes de 1 a 2 mm por debajo de las superficies del tejido, pero a pesar de esta limitación, la OCT se ha convertido en una técnica de imágenes médicas establecida, especialmente para obtener imágenes de la retina y los segmentos anteriores del ojo, así como de las coronarias.
Un tipo de neurofeedback, 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, imágenes y miniaturización. [28]
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.
NIR se utiliza a menudo para medir el tamaño de partículas en una variedad de campos diferentes, incluido el estudio de polvos farmacéuticos y agrícolas.
A diferencia del NIRS utilizado en topografía óptica, el NIRS general utilizado 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 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 analizando después de suministrar intencionalmente 0% de CO2 u otra cantidad conocida de CO2 en la muestra. El gas comprimido normal de los distribuidores contiene aproximadamente un 95 % de O 2 y un 5 % de CO 2 , lo que también se puede utilizar para ajustar la lectura del medidor de %CO 2 para que sea exactamente del 5 % en la calibración inicial. [34]
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