La espectroscopia de infrarrojo cercano ( NIRS ) es un método espectroscópico que utiliza la región de infrarrojo cercano del espectro electromagnético (de 780 nm a 2500 nm). [1] Las aplicaciones típicas incluyen diagnósticos médicos y fisiológicos e investigación, incluyendo 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 hay aplicaciones en otras áreas, como el control de calidad farmacéutico , alimentario y agroquímico , la química atmosférica , la investigación y el conocimiento de la combustión.
La espectroscopia de infrarrojo cercano se basa en vibraciones de sobretonos y combinaciones moleculares. [2] Los sobretonos y las combinaciones exhiben una intensidad menor en comparación con la fundamental, como resultado, la absortividad molar en la región del infrarrojo cercano es típicamente bastante pequeña. [3] (Las bandas de absorción del infrarrojo cercano son típicamente entre 10 y 100 veces más débiles que la banda de absorción fundamental del infrarrojo medio correspondiente). [4] La menor absorción permite que la radiación del infrarrojo cercano penetre mucho más en una muestra que la radiación del infrarrojo medio . Por lo tanto, la espectroscopia del 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.
Las bandas de sobretonos y combinaciones moleculares que se observan en el infrarrojo cercano suelen ser muy amplias, 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 (varias 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 multivariadas son esenciales 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, el NIRS se utilizó solo como una unidad complementaria a otros dispositivos ópticos que utilizaban otras longitudes de onda, como los 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.
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 evaluar la calidad de los productos agrícolas. Desde entonces, su uso se ha ampliado de la industria alimentaria y agrícola a las industrias química, de polímeros y petrolera; la industria farmacéutica; las ciencias biomédicas; y el análisis ambiental. [7]
Con la introducción de la fibra óptica a mediados de los años 1980 y el desarrollo de los detectores monocromadores a principios de los años 1990, la 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. Recién en las últimas décadas se empezó a utilizar la NIRS como herramienta médica para el seguimiento de pacientes, con la primera aplicación clínica de la denominada fNIRS en 1994. [8]
La instrumentación para 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 de barrido por longitud de onda y los peines de frecuencia se han convertido recientemente en fuentes potentes, aunque a veces con escalas de tiempo de adquisición más largas. Cuando se utilizan láseres, puede ser suficiente un solo detector sin ningún elemento dispersivo.
El tipo de detector utilizado depende principalmente del rango de longitudes de onda que se desea 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 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-visibles y NIR "simultáneamente".
Los instrumentos diseñados para la obtención de imágenes químicas en el infrarrojo cercano pueden utilizar un detector de matriz 2D con un filtro acústico-óptico ajustable . Se pueden registrar múltiples imágenes de forma secuencial en diferentes bandas de longitud de onda estrechas. [9]
Muchos instrumentos comerciales para espectroscopia UV/VIS son capaces de registrar espectros en el rango del infrarrojo cercano (hasta quizás ~900 nm). De la misma manera, el rango de algunos instrumentos de infrarrojo medio puede extenderse al infrarrojo cercano. En estos instrumentos, el detector utilizado para las longitudes de onda del infrarrojo cercano 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 infrarrojo medio al rango del infrarrojo cercano, sino que se desarrolló de forma independiente. Una forma sorprendente de demostrarlo es que, mientras que los espectroscopistas del infrarrojo medio utilizan números de onda ( cm −1 ) al mostrar espectros, los espectroscopistas del NIR utilizaron longitudes de onda ( nm ), como se utiliza en la espectroscopia 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 tendían a mantener los máximos de absorción "a escala", lo que permitía el trabajo cuantitativo 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 sospecha en el ámbito académico.
En general, un análisis NIR cuantitativo se logra seleccionando un grupo de muestras de calibración , para las cuales se ha determinado la concentración del analito de interés 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 del analito para las 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 la calibración multivariante. Las dos herramientas que se utilizan con más frecuencia son la regresión lineal de longitud de onda múltiple y los 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 vibracionales y rotacionales de moléculas como el óxido de titanio, el cianuro y el monóxido de carbono se pueden ver en este rango de longitudes 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 espectroscopia 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 de infrarrojo cercano de estrellas muy jóvenes proporcionan información importante sobre sus edades y masas, lo que es importante para comprender la formación de estrellas 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, 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. [14] [15] Se utiliza ampliamente para cuantificar la composición de productos agrícolas porque cumple con los criterios de ser precisa, confiable, rápida, no destructiva y económica. [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 de infrarrojo cercano. Las imágenes hiperespectrales se han aplicado a una amplia gama de usos, incluida la investigación remota de plantas y suelos. Los datos se pueden recopilar desde instrumentos en aviones, satélites o sistemas aéreos no tripulados para evaluar la cobertura del suelo y la química del mismo.
La monitorización remota o teledetección desde la región espectroscópica del infrarrojo cercano también se puede utilizar para estudiar la atmósfera. Por ejemplo, las mediciones de gases atmosféricos se realizan a partir de espectros del infrarrojo cercano medidos por el OCO-2 , el GOSAT y el TCCON .
Se han desarrollado técnicas para la espectroscopia NIR de áreas de muestras microscópicas para mediciones de espesor de película, 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 periférico).
NIRS cerebral
Cuando se activa una zona específica del cerebro, el volumen sanguíneo localizado en esa zona 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 coeficientes de absorción óptica. [19] [20]
La luz infrarroja cercana (NIRS) se puede utilizar como una herramienta de detección rápida de posibles casos de hemorragia intracraneal colocando el escáner en cuatro puntos de la cabeza. En pacientes no lesionados, el cerebro absorbe la luz infrarroja cercana de manera uniforme. Cuando hay una hemorragia interna a causa de una lesión, la sangre puede concentrarse en un punto, lo que hace que la luz infrarroja cercana se absorba más que en otros puntos, que el escáner detecta. [21]
La denominada NIRS funcional se puede utilizar para la evaluación no invasiva de la función cerebral a través del cráneo intacto en sujetos humanos mediante la detección de cambios en las concentraciones de hemoglobina en sangre asociadas con la actividad neuronal, por ejemplo, en ramas de la psicología cognitiva como un reemplazo parcial para las técnicas de fMRI . [22] La NIRS se puede utilizar en bebés, y la NIRS es mucho más portátil que las máquinas de fMRI, incluso hay instrumentación inalámbrica disponible, lo que permite investigaciones en sujetos que se mueven libremente. [23] [24] Sin embargo, la NIRS no puede reemplazar completamente a la fMRI porque solo se puede utilizar para escanear el tejido cortical, mientras que la fMRI se puede utilizar para medir la activación en todo el cerebro. Se han desarrollado cajas de herramientas estadísticas especiales de dominio público para el análisis de la medición NIRS/MRI independiente y combinada [25] (NIRS-SPM).
La aplicación en el mapeo funcional de la corteza humana se llama NIRS funcional (fNIRS) o tomografía óptica difusa (DOT). [26] 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 un mapa o imagen sobre un área específica, mientras que NIRS proporciona datos cuantitativos en términos absolutos sobre hasta unos pocos puntos específicos. Este último también se utiliza para investigar otros tejidos como, por ejemplo, músculo, [27] mama y tumores. [28] 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. [27]
Al emplear varias longitudes de onda y métodos resueltos en el tiempo (dominio de frecuencia o tiempo) y/o resueltos espacialmente, se puede cuantificar el flujo sanguíneo, el volumen y la saturación tisular absoluta (o índice de saturación tisular (TSI)). [29] Las aplicaciones de la oximetría por métodos NIRS incluyen la neurociencia, la ergonomía, la rehabilitación, la interfaz cerebro-computadora , la 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 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 [30] [31] y la tasa metabólica cerebral de consumo de oxígeno (CMRO2). [32] También se ha demostrado que la CMRO2 se puede calcular con mediciones combinadas de NIRS/MRI. [33] Además, el metabolismo se puede interrogar mediante la resolución de un cromóforo mitocondrial adicional, la citocromo-c-oxidasa, utilizando NIRS de banda ancha. [34]
La NIRS se está empezando a utilizar en cuidados intensivos pediátricos para ayudar a tratar a los pacientes después de una cirugía cardíaca. De hecho, la NIRS puede medir la saturación de oxígeno venoso (SVO2), que se determina a partir del gasto cardíaco, así como otros parámetros (FiO2, hemoglobina, consumo de oxígeno). Por lo tanto, el examen de la NIRS proporciona a los médicos de cuidados intensivos una estimación del gasto cardíaco. La NIRS es la opción preferida por los pacientes porque no es invasiva, no duele 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 una alta resolución similar a la de la microscopía de baja potencia. El uso de la coherencia óptica para medir la longitud del recorrido de los fotones permite que la OCT genere imágenes de tejido vivo y realice exámenes claros de la morfología tisular. Debido a las diferencias técnicas, la OCT se limita a obtener imágenes a 1-2 mm por debajo de las superficies tisulares, 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, 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. [29]
NIRS periférico
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 periférica mediante NIRS incluyen la eminencia tenar, el antebrazo y los músculos de la pantorrilla.
El NIR se utiliza a menudo para determinar el tamaño de partículas en diversos campos, 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 de dióxido de carbono clínico requiere técnicas de referencia y rutinas de calibración para poder obtener un cambio preciso en el contenido de CO2 . En este caso, la calibración se realiza ajustando el control de cero de la muestra que se está probando 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 95% de O2 y 5% de CO2 , que también se pueden usar para ajustar la lectura del medidor de %CO2 para que sea exactamente 5% en la calibración inicial. [35]
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