Naby-infrarooispektroskopie

Naby-infrarooispektroskopie (NIR) of (NIRS) is 'n analitiese meettegniek wat lig in die naby-infrarooi-gebied (0,75–1,4 µm) van die elektromagnetiese spektrum gebruik.

Tipiese toepassings sluit mediese en fisiologiese diagnostiek en navorsing in. Dit sluit ook studies en behandeling van bloedsuiker, pols-oksimetrie, funksionele neuro-beelding, sportgeneeskunde, neonatale navorsing, urologie en neurologie in. Daar is ook toepassings in farmaseutiese, voedsel- en landbouchemiese kwaliteitskontrole, atmosferiese chemie, verbrandingsnavorsing en sterrekunde.

Geskiedenis

Die ontdekking van naby-infrarooi energie word toegeskryf aan William Herschel in die 19de eeu, maar die eerste industriële toepassing is in die 1950's begin. In die eerste toepassings is NIRS slegs as 'n byvoegingseenheid vir ander optiese toestelle gebruik wat ander golflengtes gebruik het, soos ultraviolet (UV), sigbare (VIS) of middel-infrarooi (MIR) spektrometers.

Die eerste pogings om hierdie straling te gebruik om monsters te ondersoek was in die 1960s. Aanvanklik het navorsers probeer om dit as 'n transmissiespektroskopiese metode te implementeer. Dit het egter vereis dat die monster tot 'n fyn poeier gemaal en met 'n stof soos koolstoftetrachloried CCl₄ gemeng word wat 'n vergelykbare brekingsindeks vir hierdie golflengtes besit. Sonder hierdie toevoeging is daar te veel verstrooiing.

Die aanwendings was egter hoofsaaklik gerig op monsters uit die landbou, soos sade of meel en CCl₄ is giftig en skadelik vir die gesondheid. Daarom het navorsers oorgegaan op die prinsipe van diffuse refleksie. 'n Cary 14-spektrofotometer wat in hierdie tyd baie vir sigbareligspektroskopie gebruik is, is omgebou met vier eenvoudige loodsulfied-detektore met 'n groot oppervlak wat die verstrooide naby-infrarooilig gemeet het. Die instrument het van 1000 tot 2600 nm kon skandeer.

In die 1980's is 'n alleenstaande NIRS-stelsel beskikbaar gestel, maar die toepassing van NIRS was meer gefokus op chemiese ontleding. Met die bekendstelling van optiese vesel-optika in die middel van die tagtigerjare en die ontwikkeling van monokromator-detektor in die vroeë negentigerjare, het NIRS 'n kragtiger instrument vir wetenskaplike navorsing geword.

Vog-, proteïen- en vetgehalte van oliesade het afsonderlik in net een meting bepaal kon word en dit het duidelik gemaak dat hierdie tegniek groot aanwendings kon hê.^[1]

Hierdie optiese metode kan op 'n aantal wetenskaplike terreine gebruik word, waaronder fisika, fisiologie of medisyne. Dit is eers in die laaste paar dekades dat NIRS begin het om as 'n mediese instrument te gebruik om pasiënte te monitor.

Teorie

NIRS is gebaseer op molekulêre botone en vibrasie-kombinasies. Sulke oorgange word deur die seleksiereëls van kwantummeganika verbied. As gevolg hiervan is die molêre absorpsie in die naby-IR-streek (d.w.s. hoe sterk die chemiese spesie lig verswak op 'n sekere golflengte) gewoonlik baie klein. Een voordeel is dat NIRS tipies veel verder in 'n monster kan binnedring as middel-infrarooi bestraling. NIRS is dus nie 'n sensitiewe tegniek nie, maar dit kan baie nuttig wees om grootmaatmateriaal te ondersoek met min of geen monstervoorbereiding nie.

Die molekulêre botoon en kombinasiebande wat in die naby-IR gesien word, is tipies baie breed, wat lei tot komplekse spektra. Dit kan dus moeilik wees om spesifieke eienskappe aan spesifieke chemiese komponente toe te ken. Daar word dikwels gebruik gemaak van meervoudige veranderlike kalibrasietegnieke om die gewenste chemiese inligting te onttrek. Noukeurige ontwikkeling van 'n stel kalibreringsmonsters en toepassing van meerveranderlike kalibrasietegnieke is noodsaaklik vir NIRS analitiese metodes.^[2]

Kenmerke

Die energie van die fotone in hierdie gebied is groter as die energie wat vereis is om die meeste vibrasies van chemiese bindings te veroorsaak. Die vibrasie-energie lê gewoonlik in die mid-infrarooi-gedeelte en is die onderwerp van die infrarooispektroskopie. Absorpsies in die NIR is daarom gewoonlik botone van die IR-vibrasies wat na hoër energietoestand as die 2de vlak voer. Hierdie absorpsies is gewoonlik nie sterk nie. Uitsonderings word gevorm deur 'n stof soos water wat baie waterstofbinding het. Dit veroorsaak dat die O-H-vibrasies uiters anharmonies word en die gevolg hiervan is botone wat strek deur die gehele NIR-gebied tot in die sigbare deel van die spektrum. DIt is dus maklik om vog in die NIR te detekteer.

Toepassings

Astronomiese spektroskopie

NIRS word in sterrekunde gebruik vir die bestudering van die atmosfeer van koel sterre waar molekule kan vorm. Die vibrasie- en rotasiehandtekeninge van molekule soos titaanoksied, sianied en koolstofmonoksied kan gemeet word en kan 'n leidraad gee vir die ster se spektrale tipe. Dit word ook gebruik om molekule in ander astronomiese kontekste te bestudeer, soos in molekulêre wolke waar nuwe sterre gevorm word. Die astronomiese verskynsel rooierigheid beteken dat golflengtes in die naby-infrarooi minder beïnvloed word deur stof in die interstellêre medium, sodat streke wat ontoeganklik is deur optiese spektroskopie in die naby-infrarooi bestudeer kan word. Aangesien stof en gas sterk geassosieer word, is hierdie stowwerige streke presies dié waar infrarooi spektroskopie die nuttigste is. Die NIR spektra van baie jong sterre bied belangrike inligting oor hul ouderdomme en massas, wat belangrik is om stervorming in die algemeen te verstaan. Astronomiese spektrografieë is ook ontwikkel vir die opsporing van eksoplanete met behulp van die Doppler-verskuiwing van die moederster as gevolg van die radiale snelheid van die planeet rondom die ster.^[3]^[4]

Landbou

NIRS word wyd in die landbou toegepas vir die bepaling van die kwaliteit van voer, graan en graanprodukte, oliesade, koffie, tee, speserye, vrugte, groente, suikerriet, drank, vette en olies, suiwelprodukte, eiers, vleis en ander landbou produkte. Dit word algemeen gebruik om die samestelling van landbouprodukte te kwantifiseer omdat dit aan die kriteria voldoen om akkuraat, betroubaar, vinnig, nie-vernietigend en goedkoop te wees.^[5]

Materiaalkunde

Tegnieke is ontwikkel vir die NIR-spektroskopie van mikroskopiese monsterareas vir die meting van filmdikte en navorsing oor die optiese eienskappe van nanodeeltjies en optiese bedekkings vir die telekommunikasiebedryf.

Mediese gebruike

Die toepassing van NIRS in medisyne fokus op die vermoë om inligting oor die suurstofversadiging van hemoglobien in die mikrosirkulasie te verskaf.^[6] In die breë kan dit gebruik word om oksigenasie en mikrovaskulêre funksie in die brein (serebrale NIRS) of in die perifere weefsels (perifere NIRS) te beoordeel.

Verwysings

↑ Norris, Karl. H. (1988). "Geskiedenis, huidige status en toekomsvooruitsigte vir NIRS". In Creaser, C. S. (red.). Analitiese toepassings van spektroskopie (in Engels). London: Royal Society of Chemistry. p. 3. ISBN 0-85186-383-3. OCLC 17263182.
↑ Balabin RM, Safieva RZ, Lomakina EI (2007). "Vergelyking van lineêre en nie-lineêre kalibrasiemodelle gebaseer op nabye infrarooi (NIR) spektroskopiedata vir voorspelling van petrol eienskappe". Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems (in Engels). 88 (2): 183–188. doi:10.1016/j.chemolab.2007.04.006.
↑ Quinlan, F.; Ycas, G.; Osterman, S.; Diddams, S. A. (1 Junie 2010). "A 12.5 GHz-spaced optical frequency comb spanning >400 nm for near-infrared astronomical spectrograph calibration". Review of Scientific Instruments (in Engels). 81 (6): 063105. arXiv:1002.4354. Bibcode:2010RScI...81f3105Q. doi:10.1063/1.3436638. ISSN 0034-6748. PMID 20590223.
↑ Wilken T, Curto GL, Probst RA, Steinmetz T, Manescau A, Pasquini L, González Hernández JI, Rebolo R, Hänsch TW, Udem T, Holzwarth R (31 Mei 2012). "A spectrograph for exoplanet observations calibrated at the centimetre-per-second level". Nature (in Engels). 485 (7400): 611–614. Bibcode:2012Natur.485..611W. doi:10.1038/nature11092. ISSN 0028-0836. PMID 22660320.
↑ Burns, Donald; Ciurczak, Emil, reds. (2007). Handboek van naby-infrarooi analise, 3de Uitg. (Praktiese spektroskopie) (in Engels). pp. 349–369. ISBN 9781420007374.
↑ Butler, Ethan; Chin, Melissa; Aneman, Anders (2017). "Perifere naby-infrarooi spektroskopie: metodologiese aspekte en 'n sistematiese oorsig by chirurgiese pasiënte na die hartoperasie". Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia (in Engels). 31 (4): 1407–1416. doi:10.1053/j.jvca.2016.07.035. PMID 27876185.

[Creaser_1988-1] Norris, Karl. H. (1988). "Geskiedenis, huidige status en toekomsvooruitsigte vir NIRS". In Creaser, C. S. (red.). Analitiese toepassings van spektroskopie (in Engels). London: Royal Society of Chemistry. p. 3. ISBN 0-85186-383-3. OCLC 17263182.

[Balabin_2007-2] Balabin RM, Safieva RZ, Lomakina EI (2007). "Vergelyking van lineêre en nie-lineêre kalibrasiemodelle gebaseer op nabye infrarooi (NIR) spektroskopiedata vir voorspelling van petrol eienskappe". Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems (in Engels). 88 (2): 183–188. doi:10.1016/j.chemolab.2007.04.006.

[Quinlan-3] Quinlan, F.; Ycas, G.; Osterman, S.; Diddams, S. A. (1 Junie 2010). "A 12.5 GHz-spaced optical frequency comb spanning >400 nm for near-infrared astronomical spectrograph calibration". Review of Scientific Instruments (in Engels). 81 (6): 063105. arXiv:1002.4354. Bibcode:2010RScI...81f3105Q. doi:10.1063/1.3436638. ISSN 0034-6748. PMID 20590223.

[Wilken-4] Wilken T, Curto GL, Probst RA, Steinmetz T, Manescau A, Pasquini L, González Hernández JI, Rebolo R, Hänsch TW, Udem T, Holzwarth R (31 Mei 2012). "A spectrograph for exoplanet observations calibrated at the centimetre-per-second level". Nature (in Engels). 485 (7400): 611–614. Bibcode:2012Natur.485..611W. doi:10.1038/nature11092. ISSN 0028-0836. PMID 22660320.

[Burns-5] Burns, Donald; Ciurczak, Emil, reds. (2007). Handboek van naby-infrarooi analise, 3de Uitg. (Praktiese spektroskopie) (in Engels). pp. 349–369. ISBN 9781420007374.

[Butler-6] Butler, Ethan; Chin, Melissa; Aneman, Anders (2017). "Perifere naby-infrarooi spektroskopie: metodologiese aspekte en 'n sistematiese oorsig by chirurgiese pasiënte na die hartoperasie". Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia (in Engels). 31 (4): 1407–1416. doi:10.1053/j.jvca.2016.07.035. PMID 27876185.

[1]