Spectroscopia în infraroșu

Spectroscopia în infraroșu este o metodă de analiză bazată pe absorbția radiațiilor electromagnetice în domeniul luminii infraroșii cu undă scurtă. Are o gamă largă de utilizări în chimie, tehnologie alimentară și medicină. În medicină este, printre altele, o metodă imagistică pentru afișarea activității creierului.

Ce este în apropierea spectroscopiei cu infraroșu?

Spectroscopia cu infraroșu aproape, numită și ea NIRS prescurtată, este o sub-zonă a spectroscopiei în infraroșu (spectroscopie IR). Fizic, spectroscopia IR se bazează pe absorbția radiațiilor electromagnetice prin excitarea stărilor de oscilație din molecule și grupuri de atomi.

NIRS examinează materialele care absorb în intervalul de frecvență de la 4.000 la 13.000 de vibrații pe cm. Aceasta corespunde cu lungimea de undă cuprinsă între 2500 și 760 nm. În acest interval, vibrațiile moleculelor de apă și ale grupărilor funcționale precum grupările hidroxil, amino, carboxil și CH sunt excitate în principal. Dacă radiațiile electromagnetice din acest interval de frecvență ating substanțele corespunzătoare, vibrațiile sunt excitate cu absorbția fotonilor cu o frecvență caracteristică. Spectrul de absorbție este înregistrat după ce radiația a trecut prin probă sau este reflectat.

Acest spectru arată apoi absorbțiile sub formă de linii la anumite lungimi de undă. În combinație cu alte metode de analiză, spectroscopia IR și, în special, spectroscopia cu infraroșu aproape pot face afirmații despre structura moleculară a substanțelor examinate și deschide astfel o gamă largă de aplicații, de la analize chimice la aplicații industriale și tehnologii alimentare până la medicină.

Funcția, efectul și obiectivele

Spectroscopia cu infraroșu aproape a fost folosită în medicină timp de 30 de ani. Aici este utilizat, printre altele, ca metodă imagistică pentru determinarea activității creierului. În plus, poate fi utilizat pentru a măsura conținutul de oxigen din sânge, volumul de sânge și fluxul de sânge în diferite țesuturi.

Procedura este non-invazivă și nedureroasă. Avantajul luminii infraroșii cu undă scurtă este permeabilitatea sa bună a țesuturilor, astfel încât este predestinat pentru utilizare medicală. Folosind spectroscopia aproape infraroșu prin intermediul craniului, activitatea creierului este determinată prin modificările dinamice măsurate ale conținutului de oxigen din sânge. Această procedură se bazează pe principiul cuplării neurovasculare. Cuplarea neurovasculară se bazează pe faptul că modificările în activitatea creierului înseamnă, de asemenea, schimbări în necesarul de energie și, astfel, și necesitatea de oxigen.

Orice creștere a activității creierului necesită, de asemenea, o concentrație mai mare de oxigen în sânge, care este determinată de spectroscopie cu infraroșu aproape. Substratul care leagă oxigenul din sânge este hemoglobina. Hemoglobina este un colorant legat de proteine ​​care apare sub două forme diferite. Există hemoglobină oxigenată și deoxigenată. Asta înseamnă că este oxigenat sau nu conține oxigen. Când treceți de la o formă la alta, culoarea ei se schimbă. Acest lucru afectează, de asemenea, transmiterea luminii. Sângele oxigenat este mai permeabil la lumina infraroșie decât sângele cu deficit de oxigen.

Când lumina infraroșie trece, diferențele de încărcare a oxigenului pot fi determinate. Modificările spectrelor de absorbție sunt calculate și oferă informații despre activitatea creierului curentă. Pe această bază, NIRS este utilizat din ce în ce mai mult ca metodă imagistică pentru a afișa activitatea creierului. Astfel, spectroscopia cu infraroșu aproape permite și investigarea proceselor cognitive, deoarece fiecare gând generează, de asemenea, un nivel mai ridicat al activității creierului. De asemenea, este posibilă localizarea zonelor cu activitate crescută. Această metodă este adecvată și pentru realizarea unei interfețe optice creier-calculator. Interfața creier-computer reprezintă o interfață între oameni și computere, persoanele cu handicap fizic beneficiază în special de aceste sisteme.

Ei pot folosi computerul pentru a declanșa anumite acțiuni, cum ar fi mișcarea protezelor, cu putere pură de gândire. Alte domenii de aplicare a NIRS în medicină se referă, printre altele, la medicina de urgență. Dispozitivele monitorizează alimentarea cu oxigen în unitățile de terapie intensivă sau după operații. Aceasta asigură o reacție rapidă în caz de lipsă acută de oxigen. Spectroscopia cu infraroșu aproape este de asemenea utilă pentru monitorizarea tulburărilor circulatorii sau pentru optimizarea aportului de oxigen la mușchi în timpul antrenamentului.

Riscuri, efecte secundare și pericole

Utilizarea spectroscopiei cu infraroșu aproape nu are probleme și nu provoacă efecte secundare. Radiația infraroșie este radiația cu consum redus de energie, care nu dăunează substanțelor biologice importante. De asemenea, machiajul genetic nu este atacat. Radiația stimulează doar diferitele stări vibraționale ale moleculelor biologice. Procedura este, de asemenea, non-invazivă și nedureroasă.

În combinație cu alte metode funcționale, cum ar fi MEG (magnetoencefalografie), fMRI (tomografie funcțională cu rezonanță magnetică), PET (tomografie cu emisie de pozitron) sau SPECT (tomografie computerizată cu emisie de fotoni), spectroscopia aproape infraroșu poate descrie bine activitățile creierului. Mai mult, spectroscopia cu infraroșu aproape are un potențial mare de monitorizare a concentrației de oxigen în medicamentele de terapie intensivă. Un studiu efectuat la Clinica pentru Chirurgie Cardiacă din Lübeck arată că riscurile operaționale în chirurgia cardiacă pot fi prezise mai fiabil prin determinarea saturației de oxigen cerebral cu ajutorul NIRS decât cu metodele anterioare.

Spectroscopia cu infraroșu aproape oferă, de asemenea, rezultate bune pentru alte aplicații de terapie intensivă. De exemplu, se folosește și pentru monitorizarea pacienților grav bolnavi din unitățile de terapie intensivă, pentru a preveni deficiența de oxigen. În diferite studii, NIRS este comparat cu metodele de monitorizare convenționale. Studiile arată potențialul, dar și limitele spectroscopiei cu infraroșu aproape.

Cu toate acestea, măsurători din ce în ce mai complexe pot fi efectuate datorită evoluțiilor tehnice ale procesului din ultimii ani. Acest lucru permite procesele metabolice care au loc în țesutul biologic să fie înregistrate mai bine și mai bine și să le reprezinte grafic. Spectroscopia cu infraroșu aproape va juca în viitor un rol și mai mare în medicină.