Blizu infrardeče spektroskopije

The Blizu infrardeče spektroskopije je metoda analize, ki temelji na absorpciji elektromagnetnega sevanja v območju kratkega vala infrardeče svetlobe. Ima široko paleto uporab v kemiji, prehrambeni tehnologiji in medicini. V medicini je med drugim slikovna metoda za prikaz možganske aktivnosti.

Kaj je blizu infrardeče spektroskopije?

Skoraj infrardeča spektroskopija, imenovana tudi NIRS okrajšano, je podobmočje infrardeče spektroskopije (IR spektroskopija). Fizično IR spektroskopija temelji na absorpciji elektromagnetnega sevanja z vzbujanjem nihajnih stanj v molekulah in skupinah atomov.

NIRS preučuje materiale, ki absorbirajo v frekvenčnem območju od 4.000 do 13.000 vibracij na cm. To ustreza območju valovne dolžine od 2500 do 760 nm. V tem območju se v glavnem vzbujajo vibracije molekul vode in funkcionalnih skupin, kot so hidroksilne, amino, karboksilne in CH skupine. Če elektromagnetno sevanje v tem frekvenčnem območju doseže ustrezne snovi, se vibracije vzbudijo z absorpcijo fotonov z značilno frekvenco. Absorpcijski spekter se zabeleži, ko sevanje skozi vzorec ali se odbije.

Ta spekter nato pokaže absorpcije v obliki linij pri določenih valovnih dolžinah. V kombinaciji z drugimi analiznimi metodami lahko IR-spektroskopija in zlasti bližnje infrardeča spektroskopija dajejo izjave o molekularni strukturi preiskovanih snovi in ​​tako odpirajo široko paleto aplikacij, od kemičnih analiz do aplikacij industrijske in živilske tehnologije do medicine.

Funkcija, učinek in cilji

Skoraj infrardeča spektroskopija se v medicini uporablja že 30 let. Tu se med drugim uporablja kot slikovna metoda za določanje možganske aktivnosti. Poleg tega se lahko uporablja za merjenje vsebnosti kisika v krvi, volumna krvi in ​​pretoka krvi v različnih tkivih.

Postopek je neinvaziven in neboleč. Prednost kratkoročne infrardeče svetlobe je dobra prepustnost tkiva, tako da je vnaprej določena za medicinsko uporabo. S pomočjo skoraj infrardeče spektroskopije skozi lobanjsko kapico se možganska aktivnost določi z izmerjenimi dinamičnimi spremembami vsebnosti kisika v krvi. Ta postopek temelji na načelu nevrovaskularne sklopke. Nevrovaskularna sklopitev temelji na dejstvu, da spremembe v možganski aktivnosti pomenijo tudi spremembe energijske potrebe in s tem tudi potrebe po kisiku.

Vsako povečanje možganske aktivnosti zahteva tudi večjo koncentracijo kisika v krvi, kar določimo s skoraj infrardečo spektroskopijo. Substrat, ki veže kisik v krvi, je hemoglobin. Hemoglobin je barvilo, vezano na beljakovine, ki se pojavlja v dveh različnih oblikah. Obstajajo oksigenirani in deoksigenirani hemoglobin. To pomeni, da je brez kisika ali brez kisika. Pri prehodu iz ene oblike v drugo se njegova barva spreminja. To vpliva tudi na prenašanje svetlobe. Oksigenirana kri je bolj prepustna za infrardečo svetlobo kot kri s pomanjkanjem kisika.

Ko gre infrardeča svetloba skozi, je mogoče določiti razlike v obremenitvi s kisikom. Spremembe v absorpcijskih spektrih so izračunane in zagotavljajo informacije o trenutni možganski aktivnosti. Na podlagi tega se NIRS zdaj vse pogosteje uporablja kot slikovna metoda za prikaz možganske aktivnosti. Tako skoraj infrardeča spektroskopija omogoča tudi raziskovanje kognitivnih procesov, saj vsaka misel ustvari tudi višjo stopnjo možganske aktivnosti. Možno je tudi locirati območja povečane aktivnosti. Ta metoda je primerna tudi za realizacijo optičnega vmesnika možganov in računalnika. Vmesnik med možgani in računalniki predstavlja vmesnik med ljudmi in računalniki, od teh sistemov pa imajo koristi zlasti fizično prizadete osebe.

Z računalnikom lahko s čisto miselno močjo sprožijo določena dejanja, na primer premikanje protez. Druga področja uporabe NIRS v medicini se med drugim nanašajo na urgentno medicino. Naprave spremljajo dovod kisika v oddelkih intenzivne nege ali po operacijah. To zagotavlja hitro reakcijo v primeru akutnega pomanjkanja kisika. Skoraj infrardeča spektroskopija je koristna tudi za spremljanje krvnih motenj ali za optimizacijo dovoda kisika v mišice med treningom.

Tveganja, neželeni učinki in nevarnosti

Uporaba skoraj infrardeče spektroskopije je brez težav in ne povzroča stranskih učinkov. Infrardeče sevanje je nizkoenergijsko sevanje, ki ne poškoduje biološko pomembnih snovi. Tudi genska sestava ne napada. Sevanje samo stimulira različna vibracijska stanja bioloških molekul. Postopek je tudi neinvaziven in neboleč.

V kombinaciji z drugimi funkcionalnimi metodami, kot so MEG (magnetoencefalografija), fMRI (funkcionalna magnetnoresonančna tomografija), PET (pozitronsko-emisijska tomografija) ali SPECT (računalniška tomografija z enim fotonskim emisijam), skoraj infrardeča spektroskopija lahko dobro vizualizira možganske aktivnosti. Poleg tega ima skoraj infrardeča spektroskopija velik potencial za spremljanje koncentracije kisika v medicini intenzivne nege. Na primer študija na Kliniki za srčno kirurgijo v Lübecku kaže, da je mogoče operativne nevarnosti v srčni kirurgiji zanesljiveje predvideti z določitvijo možganske nasičenosti s kisikom z uporabo NIRS kot pri prejšnjih metodah.

Skoraj infrardeča spektroskopija daje dobre rezultate tudi za druge aplikacije intenzivne nege. Na primer, uporablja se tudi za spremljanje hudo bolnih bolnikov na oddelkih intenzivne nege, da se prepreči pomanjkanje kisika. V različnih študijah primerjamo NIRS s konvencionalnimi metodami spremljanja. Študije kažejo potencial, pa tudi meje bližnje infrardeče spektroskopije.

Vendar pa se zaradi tehničnega razvoja postopka v zadnjih letih lahko izvajajo vse bolj zapletene meritve. To omogoča, da se presnovni procesi, ki potekajo v biološkem tkivu, beležijo boljše in boljše ter jih grafično predstavljajo. Skoraj infrardeča spektroskopija bo v prihodnosti igrala še večjo vlogo v medicini.