Nära infraröd spektroskopi

De Nära infraröd spektroskopi är en analysmetod baserad på absorption av elektromagnetisk strålning inom intervallet kortvågigt infrarött ljus. Det har ett brett spektrum av användningar inom kemi, livsmedelsteknik och medicin. Inom medicin är det bland annat en avbildningsmetod för att visa hjärnaktivitet.

Vad är nära infraröd spektroskopi?

Nära-infraröd spektroskopi, även kallad NIRS förkortat, är ett underområde för infraröd spektroskopi (IR-spektroskopi). Fysiskt baseras IR-spektroskopi på absorption av elektromagnetisk strålning genom excitering av oscillationstillstånd i molekyler och grupper av atomer.

NIRS undersöker material som absorberar i frekvensområdet från 4 000 till 13 000 vibrationer per cm. Detta motsvarar våglängdsområdet från 2500 till 760 nm. Inom detta intervall är vibrationer av vattenmolekyler och funktionella grupper såsom hydroxyl-, amino-, karboxyl- och CH-grupperna främst upphetsade. Om elektromagnetisk strålning i detta frekvensområde träffar motsvarande ämnen, upphetsas vibrationerna med absorption av fotoner med en karakteristisk frekvens. Absorptionsspektrumet registreras efter att strålningen har passerat genom provet eller reflekterats.

Detta spektrum visar sedan absorptionerna i form av linjer vid vissa våglängder. I kombination med andra analysmetoder kan IR-spektroskopi och i synnerhet nära-infraröd spektroskopi göra uttalanden om molekylstrukturen hos de undersökta ämnena och därmed öppna ett brett spektrum av tillämpningar, från kemiska analyser till industriella och livsmedels tekniska applikationer till medicin.

Funktion, effekt och mål

Nära-infraröd spektroskopi har använts inom medicin i 30 år. Här används det bland annat som en avbildningsmetod för att bestämma hjärnaktivitet. Dessutom kan det användas för att mäta syreinnehållet i blodet, blodvolymen och blodflödet i olika vävnader.

Förfarandet är icke-invasivt och smärtfritt. Fördelen med det korta vågiga infraröda ljuset är dess goda vävnadspermeabilitet, så att det är förutbestämt för medicinskt bruk. Med hjälp av nära-infraröd spektroskopi genom dödskalet bestäms hjärnaktiviteten genom de uppmätta dynamiska förändringarna i syreinnehållet i blodet. Denna procedur är baserad på principen om neurovaskulär koppling. Den neurovaskulära kopplingen baseras på det faktum att förändringar i hjärnaktivitet också innebär förändringar i energibehovet och därmed också syrebehovet.

Varje ökning av hjärnaktiviteten kräver också en högre koncentration av syre i blodet, vilket bestäms av nära-infraröd spektroskopi. Det syrebindande substratet i blodet är hemoglobin. Hemoglobin är ett proteinbundet färgämne som förekommer i två olika former. Det finns syresatt och deoxygenerat hemoglobin. Det betyder att det är antingen syresatt eller syrefritt. När du flyttar från en form till en annan ändras färgen. Detta påverkar också överföringen av ljus. Oxygenerat blod är mer permeabelt för infrarött ljus än syrebrist blod.

När det infraröda ljuset passerar genom kan skillnaderna i syrebelastningen bestämmas. Förändringarna i absorptionsspektra beräknas och ger information om den aktuella hjärnaktiviteten. På grundval av detta används nu allt mer NIRS som en avbildningsmetod för att visa hjärnaktivitet. Således tillåter nära-infraröd spektroskopi också utredning av kognitiva processer, eftersom varje tanke också genererar en högre nivå av hjärnaktivitet. Det är också möjligt att lokalisera områdena med ökad aktivitet. Denna metod är också lämplig för att förverkliga ett optiskt hjärn-datorgränssnitt. Hjärn-datorgränssnittet representerar ett gränssnitt mellan människor och datorer, särskilt för fysiskt handikappade människor drar nytta av dessa system.

De kan använda datorn för att utlösa vissa handlingar, till exempel rörelse av proteser, med ren tankekraft. Andra tillämpningsområden av NIRS inom medicin avser bland annat akutmedicin. Enheterna övervakar syretillförseln på intensivvården eller efter operationer. Detta säkerställer en snabb reaktion vid akut syrebrist. Nära-infraröd spektroskopi är också användbart för att övervaka cirkulationsstörningar eller för att optimera syretillförseln till musklerna under träning.

Risker, biverkningar och faror

Användningen av nära-infraröd spektroskopi är problemfri och orsakar inga biverkningar. Infraröd strålning är lågenergi strålning som inte skadar biologiskt viktiga ämnen. Den genetiska sminkan attackeras inte heller. Strålningen stimulerar endast de olika vibrationslägena för biologiska molekyler. Förfarandet är också icke-invasivt och smärtfritt.

I kombination med andra funktionella metoder, såsom MEG (magnetoencefalografi), fMRI (funktionell magnetisk resonans tomografi), PET (positronemissionstomografi) eller SPECT (enkelfotonemissionskomponerad tomografi), kan nästan infraröd spektroskopi skildra hjärnaktiviteter. Vidare har nära-infraröd spektroskopi stor potential för övervakning av syrekoncentrationen i intensivvårdsmedicin. En studie vid Clinic for Cardiac Surgery i Lübeck visar att operativa risker vid hjärtkirurgi kan förutsägas mer pålitligt genom att bestämma cerebral syremättnad med hjälp av NIRS än med tidigare metoder.

Nära-infraröd spektroskopi ger också bra resultat för andra intensivvårdsapplikationer. Till exempel används det också för att övervaka allvarligt sjuka patienter på intensivvården för att förhindra syrebrist. I olika studier jämförs NIRS med konventionella övervakningsmetoder. Studierna visar potentialen, men också gränserna för nära-infraröd spektroskopi.

Mer och mer komplexa mätningar kan emellertid utföras på grund av den tekniska utvecklingen av processen de senaste åren. Detta gör att metaboliska processer som äger rum i biologisk vävnad kan registreras bättre och bättre och att representera dem grafiskt. Nära-infraröd spektroskopi kommer att spela en ännu större roll i medicinen i framtiden.