Quang phổ hồng ngoại gần

Các Quang phổ hồng ngoại gần là một phương pháp phân tích dựa trên sự hấp thụ bức xạ điện từ trong dải ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn. Nó có nhiều ứng dụng trong hóa học, công nghệ thực phẩm và y học. Trong y học, nó là một phương pháp hình ảnh để hiển thị hoạt động của não.

Quang phổ hồng ngoại gần là gì?

Quang phổ cận hồng ngoại, còn được gọi là NIRS viết tắt, là một tiểu vùng của quang phổ hồng ngoại (IR spectroscopy). Về mặt vật lý, quang phổ IR dựa trên sự hấp thụ bức xạ điện từ thông qua sự kích thích các trạng thái dao động trong phân tử và nhóm nguyên tử.

NIRS kiểm tra các vật liệu hấp thụ trong dải tần số từ 4.000 đến 13.000 dao động mỗi cm. Điều này tương ứng với dải bước sóng từ 2500 đến 760 nm, trong dải này, dao động của các phân tử nước và các nhóm chức như nhóm hydroxyl, amino, cacboxyl và CH được kích thích chủ yếu. Nếu bức xạ điện từ trong dải tần này chạm vào các chất tương ứng, thì dao động được kích thích với sự hấp thụ các photon có tần số đặc trưng. Phổ hấp thụ được ghi lại sau khi bức xạ đi qua mẫu hoặc bị phản xạ.

Quang phổ này sau đó cho thấy sự hấp thụ ở dạng vạch ở các bước sóng nhất định. Kết hợp với các phương pháp phân tích khác, quang phổ IR và đặc biệt là quang phổ cận hồng ngoại có thể đưa ra các tuyên bố về cấu trúc phân tử của các chất được kiểm tra và do đó mở ra một loạt các ứng dụng, từ phân tích hóa học đến các ứng dụng công nghiệp và công nghệ thực phẩm cho đến y học.

Chức năng, tác dụng và mục tiêu

Quang phổ hồng ngoại gần đã được sử dụng trong y học trong 30 năm. Ở đây, nó được sử dụng, trong số những thứ khác, như một phương pháp hình ảnh để xác định hoạt động của não. Ngoài ra, nó có thể được sử dụng để đo hàm lượng oxy trong máu, thể tích máu và lưu lượng máu trong các mô khác nhau.

Thủ tục không xâm lấn và không đau. Ưu điểm của ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn là khả năng thẩm thấu mô tốt, do đó nó được sử dụng trong y tế. Sử dụng phương pháp quang phổ cận hồng ngoại qua nắp sọ, hoạt động của não được xác định thông qua những thay đổi năng động đo được của hàm lượng oxy trong máu. Thủ thuật này dựa trên nguyên tắc ghép nối mạch thần kinh. Sự kết hợp mạch thần kinh dựa trên thực tế là những thay đổi trong hoạt động của não cũng có nghĩa là những thay đổi về nhu cầu năng lượng và do đó cũng là nhu cầu về oxy.

Bất kỳ sự gia tăng hoạt động nào của não cũng đòi hỏi nồng độ oxy trong máu cao hơn, nồng độ này được xác định bằng quang phổ cận hồng ngoại. Chất nền liên kết oxy trong máu là hemoglobin. Hemoglobin là một loại thuốc nhuộm liên kết với protein xảy ra ở hai dạng khác nhau. Có các hemoglobin được oxy hóa và khử oxy. Điều đó có nghĩa là nó có oxy hoặc không có oxy. Khi chuyển từ hình dạng này sang hình dạng khác, màu sắc của nó sẽ thay đổi. Điều này cũng ảnh hưởng đến việc truyền ánh sáng. Máu được cung cấp oxy dễ thấm ánh sáng hồng ngoại hơn máu thiếu oxy.

Khi ánh sáng hồng ngoại đi qua, có thể xác định được sự khác biệt về tải lượng oxy. Những thay đổi trong quang phổ hấp thụ được tính toán và cung cấp thông tin về hoạt động hiện tại của não. Trên cơ sở này, NIRS ngày càng được sử dụng như một phương pháp hình ảnh để hiển thị hoạt động của não. Như vậy, quang phổ cận hồng ngoại cũng cho phép khảo sát các quá trình nhận thức, bởi vì mọi suy nghĩ cũng tạo ra mức độ hoạt động của não cao hơn. Cũng có thể xác định vị trí các khu vực hoạt động gia tăng. Phương pháp này cũng thích hợp để thực hiện một giao diện máy tính-não quang học. Giao diện não-máy tính đại diện cho một giao diện giữa con người và máy tính. Những người khuyết tật về thể chất đặc biệt được hưởng lợi từ các hệ thống này.

Họ có thể sử dụng máy tính để kích hoạt các hành động nhất định, chẳng hạn như chuyển động của các bộ phận giả, với sức mạnh thuần túy của suy nghĩ. Các lĩnh vực ứng dụng khác của NIRS trong y học liên quan đến y học khẩn cấp. Các thiết bị giám sát việc cung cấp oxy trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt hoặc sau khi hoạt động. Điều này đảm bảo phản ứng nhanh chóng trong trường hợp thiếu oxy cấp tính. Quang phổ hồng ngoại gần cũng hữu ích để theo dõi các rối loạn tuần hoàn hoặc để tối ưu hóa việc cung cấp oxy cho cơ trong quá trình luyện tập.

Rủi ro, tác dụng phụ và nguy hiểm

Việc sử dụng quang phổ hồng ngoại gần không có vấn đề gì và không gây ra bất kỳ tác dụng phụ nào. Bức xạ hồng ngoại là bức xạ năng lượng thấp không làm hỏng các chất quan trọng về mặt sinh học. Cấu tạo gen cũng không bị tấn công. Bức xạ chỉ kích thích các trạng thái dao động khác nhau của các phân tử sinh học. Thủ tục này cũng không xâm lấn và không đau.

Kết hợp với các phương pháp chức năng khác, chẳng hạn như MEG (từ não đồ), fMRI (chụp cắt lớp cộng hưởng từ chức năng), PET (chụp cắt lớp phát xạ positron) hoặc SPECT (chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon), quang phổ cận hồng ngoại có thể hình dung tốt các hoạt động của não. Hơn nữa, quang phổ hồng ngoại gần có tiềm năng lớn để theo dõi nồng độ oxy trong y học chăm sóc đặc biệt. Một nghiên cứu tại Phòng khám phẫu thuật tim ở Lübeck cho thấy rủi ro vận hành trong phẫu thuật tim có thể được dự đoán một cách đáng tin cậy hơn bằng cách xác định độ bão hòa oxy não với sự trợ giúp của NIRS so với các phương pháp trước đây.

Quang phổ hồng ngoại gần cũng mang lại kết quả tốt cho các ứng dụng chăm sóc đặc biệt khác. Ví dụ, nó cũng được sử dụng để theo dõi bệnh nhân bị bệnh nặng trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt để ngăn chặn tình trạng thiếu oxy. Trong các nghiên cứu khác nhau, NIRS được so sánh với các phương pháp giám sát thông thường. Các nghiên cứu cho thấy tiềm năng, nhưng cũng là giới hạn của quang phổ cận hồng ngoại.

Tuy nhiên, các phép đo ngày càng phức tạp hơn có thể được thực hiện do những phát triển kỹ thuật của quy trình trong những năm gần đây. Điều này cho phép các quá trình trao đổi chất diễn ra trong mô sinh học được ghi lại ngày càng tốt hơn và thể hiện chúng bằng đồ thị. Quang phổ cận hồng ngoại sẽ đóng một vai trò lớn hơn nữa trong y học trong tương lai.