Közeli infravörös spektroszkópia

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A diklór-metán közeli infravörös elnyelési spektruma.

A közeli infravörös spektroszkópia (NIR-spektroszkópia) egy spektroszkópiai eljárás, ami az elektromágneses spektrum közeli infravörös tartományát (800–2500 nm) használja. Tipikus alkalmazási területei a gyógyszergyártás, az orvosi diagnosztika, az élelmiszerek minőségellenőrzése és az égéssel kapcsolatos kutatások.

Elméleti háttér[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A molekulák atomjai közötti kémiai kötések hossza és egymással bezárt szöge változhat, azaz a molekula rezeghet; ennek a rezgésnek az energiája és a frekvenciája az adott molekulára jellemző diszkrét értékeket vesz fel. Az ezen diszkrét energiaszintek közötti átmenet kiváltható gerjesztéssel, amikor a molekulát megfelelő hullámhosszú sugárzás éri; a sugárzás eközben szóródik vagy elnyelődik. Abból, hogy milyen hullámhosszak nyelődtek el, következtethetünk az anyag összetételére. Ezen az elven működik az infravörös spektroszkópia.

Egy CH2-csoport hat lehetséges rezgése
Szimmetrikus
vegyértékrezgés
Aszimmetrikus
vegyértékrezgés
Ollózó
(síkbeli aszimmetrikus)
deformációs rezgés
Kaszáló
(síkbeli szimmetrikus)
deformációs rezgés
síkra merőleges
szimmetrikus
deformációs rezgés
síkra merőleges
aszimmetrikus
deformációs rezgés
Symmetrical stretching.gif Asymmetrical stretching.gif Scissoring.gif Modo rotacao.gif Wagging.gif Twisting.gif

A közeli infravörös tartományban a molekularezgések (elsősorban az X-H rezgések) felhangjai és kombinációi jelennek meg, ezek ugyan néhány nagyságrenddel kevésbé abszorbeálnak, de ezt kompenzálja a műszerek nagyobb érzékenysége. A közeli infravörös tartomány abban különbözik a közép-infravöröstől (MIR), hogy nagyobb energiájú, így egyszerre több energiaszinttel is feljebb lép hatására a molekula. Az ilyen tiltott átmenetek azonban nagyon ritkán következnek csak be, ezért a közeli infravörös spektroszkópia érzékenysége rosszabb, mint az infravörösé, viszont mélyebbre hatol az anyagban.

A molekuláris felhang- és kombinációs sávok jellemzően nagyon szélesek, így a spektrumok összetettek; nehezen lehet az egyes kémiai összetevőket egyedi spektrális jellemmzőkkel leírni. A kívánt kémiai információ megszerzéséhez gyakran többváltozós (több hullámhosszat használó) kalibrációs eljárásokra lehet szükség (pl. főkomponens analízisre - PCA, vagy parciális legkisebb négyzetek - PLS - módszerére). A kalibrációs referenciaminták gondos megválasztása és a megfelelő többváltozós módszerek kidolgozása a jó közeli infravörös analízis lényeges feltétele.

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A közeli infravörös sugárzást William Herchsel fedezte fel a 19. században, de az ipari alkalmazása csak az 1950-es években kezdődött meg. Kezdetben csak kiegészítőként használták az egyéb (infravörös, látható vagy ultraibolya) spektrométerekhez; az 1980-as évektől kezdték önállóan alkalmazni kémiai analízisre. A száloptika kifejlesztése és a monokromátorok fejlődése a 90-es évekre a tudományos kutatások, majd az orvosi diagnosztika hasznos eszközévé tette.

Műszerek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A közeli infravörös spektroszkópiában alkalmazott műszerek, spektrométerek, nagy mértékben hasonlítanak a látható és a közép-infravörös tartományok műszereihez. A műszer fő alkotórészei a forrás, a detektor és egy diszperzív eszköz (például egy prizma, vagy gyakrabban diffrakciós rács), ezek segítségével állapítható meg az egyes hullámhosszakon mért energia. Az interferométert alkalmazó Fourier-transzformációs spektroszkópia szintén gyakori, különösen az 1000 nm-nél magasabb hullámhosszak esetében. A mintától függően a spektrum transzmissziós vagy reflexiós üzemmódban vehető fel.

A közeli infravörös sugárzás szélessávú forrásaiként gyakran közönséges izzólámpát, vagy halogén lámpát használnak. A detektor típusát elsősorban a vizsgált hullámhossz-tartomány határozza meg. A szilícium alapú detektorok a NIR-tartomány rövidebb hullámhosszúságú tartományában használhatók jól, de a közeli infravörös tartomány nagy részében is alkalmazhatók. A hosszabb hullámhosszokon indium-gallium-arzenid (InGaAs) vagy ólom-szulfid (PbS) detektorokat használnak.

Alkalmazása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az asztronómiában a kevésbé forró csillagok légkörének tanulmányozására használják. A titán-dioxid, szén-monoxid és a cianidok, amik a közeli infravörös tartományban nyelnek el fényt, segíthetnek beazonosítani egy csillag színképosztályát. Emellett molekuláris felhők vizsgálatára is használják, mert a közeli infravörös tartományt kevésbé nyelvi el a csillagközi por.

Az orvostudományban[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az orvostudományban a vérellátással, vérösszetétellel kapcsolatos vizsgálatokhoz használják (például oximetriára vagy vércukorszint-vizsgálatra, mert képes kimutatni a hemoglobin koncentrációját. Az agykutatásban és a kognitív pszichológiában más véráramlást jelző módszerekhez hasonlóan az agyi aktivitás jelzésére használják. (Az ilyen képalkotási eljárást néha fNIR (functional near-infrared imaging) vagy NIRSI (near-infrared spectroscopic imaging) néven is említik.) Ugyan rosszabb felbontású és áthatolóképességű, mint a fMRI vagy a PET, azonban olcsóbb, és jóval kevésbé korlátozza a kísérleti alanyt: nem kell egy készülékbe befeküdnie, hanem a fejére szerelt érzékelőkkel bármilyen tevékenységet végezhet. Ezen felül a közeli infravörös spektroszkópia az fMRI-vel ellentétben csecsemőkön is alkalmazható.

Használják még a talaj vagy a növényzet távoli képalkotással való vizsgálatára és különféle porok szemcsenagyságának a mérésére is.

Forrás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]