近赤外分光法
中赤外線吸収特性の複雑に重なり合う倍音を示すジクロロメタンの近赤外線吸収スペクトル。

近赤外分光法（NIRS）は、電磁スペクトルの近赤外領域（780 nm～2500 nm）を用いる分光法である。 [ 1 ]代表的な用途としては、血糖値、パルスオキシメトリー、機能的神経画像、スポーツ医学、エリートスポーツトレーニング、人間工学、リハビリテーション、新生児研究、脳コンピューターインターフェース、泌尿器科（膀胱収縮）、神経学（神経血管結合）などの医学・生理学の診断・研究が挙げられる。また、医薬品、食品・農薬の品質管理、大気化学、燃焼伝播などの分野でも応用されている。

理論

近赤外分光法は、分子の倍音と結合振動に基づいています。[ 2 ]倍音と結合は基本波に比べて強度が低いため、近赤外領域でのモル吸光率は一般に非常に小さくなります。 [ 3 ]（NIR 吸収帯は通常、対応する中赤外基本吸収帯の 10～100 倍弱いです。）[ 4 ]吸収が低いため、NIR 放射は中赤外線放射よりもサンプルの奥深くまで浸透します。[ 5 ]そのため、近赤外分光法は特に感度の高い技術ではありませんが、サンプルの準備をほとんどまたはまったく行わずにバルク材料を調べるのに非常に役立ちます。

近赤外領域で観測される分子倍音と結合バンドは典型的には非常に広く、スペクトルは複雑になります。そのため、特定の化学成分に特定の特徴を割り当てることが困難な場合があります。必要な化学情報を抽出するには、多変量（複数の変数）較正手法（例えば、主成分分析、部分最小二乗法、人工ニューラルネットワークなど）がしばしば用いられます。近赤外分析法では、較正用サンプルセットを慎重に開発し、多変量較正手法を適用することが不可欠です。[ 6 ]

歴史

液体エタノールの近赤外線スペクトル。

近赤外線エネルギーの発見は19世紀のウィリアム・ハーシェルによるものとされていますが[ 7 ] 、最初の産業応用は1950年代に始まりました。初期の応用では、NIRSは紫外線（UV）、可視光線（Vis）、中赤外線（MIR）分光計など、他の波長を用いる光学機器への追加装置としてのみ使用されていました。1980年代には、単体で使用できるNIRSシステムが利用可能になりました。

1980年代、カール・ノリス（米国農務省計測研究所（USDA Instrumentation Research Laboratory）在籍時）は、農産物の品質評価における近赤外分光法の活用を開拓しました。以来、食品・農業分野から化学、ポリマー、石油産業、製薬業界、生物医学、環境分析へと用途が拡大しています。[ 8 ]

1980年代半ばの光ファイバーの導入と1990年代初頭のモノクロメーター検出器の開発により、NIRSは科学研究のためのより強力なツールとなりました。この方法は、物理学、生理学、医学など、多くの科学分野で利用されてきました。NIRSが患者のモニタリングのための医療ツールとして使用されるようになったのは、ここ数十年のことであり、いわゆるfNIRSの最初の臨床応用は1994年でした。 [ 9 ]

計装

近赤外（NIR）分光法の装置は、紫外可視光域および中赤外域の装置と類似しています。光源、検出器、そして分散素子（プリズム、またはより一般的には回折格子など）で構成され、これらを用いて異なる波長における強度を記録します。干渉計を用いたフーリエ変換型NIR装置も一般的であり、特に1000 nmを超える波長域でよく使用されます。試料に応じて、スペクトルは反射法または透過法で測定できます。

分析用途における広帯域近赤外線光源としては、一般的な白熱電球または石英ハロゲン電球が最もよく用いられます。発光ダイオード（LED）も使用できます。高精度分光法では、波長走査型レーザーや周波数コムが近年強力な光源となっていますが、取得に時間がかかる場合もあります。レーザーを使用する場合は、分散素子を持たない単一の検出器で十分な場合もあります。

使用する検出器の種類は、主に測定する波長範囲によって決まります。シリコンベースのCCDは近赤外（NIR）領域の短波長側に適していますが、1000 nmを超える波長域の大部分では感度が不十分です。InGaAsおよびPbSデバイスはより適しており、1100 nmを超える波長域ではより高い量子効率を有します。シリコンベースの検出器とInGaAs検出器を同じ装置に組み合わせることが可能です。このような装置は、UV-可視スペクトルとNIRスペクトルの両方を「同時に」記録できます。

近赤外域における化学イメージングを目的とした機器では、音響光学可変フィルタを備えた2次元アレイ検出器が使用される場合がある。異なる狭い波長帯域で複数の画像を連続的に記録することができる。[ 10 ]

市販の紫外可視分光計の多くは、近赤外域（おそらく約900nmまで）のスペクトルを記録できます。同様に、一部の中赤外域測定機器では、測定範囲が近赤外域まで拡張されている場合があります。これらの機器では、近赤外波長用の検出器は、機器の「主な」測定対象範囲用の検出器と同じであることが多いです。

分析技術としてのNIRS

分析技術としてのNIRの利用は、中赤外（mid-IR）の近赤外領域への拡張から生まれたのではなく、独立して発展しました。その顕著な特徴は、中赤外分光法ではスペクトルを表示する際に波数（cm −1）を使用するのに対し、近赤外分光法では紫外可視分光法と同様に波長（nm ）を使用していることです。初期のIR分光法の実践者は、吸収帯を特定の結合タイプに割り当てることに頼っていましたが、測定対象となる結合領域の複雑さに不満を抱いていました。しかし、定量ツールとして、結合領域におけるモル吸収レベルが低いため、吸収極大が「オンスケール」に保たれる傾向があり、サンプル調製をほとんど必要とせずに定量的な作業が可能でした。これらの複雑なスペクトルから定量的な情報を抽出するために使用される手法は分析化学者にとって馴染みがなく、学界では疑念の目で見られていました。

一般的に、定量的NIR分析は、対象とする分析物の濃度が参照法によって測定されたキャリブレーションサンプル群を選択し、計量化学ツールを用いて、様々なスペクトル特性とそれらの濃度との相関関係を調べることで実現されます。次に、キャリブレーションを用いて検証セット内のサンプルの分析物の値を予測することで、キャリブレーションが検証されます。検証されたキャリブレーションは、サンプルの値を予測するために使用されます。スペクトルの複雑さは、多変量キャリブレーションの使用によって克服されます。最もよく使用される2つのツールは、多波長線形回帰と部分最小二乗法です。

アプリケーション

NIR 分光法の一般的な用途には、食品、医薬品、燃焼生成物の分析や、天文分光法の主要分野などがあります。

天文分光法

近赤外線分光法は、分子が形成される冷たい恒星の大気を研究するために天文学で使用されています。この波長域では、酸化チタン、シアン化物、一酸化炭素などの分子の振動と回転の特徴が見られ、恒星のスペクトル型を知る手がかりとなります。また、新しい星が形成される分子雲など、他の天文学的背景における分子の研究にも使用されています。赤化として知られる天文現象は、近赤外線波長が星間物質の塵の影響を受けにくいことを意味しており、そのため、光学分光法ではアクセスできない領域を近赤外線で研究することができます。塵とガスは強く結びついているため、これらの塵の多い領域はまさに赤外線分光法が最も有効な領域です。非常に若い星の近赤外線スペクトルは、星の形成全般を理解する上で重要な、その年齢と質量に関する重要な情報を提供します。天文分光器は、恒星の周りの惑星の視線速度による親星のドップラーシフトを利用して太陽系外惑星を検出するためのものも開発されている。 [ 11 ] [ 12 ]

農業

近赤外分光法は、飼料、穀物、穀物製品、油糧種子、コーヒー、紅茶、スパイス、果物、野菜、サトウキビ、飲料、脂肪、油、乳製品、卵、肉、その他の農産物の品質を決定するために農業で広く応用されています。[ 13 ] [ 14 ]正確、信頼性、迅速、非破壊、安価という基準を満たしているため、農産物の組成を定量化するために広く使用されています。[ 17 ] [ 18 ] AbeniとBergoglio 2001は、脂肪組成の特性の分析方法としてNIRSを鶏の飼育に適用しています。[ 18 ]

リモート監視

近赤外分光イメージング技術が開発され、ハイパースペクトルイメージングは​​、植物や土壌の遠隔調査など、幅広い用途に応用されています。航空機、衛星、無人航空機システムに搭載された機器からデータを収集することで、地表被覆や土壌化学を評価することができます。

近赤外分光領域からのリモートモニタリングやリモートセンシングは、大気の研究にも利用できます。例えば、OCO-2、GOSAT、TCCONによって測定された近赤外スペクトルから大気ガスの測定が行われます。

材料科学

膜厚測定、ナノ粒子の光学特性の研究、通信業界向け光学コーティングのための、微細サンプル領域の NIR 分光法の技術が開発されました。

医療用途

NIRSの医療への応用は、微小循環内のヘモグロビンの酸素飽和度に関する情報を提供する能力に重点を置いています。[ 19 ]一般的に、NIRSは脳（脳NIRS）または末梢組織（末梢NIRS）の酸素化と微小血管機能を評価するために使用できます。

脳NIRS

脳の特定の領域が活性化すると、その領域の局所的な血液量が急速に変化します。光イメージングは​​、光吸収係数の測定を通じて血中ヘモグロビン濃度を連続的にモニタリングすることで、脳の特定領域の位置と活動を測定することができます。[ 20 ] [ 21 ]

頭蓋内出血の検出に使用される NIRS スキャナー、Infrascanner 1000。

NIRSは、頭部の4箇所にスキャナーを設置することで、頭蓋内出血の可能性のある症例を迅速にスクリーニングするツールとして使用できます。外傷のない患者の場合、脳はNIR光を均一に吸収します。外傷による内出血がある場合、血液が一箇所に集中し、他の部位よりもNIR光が吸収されやすくなり、スキャナーがそれを検出します。[ 22 ]

いわゆる機能的NIRSは、神経活動に関連する血中ヘモグロビン濃度の変化を検出することにより、例えば認知心理学の分野でfMRI技術の部分的な代替として、人間の頭蓋骨を通して脳機能を非侵襲的に評価するために使用することができます。[ 23 ] NIRSは乳児にも使用でき、NIRSはfMRI装置よりもはるかに持ち運びやすく、ワイヤレス機器も利用可能であるため、自由に動く被験者の調査が可能です。[ 24 ] [ 25 ]しかし、NIRSは皮質組織のスキャンにしか使用できないのに対し、fMRIは脳全体の活性化を測定できるため、fMRIを完全に置き換えることはできません。NIRS/MRI単独および組み合わせ測定の分析用の特別なパブリックドメイン統計ツールボックスが開発されています。[ 26 ]

fNIRS（日立ETG-4000）を用いたデータ取得例

ヒト大脳皮質の機能マッピングへの応用は、機能的NIRS（fNIRS）または拡散光トモグラフィー（DOT）と呼ばれています。[ 27 ]拡散光トモグラフィーという用語は、3次元NIRSに使用されます。NIRS、NIRI、およびDOTという用語はしばしば互換的に使用されますが、いくつかの違いがあります。NIRSとDOT/NIRIの最も重要な違いは、DOT/NIRIが主に複数の測定点から同時に組織の光学特性の変化を検出し、特定の領域にわたってマップまたは画像の形式で結果を表示するために使用されるのに対し、NIRSは最大いくつかの特定の点について絶対的な量的データを提供することです。後者は、例えば筋肉、[ 28 ]乳房、腫瘍などの他の組織の調査にも使用されます。[ 29 ] NIRSは、筋肉の血流、血液量、酸素消費量、再酸素化率、および筋肉回復時間を定量化するために使用できます。[ 28 ]

複数の波長と時間分解（周波数または時間領域）および/または空間分解法を採用することで、血流、血量、絶対組織飽和度（または組織飽和指数（TSI））を定量化できます。[ 30 ] NIRS法による酸素濃度測定の用途には、神経科学、人間工学、リハビリテーション、脳コンピューターインターフェース、泌尿器科、血液循環に影響を与える病気（末梢血管疾患など）の検出、乳がんの検出と評価、スポーツ医学におけるトレーニングの最適化などがあります。 Stお2{\displaystyle StO_{2}}

インドシアニングリーン（ICG）のボーラス注入とNIRSを併用することで、脳血流[ 31 ] [ 32 ]と脳酸素消費量代謝率（CMRO2）を測定することができる。[ 33 ] また、NIRSとMRIの測定を組み合わせることでCMRO2を計算できることも示されている。[ 34 ]さらに、広帯域NIRSを用いてミトコンドリアの色素分子であるシトクロムc酸化酵素を分離することで、代謝を調べることができる。[ 35 ]

NIRSは、小児集中治療において、心臓手術後の患者の管理を支援するために利用され始めています。NIRSは、心拍出量によって決定される静脈血酸素飽和度（SVO2）に加え、他のパラメータ（FiO2、ヘモグロビン、酸素摂取量）も測定できます。そのため、NIRSを検査することで、集中治療医は心拍出量を推定することができます。NIRSは非侵襲性で無痛であり、電離放射線を必要としないため、患者に好まれています。

光干渉断層撮影（OCT）は、低倍率顕微鏡と同等の高解像度で3Dイメージングを可能にする、もう一つのNIR医用画像技術です。光干渉を利用して光子の経路長を測定することで、OCTは生体組織の画像を構築し、組織形態を明確に観察することができます。技術の違いにより、OCTは組織表面から1～2mm下の画像化に限られますが、この制限にもかかわらず、特に網膜、前眼部、そして冠動脈の 画像化において、確立された医用画像技術となっています。

ニューロフィードバックの一種である血液脳波記録法（HEG）は、NIR 技術を使用して、主に前頭葉の脳の活性化を測定し、その領域の脳の活性化をトレーニングすることを目的としています。

NIRS/NIRI/DOT/OCTの機器開発はここ数年で飛躍的に進歩しており、特に定量化、画像化、小型化の面で進歩が著しい。[ 30 ]

末梢NIRS

末梢微小血管機能はNIRSを用いて評価できます。組織中のヘモグロビン酸素飽和度（StO2）は、組織灌流に関する情報を提供します。血管閉塞試験（VOT）は、微小血管機能の評価に使用できます。末梢NIRSモニタリングの一般的な部位は、母指球、前腕、ふくらはぎの筋肉です。

粒子測定

NIR は、医薬品や農業用粉末の研究を含むさまざまな分野での粒子サイズの測定によく使用されます。

工業用途

光トポグラフィーで使用されるNIRSとは異なり、化学分析で使用される一般的なNIRSは、マッピングによる画像化を提供しません。例えば、臨床用二酸化炭素分析装置では、正確なCO 2含有量の変化を得るために、基準技術と校正ルーチンが必要です。この場合、意図的に0% CO 2または既知の量のCO 2をサンプルに供給した後、試験対象サンプルのゼロ点調整を行うことで校正が行われます。販売業者から供給される通常の圧縮ガスには約95%のO 2と5%のCO 2が含まれており、これも初期校正時に%CO 2メーターの指示値が正確に5%になるように調整するために使用できます。 [ 36 ]

参照

参考文献

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さらに読む

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ウィキメディア コモンズには、近赤外分光法に関連するメディアがあります。
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