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근적외선 분광법

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목차

1. 개요

근적외선 분광법은 분자의 배음 및 조합 진동을 기반으로 하는 분광학 기술이다. 19세기 윌리엄 허셜에 의해 발견되었으며, 1950년대부터 산업 분야에 활용되기 시작했다. 근적외선 분광법은 식품, 농업, 의학, 제약, 천문학 등 다양한 분야에서 응용되며, 특히 농산물 품질 평가, 뇌 기능 연구, 의약품 분석 등에 사용된다.

2. 이론

근적외선 분광법은 분자의 배음 및 조합 진동을 기반으로 한다.[2] 배음 및 조합은 기본 진동에 비해 낮은 강도를 나타내므로 근적외선 영역의 몰 흡광도는 일반적으로 매우 작다.[3] NIR 흡수 밴드는 일반적으로 해당 기본 중적외선 흡수 밴드보다 10~100배 더 약하다.[4] 흡수가 낮기 때문에 NIR 방사선은 중적외선 방사선보다 훨씬 더 깊이 시료를 투과할 수 있다. 따라서 근적외선 분광법은 특별히 민감한 기술은 아니지만, 시료 준비가 거의 또는 전혀 없는 벌크 물질을 탐지하는 데 매우 유용할 수 있다.

근적외선에서 관찰되는 분자 배음 및 조합 밴드는 일반적으로 매우 넓어서 복잡한 스펙트럼을 생성한다. 특정 특징을 특정 화학 성분에 할당하기 어려울 수 있다. 원하는 화학 정보를 추출하기 위해 다변량 (여러 변수) 보정 기술(예: 주성분 분석, 부분 최소 자승법, 또는 인공 신경망)이 자주 사용된다. 근적외선 분석 방법에는 보정 시료 세트를 신중하게 개발하고 다변량 보정 기술을 적용하는 것이 필수적이다.[5]

3. 역사

윌리엄 허셜이 19세기에 근적외선 영역을 발견했다.[6] 1950년대에 근적외선 분광법이 산업 분야에 처음 응용되기 시작했다. 초기에는 자외선(UV), 가시광선(Vis), 중적외선(MIR) 분광기 등 다른 파장을 사용하는 광학 장치에 부가적인 장치로만 활용되었다.

1980년대에 칼 노리스(Karl Norris, 미국 벨츠빌 소재 USDA 계측 연구소 근무)는 농산물 품질 평가에 근적외선 분광법을 선구적으로 적용했다. 이후 근적외선 분광법은 식품, 농업 분야에서 화학, 고분자, 석유, 제약, 생의학, 환경 분석 분야로 응용 범위가 확장되었다.[7]

1980년대 중반 광섬유 기술이 도입되고, 1990년대 초반 단색화 장치-검출기가 개발되면서 근적외선 분광법은 과학 연구를 위한 강력한 도구로 발전했다. 물리학, 생리학, 의학 등 여러 과학 분야에서 활용되기 시작했다. 1994년에는 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)이 임상에 처음 적용되어 환자 모니터링을 위한 의료 도구로 사용되기 시작했다.[8]

대한민국에서는 1990년대부터 농산물 품질 관리, 식품 안전성 평가 등에 근적외선 분광법이 도입되어 활용되기 시작했다.

4. 장비

근적외선 분광기는 자외선-가시광선 및 중적외선 영역의 기기와 유사하게 광원, 검출기, 그리고 분산 요소(프리즘 또는 회절 격자)로 구성된다. 푸리에 변환 NIR 기기는 특히 ~1000 nm 이상의 파장에서 간섭계를 사용하여 널리 사용된다. 샘플에 따라 스펙트럼은 반사 또는 투과 방식으로 측정될 수 있다.

일반적인 백열등 또는 석영 할로겐 전구는 근적외선 방사의 광대역 광원으로 가장 많이 사용된다. 발광 다이오드(LED)도 사용될 수 있다. 고정밀 분광법의 경우, 파장 주사 레이저와 주파수 빗살이 최근 강력한 광원이 되었지만, 때로는 더 긴 획득 시간 척도가 필요하다. 레이저를 사용할 때는 분산 요소 없이 단일 검출기만으로 충분할 수 있다.

사용되는 검출기 유형은 주로 측정할 파장 범위에 따라 다르다. 실리콘 기반의 CCD는 NIR 범위의 짧은 쪽에 적합하지만, 대부분의 범위(1000 nm 이상)에서는 충분한 감도를 가지지 못한다. InGaAs 및 PbS 장치는 더 적합하며, 1100 nm 이상의 파장에 대해 더 높은 양자 효율을 가진다. 동일한 기기에서 실리콘 기반 및 InGaAs 검출기를 결합하는 것이 가능하다. 이러한 기기는 자외선-가시광선 및 NIR 스펙트럼을 '동시에' 기록할 수 있다.

NIR에서 화학 영상을 위한 기기는 음향 광학 가변 필터가 있는 2D 배열 검출기를 사용할 수 있다.[9]

5. 분석 기술

근적외선 분광법은 분자의 배음 및 조합 진동을 기반으로 한다.[2] 근적외선 영역의 몰 흡광도는 일반적으로 매우 작기 때문에[3] NIR 방사선은 중적외선 방사선보다 훨씬 더 깊이 시료를 투과할 수 있다. 따라서 시료 준비가 거의 또는 전혀 없는 벌크 물질을 탐지하는 데 매우 유용하다.

근적외선에서 관찰되는 분자 배음 및 조합 밴드는 일반적으로 매우 넓어서 복잡한 스펙트럼을 생성한다. 따라서 특정 화학 성분에 할당하기 어려울 수 있다. 원하는 화학 정보를 추출하기 위해 다변량 (여러 변수) 보정 기술(예: 주성분 분석, 부분 최소 자승법, 또는 인공 신경망)이 자주 사용된다.[5]

정량적 근적외선 분석은 일반적으로 관심 분석물의 농도가 기준 방법에 의해 결정된 일련의 검량선 샘플을 선택하고, 화학계량학 도구를 사용하여 다양한 스펙트럼 특징과 해당 농도 간의 상관 관계를 찾는 방식으로 수행된다. 복잡한 스펙트럼은 다변량 검량을 사용하여 극복된다. 가장 자주 사용되는 두 가지 도구는 다중 파장 선형 회귀와 부분 최소 자승 회귀이다.

6. 응용 분야

근적외선 분광법은 식품 분석, 제약, 연소 생성물 분석, 천문학 등 다양한 분야에서 활용된다.


  • 식품 산업: 밀가루, 식용유, 육류 등 원료는 물론, 쿠키, 초콜릿, 유제품 등 가공식품의 성분 분석에 사용되며, 일본술, 와인, 간장 등 액체 측정에도 활용된다.
  • 의약품: 원자재 수입 검사, 공정 관리(혼합 균일성 확인), 결정형 및 결정화도 확인 등에 사용된다. 유럽과 미국에서 널리 사용되고 있으며, 일본에서도 도입이 증가하고 있다.
  • 의과학 및 신경 과학: 피부나 두개골을 통해 생체 조직 내 헤모글로빈과 미오글로빈의 산소 결합 상태를 비침습적으로 측정하는 데 사용된다. 1940년대 글렌 앨런 밀리칸[36]이 ''생체 내'' 혈중 헤모글로빈의 산소 포화도 측정을 시도한 이래, 1970년대 아오야기 타쿠오에 의해 펄스 옥시미터로 발전하여 경피적 동맥혈 산소 포화도(SpO2) 계측이 실용화되었다. 최근에는 대뇌 피질의 혈류량 및 산소 소비 측정에도 활용된다.
  • 기타: 막 두께 측정, 나노입자의 광학적 특성 연구, 통신 산업용 광학 코팅 등에도 활용된다.[36]

6. 1. 천문학

분광법은 분자가 형성될 수 있는 차가운 별의 대기를 연구하기 위해 천문학에서 사용된다. 산화 티타늄, 시안, 일산화 탄소와 같은 분자의 진동 및 회전 신호는 이 파장 범위에서 볼 수 있으며, 이는 별의 분광형에 대한 단서를 제공할 수 있다. 또한 새로운 별이 형성되는 분자 구름과 같은 다른 천문학적 맥락에서 분자를 연구하는 데에도 사용된다. 적색화로 알려진 천문학적 현상은 근적외선 파장이 성간 매질의 먼지에 의해 덜 영향을 받는다는 것을 의미하며, 이를 통해 광학 분광법으로는 접근할 수 없는 영역을 근적외선에서 연구할 수 있다. 먼지와 가스가 강하게 연관되어 있기 때문에 이러한 먼지 영역은 적외선 분광법이 가장 유용한 곳이다. 매우 어린 별의 근적외선 스펙트럼은 그들의 나이와 질량에 대한 중요한 정보를 제공하며, 이는 일반적인 별 형성을 이해하는 데 중요하다. 천문 분광기는 또한 별 주위 행성의 반경 방향 속도에 의한 모항성의 도플러 이동을 사용하여 외계 행성을 감지하기 위해 개발되었다.[10][11]

6. 2. 농업 및 식품

근적외선 분광법은 사료, 곡물 및 곡물 제품, 유지 종자, 커피, 차, 향신료, 과일, 채소, 사탕수수, 음료, 지방 및 오일, 유제품, 계란, 육류 및 기타 농산물의 품질을 결정하기 위해 농업[12][13] 분야에 널리 적용된다.[14][15] 정확하고, 신뢰할 수 있으며, 빠르고, 비파괴적이며, 저렴하다는 기준을 충족하므로 농산물의 조성을 정량화하는 데 널리 사용된다.[16][17] Abeni와 Bergoglio는 2001년에 NIRS를 닭 품종 개량에 지방 구성 특성의 분석 방법으로 적용했다.[17]

농업에서 근적외선 분광법을 활용하는 대표적인 예로는 차의 성분(질소, 탄닌, 수분 등) 측정, 채소의 질산 이온 농도 측정, 귤 등의 당도 평가 및 선별 등이 있다. 축산 분야에서는 주로 사료 검사에 사용되며, 닭 등의 복강 내 지방 검사에도 활용될 수 있다.

6. 3. 의학

NIRS는 미세 순환 내 혈색소의 산소 포화도에 대한 정보를 제공하여 뇌 또는 말초 조직의 산소 공급 및 미세 혈관 기능을 평가하는 데 사용된다.[18]

뇌내 출혈을 감지하는 데 사용되는 NIRS 스캐너.


NIRS는 뇌 스캐너를 머리 네 곳에 배치하여 뇌내 출혈 가능성에 대한 신속한 선별 도구로 사용될 수 있다. 부상으로 인한 내부 출혈이 있는 경우 혈액이 한 곳에 집중되어 NIR 빛을 더 많이 흡수하여 스캐너가 감지한다.[21]

기능적 NIRS(fNIRS)는 신경 활동과 관련된 혈액 헤모글로빈 농도의 변화를 감지하여 뇌 기능을 비침습적으로 평가하는 데 사용된다.[22] fNIRS는 fMRI 기계보다 훨씬 휴대성이 뛰어나 유아에게 사용이 가능하며, 무선 계측기를 사용하면 자유롭게 움직이는 피험자를 대상으로 조사가 가능하다.[23][24]

fNIRS를 사용한 데이터 획득의 예 (Hitachi ETG-4000)


fNIRS는 인간 피질의 기능적 매핑에 적용될 때 확산 광학 단층 촬영술(DOT)이라고도 불린다.[26] NIRS는 근육에서 혈류, 혈액량, 산소 소비량, 재산소화율 및 근육 회복 시간을 정량화하는 데 사용될 수 있다.[27]

NIRS를 인도시아닌 그린(ICG)의 볼루스 주입과 함께 사용하여 뇌 혈류[30][31] 및 뇌 산소 소비 대사율(CMRO2)을 측정하거나,[32] 결합된 NIRS/MRI 측정으로 CMRO2를 계산할 수 있다.[33] 광대역 NIRS를 사용하면 미토콘드리아 크로모포어인 시토크롬 c 산화 효소를 분해하여 대사를 조사할 수도 있다.[34]

NIRS는 소아 중환자 치료에서 심장 수술 후 환자를 관리하는 데 사용되며, 정맥 산소 포화도(SVO2)를 측정하여 심박출량에 대한 추정치를 제공한다.

광 간섭 단층 촬영술(OCT)은 저전력 현미경과 동등한 고해상도의 3D 이미징이 가능한 NIR 의료 영상 기술이다. OCT는 광 간섭을 사용하여 광자 경로 길이를 측정하며, 조직 표면 아래 1~2 mm 이미징으로 제한되지만, 망막 및 눈의 전방 세그먼트, 관상 동맥 이미징에 사용된다.

신경 피드백의 한 유형인 헤모엔세팔로그래피(HEG)는 NIR 기술을 사용하여 전두엽의 뇌 활성화를 측정하고 훈련하는 데 사용한다.

6. 4. 제약

유럽에서 사용을 시작으로, 미국에서도 21세기에 들어 본격적으로 사용되고 있다. 최근 일본에서도 여러 국가와의 거래 관계 때문에 도입하는 기업이 늘고 있다. 원자재 수입 검사 및 공정 관리 (혼합 균일성 확인)에 많이 사용되며, 결정형 및 결정화도를 확인하는 데에도 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다.[36]

6. 5. 기타 산업 분야

미세 시료 영역의 근적외선 분광법 기술은 막 두께 측정, 나노입자의 광학적 특성 연구, 통신 산업용 광학 코팅 등에 적용된다.[36]

참조

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[2] 논문 Breakthrough Potential in Near-Infrared Spectroscopy: Spectra Simulation. A Review of Recent Developments 2019-02-22
[3] 웹사이트 Combination Bands, Overtones and Fermi Resonances https://chem.librete[...] 2022-06-03
[4] 간행물 History of Near-Infrared (NIR) Applications http://dx.doi.org/10[...] CRC Press 2022-06-03
[5] 논문 Comparison of linear and nonlinear calibration models based on near infrared (NIR) spectroscopy data for gasoline properties prediction 2007
[6] 웹사이트 Herschel and the Puzzle of Infrared https://www.american[...] 2022-06-03
[7] 서적 Molecular and Laser Spectroscopy {{!}} ScienceDirect https://www.scienced[...] 2017-09-21
[8] 논문 A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application 2012
[9] 논문 Near-Infrared Acousto-Optic Filtered Spectroscopic Microscopy: A Solid-State Approach to Chemical Imaging https://zenodo.org/r[...] 1992
[10] 논문 A 12.5 GHz-spaced optical frequency comb spanning >400 nm for near-infrared astronomical spectrograph calibration 2010-06-01
[11] 논문 A spectrograph for exoplanet observations calibrated at the centimetre-per-second level 2012-05-31
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[13] 서적 Near-infrared spectroscopy in food science and technology http://worldcat.org/[...] Wiley-Interscience 2007
[14] conference Fat Sensing Using Low-Cost Near-Infrared Spectroscopy https://ieeexplore.i[...] IEEE
[15] conference Determination of Fat Content in Foods Using a Near-Infrared Spectroscopy Sensor https://ieeexplore.i[...] IEEE
[16] 서적 Handbook of Near-Infrared Analysis, Third Edition (Practical Spectroscopy) https://books.google[...] CRC Press
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[25] 논문 NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy http://bisp.kaist.ac[...] 2009
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[32] 논문 Measurement of cerebral oxidative metabolism with near-infrared spectroscopy: a validation study. 2006
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[34] 논문 From Jöbsis to the present day: a review of clinical near-infrared spectroscopy measurements of cerebral cytochrome-c-oxidase. 2016-09
[35] 웹사이트 Archived copy http://docs.airliqui[...] 2014-05-12
[36] 문서 ミリカンの油滴実験
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