miniatura|450x450px|Espectre d'absorció de l'infraroig proper del diclorometà que mostra matisos superposats complicats de les característiques d'absorció de l'infraroig mitjà. L'espectroscòpia d'infraroig proper (NIRS) és un mètode espectroscòpic que utilitza la regió de l'infraroig proper de l'espectre electromagnètic (des de 780 nm a 2500 nm). Les aplicacions típiques inclouen diagnòstics i investigacions mèdiques i fisiològiques, com ara la glucosa en sang, l'oximetria de pols, la neuroimatge funcional, la medicina esportiva, l'entrenament esportiu d'elit, l'ergonomia, la rehabilitació, la investigació neonatal, la interfície cervell-ordinador, la urologia (contracció de la bufeta) i la neurologia (acoblament neurovascular). També hi ha aplicacions en altres àrees, com ara el control de qualitat farmacèutic, alimentari i agroquímic, la química atmosfèrica i la propagació de la combustió.
Teoria L'espectroscòpia d'infraroig proper es basa en vibracions moleculars d'harmonització i combinació. Els harmonitzacions i les combinacions presenten una intensitat menor en comparació amb la fonamental, com a resultat, l'absortivitat molar a la regió de l'infraroig proper sol ser força petita. (Les bandes d'absorció de l'infraroig proper solen ser de 10 a 100 vegades més febles que la banda d'absorció de l'infraroig mitjà fonamental corresponent.) La menor absorció permet que la radiació de l'infraroig proper penetri molt més en una mostra que la radiació de l'infraroig mitjà. Per tant, l'espectroscòpia d'infraroig proper no és una tècnica particularment sensible, però pot ser molt útil per sondejar material a granel amb poca o cap preparació de la mostra.
Les bandes de combinació i sobretons moleculars que s'observen en l'infraroig proper solen ser molt àmplies, cosa que dóna lloc a espectres complexos; pot ser difícil assignar característiques específiques a components químics específics. Sovint s'utilitzen tècniques de calibratge multivariant (múltiples variables) (per exemple, anàlisi de components principals, mínims quadrats parcials o xarxes neuronals artificials) per extreure la informació química desitjada. El desenvolupament acurat d'un conjunt de mostres de calibratge i l'aplicació de tècniques de calibratge multivariant són essencials per als mètodes analítics de l'infraroig proper.
Història miniatura|250x250px|Espectre d'infraroig proper de l'etanol líquid. El descobriment de l'energia de l'infraroig proper s'atribueix a William Herschel al segle XIX, però la primera aplicació industrial va començar a la dècada del 1950. En les primeres aplicacions, el NIRS només s'utilitzava com a unitat addicional a altres dispositius òptics que utilitzaven altres longituds d'ona com ara espectròmetres ultraviolat (UV), visible (Vis) o infraroig mitjà (MIR). A la dècada del 1980, es va posar a disposició un sistema NIRS autònom d'una sola unitat.
A la dècada del 1980, Karl Norris (mentre treballava al Laboratori de Recerca d'Instrumentació de l'USDA, Beltsville, EUA) va ser pioner en l'ús de l'espectroscòpia NIR per a l'avaluació de la qualitat dels productes agrícoles. Des de llavors, l'ús s'ha expandit des de les indústries alimentària i agrícola fins a les químiques, de polímers i del petroli; la indústria farmacèutica; les ciències biomèdiques; i l'anàlisi ambiental.
Amb la introducció de la fibra òptica de llum a mitjans dels anys vuitanta i els desenvolupaments del detector monocromador a principis dels anys noranta, el NIRS es va convertir en una eina més potent per a la recerca científica. El mètode s'ha utilitzat en diversos camps de la ciència, com ara la física, la fisiologia o la medicina. Només en les últimes dècades el NIRS va començar a utilitzar-se com a eina mèdica per al seguiment de pacients, amb la primera aplicació clínica del denominat fNIRS el 1994.
Instrumentació La instrumentació per a l'espectroscòpia d'infraroig proper (NIR) és similar als instruments per als rangs UV-visible i IR mitjà. Hi ha una font, un detector i un element dispersiu (com ara un prisma o, més comunament, una xarxa de difracció) per permetre registrar la intensitat a diferents longituds d'ona. Els instruments NIR de transformada de Fourier que utilitzen un interferòmetre també són comuns, especialment per a longituds d'ona superiors a ~1000 nm. Depenent de la mostra, l'espectre es pot mesurar en reflexió o transmissió.
Les bombetes incandescents o halògenes de quars comunes s'utilitzen amb més freqüència com a fonts de banda ampla de radiació d'infraroig proper per a aplicacions analítiques. També es poden utilitzar díodes emissors de llum (LED). Per a l'espectroscòpia d'alta precisió, els làsers d'escaneig de longitud d'ona i els pintes de freqüència s'han convertit recentment en fonts potents, tot i que de vegades amb escales de temps d'adquisició més llargues. Quan s'utilitzen làsers, un únic detector sense cap element dispersiu pot ser suficient.
El tipus de detector utilitzat depèn principalment del rang de longituds d'ona que s'han de mesurar. Els CCD basats en silici són adequats per a l'extrem més curt del rang NIR, però no són prou sensibles en la major part del rang (més de 1000 nm). Els dispositius d'InGaAs i PbS són més adequats i tenen una eficiència quàntica més alta per a longituds d'ona superiors a 1100 nm. És possible combinar detectors basats en silici i InGaAs en el mateix instrument. Aquests instruments poden enregistrar espectres UV-visible i NIR "simultàniament".
Els instruments destinats a la imatge química en el NIR poden utilitzar un detector de matriu 2D amb un filtre sintonitzable acústico-òptic. Es poden enregistrar diverses imatges seqüencialment en diferents bandes de longitud d'ona estretes.
Molts instruments comercials per a espectroscòpia UV/vis són capaços d'enregistrar espectres en el rang NIR (fins a potser ~900 nm). De la mateixa manera, el rang d'alguns instruments d'infraroig mitjà pot estendre's fins al NIR. En aquests instruments, el detector utilitzat per a les longituds d'ona del NIR sovint és el mateix detector que s'utilitza per al rang "principal" d'interès de l'instrument.
NIRS com a tècnica analítica L'ús de la NIR com a tècnica analítica no va sorgir de l'extensió de l'ús de l'infraroig mitjà al rang de l'infraroig proper, sinó que es va desenvolupar de manera independent. Una manera sorprenent com això es va demostrar és que, mentre que els espectroscopistes d'infraroig mitjà utilitzen nombres d'ona (cm−1) en mostrar espectres, els espectroscopistes d'infraroig proper utilitzaven la longitud d'ona (nm), tal com s'utilitza en l'espectroscòpia ultraviolada-visible. Els primers practicants de l'espectroscòpia d'infraroig, que depenien de l'assignació de bandes d'absorció a tipus d'enllaç específics, estaven frustrats per la complexitat de les regions d'unió que es mesuraven. Tanmateix, com a eina quantitativa, els nivells d'absorció molar més baixos a la regió d'unió tendien a mantenir els màxims d'absorció "a escala", permetent un treball quantitatiu amb poca preparació de la mostra. Les tècniques aplicades per extreure la informació quantitativa d'aquests espectres complexos no eren familiars per als químics analítics, i la tècnica es veia amb sospita al món acadèmic.
Generalment, l'anàlisi quantitativa NIR es duu a terme seleccionant un grup de mostres de calibratge, per a les quals la concentració de l'anàlit d'interès s'ha determinat mitjançant un mètode de referència, i trobant una correlació entre diverses característiques espectrals i aquestes concentracions mitjançant una eina quimiomètrica. El calibratge es valida utilitzant-lo per predir els valors de l'anàlit per a mostres d'un conjunt de validació, els valors de les quals han estat determinats pel mètode de referència però no s'han inclòs en el calibratge. A continuació, s'utilitza un calibratge validat per predir els valors de les mostres. La complexitat dels espectres es supera mitjançant l'ús del calibratge multivariant. Les dues eines utilitzen més sovint una regressió lineal de múltiples longituds d'ona i mínims quadrats parcials.
Aplicacions Les aplicacions típiques de l'espectroscòpia NIR inclouen l'anàlisi de productes alimentaris, farmacèutics, productes de combustió i una branca important de l'espectroscòpia astronòmica.
Espectroscòpia astronòmica L'espectroscòpia d'infraroig proper s'utilitza en astronomia per estudiar les atmosferes d'estrelles fredes on es poden formar molècules. Les signatures vibracionals i rotacionals de molècules com l'òxid de titani, el cianur i el monòxid de carboni es poden veure en aquest rang de longitud d'ona i poden donar una pista sobre el tipus espectral de l'estrella. També s'utilitza per estudiar molècules en altres contextos astronòmics, com ara en núvols moleculars on es formen noves estrelles. El fenomen astronòmic conegut com a enrogiment significa que les longituds d'ona d'infraroig proper es veuen menys afectades per la pols en el medi interestel·lar, de manera que les regions inaccessibles per espectroscòpia òptica es poden estudiar en l'infraroig proper. Com que la pols i el gas estan fortament associats, aquestes regions polsegoses són exactament aquelles on l'espectroscòpia infraroja és més útil. Els espectres d'infraroig proper d'estrelles molt joves proporcionen informació important sobre les seves edats i masses, cosa que és important per comprendre la formació estel·lar en general. També s'han desenvolupat espectrògrafs astronòmics per a la detecció d'exoplanetes utilitzant el desplaçament Doppler de l'estrella mare a causa de la velocitat radial del planeta al voltant de l'estrella.
Agricultura L'espectroscòpia d'infraroig proper s'aplica àmpliament en l'agricultura per determinar la qualitat de farratges, grans i productes derivats, llavors oleaginoses, cafè, te, espècies, fruites, verdures, canya de sucre, begudes, greixos i olis, productes lactis, ous, carn i altres productes agrícoles. S'utilitza àmpliament per quantificar la composició dels productes agrícoles perquè compleix els criteris de ser precisa, fiable, ràpida, no destructiva i econòmica. Abeni i Bergoglio 2001 apliquen la NIRS a la cria de pollastres com a mètode d'assaig per a les característiques de la composició del greix.
Monitorització remota S'han desenvolupat tècniques per a la imatge espectroscòpica NIR. La imatge hiperespectral s'ha aplicat per a una àmplia gamma d'usos, inclosa la investigació remota de plantes i sòls. Les dades es poden recollir d'instruments en avions, satèl·lits o sistemes aeris no tripulats per avaluar la cobertura del sòl i la química del sòl.
La teledetecció o la telemonitorització des de la regió espectroscòpica NIR també es pot utilitzar per estudiar l'atmosfera. Per exemple, les mesures dels gasos atmosfèrics es fan a partir d'espectres NIR mesurats per l'OCO-2, el GOSAT i el TCCON.
Ciència de materials S'han desenvolupat tècniques per a l'espectroscòpia NIR d'àrees de mostres microscòpiques per a mesures de gruix de pel·lícules, investigació de les característiques òptiques de les nanopartícules i recobriments òptics per a la indústria de les telecomunicacions.
Usos mèdics L'aplicació de la NIRS en medicina se centra en la seva capacitat per proporcionar informació sobre la saturació d'oxigen de l'hemoglobina dins de la microcirculació. En termes generals, es pot utilitzar per avaluar l'oxigenació i la funció microvascular al cervell (NIRS cerebral) o als teixits perifèrics (NIRS perifèric).
NIRS cerebral Quan s'activa una zona específica del cervell, el volum sanguini localitzat en aquesta zona canvia ràpidament. Les imatges òptiques poden mesurar la ubicació i l'activitat de regions específiques del cervell monitoritzant contínuament els nivells d'hemoglobina a la sang mitjançant la determinació dels coeficients d'absorció òptica. miniatura|Infrascanner 1000, un escàner NIRS utilitzat per detectar hemorràgies intracranials.