化学イメージング

化学イメージング（定量的化学マッピング）は、スペクトルと空間、時間情報を同時に測定して成分分布の視覚画像を作成する分析機能です。^{[1] [2]ハイパースペクトルイメージングは​​、間隔を置いたスペクトルバンドを測定する}マルチスペクトルイメージング とは対照的に、連続したスペクトルバンドを測定します。^[3]

主なアイデア - 化学イメージングの場合、アナリストは、特定の化学成分の空間位置と時間で測定されたデータ スペクトルをできるだけ多く取得することを選択できます。これは、化学物質の識別と定量化に役立ちます。または、特定のデータ スペクトル ( PCA - 波長、空間位置と時間の多変量データ) で画像平面を選択すると、選択したデータ スペクトルで サンプル成分のスペクトル シグネチャが異なる場合、サンプル成分の空間分布をマッピングできます。

化学イメージング用のソフトウェアは、ケモメトリクスなどの化学的手法とは最も特殊であり、区別されます。

イメージング機器は、サンプルを照射する放射線源、スペクトル選択素子、および通常は画像を収集する検出器アレイ（カメラ）の 3 つのコンポーネントから構成されます。データ形式はハイパーキューブと呼ばれます。データ セットは、2 つの空間次元（x と y）にまたがる 3 次元のデータ ブロックであるデータ キューブとして視覚化され、一連の波長（ラムダ）が 3 番目の（スペクトル）軸を構成します。ハイパーキューブは、視覚的および数学的に、スペクトル分解された一連の画像（各画像平面は 1 つの波長の画像に対応）または空間分解された一連のスペクトルとして扱うことができます。

市販の実験室用化学イメージング システムは、1990 年代初頭に登場しました (参考文献 1-5)。高度な電子機器や超高性能のコンピューターの必要性などの経済的要因に加え、赤外線イメージングの商業化に対する大きな障壁は、IR 画像の読み取りに必要な焦点面アレイ (FPA) が市販品として容易に入手できなかったことです。高速電子機器や高度なコンピューターが普及し、赤外線カメラが容易に市販されるようになると、実験室用化学イメージング システムが導入されました。

化学イメージングは​​、当初は専門の研究所で新しい研究に使用されていましたが、10 年も経たないうちに、一般的な研究開発、品質保証 (QA)、品質管理 (QC) に使用される一般的な分析技術になりました。この技術がさまざまな業界 (製薬、ポリマー、半導体、セキュリティ、法医学、農業) で急速に受け入れられているのは、化学組成と形態の両方を特徴付ける豊富な情報があるからです。化学イメージング データの並列性により、単一のサンプルを特徴付けるだけでなく、高スループット分析を必要とするアプリケーションで複数のサンプルを同時に分析できます。

ハイパースペクトルイメージングは​​、ほとんどの場合、固体またはゲルサンプルに適用され、化学、生物学、^{[4] [5] [6] [7] [8] [9]}医学、^{[10] [11]}薬学^{[12] [13]}（例えば、食品科学、バイオテクノロジー、^{[14] [15]}農業および工業も参照）に応用されています。 NIR、IR、およびラマン化学イメージングは​​、ハイパースペクトル、分光、スペクトル、またはマルチスペクトルイメージング（顕微分光法も参照）とも呼ばれます。 ただし、UV-可視または蛍光顕微分光法を含むその他の超高感度で選択的なイメージング技術も使用されています。 多くのイメージング技術を使用して 、単一分子^{[16] [17]}から生物学および医学における細胞レベル、^{[10] [18] [19]}

機能性を化学勾配に依存する材料は、空間特性と化学特性を組み合わせた分析技術で研究することができます。このような材料を効率的かつ効果的に設計および製造するには、「何」と「どこ」の両方を測定する必要があります。製造される材料が複雑になるにつれて、この種の分析の需要が高まっています。化学イメージング技術は、現代の製造製品を理解するために不可欠であり、場合によっては非破壊技術であるため、サンプルを保存してさらにテストすることができます。

人工的に作られたものも天然のものも含め、多くの材料はサンプル成分の空間分布からその機能性を得ています。たとえば、徐放性医薬品製剤は、バリア層として機能するコーティングを使用することで実現できます。有効成分の放出はこのバリアの存在によって制御され、コーティングに不連続性などの欠陥があると、性能が変化する可能性があります。半導体業界では、シリコン ウェーハやプリントされたマイクロ回路の不規則性や汚染物質がこれらのコンポーネントの故障につながる可能性があります。生物系の機能性も化学勾配に依存しています。単一の細胞、組織、さらには臓器全体が機能するのは、非常に特殊なコンポーネントの配置によるものです。化学組成と分布の小さな変化でさえ、病気の早期指標となる可能性があることがわかっています。

化学イメージングは​​振動分光法の技術と基本は同じですが、空間分解スペクトルを同時に取得することで追加情報を提供します。これは、デジタル イメージングの利点と分光測定の特性を組み合わせたものです。簡単に言うと、振動分光法は光と物質の相互作用を測定します。サンプルと相互作用する光子は吸収または散乱されます。特定のエネルギーの光子が吸収され、吸収パターンからサンプル内に存在する分子に関する情報、つまり指紋が得られます。

一方、観察セットアップの点では、化学イメージングは​​、（光）吸収、発光（蛍光）、（光）透過、または散乱（ラマン）のいずれかのモードで実行できます。現在、蛍光（発光）およびラマン散乱モードが最も感度が高く強力ですが、最も高価で あるというコンセンサスがあります。

透過測定では、放射線はサンプルを通過し、サンプルの反対側に設置された検出器によって測定されます。入射放射線から分子に伝達されたエネルギーは、光源から放出された光子の量と検出器によって測定された量の差として計算できます。拡散反射測定では、同じエネルギー差の測定が行われますが、光源と検出器はサンプルの同じ側に配置され、測定される光子はサンプルを通過するのではなく、サンプルの照射側から再放出されます。エネルギーは 1 つまたは複数の波長で測定できます。一連の測定が行われる場合、応答曲線はスペクトルと呼ばれます。

スペクトルを取得する際の重要な要素は、サンプルと相互作用する前または後に、放射線のエネルギーを何らかの方法で選択する必要があることです。波長の選択は、固定フィルター、調整可能フィルター、分光器、干渉計、またはその他のデバイスを使用して実行できます。固定フィルター アプローチでは、多数の波長を収集するのは効率的ではないため、通常はマルチスペクトル データが収集されます。干渉計ベースの化学イメージングでは、スペクトル範囲全体を収集する必要があるため、ハイパースペクトル データが生成されます。調整可能フィルターは、分析要件に応じて、 マルチスペクトル データまたはハイパースペクトルデータを提供する柔軟性を備えています。

スペクトルは通常、焦点面アレイに基づくイメージング分光計で測定されます。

分光法、光学顕微鏡法、写真撮影でよく使われる用語の一部は、化学イメージングで使用するために採用されたり、その範囲が変更されたりしています。これらには、解像度、視野、倍率が含まれます。化学イメージングには 2 種類の解像度があります。スペクトル解像度は、小さなエネルギー差を分解する能力を指し、スペクトル軸に適用されます。空間解像度は、2 つの物体を別個の物体として検出するために必要な、2 つの物体間の最小距離です。空間解像度は、分析によって調査される領域のサイズの物理的な測定値である視野の影響を受けます。イメージングでは、視野は倍率と検出器アレイのピクセル数の積です。倍率は、検出器アレイの物理領域をサンプルの視野の領域で割った比率です。同じ検出器で倍率が高いほど、イメージングされるサンプルの領域は小さくなります。

化学イメージングは​​、中赤外線、近赤外線分光法、ラマン分光法に実装されています。バルク分光法と同様に、各イメージング技術には特定の長所と短所があり、さまざまなニーズを満たすのに最適です。

中赤外線 (MIR) 分光法は、2,500～25,000 nm のスペクトル範囲で発生する基本的な分子振動を調べます。MIR 領域での商用イメージング実装では、アプリケーションに応じてハイパースペクトル イメージャーまたはフーリエ変換赤外線 ( FT-IR ) 干渉計が採用されています。MIR 吸収帯は比較的狭く、分解能が高い傾向があるため、経験豊富な分光専門家であれば、多くの場合、スペクトルを直接解釈できます。MIR 分光法は、化学的性質や構造の微妙な変化を区別できるため、未知の物質の識別によく使用されます。このスペクトル範囲での吸収は比較的強いため、MIR 領域で入射する放射線と相互作用する物質の量を制限するために、サンプルの提示が重要です。データは、反射、透過、または放出モードで収集できます。水は MIR 放射線を非常に強く吸収するため、湿ったサンプルでは、​​高度なサンプリング手順 (減衰全反射など) が必要になることがよくあります。商用機器には、ポイント マッピング、ライン マッピング、イメージングなどがあります。中赤外線化学イメージングは​​、原子間力顕微鏡ベースの赤外分光法（AFM-IR）を使用して、ナノメートルレベルの空間分解能で行うこともできます。中赤外線の全帯域のハイパースペクトルイメージングは​​、超短中赤外線パルスを使用して数秒以内に達成できます。^[21]

MIR顕微鏡の種類については、顕微鏡#赤外線顕微鏡を参照してください。

赤外線スペクトルの大気ウィンドウは、遠隔で化学イメージングを実行するためにも使用されます。これらのスペクトル領域では、大気ガス (主に水と CO _{2 ) の吸収が低いため、数キロメートル離れた場所から赤外線を観察できます。次に、上記の選択的吸収/放出プロセスを使用して、ターゲット分子を観察できます。SF 6}と NH ₃の同時放出の化学イメージングの例が画像に示されています。

分析用近赤外線 (NIR) 領域は、780 nm から 2,500 nm の範囲です。このスペクトル範囲で見られる吸収帯は、OH、NH、CH、および SH 伸縮振動と曲げ振動の倍音と組み合わせ帯から生じます。NIR の吸収は MIR に比べて 1 ～ 2 桁小さく、この現象により、サンプルを大掛かりに準備する必要がなくなります。厚いサンプルも薄いサンプルもサンプル準備なしで分析でき、一部の包装材料を通して NIR 化学画像を取得できます。また、この技術は、制限内で水和サンプルの検査にも使用できます。無傷のサンプルは、透過率または拡散反射率で画像化できます。

倍音帯と組み合わせ帯の線形は、MIRで見られる基本帯よりもはるかに幅広く、重なり合っている傾向があります。多くの場合、多変量法を使用してサンプル成分のスペクトル特性を分離します。NIR化学イメージングは​​、既知の材料の迅速で再現性のある非破壊分析を実行する場合に特に役立ちます。^{[23] [24]} NIRイメージング機器は通常、ハイパースペクトルカメラ、調整可能なフィルター、またはFT-IR干渉計に基づいています。太陽（屋外スキャン、リモートセンシング）やハロゲンランプ（実験室、産業測定）などの外部光源が常に必要です。

ラマンシフト化学イメージングのスペクトル範囲は、およそ 50 ～ 4,000 cm ⁻¹です。特定のラマン測定が行われる実際のスペクトル範囲は、レーザー励起周波数の関数です。ラマン分光法の基本原理は、ラマンスペクトルの x 軸が、放射源として使用されるレーザーの周波数に対するエネルギーシフト (cm ⁻¹単位) の関数として測定される点で、MIR および NIR とは異なります。簡単に言うと、ラマンスペクトルは、振動による分極率の変化を必要とする入射光子の非弾性散乱から生じます。一方、振動による双極子モーメントの変化を必要とする赤外線吸収はそうではありません。最終結果は、MIR と同様で、多くの場合 MIR と補完的なスペクトル情報です。ラマン効果は弱く、サンプルに入射する光子の約 10 ⁷個のうち 1 個だけがラマン散乱を起こします。有機材料と無機材料はどちらもラマンスペクトルを持ち、一般的に化学的に特異的なシャープなバンドを生成します。蛍光は競合現象であり、サンプルによっては、バルク分光法とイメージング実装の両方でラマン信号を圧倒する可能性があります。

ラマン化学イメージングでは、サンプルの準備はほとんど必要ありません。ただし、対象の表面を露出させるために、サンプルを物理的に切断することはできます。その際、表面ができるだけ平らになるように注意してください。特定の測定に必要な条件によって、この技術の侵襲性のレベルが決まり、高出力レーザー放射に敏感なサンプルは分析中に損傷を受ける可能性があります。サンプル内の水分の存在に対して比較的鈍感であるため、生物学的物質など水分を含むサンプルのイメージングに役立ちます。

発光顕微分光法は、励起と発光が紫外線、可視光線、近赤外領域にわたる感度の高い技術です。そのため、バイオメディカル、バイオテクノロジー、農業分野で多くの用途があります。現在使用されている、または開発中の、強力で高度に特異的かつ感度の高い蛍光技術がいくつかあります。前者には FLIM、FRAP、FRET、FLIM-FRET があり、後者には NIR 蛍光とプローブ感度強化 NIR 蛍光顕微分光法およびナノ分光法があります (「参考文献」セクションを参照)。蛍光発光顕微分光法とイメージングは​​、メタマテリアルやバイオテクノロジー デバイスの特性評価のために、溶液中の タンパク質結晶^{[25]の位置を特定するためにもよく使用されます。}

イメージングの価値は、固体またはゲル/ゲル状サンプルの空間的不均一性を解明する能力にあります。液体または懸濁液のイメージングは​​、単一分子を極めて高い (光子) 検出速度で監視できる蛍光相関顕微分光法または FLIM 観察などの超高速記録技術が使用されない限り、一定のサンプルの動きが空間情報を平均化するのに役立つため、用途が限られています。ただし、液体サンプルの高スループット実験 (マルチウェル プレートのイメージングなど) は、貴重な情報を提供できます。この場合、単一サンプル内の空間的不均一性を調査するより一般的な実装ではなく、数千のスペクトルを並行して取得してサンプル間の違いを比較できます。

同様に、単一点分光計でも同じスペクトル情報が生成されるため、真に均質なサンプルを画像化してもメリットはありません。もちろん、均質性の定義は、使用する画像化システムの空間分解能に依存します。波長が 3 ～ 10 マイクロメートルに及ぶ MIR 画像化の場合、理論的には 5 マイクロメートル程度の物体を分解できます。照明は干渉計によって提供されるため、サンプル領域は現在の実験実装によって制限されます。ラマン画像化では、1 マイクロメートル未満の粒子を分解できる可能性がありますが、照明できるサンプル領域は大幅に制限されます。ラマン画像化では、広い領域、したがって大きなサンプルを画像化することは非現実的であると考えられています。FT-NIR 化学/ハイパースペクトル画像化では通常、より大きな物体 (>10 マイクロメートル) のみを分解し、照明源が容易に利用できるため、大きなサンプルに適しています。しかし、FT-NIR顕微分光法は最近、生物学的サンプルで約1.2ミクロン（マイクロメートル）の分解能が可能であることが報告されました^[10]さらに、2光子励起FCS実験では、特殊な同時計数光子計数装置を用いて生体膜薄膜で15ナノメートルの分解能を達成したことが報告されました。

化学イメージングの検出限界の概念は、サンプル自体に依存するため、バルク分光法とはまったく異なります。バルクスペクトルは存在する物質の平均を表すため、微量成分のスペクトルシグネチャは希釈によって簡単に圧倒されます。ただし、イメージングでは、各ピクセルに対応するスペクトルがあります。微量汚染物質の物理的サイズがサンプルにイメージされるピクセルサイズと同程度であれば、そのスペクトルシグネチャは検出できる可能性があります。ただし、微量成分がサンプル全体に均一に分散している場合 (ピクセルイメージサイズに対して)、検出できません。したがって、化学イメージング技術の検出限界は、粒子サイズ、サンプルの化学的および空間的不均一性、およびイメージの空間解像度に大きく影響されます。

化学イメージング データ セットのデータ分析方法では、通常、単一点分光法または画像分析に共通する数学的アルゴリズムが使用されます。その理由は、各検出器によって取得されるスペクトルは単一点スペクトルと同等であるためです。したがって、前処理、ケモメトリックス、パターン認識技術は、化学的効果と物理的効果を分離し、個々のサンプル コンポーネントの定性的または定量的な特性評価を実行するという同様の目的で使用されます。空間次元では、各化学画像はデジタル画像と同等であり、標準的な画像分析と堅牢な統計分析を使用して特徴抽出を行うことができます。

• FECOMオブジェクト学習ソフトウェア（OLS）、産業用インラインハイパースペクトル特徴処理^[26]
• UmBio Evince Image、多変量ハイパースペクトル画像解析^{[永久リンク切れ‍ ]}
• 知覚システム; 産業用インラインハイパースペクトルイメージング^[27]

• マルチスペクトル画像
• 紫外可視顕微分光法
• イメージング分光法
• ハイパースペクトルイメージング
• レーザー直接赤外線（LDIR）イメージング
• 熱赤外線分光法
• AFM-IR（原子間力顕微鏡ベースの赤外分光法）

• EN Lewis、PJ Treado、IW Levin、「近赤外線およびラマン分光イメージング」、American Laboratory、1994 年 6 月:16 (1994)。
• Lewis, E. Neil.; Treado, Patrick J.; Reeder, Robert C.; Story, Gloria M.; Dowrey, Anthony E.; Marcott, Curtis.; Levin, Ira W. (1995). 「赤外線焦点面アレイ検出器を使用したフーリエ変換分光イメージング」.分析化学. 67 (19). アメリカ化学会 (ACS): 3377–3381. doi :10.1021/ac00115a003. ISSN  0003-2700. PMID  8686889.
• Colarusso, Pina; Kidder, Linda H.; Levin, Ira W.; Fraser, James C.; Arens, John F.; Lewis, E. Neil (1998). 「赤外線分光イメージング: 惑星系から細胞系まで」.応用分光法. 52 (3). SAGE 出版物: 106A–120A. Bibcode :1998ApSpe..52..106C. doi : 10.1366/0003702981943545 . ISSN  0003-7028.
• Treado, Patrick J.; Levin, Ira W.; Lewis, E. Neil (1994). 「近赤外イメージング顕微鏡法のためのインジウムアンチモン (InSb) 焦点面アレイ (FPA) 検出」。応用分光法。48 (5). SAGE 出版物: 607–615。Bibcode :1994ApSpe..48..607T. doi :10.1366/0003702944924899. ISSN  0003-7028. S2CID  96094223.
• ハモンド、スティーブン V.、クラーク、フィオナ C. (2006 年 8 月 15 日)、「近赤外顕微分光法」、チャルマーズ、ジョン M.、グリフィス、P. R (編)、『振動分光法ハンドブック』、第 2 巻、チチェスター、英国: ジョン ワイリー & サンズ、Ltd、pp. 1405–1418、doi :10.1002/0470027320.s2603、ISBN 0-471-98847-2
• LH Kidder、AS Haka、EN Lewis、「FT-IR イメージングのための計測機器」。振動分光法ハンドブック、第 2 巻、JM Chalmers および PR Griffiths 編集。John Wiley and Sons、ウェスト サセックス、英国、2002 年、1386 ～ 1404 ページ。
• J. Zhang、A. O'Connor、JF Turner II、「スペクトル画像データ分類のためのコサインヒストグラム解析」、応用分光法、第58巻、第11号、2004年11月、pp.1318-1324(7)。
• JF Turner II; J. Zhang; A. O'Connor、「化学画像解析のためのスペクトルアイデンティティマッパー」、応用分光法、第58巻、第11号、2004年11月、pp.1308–1317(10)。
• HR MORRIS、JF TURNER II、B. MUNRO、RA RYNTZ、PJ TREADO、「熱可塑性オレフィン（TPO）表面構造の化学イメージング」、Langmuir、1999 年、第 15 巻、第 8 号、pp. 2961–2972。
• JF Turner II、「調整可能なフィルターを使用した化学イメージングと分光法: 計測、方法論、および多変量解析」、論文 (博士号)。ピッツバーグ大学、出典 DAI-B 59/09、p. 4782、1999 年 3 月、286 ページ。
• P. Schwille.(2001)。蛍光相関分光法。理論と応用。R . Rigler および ES Elson 編、p. 360。Springer Verlag: ベルリン。
• Schwille, P.; Oehlenschläger, F.; Walter, N. (1996). 「蛍光相関分光法によるRNA-DNAハイブリダイゼーション速度論の解析」.生化学. 35 (31): 10182–10193. doi :10.1021/bi960517g. PM​​ID  8756483.
• FLIM | 蛍光寿命イメージング顕微鏡: 蛍光、蛍光体化学イメージング、共焦点発光顕微分光法、FRET、相互相関蛍光顕微分光法。
• FLIM の用途: 「FLIM は、異なる蛍光体から発せられる蛍光と、サンプル内の自己蛍光分子の発光スペクトルが類似している場合でも、それらを区別できます。したがって、マルチラベル研究で蛍光体を識別するのに最適です。FLIM は、大規模な較正手順 (カルシウム グリーンなど) なしで細胞内イオン濃度を測定したり、蛍光体の寿命の変化に基づいて蛍光体の局所環境に関する情報を取得したりするためにも使用できます。」FLIM は、空間的および時間的なタンパク質間相互作用、膜の特性、および生きた細胞内の核酸との相互作用を監視するための顕微分光/化学イメージング、または顕微鏡研究でもよく使用されます。
• Gadella TW Jr.、「FRET および FLIM 技術」、33。出版社: Elsevier、ISBN 978-0-08-054958-3、(2008) 560 ページ。 
• Langel FD, et al., 複数のタンパク質ドメインがBcl10とMalt1の相互作用を媒介する, J. Biol. Chem. , (2008) 283(47):32419-31.
• クレイトン AH., 蛍光体回転と共鳴エネルギーホモトランスファーの周波数領域解析と表現のための偏光 AB プロット。J Microscopy (2008) 232(2):306-12
• Clayton, AH; et al. ( 2008). 「細胞表面における活性化 EGFR 高次オリゴマーの優位性」。成長因子。20 :1。
• Plowman et al., 静電相互作用がK-Rasナノクラスターの形成と機能を正に制御する。分子細胞生物学(2008) 4377–4385。
• Belanis L, et al., Galectin-1 は新規構造成分であり、H-Ras ナノクラスターの主要な調節因子である。Molecular Biology of the Cell (2008) 19:1404–1414。
• Van Manen HJ, 蛍光寿命イメージング顕微鏡を用いた生細胞内の緑色蛍光タンパク質の屈折率センシング。Biophys J. (2008) 94(8):L67-9。
• Van der Krogt GNM、他「遺伝子コード化FRETセンサーのドナー-アクセプターペアの比較：Epac cAMPセンサーへの応用を例に」、PLoS ONE、(2008) 3(4):e1916。
• Dai, X; et al. 「生細胞における遊離およびミセルカプセル化ドキソルビシンの蛍光強度と寿命イメージング。ナノメディシン」(2008) . 4 (1): 49–56。
• Valdez T, et al., 化学イメージングによる耳のよりスマートな観察。SPIE Newsroom、(2015) DOI: 10.1117/2.1201510.006193

ウィキメディア・コモンズには、化学イメージングに関連するメディアがあります。

• Koehler, F.; et al. (2002). 「近赤外分光法: 実用的な化学イメージングソリューション」. Spectroscopy Europe . 14 (3): 12.
• 化学イメージング：新たな犯罪撲滅ツールの可能性
• Xie, Charles (2011). 「赤外線イメージングによる化学の可視化」. Journal of Chemical Education . 88 (7): 881–885. Bibcode :2011JChEd..88..881X. doi :10.1021/ed1009656. ISSN  0021-9584.