Infrarotspektroskopie
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer. nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 2. September 2026Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Die Infrarotspektroskopie ist ein spektroskopisches Verfahren zur Strukturanalyse chemischer Verbindungen. Außerdem dient sie zum Nachweis von Stoffen in chemischen und biologischen Proben. In der Medizin findet sie beispielsweise Anwendung zur Überwachung des Sauerstoffgehaltes im Blut von Intensivpatienten.
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Was ist die Infrarotspektroskopie?
Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) basiert auf der Grundlage der Anregung von Energiezuständen in Molekülen durch infrarote Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1 mm. Das Prinzip der Messung besteht in der Absorption von Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zur Anregung diskreter Schwingungs- und Rotationszustände funktioneller Gruppen.
Der absorbierte Bereich wird im IR-Spektrum als Peak dargestellt. Da die Schwingungszustände charakteristisch für bestimmte Atome und Atomgruppen sind, gibt die Lage der Peaks Auskunft über die Struktur der Moleküle. Zur Messung können mehrere Techniken angewendet werden. Bei der Transmissions-Technik durchquert die infrarote Strahlung beispielsweise die Probe, bevor das Absorptionsspektrum aufgenommen wird. Nach der Reflexions-Technik wird die reflektierte Strahlung spektroskopisch untersucht.
Es gibt weiterhin auch Methoden zur Aufnahme von Emissionsspektren. Die Infrarotspektroskopie wird in die drei Wellenlängenbereiche nahes Infrarot (NIR) von 0,8 bis 2,5 Mikrometer, mittleres oder klassisches Infrarot von 2,5 bis 25 Mikrometer und fernes Infrarot von 25 bis 1000 Mikrometer eingeteilt.
Funktion, Wirkung & Ziele
Die NIRS ist ideal für die Bestimmung des Wassergehaltes in vielen Proben. So kann die Feuchte sowie der Protein- und Fettgehalt vieler Nahrungsmittel gut bestimmt werden. Sie findet daher Anwendung in der Prozesskontrolle der Nahrungsmittelindustrie und der pharmazeutischen Industrie. Bereits seit über 30 Jahren ist die Nahinfrarotspektroskopie in der Medizin und den Neurowissenschaften als bildgebendes Verfahren fest integriert. Dabei wird der Sauerstoffgehalt im Blut, der Blutfluss oder das Blutvolumen von verschiedenen Organen und Geweben überwacht. Besonders Gehirn, Muskeln oder Brust werden mit dieser Methode untersucht.
Die Erfolge dieses Verfahrens zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes beruhen auf dem unterschiedlichen Absorptionsverhalten von sauerstoffhaltigem und sauerstoffarmem Hämoglobin. Im Rahmen eines Monitorings werden IR-Spektren aufgenommen, welche die Änderungen des Sauerstoffgehaltes über die Zeit dokumentieren. Gleichzeitig können diese Werte über bildgebende Verfahren dargestellt werden. Nach diesem Prinzip werden auch Blutfluss und Blutvolumen bei Notfallpatienten überwacht. In der Notfall- und Intensivmedizin findet deshalb heute zunehmend eine Anwendung der NIRS statt, um die Sauerstoffversorgung des Patienten kontinuierlich zu überwachen. Auch zur Messung der Hirnaktivität wird das Verfahren eingesetzt. Bei ihrer Bestimmung werden die dynamischen Änderungen der Sauerstoffkonzentration des Blutes im Gehirn durch die Schädeldecke gemessen.
Das ist möglich, weil das nahe Infrarotlicht eine große Eindringtiefe besitzt. Aufgrund der Konzentrationsänderungen von Sauerstoff kann auf die Stärke der Hirnaktivität geschlossen werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein hoher Sauerstoffgehalt in einem bestimmten Hirnareal dort auf eine gesteigerte Aktivität hindeutet. Auf diese Weise sollen neurologische Erkrankungen aufgedeckt werden. Des Weiteren werden wissenschaftliche Studien durchgeführt, welche die Zusammenhänge von Sauerstoffbedarf und Hirnaktivität noch besser erforschen sollen. Da die Struktur und Wechselwirkung von Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden und Nukleinsäuren Hinweise auf Krankheiten wie Morbus Alzheimer, Multiple Sklerose, Arthritis oder bestimmte Krebsarten geben können, werden seit Längerem auch wissenschaftliche Untersuchungen zur Strukturaufklärung dieser Stoffe im Gewebe mithilfe der IR-Spektroskopie unternommen.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Klassifizierung von Gewebearten ohne die Notwendigkeit von Färbetechniken. Auch Körperflüssigkeiten wie Speichel, Blutplasma, Urin oder Gelenkflüssigkeit können mittels IR-Spektroskopie auf Glukose, Fette, Cholesterin, Harnstoff, Protein oder Phosphat untersucht werden. Zum Ausbau der Glukose-Bestimmung durch Anwendung der Infrarotspektroskopie werden derzeit noch wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Ziel soll die schnelle Ermittlung der Blut-Glukose-Konzentration von Diabetikern sein.
Risiken, Nebenwirkungen & Gefahren
Grundsätzlich ist der Mensch ja ständig Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) ausgesetzt. Die gute Verträglichkeit der Methode bildet die ideale Voraussetzung für ihre breite Anwendung in der Medizin. Allerdings stößt ihre allumfassende Anwendung heute noch an Grenzen. In Kombination mit anderen Verfahren dient sie in der Diagnostik vor allem als ergänzende Methode, etwa zur fortlaufenden Überwachung der Sauerstoffversorgung von Gehirn und Muskulatur. Wie bereits erwähnt, werden derzeit Anstrengungen unternommen, die Glukose-Bestimmung bei Diabetikern zu optimieren. Insbesondere sollen nicht-invasive Verfahren wie die IR-Spektroskopie eine schnelle Analyse gewährleisten.
Bis heute ist hier jedoch noch nicht der Durchbruch gelungen. Auch auf anderen Gebieten ist noch viel Forschungsarbeit zu leisten. So wird bei der Messung der Hirnaktivität die Nichteindeutigkeit des Inversen Problems deutlich. Die Hirnaktivitäten werden ja nicht direkt registriert, sondern nur die Änderung der Sauerstoffkonzentration im Blut. Daher kann nur auf eine erhöhte Aktivität geschlossen werden. Um den Zusammenhang zu verifizieren, müssen noch weitere Studien und Vergleiche mit anderen Methoden durchgeführt werden. Für Messungen am Patienten ist nur die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) geeignet. Die Strahlung des mittleren und fernen Infrarotlichtes besitzt nicht die Fähigkeit, tief ins Gewebe einzudringen.
Ablauf einer Messung am Patienten
Für den Patienten unterscheidet sich eine Messung mit nahem Infrarotlicht kaum von der Bestimmung der Sauerstoffsättigung am Finger. Vorbereitungen wie Nüchternheit, ein Kontrastmittel oder das Ablegen von Metallgegenständen sind nicht erforderlich. Die Messstelle wird lediglich von Cremes, Pflastern oder Verschmutzungen befreit, damit das Licht ungehindert in das Gewebe eintreten kann.
Aufgeklebt wird ein flacher Sensor, der zwei Bauteile enthält: eine Lichtquelle, die nahes Infrarotlicht in das Gewebe sendet, und einen oder mehrere Empfänger, die das aus dem Gewebe zurückkehrende Licht auffangen. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger bestimmt mit, aus welcher Tiefe das aufgefangene Licht überwiegend stammt; ein größerer Abstand erfasst tiefer gelegene Schichten. Bei der Überwachung der Hirndurchblutung wird der Sensor auf die Stirn geklebt, weil dort weder Haare noch dicke Muskelschichten im Weg sind. Für die Beobachtung der Muskeldurchblutung wird er über dem interessierenden Muskel angebracht.
Der Sensor bleibt während des gesamten Eingriffs oder über längere Abschnitte der intensivmedizinischen Behandlung liegen und liefert fortlaufend Werte, die als Kurve auf einem Monitor erscheinen. Es wird weder Blut entnommen noch in das Gewebe eingedrungen, und die Messung ist für den Patienten nicht spürbar. Da das Gerät nur Licht abgibt, kann es ohne Unterbrechung laufen, auch während einer Operation, unter Narkose oder während eines Transports. Vor einem geplanten Eingriff wird üblicherweise ein Ausgangswert erhoben, solange der Kreislauf noch unverändert ist; alle späteren Werte werden mit diesem Ausgangswert verglichen.
Bei längerer Liegedauer wird die Haut unter dem Sensor kontrolliert und die Klebestelle bei Bedarf versetzt, weil Druckstellen entstehen können. Störend wirken helles Umgebungslicht, Bewegungen der Messstelle sowie eine Schwellung oder ein Bluterguss unmittelbar unter dem Sensor.
Aussagekraft und Grenzen des Messwerts
Der von einem NIRS-Gerät angezeigte Wert ist eine Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in einem kleinen Gewebebezirk. Er beschreibt damit etwas anderes als die Pulsoxymetrie, die die Sättigung im arteriellen Blut misst und dafür die Pulswelle auswertet. Das mit nahem Infrarotlicht durchleuchtete Gewebe enthält arterielles, kapilläres und venöses Blut nebeneinander, wobei der venöse Anteil überwiegt. Der Messwert bildet deshalb das Verhältnis von Sauerstoffangebot und Sauerstoffverbrauch im Gewebe ab und nicht allein die Sauerstoffbeladung des ankommenden Blutes. Ein Vorteil dieser Eigenschaft liegt darin, dass die Messung auch dann noch Werte liefert, wenn kaum eine Pulswelle vorhanden ist, etwa bei sehr niedrigem Blutdruck.
Aussagekräftig ist vor allem die Veränderung gegenüber dem Ausgangswert, weniger der absolute Zahlenwert. Die Geräte verschiedener Hersteller werten das Signal unterschiedlich aus, sodass ihre Werte nicht ohne Weiteres gegeneinander austauschbar sind. Ein einzelner Wert ohne Verlauf und ohne bekannten Ausgangswert lässt sich daher nur eingeschränkt beurteilen.
Ebenso wichtig ist, was der Befund nicht aussagt. Gemessen wird immer nur der Gewebebezirk unter dem Sensor; eine Durchblutungsstörung an anderer Stelle des Gehirns bleibt unbemerkt. Ein unauffälliger Wert schließt eine Schädigung also nicht aus. Das Licht durchquert auf seinem Weg außerdem Haut, Schädelknochen und Hirnhäute, sodass auch Blut aus diesen Schichten in den Messwert eingeht. Verfälschungen sind ferner durch eine starke Pigmentierung der Haut, durch Bilirubin bei ausgeprägter Gelbsucht, durch Wassereinlagerungen im Gewebe sowie durch Farbstoffe möglich, die zu anderen Untersuchungszwecken verabreicht wurden. Auch bei einer Kohlenmonoxidvergiftung verändert sich die Lichtabsorption des Hämoglobins und damit das Ergebnis. Der Wert ersetzt deshalb keine Blutuntersuchung, sondern ergänzt sie um einen fortlaufenden Verlauf zwischen zwei Blutentnahmen.
Abgrenzung zu ähnlichen Verfahren
Mehrere Verfahren machen Aussagen über die Sauerstoffversorgung oder die Hirnaktivität, unterscheiden sich aber deutlich in dem, was sie tatsächlich erfassen. Die Pulsoxymetrie am Finger oder am Ohrläppchen arbeitet zwar ebenfalls mit Licht, wertet jedoch nur den pulsierenden und damit arteriellen Anteil aus; über den Sauerstoffverbrauch des Gewebes sagt sie nichts. Die Blutgasanalyse aus einer Blutprobe gilt als genauerer Maßstab, liefert aber nur eine Momentaufnahme und setzt eine Blutentnahme voraus.
Zur Beurteilung der Hirnaktivität steht die funktionelle Magnetresonanztomographie zur Verfügung. Sie beruht auf einem verwandten Gedanken, weil auch sie die Sauerstoffbeladung des Blutes als Hinweis auf Aktivität nutzt, bildet dabei jedoch das gesamte Gehirn ab und erreicht eine feinere räumliche Auflösung. Dafür verlangt sie ein großes, ortsfestes Gerät und weitgehende Bewegungslosigkeit. Die Messung mit nahem Infrarotlicht erfasst nur oberflächennahe Anteile der Hirnrinde, lässt sich dafür aber am Krankenbett, bei Säuglingen und sogar während einer Bewegung durchführen. Die Elektroenzephalografie misst mit den elektrischen Spannungsänderungen etwas grundsätzlich anderes und wird deshalb häufig ergänzend eingesetzt.
Gegenüber der Computertomographie und der Röntgenaufnahme hat das Verfahren den Vorteil, ohne ionisierende Strahlung auszukommen, und gegenüber dem Ultraschall den, dass es über Stunden ununterbrochen aufzeichnen kann, ohne dass jemand eine Sonde halten muss. Es liefert dafür kein Bild von Strukturen, sondern lediglich einen Verlaufswert. In der Praxis werden die Verfahren daher nicht gegeneinander ausgespielt, sondern nach der jeweiligen Fragestellung ausgewählt und miteinander verbunden.
Anwendung im Labor und in der Analytik
Neben der Messung am Patienten hat die Infrarotspektroskopie ihren festen Platz in der Analytik, wo sie überwiegend im mittleren Infrarotbereich arbeitet. Moderne Geräte nehmen das Spektrum nicht Wellenlänge für Wellenlänge nacheinander auf, sondern erfassen alle Wellenlängen gleichzeitig und berechnen das Spektrum anschließend mithilfe der Fourier-Transformation aus dem Messsignal. Diese Bauweise hat die Messzeiten stark verkürzt und die Empfindlichkeit erhöht.
Für feste und flüssige Proben wird häufig die abgeschwächte Totalreflexion genutzt. Die Probe wird dabei lediglich auf einen Kristall gedrückt; das Licht dringt nur wenige Mikrometer weit in sie ein und wird verändert zurückgeworfen. Eine aufwendige Vorbereitung der Probe entfällt damit weitgehend, was den Einsatz in der Routine erleichtert hat.
In der Medizin wird auf diesem Weg unter anderem die Zusammensetzung von Harnsteinen bestimmt. Das Ergebnis ist für die weitere Behandlung von Bedeutung, weil sich die Vorbeugung gegen eine erneute Steinbildung nach der Art des Steins richtet. In der Arzneimittelherstellung dient das Infrarotspektrum der Identitätsprüfung von Ausgangsstoffen: Das gemessene Spektrum wird mit einem Vergleichsspektrum abgeglichen, denn die Lage der Banden ist für eine chemische Verbindung so kennzeichnend wie ein Fingerabdruck. Auf der Absorption von Infrarotlicht beruht ferner die fortlaufende Messung des Kohlendioxidgehalts in der Ausatemluft während einer Narkose ebenso wie die Arbeitsweise gebräuchlicher Atemalkoholmessgeräte. Auch in toxikologischen Labors wird das Verfahren zur Identifizierung unbekannter Substanzen eingesetzt.
Geschichte und Entwicklung
Die Infrarotstrahlung wurde im Jahr 1800 von dem Astronomen Wilhelm Herschel entdeckt. Er zerlegte Sonnenlicht mit einem Prisma und stellte fest, dass ein Thermometer jenseits des roten Endes des sichtbaren Spektrums, dort also, wo für das Auge nichts mehr zu sehen war, die höchste Temperatur anzeigte. Damit war belegt, dass es Strahlung jenseits des sichtbaren Lichts gibt.
Bis daraus ein Messverfahren wurde, verging mehr als ein Jahrhundert. Erst empfindliche Detektoren und geeignete Strahlungsquellen erlaubten es, Spektren in brauchbarer Qualität aufzunehmen; im Verlauf des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die Infrarotspektroskopie zu einem Standardverfahren der chemischen Strukturaufklärung. Die Verbindung von Interferometer und Rechner machte die Aufnahme eines Spektrums schließlich zur Sache von Sekunden und öffnete das Verfahren für den breiten Einsatz.
Der Weg in die Medizin führte über das nahe Infrarot. Im Jahr 1977 beschrieb Frans Jöbsis, dass sich mit nahem Infrarotlicht die Sauerstoffversorgung von Gehirn und Herzmuskel durch das geschlossene Gewebe hindurch verfolgen lässt. Grundlage war die Beobachtung, dass Gewebe für Licht dieses Wellenlängenbereichs vergleichsweise durchlässig ist, während sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin es unterschiedlich stark absorbieren. In den folgenden Jahrzehnten entstanden daraus Geräte für die Überwachung während Herzoperationen, für die Betreuung von Neugeborenen und nach einer Frühgeburt, bei denen die Schädeldecke besonders dünn ist, sowie für die Untersuchung der Hirnfunktion in der Forschung. Die Weiterentwicklung geht seither in zwei Richtungen: zu Geräten mit mehreren Sensoren, die größere Bereiche gleichzeitig erfassen, und zu tragbaren Geräten für Messungen außerhalb des Labors.
Quellen
- Thomas, L.: Labor und Diagnose.
ISBN: 9783981620801
- Renz, H. (Hrsg.): Praktische Labordiagnostik.
ISBN: 9783111328195
- Böhm, B. O., Niederau, C. M., Tönjes, S.: Klinikleitfaden Labordiagnostik.
ISBN: 9783437210945
- Marx, G., Muhl, E., Zacharowski, K., Zeuzem, S. (Hrsg.): Die Intensivmedizin.
ISBN: 9783662686997
- Herold, G.: Innere Medizin 2026.
ISBN: 9783982116655