Qu'est-ce que la spectroscopie FT-NIR ? Un guide en langage simple pour les fabricants de produits alimentaires et d'aliments pour animaux

La lumière proche infrarouge comme outil analytique

La spectroscopie proche infrarouge (NIR) est largement utilisée pour l'analyse de composition dans l'industrie agroalimentaire et de l'alimentation animale. Pasquini définit la région NIR comme allant de 750 à 2 500 nm (13 300 à 4 000 cm⁻¹) et décrit la technique comme rapide, non destructive et non invasive, avec une préparation d'échantillon minimale et une application quasi universelle aux molécules contenant des liaisons C–H, N–H, S–H ou O–H [1]. Une introduction de base à la technique est proposée dans Qu'est-ce que la spectroscopie NIR ? ; ce guide se concentre sur la variante à transformée de Fourier (FT) et sur ce que ses spectres peuvent, ou non, apprendre à un producteur d'aliments ou d'aliments pour animaux.

Comment un spectromètre FT-NIR enregistre un spectre

Les spectromètres NIR de laboratoire de paillasse ont convergé vers une conception assez uniforme, dans laquelle on utilise un interféromètre de Michelson ou à polarisation et où le spectre est obtenu selon le principe de la transformée de Fourier [2]. Dans un interféromètre de Michelson, le faisceau est partagé par une séparatrice entre un miroir fixe et un miroir mobile ; lorsque les deux faisceaux se recombinent, leur interférence dépend de la différence de marche optique fixée par la position du miroir. La théorie de la formation de l'interférogramme, et de la manière dont la course finie du miroir limite la résolution, est traitée en détail dans l'ouvrage de référence de Griffiths et de Haseth [3].

Le point essentiel pour un non-spécialiste est que l'ensemble du faisceau à large bande atteint le détecteur en même temps. Comme le formulent Beć et al., le détecteur enregistre un interférogramme, signal dans le domaine temporel, à partir duquel le spectre — le signal dans le domaine fréquentiel — est reconstruit par transformée de Fourier [2]. Autrement dit, l'instrument ne mesure pas une longueur d'onde après l'autre ; il en mesure un mélange et en extrait mathématiquement les intensités individuelles [1][2]. Beć et al. citent le gain en flux lumineux et un axe des longueurs d'onde contrôlé avec précision comme les principaux avantages de cette approche [2], et Pasquini attribue aux instruments FT la meilleure précision et la meilleure exactitude en longueur d'onde parmi les conceptions NIR, ainsi qu'un gain de flux (avantage de Jacquinot) dû à l'absence de fentes d'entrée et de sortie [1].

Ces avantages s'accompagnent de compromis. Pasquini note qu'une résolution inférieure au nanomètre s'obtient au détriment de la vitesse de balayage et qu'un interféromètre à miroir mobile n'est pas aussi robuste que les conceptions sans pièces mobiles [1] ; Beć et al. montrent qu'une fois miniaturisé, l'interféromètre de Michelson n'est plus nettement supérieur aux autres solutions [2]. Le FT-NIR est donc une architecture d'instrument valable parmi d'autres, et non une architecture universellement meilleure ; la comparaison avec les instruments à réseau et à barrette de diodes est traitée dans NIR ou FT-NIR.

Ce que les bandes révèlent sur l'eau, les protéines, la matière grasse et les glucides

Les absorptions NIR sont des harmoniques et des combinaisons de vibrations moléculaires fondamentales, principalement des groupes C–H, O–H et N–H ; elles sont larges, superposées et faibles, environ 10 à 1 000 fois moins intenses que les absorptions fondamentales correspondantes [1]. La faible absorption va de pair avec la forte pénétration du faisceau de mesure que Pasquini range parmi les caractéristiques de la technique, mais le recouvrement fait que les constituants individuels apparaissent rarement sous forme de pics isolés [1][2]. Le tableau indique des positions de bandes typiques pour les principaux constituants des aliments.

Longueur d'onde approx. (nm)	Vibration	Constituant typique	Source
1440 et 1930	O–H (eau)	Humidité	[4]
1210	C–H, deuxième harmonique	Glucides, lipides	[2]
1435, 1500, 1565	N–H, première harmonique	Protéines	[2]
1480	O–H, première harmonique	Glucides	[2]
1610–1725	C–H, première harmonique	Glucides, lipides	[2]
2050, 2155, 2295	Combinaisons N–H et amide	Protéines	[2]
2255	Élongation + déformation O–H	Glucides	[2]

L'eau domine : Büning-Pfaue décrit deux larges pics de l'eau vers 1440 et 1930 nm dans presque tous les spectres NIR et montre que les liaisons hydrogène et la température de l'échantillon influent sur la fiabilité des résultats d'humidité NIR [4]. Beć et al. soulignent que de tels tableaux sont approximatifs et que l'identification de marqueurs spécifiques dans les spectres NIR est bien moins directe qu'en spectroscopie moyen infrarouge ou Raman [2]. C'est pourquoi les résultats NIR ne se lisent pas sur un seul pic.

Pourquoi un étalonnage par rapport à des méthodes de référence est nécessaire

Les bandes se recouvrant, le NIR s'appuie sur un modèle multivarié pour quantifier une propriété ou une concentration dans des échantillons complexes, et Pasquini souligne que la technique dépend, et dépendra toujours, fortement de bonnes méthodes de référence, le succès d'un modèle dépendant largement de la qualité des valeurs de référence du jeu d'apprentissage [1]. Les lignes directrices internationales formalisent ce principe. L'ISO 12099 couvre la détermination de constituants tels que l'humidité, la matière grasse, la protéine, l'amidon et la cellulose brute dans les aliments pour animaux, les céréales et les produits céréaliers de mouture [5] ; l'ISO 21543 | IDF 201 fait de même pour le lait et les produits laitiers sous forme liquide, semi-solide ou solide, mesurés en transmission, en réflexion diffuse ou en transflexion [6]. En pratique, trois points comptent :

• La méthode de référence fixe le plafond. Une prédiction NIR ne peut pas être plus exacte que les valeurs de laboratoire sur lesquelles elle a été étalonnée ; les analyses de référence doivent donc suivre les procédures officielles [1][5].
• La matrice et la présentation comptent. La forme de l'échantillon et le mode de mesure déterminent la configuration de l'instrument [6], et pour l'humidité, les effets de la température et des liaisons hydrogène doivent être représentés dans le jeu d'étalonnage [4].
• La chimiométrie doit être utilisée avec soin. La revue de Pasquini de 2018 décrit le NIR comme une technique mûre qui suscite un regain d'intérêt grâce à l'instrumentation et à la chimiométrie, mais elle aborde aussi le mauvais usage de ses outils mathématiques [7] ; une validation indépendante protège contre les modèles surajustés.

L'approche d'USTECH en matière de FT-NIR

USTECH utilise le principe FT-NIR dans l'analyseur de procédé ProLine2550 pour les mélangeurs, les réacteurs et les canalisations ; pour les grains, les matières premières pour l'alimentation animale et les fourrages, elle propose l'analyseur NIR de paillasse et at-line MasterLine17EC. Les étalonnages sont développés et validés par rapport à des analyses de référence dans caliX, selon l'approche de l'ISO 12099 et de l'ISO 21543 | IDF 201 [5][6]. Les paramètres qu'un instrument FT-NIR peut mesurer de manière fiable dans un produit donné sont établis lors d'une étude de faisabilité réalisée avec vos propres échantillons et analyses de référence.