NIR 与 FT-NIR：有什么区别 — 以及为什么它对于在线过程控制很重要

为什么会出现架构之问

食品与饲料行业、乳品以及化工和制药工厂中使用的近红外分析仪基于多种不同的光学设计。Pasquini 在 NIR 仪器综述中将其分为滤光片型仪器、扫描光栅单色器、配光电二极管阵列的固定光栅、声光可调滤光器和傅里叶变换（FT）干涉仪 [1]。台式实验室光谱仪已趋向 FT 设计，而过程和便携式仪器仍在使用全部各类原理 [2]。这些是并存的、各有权衡的工程选择，而非前后相继的“代际”，手册类文献也将色散型和 FT 仪器并列论述 [10]。因此，对一个在线项目而言，问题不在于哪种架构更好，而在于哪些权衡对当前测量至关重要。

各类架构如何产生光谱

扫描光栅单色器通过转动光栅，使每次只有一个窄波段到达单个检测器。它是成本最低的扫描设计，但 Pasquini 指出其缺点是波长精密度不足且在长期运行中劣化，以及运动部件限制了其在恶劣环境中的使用 [1]。二极管阵列仪器保持光栅固定，并在其焦平面上放置最多 256 个元件的 PbS 或 InGaAs 线阵，从而在几毫秒内记录完整光谱且无运动部件，这正是该设计被用于现场和车载分析仪的原因 [1]。Beć 等将同一多通道原理描述为无需任何扫描即可同时测量所有波长，并具有高机械耐受性和紧凑尺寸 [2]。

FT-NIR 仪器让整束宽带光通过干涉仪，随光程差变化记录干涉图，再经傅里叶变换重建光谱；台式仪器采用 Michelson 干涉仪或偏振干涉仪 [2]。Pasquini 认为在各种 NIR 架构中 FT 设计的波长准确度和精密度最佳，优于 0.05 nm，分辨率低于 1 nm，信噪比高；但他也指出其扫描速度慢于声光滤光器、耐用性较差，尽管已有耐振动的干涉仪设计 [1]。

通量、多路和波长轴优势 — 及其局限

干涉仪通常被认为具有三项经典优势。Jacquinot（通量）优势可追溯到 Jacquinot 于 1954 年在相同分辨本领和相同尺寸条件下对棱镜、光栅和 Fabry-Perot 标准具的比较，结果表明干涉型仪器的光通量远高于光栅 [4]。干涉仪没有入射和出射狭缝，因此在给定分辨率下有更多光源辐射到达检测器 [1][3]。然而 Griffiths 和 de Haseth 指出，实际实现的增益受检测器尺寸以及光源、样品和检测器之间光学元件的限制 [3]；使用光纤探头或漫反射接口时，决定通量的往往是采样光学系统而非光谱仪本身。

Fellgett（多路）优势是有条件的。当测量受检测器噪声限制时，同时记录所有光谱元可使信噪比在相同测量时间内比扫描式单通道仪器提高约为分辨元数目的平方根；当噪声与信号的平方根成正比（散粒噪声限制）时，这一优势消失；而当噪声与信号成正比时，多路反而成为劣势，因为强光谱区的噪声会扩散到弱光谱区 [3]。究竟处于哪种情形，取决于检测器、光源和到达检测器的光强，必须逐台仪器进行考察。此外，这一比较只针对扫描式设计：二极管阵列仪器同样同时记录所有波长 [2]，因此在 FT 与阵列仪器之间并不存在多路优势之争，讨论的焦点转向通量、分辨率、波长轴和耐用性。

波长轴（Connes）优势是三者中最站得住脚的：干涉图在参比激光的干涉条纹处采样，因而波数标尺与激光波长绑定 [3]；Beć 等将精确受控的波长轴与通量增益并列为 FT 原理的主要益处 [2]。但这并不免除验证的必要。ASTM E1944 专门为实验室 FT-NIR 光谱仪定义了零级和一级性能测试 [11]，而 USP 关于 NIR 理论与实践的章节同时涵盖以波数报告结果的 FT 仪器和以波长报告结果的色散型仪器 [13]。

光谱范围、分辨率及比较研究的结论

光谱范围在很大程度上是检测器问题而非架构问题。标准 InGaAs 检测器在约 1000–1600 nm 范围内性能最佳，扩展型 InGaAs 可达到更长波长，但代价是灵敏度降低且往往需要制冷 [2]；合频带位于 1600–2500 nm 区域，需要使用 PbS 检测器及阵列来覆盖 [1]。因此，配备 PbS 或扩展型 InGaAs 阵列的阵列仪器可以覆盖合频区，而配备标准 InGaAs 检测器的 FT 仪器则不能；所谓只有干涉仪才能达到长波 NIR 区的说法，并无仪器学文献支持 [1][2]。分辨率同样取决于应用：液体和固体的 NIR 光谱以宽的倍频带和合频带为主 [1]，干涉仪可提供的亚纳米分辨率只有在应用能够分辨此类细节时才是优势。

直接比较研究证实了这一点。Sinnaeve 等分别用透射模式的色散型 NIR 仪器、同一仪器的透反射模式、配光纤透射探头的 FT-NIR 仪器以及 FT-MIR 仪器分析鲜榨苹果汁，发现 FT-MIR 和色散型 NIR 透射模式结果最佳，而透反射模式和该 FT-NIR 配置的准确度较低 [6]。采样接口和测量模式的影响至少与光谱仪原理同样重要。Workman 关于定标转移的综述得出了相近的结论：用同一定标在两台仪器上获得相同结果至今仍难以实现，其原因在于仪器重现性、参考值、数学方法和样品呈现方式，而不仅仅在于某一种架构 [5]。Beć 等将工作光谱区、波长准确度、动态范围、样品与光学部件的距离以及检测器光度响应列为最可能使转移后模型失效的仪器差异 [2]。

在线应用中什么最重要

对于在线安装，决定性问题通常是机械和运行方面的，而非光谱学方面的；在选择任何架构之前，有三点值得关注：

• 运动部件、振动和温度。阵列仪器没有运动部件，能够耐受机械应力 [1][2]；Michelson 干涉仪有一个动镜，依赖耐振动的工程设计 [1]。小型化和基于 MEMS 的干涉仪已经存在，但 Beć 等表明，小型化带来的权衡会削弱 FT 原理的优势，在紧凑型仪器中尚无某一设计脱颖而出成为最佳 [2][7][8]。
• 采样接口。探头类型、光程、窗口材料和测量模式对结果的影响与光谱仪同样大 [6]；光纤长度和漫反射光学系统也决定了通量优势能保留多少 [3]。
• 验证与定标转移。ASTM D6122 规定了如何验证采用多元模型的在线、近线和实验室红外分析仪的性能，从仪器检查、模型适用性直至与参考方法的一致性 [12]；实验室定标能否转移到在线仪器上，是一个适用于所有架构的定标转移问题 [5]。

Pasquini 在 2018 年的综述中将该领域定位为一项成熟技术，其重新受到关注源于创新的、往往是便携式的仪器以及化学计量学，同时也警示了数学工具的误用 [9]；Crocombe 关于便携式光谱的综述记录了当前可用光谱引擎的广泛类型，从 MEMS 干涉仪到数字微镜和线性渐变滤光片设计 [7]。其实际含义是：FT 与色散型 NIR 各有更适合的安装场合，而适合与否需通过在实际工艺物流上的测试来确定。

USTECH 如何做出选择

USTECH 同时提供两种架构，并按应用进行选择。ProLine2550 是用于混合机、反应器和管道的在线 FT-NIR 分析仪；ProLine17EC 和 ProLine17ECS 是基于 InGaAs 光电二极管阵列、无运动部件的坚固型在线 NIR 分析仪；MasterLine17EC 则是适用于谷物、饲料原料和青粗饲料的台式及近线 NIR 分析仪。两个系列的定标均在 caliX 中开发和转移，遵循 Workman 所综述的转移实践 [5]。哪种光谱仪原理、光谱范围和采样接口适合某条生产线，需通过使用该生产线自身样品和参考分析的可行性研究来确定。