如何选择近红外光谱区域

波长区域为何重要

食品与饲料行业和流程工厂中使用的分析仪不仅光学设计不同，所记录的近红外区段也不同。Pasquini 将 NIR 区域定义为 750–2,500 nm，并解释说其吸收是 O–H、C–H、N–H 和 S–H 键基频振动的倍频和合频，这些键的基频位于 3,000–4,000 nm[1]。这些谱带比基频弱得多，Beć 和 Huck 指出，吸收率向更高级倍频和更高阶合频方向稳步降低[1][2]。正是这一事实决定了本指南的主要取舍：谱带强而特异之处，光只能穿透很短的距离；光能深入穿透之处，谱带则弱且严重重叠。

三个区域及其承载的信息

短波 NIR（约 1,100 nm 以下）包含高级倍频：Gonzaga 和 Pasquini 构建了一台工作于 850–1,050 nm 的低成本分光光度计，并能将若干光谱区域归属为 C–H 伸缩振动的三级倍频[3]。此处谱带非常弱，必须增加光程才能观察到：在 Pasquini 的氯仿示例中，850–1,150 nm 区域在 1 mm 光程下几乎没有结构，而在 5 cm 光程下则显示出五个清晰的谱带[1]。

一级倍频区（约 1,100–1,800 nm）承载 X–H 伸缩振动的一级倍频，是标准 InGaAs 仪器获取大部分信息的区域；例如，Lukacs 等在定量蛋白粉中富氮掺假物时，在约 1,400–1,600 nm 处发现了回归向量的主要峰，并将其归属为 N–H 一级倍频[4]。

合频区，Pasquini 给出的范围为 1,600–2,500 nm，包含衰减程度低于倍频的合频谱带，共振也可能在此将一个谱带分裂为两个[1]。Lukacs 等在同一研究中观察到约 2,000 nm 以上的 N–H 合频特征[4]。Beć 和 Huck 强调，整个 NIR 光谱由大量相互重叠的非谐性贡献构成，因此即使在这一区域，单个谱带也很少是孤立的[2]。

穿透深度：谱带强度的另一面

正是由于吸收较弱，NIR 光才能探测样品本体而不仅仅是其表面[2]。实测穿透深度随波长增加而减小。Padalkar 和 Pleshko 发现，在软骨中，7,000–9,000 cm⁻¹（约 1,110–1,430 nm）处约为 5 mm，5,100–7,000 cm⁻¹ 处约为 3 mm，而在合频区 4,000–5,100 cm⁻¹ 处仅为 1–2 mm[5]。在牛油果果实中，Wedding 等测得 834–885 nm 附近的透射穿透深度约为 12 mm，而在约 1,348 至 1,862 nm 之间则小于 3 mm[6]。Pasquini 对液体也提出了同样的观点：从较高级倍频移向 2,200 nm 附近的合频区时，样品池光程必须相应缩短[1]。

这就是短波 NIR 被用于完整果蔬的原因。Kawano 等以漫透射（interactance）模式，利用 906、878、870 和 889 nm 处的二阶导数项预测了完整桃子的糖度[7]。其局限同样有据可查：Guerra 等使用两台工作于 740–1,070 nm 的袖珍型仪器测定 331 个牛奶样品，得到了适用的脂肪模型（外部验证 R² 0.93），但乳糖、尿素、体细胞和冰点的模型较差，并得出结论：该区域对这些性状所含信息太少[8]。

检测器决定仪器能看到哪个区域

Pasquini 将硅、PbS 和 InGaAs 列为最常用的 NIR 检测器材料[1]。Beć 等报告，Si 光电二极管从可见光到约 1,100 nm 保持合理的灵敏度，适合小型低成本仪器；InGaAs 在约 1,000–1,600 nm 处性能最佳，响应快、暗电流低；扩展型 InGaAs 灵敏度较低，可能需要制冷[9]。仪器可以组合使用多种检测器：Lukacs 等研究中的台式光栅仪器在 400–1,098 nm 使用 Si，在 1,100–2,498 nm 使用 PbS[4]。Crocombe 的综述记录了可见光和短波 NIR 光学引擎如何使消费级价格的设备成为可能[10]。因此，长波段覆盖取决于检测器的选择，而非某一种光学架构所独有[4][9]。

实践中如何选择区域

没有哪个区域对所有样品都是最佳的。文献提示应考虑三个问题：

• 被测物的信息在哪里？在短波区特征较弱或较间接的组分，可能需要倍频区或合频区[8]；在确定范围之前，应查阅已发表的谱带归属并采集试验光谱[2][4]。
• 样品有多厚、多不均匀？完整或粗颗粒样品宜采用较短波长，其探测深度更大；装在短光程样品池中的澄清液体则可使用合频区[1][5][6]。
• 取样接口允许什么？Lukacs 等排除了 2,200 nm 以上的波长，因为光纤探头在该区域会引入很高的噪声[4]；检测器灵敏度和制冷需求也随波长范围而变化[9]。

USTECH 的区域选择做法

USTECH 提供覆盖 NIR 区域不同部分的分析仪，并根据具体应用进行选择。ProLine17EC 和 ProLine17ECS 是基于 InGaAs 阵列检测器的在线 NIR 分析仪；ProLine2550 是用于混合器、反应器和管道的在线 FT-NIR 分析仪，MasterLine17EC 则是台式及近线 NIR 分析仪。在所记录的光谱范围内，波长区域在 caliX 套件中建模时进行比较和选择。哪个区域和哪台仪器适合特定样品和安装条件，需通过使用贵方样品的可行性研究来确定。