什么是 FT-NIR 光谱？食品和饲料制造商的简明语言指南

作为分析工具的近红外光

近红外（NIR）光谱广泛用于食品与饲料行业的成分分析。Pasquini 将 NIR 区域定义为 750 至 2,500 nm（13,300 至 4,000 cm⁻¹），并将该技术描述为快速、无损、非侵入性的，样品制备极少，几乎普遍适用于含 C–H、N–H、S–H 或 O–H 键的分子[1]。该技术的基础介绍见什么是近红外光谱？；本指南侧重于傅里叶变换（FT）型仪器，以及其光谱能够和不能够告诉食品或饲料生产商什么。

FT-NIR 光谱仪如何记录光谱

台式实验室 NIR 光谱仪已趋同于一种相当统一的设计：采用迈克尔逊干涉仪或偏振干涉仪，并依据傅里叶变换原理获得光谱[2]。在迈克尔逊干涉仪中，光束经分束器分配到一面固定镜和一面动镜；两束光重新汇合时，其干涉取决于由动镜位置决定的光程差。关于干涉图如何由此产生、动镜有限行程如何限制分辨率的理论，Griffiths 和 de Haseth 的标准著作有详细论述[3]。

对非专业人士而言，关键在于整个宽带光束同时到达检测器。正如 Beć 等所述，检测器记录的是干涉图，即时域信号，而光谱——即频域信号——则通过傅里叶变换由其重建[2]。换言之，仪器并非逐个波长依次测量，而是测量所有波长的混合信号，再以数学方法还原各自的强度[1][2]。Beć 等将光通量的增益和精确控制的波长轴列为这一方法的主要优点[2]；Pasquini 则认为，在各种 NIR 设计中 FT 仪器的波长精密度和准确度最佳，并且由于没有入射狭缝和出射狭缝而具有光通量（Jacquinot）优势[1]。

这些优点也伴随着取舍。Pasquini 指出，亚纳米级分辨率是以扫描速度为代价获得的，而且带动镜的干涉仪不如无运动部件的设计坚固[1]；Beć 等表明，迈克尔逊干涉仪一旦小型化，便不再远优于其他方案[2]。因此，FT-NIR 是若干种可行的仪器架构之一，而非在任何情况下都更优；与光栅型和二极管阵列型仪器的比较见NIR 与 FT-NIR 对比。

谱带揭示了水分、蛋白质、脂肪和碳水化合物的哪些信息

NIR 吸收是分子基频振动的倍频和合频，主要来自 C–H、O–H 和 N–H 基团；这些吸收宽而重叠且较弱，强度约为相应基频吸收的 1/10 至 1/1,000[1]。吸收弱与探测光束穿透力强相伴，Pasquini 将后者列为该技术的特点之一，但谱带重叠意味着单个组分很少以孤立峰的形式出现[1][2]。下表列出了主要食品组分的典型谱带位置。

近似波长（nm）	振动	典型组分	来源
1440 和 1930	O–H（水）	水分	[4]
1210	C–H 二级倍频	碳水化合物、脂类	[2]
1435、1500、1565	N–H 一级倍频	蛋白质	[2]
1480	O–H 一级倍频	碳水化合物	[2]
1610–1725	C–H 一级倍频	碳水化合物、脂类	[2]
2050、2155、2295	N–H 与酰胺合频	蛋白质	[2]
2255	O–H 伸缩 + 变形	碳水化合物	[2]

水的影响占主导：Büning-Pfaue 描述了几乎每条 NIR 光谱中都在 1440 和 1930 nm 附近出现的两个宽水峰，并表明氢键和样品温度会影响 NIR 水分结果的可靠性[4]。Beć 等强调，此类表格只是近似的，在 NIR 光谱中识别特定标志峰远不如在中红外或拉曼（Raman）光谱中那样直接[2]。这就是 NIR 结果不能凭单个峰读出的原因。

为何需要以参考方法进行定标

由于谱带重叠，NIR 依靠多元模型对复杂样品中的某一性质或浓度进行定量。Pasquini 强调，该技术现在和将来都高度依赖良好的参考方法，模型的成败在很大程度上取决于训练集中参考值的质量[1]。国际指南将这一点加以规范。ISO 12099 涵盖动物饲料、谷物及谷物碾磨制品中水分、脂肪、蛋白质、淀粉和粗纤维等组分的测定[5]；ISO 21543 | IDF 201 对液态、半固态或固态的乳及乳制品作了同样的规定，测量方式包括透射、漫反射或透反射[6]。实践中有三点值得注意：

• 参考方法设定了上限。NIR 预测的准确度不可能高于其定标所依据的实验室数值，因此参考分析应遵循官方程序[1][5]。
• 基质和样品呈现方式很重要。样品形态和测量模式决定仪器配置[6]；对于水分，温度和氢键的影响必须在定标集中得到体现[4]。
• 化学计量学必须审慎使用。Pasquini 2018 年的综述将 NIR 描述为一项成熟技术，仪器和化学计量学的发展使其重新受到关注，但该综述也论及了对其数学工具的误用[7]；独立验证可防止模型过拟合。

USTECH 的 FT-NIR 做法

USTECH 在用于混合器、反应器和管道的过程分析仪 ProLine2550 中采用 FT-NIR 原理；对于谷物、饲料原料和粗饲料，则提供台式及近线 NIR 分析仪 MasterLine17EC。定标在 caliX 中依据参考分析建立并验证，遵循 ISO 12099 和 ISO 21543 | IDF 201 的方法[5][6]。FT-NIR 仪器在特定产品中能够可靠测量哪些参数，需通过使用贵方样品和参考分析的可行性研究来确定。