路径长度对近红外（NIR）反射率性能的影响在极性和非极性液态食品分析中的应用

《Spatial and Spatio-temporal Epidemiology》：Pathlength effects on NIR Transflectance performance for polar and Apolar liquid food analysis

本研究评估了不同光程（1-6mm）对近红外光谱质量及偏最小二乘回归模型准确性的影响，在非极性橄榄油掺假和极性甲醇掺杂伏特加两种基质中发现，非极性基质需较长的光程（4-6mm）以优化C-H振动信息，而极性基质需短光程（1mm）避免信号饱和。手持设备因光谱范围窄、分辨率低导致预测性能较差。

　　近红外（NIR）透反射光谱技术在食品分析等众多领域中得到了广泛应用。然而，关于辅助光路长度对光谱质量及后续化学计量学性能影响的研究尚未系统化。本文旨在探讨不同光路长度（1、2、4 和 6 毫米）如何影响两种不同液体食品体系的光谱特性以及偏最小二乘回归（PLSR）模型的准确性。这两种体系分别为：非极性基质——树采摘橄榄油（TPOO）中人为掺入粉碎采摘橄榄油（GPOO）；以及极性基质——掺入甲醇的伏特加酒。实验中采用了两种近红外仪器，分别是台式傅里叶变换近红外（FT-NIR）光谱仪（波长范围为 10,000–4000 cm?1）和手持式近红外设备（波长范围为 7407–3921 cm?1）。

在非极性油体系中，较长的光路长度（4–6 毫米）增强了 C–H 倍频带的强度，其中 6 毫米光路长度在所有测试的光路长度（1–6 毫米）中提供了最高的预测准确性，用于测定 %GPOO（SEP = 0.56%，r = 1.000，RPD = 52.6）。而在极性甲醇–伏特加体系中，强烈的 O–H 吸收导致了早期的光谱饱和，使得在测试的光路长度范围内（1–6 毫米），1 毫米的光路长度是最优选择；移除 5300–5000 cm?1 区域有助于提升模型的准确性（SEP = 0.036%，r = 0.999，RPD = 47.2）。尽管手持式近红外测量也遵循相同的光路长度趋势，但其预测性能较低，这是由于光谱范围较窄、分辨率较低以及信噪比减少所导致的。

这些研究结果为在测试区间内提供了实际指导：在富含脂质的非极性基质中，中等至较长的光路长度（4–6 毫米）可以最大化信息信号的捕捉，而在含水量高的极性基质中，较短的光路长度（1 毫米）有助于防止光谱饱和并保留细节，从而确保稳健的化学计量学模型。因此，理解光路长度对光谱信号和模型性能的影响对于优化近红外透反射光谱技术在食品分析中的应用至关重要。

近红外光谱（NIRS）是一种基于分子键的吸收和振动的光谱技术，其波长范围通常在 780–2500 nm（即 4000–13,000 cm?1）。在近红外区域，光谱信息主要来源于分子键的倍频和组合振动，特别是 C–H、N–H 和 O–H 键的振动。这些键在食品成分中占据主导地位，如水、脂质、蛋白质和碳水化合物。分子键的精确振动频率受到原子质量、分子几何结构、键强度和振动耦合等因素的影响。由于分子偶极矩的变化与这些振动密切相关，因此极性分子或分子键（如 O–H、N–H 或 C=O 键）能够更有效地吸收红外辐射。

自 1970 年代商业化以来，NIRS 已广泛应用于食品的定性和定量分析，包括原材料和成品。NIRS 的优势在于测量和结果报告速度快且简便（通常在几秒内完成），能够同时对多个样品进行分析，通常不需要样品预处理和化学试剂，避免了样品损坏，仅需少量样品即可完成分析，从而降低了分析成本和时间，同时保护了环境。在许多领域，红外光谱可以提供关于食品成分的快速信息，成为替代或补充传统参考分析方法的一种手段。红外技术被广泛应用于食品质量控制和安全检测，为食品的生物化学成分提供了有价值的见解，特别是在指纹区域，并支持掺假检测、产品认证以及地理或植物来源的鉴定。

NIRS 基础的化学计量学模型的准确性和可靠性受到测量模式、采样附件和光学路径长度的影响。主要的测量模式包括透射测量和反射测量。透射测量可以在近红外区域进行，通常被认为是高光谱分辨率和可靠定量数据的理想方法，这得益于明确的路径长度。液体样品被放置在石英比色皿中，通过测量未被透射的光在特定波长或波数下的吸收来获得数据。在透射模式中，探测器位于光源的对面，近红外辐射直接穿过样品。相比之下，反射模式测量的是部分穿透样品后反射回来的光。反射模式常用于固体、粉末或半固体样品，因为它不需要样品的透明度。在反射模式中，主要针对固体或颗粒样品，建议只测量包含样品信息的漫反射辐射。虽然反射测量简单且快速，但它们主要捕捉样品的表面信息，并容易受到样品粗糙度、颗粒大小和堆积等因素引起的波动影响。

另一方面，透反射模式结合了透射和反射的优点，是一种混合的替代技术，用于记录近红外光谱。在该模式下，入射光进入样品，然后在另一侧的材料（如聚四氟乙烯、金或不锈钢）上反射，再返回样品并到达探测器，从而实现更深层次的光与样品的相互作用，增强信号强度。因此，光在样品中穿过两次，使得在该配置下的有效光路长度约为反射器与光源入口点之间距离的两倍。近红外透反射测量在液体和半固体样品的分析中被广泛使用。此外，在凝胶、半固体、不透明或乳化食品产品的情况下，透反射模式也可以很有用，因为这些样品在透射模式下进行光谱采集较为困难，通常需要频繁填充和排空比色皿；而反射模式可能不适用，因为光路难以有效控制。

在文献中，近红外透反射光谱技术已被广泛应用于各种基质，包括乳制品中脂肪、蛋白质和水分的测定，检测棕榈油中的猪油，检测食用油中的掺假，评估高水分有机废弃物（如乳渣）的营养成分，直接在生产线中监测啤酒的质量特性（包括酒精含量、颜色和密度），分析橙汁的质量特性，以及在不进行样品预处理的情况下，快速量化半固体制剂（如水凝胶）中的活性药物成分。尽管透反射附件在不同基质的近红外光谱采集中被高效使用，但关于在透反射模式下选择不同光路长度对光谱质量和由此产生的定量化学计量学模型影响的研究尚未系统化。

光在每个波长处的吸收强度主要由光学路径长度决定。近红外辐射能够从相对较厚的样品（通常为 1–5 毫米）中获取光谱信息，因为它比远红外或中红外辐射穿透有机材料更深。因此，通过优化这种路径长度，可以增强光谱特征与相关分析测量之间的相关性。然而，由于不同路径长度对信号质量和模型准确性的影响取决于所选基质的红外吸收特性，因此测试不同路径长度的透反射附件并选择最适合所分析基质的附件是至关重要的。使用过长或过短的光学路径可能分别导致信号饱和或灵敏度不足。

为了填补这一研究空白，本研究考察了不同光学路径长度（1、2、4 和 6 毫米）的透反射附件对两种不同食品基质中 PLSR 模型性能的影响。这两种基质分别为：（i）非极性基质，即人为掺入粉碎采摘橄榄油的树采摘橄榄油（质量分数 1–100%）；（ii）极性基质，即掺入甲醇的伏特加酒（体积分数 0.1–5%）。实验中使用了两种近红外仪器，分别是台式傅里叶变换近红外光谱仪和手持式近红外光谱仪。

本研究的重点在于评估光路长度对光谱质量和化学计量学模型性能的影响。在非极性油体系中，较长的光路长度增强了 C–H 倍频带的强度，从而提高了模型的预测准确性。而在极性体系中，由于强烈的 O–H 吸收，较短的光路长度有助于防止光谱饱和并保留样品细节，从而提升模型的准确性。此外，尽管手持式设备也遵循相同的光路长度趋势，但由于其光谱范围较窄、分辨率较低以及信噪比较小，预测性能不如台式设备。

这些发现对于优化近红外透反射光谱技术在食品分析中的应用具有重要意义。在富含脂质的非极性基质中，中等至较长的光路长度能够更有效地捕捉信息信号，从而提高模型的准确性和可靠性。而在富含水分的极性基质中，较短的光路长度可以防止光谱饱和，保留样品的细节，确保模型的稳健性。因此，在选择透反射附件时，必须考虑样品的化学特性，以确定最合适的光路长度。

在实际应用中，近红外透反射光谱技术具有重要的优势。它不仅能够快速、非破坏性地获取样品的化学信息，还能够在不进行复杂样品预处理的情况下完成分析。这种技术特别适用于那些需要快速检测和实时监控的场景，例如食品生产和质量控制过程。通过使用不同路径长度的透反射附件，可以在不同基质中实现更优的模型性能，从而提高检测的准确性和可靠性。

此外，本研究还强调了光谱采集过程中仪器选择的重要性。台式傅里叶变换近红外光谱仪由于其较高的分辨率和信噪比，能够提供更全面的光谱信息，而手持式设备虽然便于携带和使用，但在光谱范围和分辨率方面有所限制。因此，在实际应用中，应根据具体需求选择合适的仪器和附件，以确保检测结果的准确性。

在食品分析领域，近红外透反射光谱技术的应用范围不断扩大。它不仅能够用于检测食品中的主要成分，如水分、脂肪、蛋白质和碳水化合物，还能够用于检测食品中的掺假和污染物。通过结合不同路径长度的透反射附件，可以优化光谱采集过程，提高模型的预测能力。这为食品行业提供了一种快速、高效且环保的检测手段，有助于提高食品质量和安全的监控水平。

在本研究中，通过对比两种不同类型的液体食品体系，进一步验证了光路长度对光谱质量和模型性能的影响。在非极性体系中，较长的光路长度有助于增强信号强度，提高模型的准确性；而在极性体系中，较短的光路长度可以防止光谱饱和，保留样品的细节，确保模型的稳健性。因此，光路长度的选择必须基于样品的化学特性，以实现最佳的检测效果。

此外，本研究还探讨了不同光路长度对光谱采集过程的影响。较长的光路长度能够提供更丰富的光谱信息，但同时也可能导致信号饱和，影响模型的准确性。而较短的光路长度虽然能够减少信号饱和的风险，但可能无法充分捕捉样品的化学信息，从而影响模型的预测能力。因此，在实际应用中，需要根据样品的特性和分析需求，合理选择光路长度。

本研究的结果表明，光路长度的选择对于近红外透反射光谱技术在食品分析中的应用至关重要。在非极性基质中，中等至较长的光路长度能够提高模型的准确性和可靠性，而在极性基质中，较短的光路长度则有助于防止信号饱和，保留样品的细节，确保模型的稳健性。因此，在选择透反射附件时，必须综合考虑样品的化学特性和光谱采集的需求，以实现最佳的检测效果。

在实际操作中，近红外透反射光谱技术的使用需要遵循一定的实验流程。首先，需要选择合适的透反射附件，并根据样品的特性确定最佳的光路长度。然后，进行光谱采集，记录样品在不同波长下的吸收信息。最后，利用化学计量学方法（如偏最小二乘回归）对光谱数据进行分析，以获得样品的化学成分信息。这一过程不仅能够提高检测的效率，还能够减少样品的处理时间和成本。

在本研究中，采用的实验方法包括光谱采集和化学计量学分析。通过使用不同光路长度的透反射附件，对两种不同类型的液体食品体系进行光谱采集，并利用 PLSR 方法对光谱数据进行分析。实验结果表明，不同光路长度对光谱质量和模型性能的影响是显著的，因此在实际应用中，必须根据样品的特性和分析需求，合理选择光路长度。

此外，本研究还强调了光谱采集过程中仪器选择的重要性。台式傅里叶变换近红外光谱仪由于其较高的分辨率和信噪比，能够提供更全面的光谱信息，而手持式设备虽然便于携带和使用，但在光谱范围和分辨率方面有所限制。因此，在实际应用中，应根据具体需求选择合适的仪器和附件，以确保检测结果的准确性。

在食品行业，近红外透反射光谱技术的应用具有广阔的前景。它不仅能够用于检测食品中的主要成分，还能够用于检测食品中的掺假和污染物。通过结合不同路径长度的透反射附件，可以优化光谱采集过程，提高模型的预测能力。这为食品行业提供了一种快速、高效且环保的检测手段，有助于提高食品质量和安全的监控水平。

综上所述，本研究通过实验验证了不同光路长度对近红外透反射光谱技术在食品分析中的影响。在非极性体系中，较长的光路长度能够提高模型的准确性；而在极性体系中，较短的光路长度则有助于防止信号饱和，保留样品的细节。这些发现为优化近红外透反射光谱技术在食品分析中的应用提供了重要的参考依据。因此，在选择透反射附件时，必须综合考虑样品的化学特性和光谱采集的需求，以实现最佳的检测效果。