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【我与近红外的故事】埋头近红外技术25年

荆棘鸟fiona

2016/09/29

近红外分会专版

说明：本文参与原创大赛仅为加强传播交流，让更多人发现近红外的魅力，不参与任何奖项评选！

埋头近红外技术25年
天津大学徐可欣

近红外光谱分会汇集了众多来自不同学科，具有不同应用诉求的会员，对近红外技术有着各自的理解和期待。大家就一些共同关注的问题从不同角度进行交流是很好的事情。搞理论研究的一些朋友认为它是应用技术，原创少、难写出高水平论文、不适合大学做。一些搞技术的朋友则认为近红外技术的成功应用并不容易，有硬件问题、不受重视导致的缺乏资源、行业壁垒等。对这些问题我也有一些思考。
科学是发现，要认识世界，技术是发明，要改造世界。我认为近红外技术是多学科融合的领域，以物理学为基础，略偏于技术开发。而我们的近红外光谱分会应自成一学派，和而不同，有独创也要有包容。特别是在近红外技术应用领域，需要不同学科的协同合作。但是作为科技工作者首先要自己有一定的学识基础，概念清楚。近红外技术的内涵是什么？它的理论基础与应用开发的难点在哪里？这些话题应该是我们聚首讨论的重点。我非常支持学会发起的这次回顾和交流活动，愿将我个人的片面体会与大家分享。

一、我的近红外经历
我搞近红外不是科班出身，与近红外一脉相承的学科，理科有分子物理、工科有分析仪器，很多专家从博士课题就开始研究、接触近红外的问题了。我的硕士、博士研究方向属于几何量计量专业，1988年8月从天津大学精密仪器工程系博士毕业，课题是用光学方法测量热轧生产线上的棒钢直径，内容包括圆柱体周围高温温度场的干涉测量，光线在该温度场中传播路径的研究等，用的是可见光。毕业后除了1990年开始在日本搞了一年半温度控制的工作，近几年又做了些药械结合的发光免疫测量工作以外，其余25年间的主要工作是围绕近红外光谱测量方法及仪器展开的。从1992年4月起，我在日本开始了应用近红外光进行人体血糖浓度测量的研究工作。当初选择近红外作为手段，一是它有明显的不可或缺的优势，二是当时我们的研究合作伙伴持有近红外无创血糖测量方法的原始专利。当初感觉到光谱测量比起工件的几何量测量要复杂得多，要考虑到被测对象本身，测量人体性状的实时指标靠近前沿。但光谱信息有分子振动的理论支持，近红外光谱测量及化学计量学的方法都便于数学描述。我对于物理依据坚实且数学上可描述的工作有兴趣，同时感到开创性的研发正是我们搞测量及仪器的人施展的时候。也许我们那个年代读大学的人不太计较功利，更看重专业理想与使命感，就这么干下来，至今还持续着这方面的努力，属于屡败屡战吧。
当时日本的科研条件很好，比起国内来不可同日而语。我一头扎进项目 8年没动地儿、有些乐此不疲地沉浸在近红外技术研发的世界中。我的课题组先后购置了PerkinElmar公司傅立叶变换原理的高性能研究型中近红外光谱仪（我认为目前也是科研级最好的），Brimrose公司的声光可调谐滤波器（AOTF）原理的近红外光谱仪（销售到日本的第一台）、BRAN-UEBBE的光栅型可见-近红外光谱仪（配有全自动进样设备）等。通过对各种分光原理的仪器的性能评价、适合各种测量方式（透射、扩散反射、ATR、积分球、光纤等）的系统构筑，对于光谱测量系统及其适应于各种测量需求的硬件准备上积累了多方面的经验。我在近红外领域从糖的单一成分水溶液到多成分混合样品在不同温度、浓度、光程下的基础光谱特性的研究，从脂肪乳、牛奶等模拟样品到血液样品，从动物到人体的光谱实际测量的一系列的实验研究，对于利用近红外光谱进行浓度测量、特别是测量在日常生活状态下的人体时，探索到了测量条件对于测量结果的影响和单一光谱技术的能力极限。从1996年开始，为了达到更高的光谱测量精度，我们开始自行开发出高精度AOTF光谱测量系统，达到了可以满足人体微量成分测量分辨率的水平。2000年我回到天津大学，至今的主要工作还是持续上述科研内容。由于我对于傅立叶分光方式相当肯定，也觉得一款精度高成本合理的傅立叶光谱仪具有广大的市场，而国内也具备开发这款仪器的条件了，两年前又启动了这个仪器的开发工作。这些年我从仪器用户到仪器产品开发、测量方法研发到高校的科研教学等几个不同角度实践了近红外技术的种种过程,体会了近红外技术的甜酸苦辣。在本领域搞研发这么长时间是因为至今在我要完成的任务中近红外光仍是不可或缺的手段。
我2000年回国后才接触到国内近红外科技圈的许多前辈，比如较早接触到了周学秋博士，后来在展览会见到了德高望重的陆婉珍院士和严衍录教授并得到了他们的鼓励，参与学会工作结识了袁洪福、梁逸曾等教授，还有一心扑在学会工作上的刘慧颖老师和现在为我们群主的年轻的褚小立博士等，他们的专家意识和一心为公的工作热情让我非常敬佩。近红外这一不可见的光线将学会和近红外群中的几百名成员连在了一起，说明了这一领域研发的广阔前景与日臻成熟的研发条件和经验得到了越来越广泛的认同。
二、一些体会
体会1：近红外光谱是关键技术，但也仅是必要条件之一。
近红外技术的开发优越性在哪里？大家知道光的最主要作用之一是作为信息的载体，首先近红外光携带了物质分子振动的信息，但最关键的是它能进入被测物质的内部并将信息携带出来，而其他波段的光或者因信息不足（如分子振动在可见），或者因被测物中多种物质（如水）的存在使得光无法进入其内部（如中红外光子没走几步就都被吸收了）。近红外光能进入样品内部并能携带够用的信息出来，在这一点是独具魅力的，这使得实现样品内部多成分浓度等信息的无损及快速检测成为可能。
为什么说近红外只是实现物质测量的有效手段之一，掌握它还不能满足实现目标的充分条件呢？我认为完成光谱应用至少还有以下几个必要条件：第一个是测量条件。光谱测量物质的浓度为间接测量的方法，需将测得的光谱值依照物理法则通过公式计算得到浓度，但物理法则的成立都是有条件的，如温度、光程、表面反射状态等。测量条件变化了公式成立的前提就得不到满足，它的保证往往不比近红外光谱测量本身容易。第二个是相关基础知识的把握。合理的光谱测量方法的设计和测量条件的保证往往建立在是否全面把握被测样品本身的物理性质，光与物质相互作用的实际行为之上。即包括吸收、散射、折射率变化等的规律。从简单的样品沉淀、分布不均、需均质等措施，到散射样品中光路的分布、散射的影响、及合理的测量光路的选择，往往需要振动光谱以外的综合知识与手段，也会涉及到深入的基础研究。第三是要具有充足可靠的建模用样品。光谱测量需要建立模型，通用可靠的模型往往需要大量有代表性、浓度经更高精度方法标定了的样品，这样的样品积累成本高，行业专门检测机构以外的人不易拿到。
体会2：近红外核心技术需要学问，其应用更具创新空间
我认为近红外自身的核心技术有三项。第一是可对近红外光谱的归属及性质进行解释的分子振动理论，第二是以化学计量学为基础的建模方法，第三是近红外光谱仪器。各领域的应用研究都是以此为基础展开的。即便分子振动理论比较成熟，但被测物质种类繁多，其振动光谱特性如何？除了基本振动外、近红外光谱常常观测的其倍频及合频振动如何？谱线被展宽、随温度等条件变化、其他共存物质间的影响等研究还有空间。光谱仪朝着小微型的方向发展更需要基础研究的支撑，即便成熟的傅立叶变换的光谱获得方式，其扫描干涉方法也不断创新。举一个例子，1996年我们在评价声光可调谐滤波器(AOTF)分光特性时发现+1级和-1级具有正交偏振的衍射光波长并不相同，其偏差随波长变化。经理论分析我们发现只有在入射光与晶体光轴成56度角时可使两者一致，进而提出了AOTF的等值点设计理论，很快就在创刊不久的OE杂志上发表了两篇文章。虽然我们并不知道在宽广的波段中能抽出两个波长相同但正交的光今后有什么实际需求，但这一情节说明做仪器时也能发现新知识。
应用中更需要创新。我们在用近红外光做人体血糖浓度测量研究时，希望在人体上找到没有糖浓度变化的部位来实现参考测量，当然不存在这样的部位。但是我们通过研究光在散射介质中的传播特性时先是发现了相距光源一特定出射距离的光不随被测部位介质中糖浓度变化的现象，进而认为这是由于吸收和散射的综合作用的结果，也就自然地提出了利用其作为参考测量的浮动基准的概念。组内其他老师又发现了存在不受样品散射系数变化的散射不敏感点，这有可能在散射样品上实现满足Lambert-Beer法则的测量，有可能使得透射测量的模型容易向散射样品测量中转换。这些测量方法的创新都是从应用近红外解决实际问题中挖掘出来的。近红外技术开发不但大有可为，也可以收获新发现。

三、入门近红外需要留意的
留意点1：首先要搞清光谱变化的物理原因
被测物质中的目标信息通过近红外技术是否足以被检测出来？有时光谱虽然随着被测物质的不同会有变化，但这个光谱上的变化并不一定是你感兴趣的物质成分的变化所引起的，也有可能来自其他成分或温度等测量条件的变化。有的痕量物质对近红外光线虽有吸收但引起的变化因光谱仪测量能力不够不足以被检测出，有的物质在这个领域就没有吸收，即便光谱表观随着不同的样品有了变化那也是一种伪相关，要特别注意。
留意点2：尽量尝试用定量的方法研究问题
最简单地，根据被测物质的吸收强弱和光谱仪的能力，可以估算出有可能实现的测量精度，反之根据目标可以提出对于仪器能力的要求。为了实现测量精度，往往需要根据掌握的散射介质中的路径、干扰成分、温度等的影响等来设计合适的测量光路以及参考测量的方案，而这些方法的优化和创新都离不开定量计算，大多也就是简单的数学分析手段，所以一开始就养成定量分析研究问题的习惯很重要。

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tutm

第1楼2016/09/29

做了很多有益的基础性工作，赞一个！

0

sishugang

第2楼2016/10/17

不错啊，不错啊

0

寻觅小丫

第3楼2016/11/11

都是学习的榜样啊

0

不辣的麻辣烫

第4楼2016/12/08

前辈都是学习的榜样

0

doctor

第5楼2016/12/23

应助达人

非常不错的经验分享，赞一个

0

mengnir

第6楼2017/01/04

徐教授的体会和经验，值得我们这些小辈学习，很受启发

0

寻觅小丫

第7楼2017/02/09

感谢分享，谢谢

0

海盗王撸嘿

第8楼2017/02/09

新人第一个读你的贴子，学习了

0

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