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【我与近红外的故事】路漫漫其修远兮，吾将上下而求索

荆棘鸟fiona

2016/09/30

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！

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索
清华大学范桂芳

　我2006年从清华大学化学系硕士毕业后，到清华大学核研院成为了一名工程师。2011年进入了清华大学核研院生物质能研究室，研究室开发了甜高粱秆乙醇连续固体发酵工艺，需要对发酵过程进行监控，领导提到用近红外光谱。硕士期间跟随导师张复实教授研究光化学，听到分子光谱就感到很亲切。做了一点调研后，我就跟领导讲近红外的原理、特征等等。领导觉得我似乎还懂，决定带我去拜访中国近红外光谱的领路人——尊敬的陆婉珍院士。
　　我的工作记录显示，拜访陆院士那天是2011年5月24日，这天是值得纪念的日子，开启了我的近红外之门。带着一篇近红外光谱测酵母的文献就去拜访陆院士了，我们向陆院士咨询在发酵罐上进行近红外在线检测的可行性。陆院士针对我们的情况，建议我们先将样品拿到她们的仪器上离线检测，如离线的模型行得通再考虑在线检测。后续的工作陆院士让我们联系褚小立博士，并将褚老师介绍给我们。我们攒够了40个样品后，6月16日再去石科院，褚老师为我们的发酵体系做了第一个定量模型。在我们还没下定决心买近红外光谱仪时，ABB的曾贤臣先生对我们的工艺感兴趣，给我们提供了一台样机，王军工程师也帮助我们建了定量模型。这期间我们也考察了拉曼光谱。过程控制需要在检测速度与精度之间权衡，最终我们决定购置近红外光谱仪进行更为系统的研究。
　　2014年4月我们买的近红外光谱仪到货，研究就更方便了，鉴于我们做低浓度样品的固体漫反射，我们选了有积分球配件的赛默飞的仪器。第一次我们用60个发酵样品建立了近红外光谱的定量模型。PLS回归后，软件给出了乙醇这一组分的纯光谱，我看着这个纯光谱，认为这不是乙醇的光谱，学《分子光谱学》课程时，唐应武教授开玩笑的讲过：“判断光谱是洛伦茨线型的成分大还是高斯线型的成分大就看光谱是胖一点，还是瘦一点。”所以，我心里对光谱的位置和形状是有预期的。根据量子理论，能级都处于定态，而实际的光谱则是能级差对应频率周围的带状谱。这也许不是常规近红外定量分析需要考虑的问题，而我却纠结了一段时间。
　　我开始了解算法，了解到模型回归过程是以波长作为变量来考虑的，组分波长重叠严重是近红外光谱的特点。在多变量数据分析时，通过主成分分析来对数据进行降维是很有效的处理方法，而这些主成分又不能与体系中的组分直接对应，某一组分是这些主成分的组合。对于我来说，这是全新的思维方式，也许研究各种变量选择与模型回归算法是近红外光谱研究的主流，近红外光谱群里也闪耀着梁老师、吴老师、邵老师等化学计量学大咖。
　　对近红外光谱技术了解得多一些之后，我明白了近红外光谱技术是为满足质量控制和过程监控的应用需求发展起来的。这些场合，有量大、无损、或者快速的需求，对检测精度的要求是其次的。是先有应用需求，再有提高模型预测能力的各种算法。龚伟教授也讲，搞近红外要有哲学的思想。我也暂时抛开了因果关系，来考虑数据之间的相关关系。
　　说到相关性，我们知道用相关性来进行模型拟合的前提是存在一个固定规律，我们用大量数据来拟合出这个规律。目前，我们听到的是大数据给各行各业带来的机遇，我想谈的是做近红外光谱大数据的隐忧。隐忧来自近红外光谱本身的不确定性，可能包含光源的波长与能量的稳定性、检测器对于光子的线性响应、背景光影响、待测物质的变化、温度的影响。温度对物质吸收光的影响可能要具体体系具体分析。
　　每一种检测方法，都有检测范围，近红外光谱也一样。我们要做的是对这个方法的使用进行规范，使这个方法满足我们的检测目的，输出检测结果。这个过程艰辛漫长，这也许是近红外光谱有别于其它方法的特点。所以也总听圈里人说，做近红外光谱要顶得住压力，耐得住寂寞。做光谱应用的人们，都在这条路上走着，也许走的人多了就不寂寞了。
　　在近红外光谱领域里，我是比较幸运的，也许是因为一开始就有高人指路，走的弯路就少。我没有做特别多的光谱，也没有用太多算法，我做的近红外光谱在甜高粱秆乙醇连续固体发酵过程监控中的探索性工作发表在JNIRS中国专辑上;这部分工作作为“甜高粱秆乙醇连续固体发酵工程化研究”成果的一部分通过了教育部组织的成果鉴定(国际领先水平)。我知道这个方法真用上还要做很多工作，搞清楚多元回归模型的置信度问题，解决自动控制问题等。也许我看到了门里的一点风景，这将激励我继续向前。对于近红外光谱，我想说的最后一句话是：“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。

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寻觅小丫

第1楼2016/11/11

都是学习的榜样啊

0

石头雨

第2楼2017/10/19

应助达人

学习了，很好的文章。

0

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