近红外光谱仪原理

仪器信息网讯 2023年9月6日，“近红外光谱拥抱智能化生产和生活”主题论坛 暨“近红外光谱实战宝典”新书发布会于BCEIA2023同期（北京中国国际展览中心(顺义馆)）成功召开。本届会议由中国仪器仪表学会近红外光谱分会和仪器信息网联合举办，吸引150余位近红外行业的专家、用户、厂商等相关人员参加。 会议现场随着人工智能、物联网、云技术、机器人、5G等先进技术的发展，近红外光谱技术在智能化生产方面的优势不断凸显，并在化工、制药等多个行业创造了客观的经济价值。同时，随着相关技术的进步以及应用的拓展，近红外光谱技术也正在逐渐走入大众视野，不断推进着智能化生活的发展方向。本次会议旨在展示近红外光谱在智能化生产和生活中的技术和应用进展，共同探讨面临的问题以及解决方案。会议中，近红外光谱领域的专家及厂商代表分别围绕主题开展报告，分享了各自的研究进展及最新研发成果，让大家对近红外光谱在智能化生产与生活的作用和地位有了更深层次的认识。多向奔赴下，近红外光谱技术前景可期！中石化石油化工科学研究院 褚小立教授级高工报告题目：近红外光谱分析技术的发展现状与未来褚小立在报告中综述了近红外光谱分析技术的发展现状，以及在炼油工业、石化工业、可再生能源等多领域的应用进展。其展望道，便携现场应用和工业在线应用是现代光谱技术腾飞的坚强两翼；机器学习算法和人工智能算法是现代光谱技术腾飞的超强大脑；光谱数据库是现代光谱技术腾飞的动力源泉；快速、高效、安全、绿色是现代光谱技术腾飞的永久发动机。而对近红外技术而言，仪器微型化、标准化、算法的高效和维护方便、光谱数据库的扩充与共享，自感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的智能工厂、智慧农业等都将是未来发展的重要方向。奥谱天成（厦门）光电有限公司销售总监 张玉光报告题目：国产中短波红外光谱仪的研制及其应用奥谱天成以仪器生产国产化为目标，张玉光主要介绍了国产中短波近红外光谱仪器的研发与应用。报告首先对中短波近红外光谱仪的原理、内部构造与配置、性能指标等方面进行科普；然后，分别介绍了ATP8000、ATP8600、ATP8080、ATP8730、ATP7810、ATP7330等型号的产品及应用案例，并结合产品展现出奥谱天成对于仪器国产化的美好愿景。晨光生物科技集团股份有限责任公司质量主管 石文杰报告题目：近红外技术在植物提取物智能化生产中的应用石文杰先以辣椒为例，详细介绍植物提取物的概念及提取步骤；接着，以晨光生物的工作内容为例，分享了近红外光谱技术在生产过程中的应用，如植物提取物的辨别、生产中的水份在线监测和提纯工艺的优化等；最后，其指出近红外技术在植物提取物领域中还将不断提升应用水平、提高性价比、提升智能化水平。天津中医药大学 李文龙副研究员报告题目：从过程分析技术到药物智能制造21世纪是智能制造的世纪，中药智能制造是未来必然的发展趋势。报告中，李文龙详细介绍了过程分析（PAT）技术及在中药生产领域的应用，并以痰热清注射液和复方阿胶为例说明PAT是中药智能制造的关键，近红外光谱技术在生产工艺过程中的具有重要应用价值。不过，李文龙也指出，中药过程分析和智能制造还处于初级阶段，需要做大量的基础性工作。中国农业大学 杨增玲教授报告题目：近红外光谱传感技术在绿色循环农业中的应用研究杨增玲以自身科研经历为例，报告了近红外光谱技术在农业中的应用进展。报告中，杨增玲介绍了新型粪肥多养分同步光谱速测技术的原理及数据库、光谱库的构建，该技术手段与传统养分测试方法相比具有时间快、操作简便、准确率高、成本低等优点。此外，她还介绍了光谱速测技术的开发与应用，展现出光谱技术在农业科研领域的实际应用价值。中国农业大学 孙红教授报告题目：土壤-作物近红外传感器开发及智慧农业应用孙红以感知、移动互联、云计算、大数据、智慧与智能为关键词，结合自己科研成果分享报告。报告介绍了近红外光谱和人工智能相结合在智慧农业发展中应用，并详细介绍了其课题组在作物信息感知关键技术与装备及土壤信息感知关键技术与装备方面开展的一系列工作以及取得的成果。仪器信息网 李亚辉报告结束后，论坛进入《近红外光谱实战宝典》新书发布会环节，各位编委共同为新书揭幕，并在现场进行了赠书活动。新书发布会之后，无锡迅杰光远科技有限公司还为参会代表安排了晚宴环节，给大家创造了再次交流的机会。各位代表就近红外光谱技术的进一步发展深入沟通，并建言献策。

仪器信息网讯 作为“科学仪器自主创新政策保障体系研究”专项课题调研活动的一部分，2012年4月9日-11日，该课题调研组走访了江苏、上海两地的国内外近红外相关仪器厂商。 　　调研组成员包括了中国仪器仪表学会、近红外专业技术委员会的相关负责人，近红外光谱仪器研发专家以及应用方法开发的专家，北京科学学研究中心该课题具体负责人，业内专家等，如中国仪器仪表学会的科学仪器学术工作委员会执行副主任燕泽程、总后油料研究所刘慧颖研究员、浙江大学的戴连奎教授、江苏大学食品学院陈斌教授、华东理工学院倪力军教授、中石化石油化工科学研究院褚小立博士、业内资深人士李云济博士、北京科学学研究中心杨丽及常静 同时仪器信息网亦参加了此次调研活动。 调研组部分成员 （上排从左至右分别是：燕泽程、刘慧颖、戴连奎； 下排从左至右分别是：陈斌、倪力军、褚小立) 　　“科学仪器自主创新政策保障体系研究”专项课题此次选择的调研对象包括：近红外光谱关键零部件生产企业、即将进入或正在进入近红外光谱仪器领域的企业，以及国内外知名的近红外光谱仪器生产企业等。 　　在调研过程中，中国仪器仪表学会的科学仪器学术工作委员会执行副主任燕泽程向各企业介绍了中国仪器仪表学会的基本情况，并指出，“作为一个立体式的服务平台，学会希望在人才流、资金流、信息流等方面为企业提供全方位的支持。” 　　北京科学学研究中心的杨丽、常静向各企业介绍了专项课题的设立背景和目的，“科学仪器自主创新政策保障体系研究”专项课题由科技部设立，北京科学学研究中心、中国仪器仪表学会联合开展研究。为了推动2011年科技部、财政部首次设立的国家重大科学仪器设备开发专项的有效实施，此专项课题构建了相关政策保障体系，确保能够促进我国科学仪器设备自主创新能力的有效提升。 　　江苏飞格光电：半导体激光器生产企业 人均产值高达200多万 　　江苏飞格光电有限公司成立于2009年，坐落于江苏镇江科技新城。江苏飞格光电拥有最先进的激光器技术和封装技术，主要经营光通信用半导体激光器组件、光发射/接收模块、光收发一体模块等，具备光器件、光模块的全系列产品的研究开发和生产加工能力。经过3年的发展，目前江苏飞格光电年产值已达9000万，而其员工则不到40人，其人均产值高达200多万，是一家具有潜力的企业。 江苏飞格光电有限公司总经理 詹敦平先生 　　江苏飞格光电主要产品之一的半导体激光器，可作为近红外光谱仪的光源。半导体激光器应用在光纤通信领域的波段是从760nm—2900nm，而近红外光谱(780—2526nm)区域与光通信用的光谱波段有很大的交集面，因此，半导体激光器在激光光谱学中具有广泛的应用，包括从分子光谱、等离子物理、高阶谐波产生的应用到大气污染的监测及癌症的诊断等。半导体激光器在光谱仪器中优势主要有可调谐性、高灵敏度、高选择性、波长易调制性、高单色性、价格低且寿命长及高可靠性。780nm、850nm、980nm、1270—1610(20nm间隔)波长范围的半导体激光器可以直接应用到近红外光谱仪器上。 　　江苏惠通：国产基于MEMS技术近红外光谱仪将产业化 　　江苏惠通集团主要产品为遥控器、显像管插座、连接器、控制系统装置、其它电子产品五大类，专业开发生产遥控器已有十余年，拥有40条遥控器专业生产线，年生产能力达4500万只。为飞利浦、东芝、夏普等国际知名公司及国内名牌厂家配套。 江苏惠通集团工程技术中心主任 龙涛先生 　　江苏惠通集团工程技术中心龙涛主任热情接待了前来调研的专家们，并介绍了公司研发中心的情况以及近红外光谱仪研发过程中的问题等。惠通几年前就开始研发近红外光谱仪技术，于2010年3月，该公司的《MEMS内嵌式、便携式智能红外光谱探测器研发》项目通过了验收。但是，该仪器的一致性、光学效率等性能的提高还需要时间解决。目前，该仪器正在多个应用单位使用，通过用户的反馈不断完善仪器技术，相信不久该产品将实现产业化。 　　集团拥有60多人的省级技术开发中心，用于生产的技术支持 同时又内建由30多人组成的电子产品研究中心，专门致力于尖端领先产品的研究开发，具有较强的自主研发RF产品及其它各类智能化产品的能力，包括近红外光谱仪、压电陶瓷触摸按键等的研发。 　　福斯：为客户提供世界上最好的专业的分析解决方案 　　1956年，Nils Foss先生在丹麦成立福斯公司。目前，公司在世界各地约有1155名员工，在四个国家建立了研究和开发中心、在四个国家设立了制造工厂、在20多个国家成立了销售和服务公司、世界各地拥有超过75个专用经销商。2011年福斯公司销售额约1.9亿欧元，98%的业务产生在丹麦以外。 福斯赛诺分析仪器（苏州）有限公司总经理 Rikard先生 福斯赛诺分析仪器（苏州）有限公司商务经理 田毅先生 　　在全球范围内，福斯公司有40000多个用户，几乎包括了所有食品和农业方面的前100强的跨国公司，和一些中小型的企业。全世界85%的牛奶生产、80%的粮食交易和75%的啤酒生产都是使用福斯的解决方案进行测试。 　　福斯公司是一家致力于技术创新的企业，拥有超过200名的高级工程师和科学家组成的研发部门，每年将销售额的11%投资于产品创新和开发。在福斯公司研发部门中，有一个专门进行“概念设计”的团队——研发未来10年用户会用的技术 而且福斯公司新产品研发的流程控制严格，有效规避了研发风险 同时在整个开发过程中，还积极邀请了客户参与，保证了所开发的新产品能够满足客户需求。 　　上海棱光：步履艰难的国产近红外厂商 　　上海棱光技术有限公司成立于1993年，是由上海分析仪器总厂研究所的一部分改制而成，至今已有近半个世纪研制光谱及其他分析仪器的历史。目前，公司共有员工60多人，年销售收入1000多万元，其中出口量达18%。 上海棱光原总经理 吴树恩先生 上海棱光总经理 李兵先生 　　吴树恩先生介绍了一些上海棱光技术创新的例子，和专家一起分析探讨了其中成功、失败的原因。李兵先生介绍了上海棱光的发展概况。 　　上海棱光以勇于创新为企业精神，公司技术人员比例达70%，大学以上学历达到95%，技术开发人员在分光光度计领域都有着数十年的开发经验，研发力量雄厚，并与中国农大、复旦大学等多所高校建立长期合作与开发关系。上海棱光还承担了上海科技发展基金项目、国家级火炬计划、国家创新基金、国家科技部攻关项目及上海市高新技术成果转化项目。 　　上海棱光主要产品有分子光谱仪器、物理光学仪器、生命科学仪器等，公司产品全部为拥有自主产权的新型仪器。目前，上海棱光根据国内行业及市场的需要，将主要精力集中于中高端荧光分光光度计的开发与应用。其中，F97系列荧光分光光度计代表了国内一流水平。近红外系列仪器是国家科技部“九五”攻关项目，已于2002年通过部级专家验收，自主开发研制，包括两项专利，其中S400为农产品品质快速测定仪，是针对农产品、种子、饲料工程等行业收购检测分析所用。 　　赛默飞：提供实验室、在线、手持式近红外光谱仪全线产品 　　赛默飞世尔科技年销售额120亿美元，员工约39000人。借助于Thermo Scientific、Fisher Scientific和Unity™ Lab Services三个首要品牌，赛默飞将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。 　　1982年，赛默飞在中国建立第一个销售办公室。经过三十年的发展，目前赛默飞在中国拥有1900名员工，服务于第一线的专业人员超过1000名 6家生产工厂，苏州在建的大规模工厂2012年也将投产 在北京和上海共设立了5个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应用开发与培训等多项服务 位于上海的中国技术中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品 在北京、上海、广州、成都、沈阳等多个城市设有分公司或销售办公室，2012年还将在武汉、西安成立分公司。 赛默飞中国区市场传播总监 毛君玲女士 赛默飞中国区市场便携式光学分析销售经理 徐征宇先生 　　赛默飞近红外光谱仪产品和技术包括来自尼高力的研究型、在线型傅里叶变换近红外光谱仪产品，以及来自于Polychromix公司的手持式近红外光谱仪。Polychromix公司利用提供给NASA(美国宇航局)的MEMS技术，开发出了首款实现真正意义上的手持式近红外分析仪，应用于医药、海关、食品安全、农业、饲料、塑料回收、织物回收、以及烟草等行业，为使用者带来了方便快捷的检测方式。 　　海洋光学：创新20年 定位于Key Components Provider 　　1989年，Michael J.Morris博士获得了美国能源部资助项目——测量海水中酸度、颜色的变化。1992年Morris博士发明了世界上第一台微型光纤光谱仪，创立了海洋光学公司。2004年海洋光学被豪迈集团收购。海洋光学加入豪迈集团后，制定了正确的市场战略和定位、完善了产品线、获得了充裕的资金和经验丰富的职业经理人等，市场快速扩张，保持了市场份额第一。海洋光学涉及到的技术和产品线包括光谱仪、化学传感器、度量仪器、光纤、薄膜及光学元件。至2011年，海洋光学在全球累积售出了180000套光纤光谱仪。 海洋光学亚洲分公司首席顾问 龚雅谦先生 　　2006年，海洋光学在上海成立亚洲分公司 2009年，成立了蔚海光学仪器公司，开始中国本地化生产和研发 2010年，部分产品线从美国转移到中国 2011年，海洋光学亚洲销售额比2006年增长了20倍，占全球的四分之一。海洋光学在上海主要生产组装光纤和部分光谱仪产品，并且已经开始为中国客户量身定做一系列解决方案。 　　海洋光学的愿景——Powered byOcean Optics，即公司主要发展方向是提供微型光纤光谱仪这个“心脏”。其大部分产品都隐藏在合作伙伴的环保仪器里面，因此大家很少能直接在市面上看到海洋光学的产品，就好像Intel的CPU一样。而其中也包括多款用于近红外光谱中的光学器件和可独立使用的近红外光谱仪。 　　在技术创新方面，近期，海洋光学投入10000美金设立创新奖“Blue Ocean”，“Blue Ocean”的设置旨在积聚创造性的创意和技术，激发有志之士发掘潜能改造世界，实现最终的市场商品化。Blue Ocean 奖项分为两阶段，第一阶段的奖项发布旨在为新创意新技术的评估及开发提供资金，进行概念的考证。 　　瑞士步琪：推动近红外光谱技术的专业性与应用性 　　1939年，瑞士步琪公司创始人Walter Buchi先生创立了一间玻璃工厂，即瑞士步琪公司前身 1957年，瑞士步琪公司推出世界上首台旋转蒸发仪，有效地解决了化学实验室中有机溶液的快速回收问题，至今已经成为全球旋转蒸发技术的市场领导者 1961年，瑞士步琪公司推出凯氏定氮仪、熔点仪 1999年，瑞士步琪公司收购了瑞士布勒集团的分析技术部门，主要引入了近红外光谱仪产品线和整个技术团队。 　　2005年，瑞士步琪公司在中国成立子公司——步琦实验室设备贸易(上海)有限公司，全面负责瑞士步琪公司在中国(含香港、澳门)的市场、销售及售后服务在内的一切业务。 步琦实验室设备贸易(上海)有限公司总经理 邱世章先生 　　目前，瑞士步琦近红外光谱仪主要有两款，如，2005年上市的NIRFlex N-500，2010年上市的IP 54防尘防水NIRMaster近红外以及2012年推出的IP65防尘防水的NIRMaster近红外。瑞士步琦近红外技术采用了专利的偏振干涉仪，将傅里叶变换近红外的抗震性提高了40倍 其NIRCal化学计量软件，可自动建模、评估模型优劣。 　　国产近红外光谱仪器发展探讨 　　在此次近红外光谱仪器相关厂商走访活动中，专家与厂商负责人通过深入交流，探讨了近红外光谱仪器发展所面临的问题： 　　近红外光谱仪器的光源、探测器等工艺需要保障其稳定性、一致性、可靠性等 稳定且具有一致性的近红外光谱仪是标准化所要求的基础，同时模型传递方法的应用是以重复性极好的仪器设备为前提的 　　小型化、便携式、单一性专用仪器与通用性共同发展，未来可与环境保护、食品安全相结合，发展专用仪器 　　近红外光谱技术对软件的维护较其他分析仪器的要求更多一些，所以，近红外光谱要发展，最终需要有用户企业组建应用团队 　　专注1~2个具体的应用领域，面不要太广，即选好用户 　　近红外光谱市场前景很好，但是需要培育，以及思想观念的转变 　　国产近红外光谱仪新产品开发中缺乏快捷的科技信息沟通、最新的元器件等 　　近红外光谱原理创新的难度大，其新产品技术的研发需要人力、技术的积累 　　应将更多的、有一定规模的国内仪器公司拉入近红外光谱领域 　　“做”仪器是一个非常复杂的事情，对市场需求、国家政策、标准、上下游企业、知识产权等需要深入了解、并且要与之相符合。

近红外光谱分析技术就是利用激光给分子进行“拍照”，用于分子的识别，因其应用领域广泛而成为世界各国军事、民用科研的尖端科目。在中国，一群勇于创新的科学家运用这项技术解决了在轨航天器有害气体检测难题，还把“驾驭”激光消除有害物质作为最新科研项目，使我国在自主控制激光这一领域达到世界先进水平。南开大学现代光学研究所的刘伟伟，就是这群科学家的领军人。　　光谱仪搬进太空舱 宇航员生命安全更有保障　　2011年9月29日21时16分3秒，我国第一个目标飞行器和空间实验室“天宫一号”在酒泉卫星发射中心发射，飞行器由实验舱和资源舱构成，我国自主研发的“全光纤近红外光谱仪”就安放在这里。　　“它能随时检测在轨航天器里的空气成分，当场获得检测结果，保障宇航员舱在内能够安全地活动并展开航天科学任务。”见到刘伟伟时，他正从实验室出来，虽然初次见面寒暄不多，可一说起自己和全课题组的科研成果，刘伟伟立马打开了话匣子。　　“载人航天最重要的一项指标是保障航天员的舱内安全，其中有害气体的检测极为关键，如何及时发现有害气体，也一直是国际宇航界的难题。”刘伟伟团队研发的“全光纤近红外光谱仪”的原理就是用光学的手段对太空舱里空气中的各种成分进行区分和分析判断，及时发现有害气体。　　为什么太空舱里会产生有害气体呢?原来，“天宫一号”的太阳能电池翼、电源分系统的所有设备、导航与制导系统中6个控制力矩陀螺都在资源舱内，其中还包括飞行器的燃料。“设备的电线外皮材料受热，动力燃料、制冷剂等的泄漏都会导致舱内有害气体增加。”刘伟伟告诉北方网新媒体记者，“‘天宫一号’又是密闭空间，舱内如果出现有害气体不能及时发现的话，可能会直接威胁舱内人员的生命安全，后果不堪设想。”　　“传统的方法是定时对空气进行采样检测，一般要几小时甚至几天才能得出结果，可是空气是随时在变化的，几个小时之后，成分就可能大不一样。”刘伟伟继续介绍，而光谱分析方法可以远程控制激光，完全不需要进入现场采样，也能当场获得检测结果，“如果真的发现有害气体，宇航员也能第一时间获得信息，与资源舱及时进行分离。这比传统的大气采样更及时更精确，也更能保障宇航员在舱内的安全。”