以应用为导向的近红外光谱之旅

倪力军　(华东理工大学)

作者简介

倪力军，华东理工大学教授，1991年获华东理工大学工学博士学位，1986年获天津大学理学硕士学位，1983年获湖南大学理学学士学位。2011年成为仪器仪表学会近红外专业委员会常务理事。近十几年开展化学计量学以及近红外等分子光谱技术在中药、烟草、食品等领域的应用研究，发表相关论文20余篇。

人生格言 ：上帝制定规律，我的职责是发现和应用它！

自“我与近红外的故事”征稿以来，因觉自己才疏学浅，一直羞于献丑。临近截稿，抱着通过分享、学习、合作、联盟，为我国近红外事业的发展与开花结果贡献力量的目的，也算是对自己介入这一丰富多彩、令人着迷的领域的一个回顾和总结，鼓起勇气在最后一天完成了本文。

我与近红外结缘起始于2002年与上海雷允上药业集团有限公司合作承担的中药领域十五科技攻关项目“程控技术和在线检测技术应用示范研究”，进行近红外光谱技术在中药提取过程中的在线检测应用研究。当时近红外在国内的研究和应用刚刚起步，近红外仪器商对用户的技术培训和支持力度非常有限，我们只能通过自学陆婉珍院士和袁洪福老师所著的《现代近红外光谱分析技术》（2000年出版）去掌握近红外光谱技术的原理，学习如何应用。尽管项目采购的不是Foss公司的近红外仪，但我们在项目开展过程中遇到的很多疑惑和问题是在和Foss近红外仪的代理商——亚洲皆能公司的创始人梁永佳博士的交流、咨询中得到解决的。由于我们的近红外仪液体样品池光程太长，无法满足水分含量很高的中药提取液检测要求，课题组第一篇与近红外相关的论文“NIR在线检测、分析技术在丹参水提过程质量监控中的应用”是用Foss DS Multimode 6500近红外光谱仪采集的光谱，发表在2004年第8期中国药学杂志。从梁博士身上我看到了他对近红外的热爱和对科学底限的坚守：有一说一，绝不夸大近红外的功效，而是一再对潜在用户和业内人士强调用好近红外需要的基本素质。参加过早期几届全国近红外学术会议的专家学者想必对这个毫不避讳所推销的仪器缺点的梁博士也深有印象。

2004年，因为指导上海烟草集团公司在职工程硕士的缘故，团队开始了与上海烟草公司的技术合作和近红外技术在烟草领域的应用研究，并顺带开展相关化学计量学方法的改进研究。针对近红外光谱信息压缩时主成分选择的不确定性，我们提出基于仪器精密度测试方差确定最大主成分个数，在此范围内基于马氏距离判别样品归属，根据判别结果优化主成分数目的模式识别方法，进行烟叶产地、部位、等级及卷烟品牌的判别，相关工作发表在烟草科技、光谱学与光谱分析及Analytica Chimica Acta等期刊。课题组研究生王国东作为第一作者发表的论文“不同产地国产烤烟近红外光谱的特征分析及其模式识别”获得2006年烟草科技优秀论文二等奖；专业硕士束茹欣（企业导师张建平博士）的毕业论文“基于NIRS信息对中国烤烟烟叶进行模式识别”被收入上海烟草系统2005年度优秀学术论文集。针对中式卷烟根据风格评吸结果进行卷烟叶组配方维护的特点以及稀缺烟叶的不足对高档卷烟产量及品质保障带来的影响，我们将中药原料的配方设计理念引入烟草领域，提出以近红外光谱及其他烟叶品质指标为信息来源进行烟叶配方设计的算法，并开发了界面友好的软件供上海烟草集团公司使用，用于替代红双喜和中华卷烟中的津巴布韦烟叶，通过了小样直至大样的三点评吸验证。这一思路完全不同于通过建模利用近红外光谱进行样品的定量和定性分析的常规应用，是非常有创新的工作。但课题组作为乙方不能将有关成果和思路对外发表和宣传。因而转向思考可否在石油加工的油品调配中应用这一思路，不采用建模方法获取辛烷值、PONA等指标，直接根据各馏分近红外光谱及品质指标进行油品调配。某次学术会议期间，在与褚小立博士交流咨询后，得知不同石油馏分的近红外光谱差异较大，不符合上述方法的应用条件，我们放弃了这一尝试。

针对2008年的三聚氰胺奶粉事件，本团队开始了应用近红外技术进行掺假牛奶、奶粉识别的研究。课题组在Food Chemistry （2014年145卷）和光谱学与光谱分析（2014年第10期）所发表的论文中对我们在该领域的研究心得进行了总结。十余年来，在中药、烟草、乳品领域的近红外技术应用研究过程中，我们深刻体会到代表性样品的复杂程度、代表性对近红外模型的结果影响很大，一些文献中人为配制一些差异性极大的样品可以很容易获得非常好的判别结果；选择性地展示一些模型统计指标而避开更敏感直接的实测值与模型值的相关图、平均相对误差，这类研究对实际应用毫无意义，却会造成近红外光谱技术什么都可以做好的假象。相关体会和意见在本人参加的几届国内近红外光谱会议及第二届亚洲近红外光谱会议上进行了交流，希望能对新人起到一个警示作用。

近红外技术应用的核心是样品数据库、仪器硬件的稳定性和一致性！中药领域由于品种繁多、成分复杂，如果由各企业自行建立样品数据库和近红外模型，前期投入和人力成本很高。为此，本团队提出利用互联网平台和云技术，联合企业、检测机构、高校科研单位，以“众筹”方式实现中药资源、数据库和光谱模型的共享，实现对中药（材）质量的快速检测。这一思路的实现需要有小型、便捷、性能稳定的光谱仪并实现仪器间信号的良好校正，本团队目前已研发出第三版工程机，以手机app与云端服务器通信，实现光谱信息的上传和模型分析结果的下载，通过仪器设计开发中的软模式校正以及研制系列标准样品实现仪器间的信号校正。部分思路和初步尝试发表在中国中药杂志（2016年第19期），并被邀请在该期刊英文版发表。希望通过和业内各方专业人士、机构的合作、联盟，共同努力实现上述目标！

近红外光谱学会是一个团结、温馨、勇于进取、积极向上的大家庭，在这里我得到了很多帮助和激励，从各位同道身上学到了很多东西。借此机会感谢仪器仪表学会、仪器信息网对学会的大力支持，感谢袁洪福理事长、褚小立副理事长、已经退休的刘慧颖老师和现任学会秘书长王立波老师及理事会其他老师的辛勤付出，组织各类学术活动，搭建了很好的交流平台。感谢进入近红外领域以来为我们答疑解惑、提供各种帮助的梁永佳博士以及各近红外仪器厂家；感谢上海烟草集团公司前技术中心杨良驹主任和张建平主任，给我们提出了很好的应用课题并提供研究经费，我们很幸运在进入烟草领域就获得了大量的样品数据进行分析而不必面对样品数据积累、收集的艰难；感谢上海牛奶研究所、上海市动物疫病预防控制中心兽药检测所提供大量的生鲜牛奶样品；感谢中国药材公司、上海华宇药材公司、浙江中医药大学饮片公司、康缘药业、康恩贝制药集团、颈复康药业集团等公司一路走来提供的各种帮助和支持。

谨以此文纪念已故的陆婉珍院士、梁逸曾教授，相信国内近红外人将传承两位前辈的学识、精神和品德，不断进取，取得更多成就!特别感谢远在美国的龚伟老师，为我国近红外事业的发展不遗余力，献计献策，做出了突出的贡献，是我们全体近红外人心中可敬可爱的大姐！借此机会恭祝龚老师健康长寿，活力长存，为我国近红外事业的发展继续发挥余热！