OFweek光學(xué)網(wǎng)訊：盡管近紅外光譜不屬于特別靈敏的分析技術(shù)，但由于該技術(shù)具有不需要樣品預(yù)處理的特點(diǎn)，其非常適合于過程監(jiān)測(cè)、材料科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。

過去十年近紅外光譜技術(shù)新進(jìn)展

專家們認(rèn)為近紅外光譜技術(shù)******進(jìn)展主要是新成像系統(tǒng)和儀器的小型化。

Pierre Dardenne是比利時(shí)瓦隆農(nóng)業(yè)研究中心的部門主任，他認(rèn)為近紅外技術(shù)的兩大進(jìn)展是高光譜成像和便攜式儀器。Gary McGeorge是百時(shí)美施貴寶公司(bristol-myers squibb)的高級(jí)首席科學(xué)家，他贊同Dardenne關(guān)于高光譜成像重要性的觀點(diǎn)?！俺上窆庾V儀和高光譜成像儀的商品化和應(yīng)用是近紅外領(lǐng)域過去十年的顯著性變革”，他說，“成像技術(shù)可以給出藥物中成分的微觀分布信息，為進(jìn)一步了解該藥物的功效提供幫助?！?

McGeorge指出，這些成像儀器除了用于藥品分析外，還可與機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)合用于農(nóng)業(yè)和食品加工領(lǐng)域。他說：“如果分析時(shí)只需要幾個(gè)波長，這些成像系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)得到實(shí)時(shí)的圖像，這在以前是不可能的事?！?

Benoit Igne是葛蘭素史克(GSK)公司的首席科學(xué)家，也是近紅外光譜學(xué)會(huì)(Council for Near-Infrared Spectroscopy)主席當(dāng)選人，他認(rèn)為主要的進(jìn)展是近紅外系統(tǒng)的小型化。他說：“過去5–10年，近紅外最重要的進(jìn)展是市場(chǎng)上存在的低成本、小型、專用儀器，它們可以替代大型儀器用于研發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)等場(chǎng)合?！盉enoit Igne認(rèn)為微型FT-NIR、MEMS-NIR、LVF-NIR可用于先前研究級(jí)儀器所應(yīng)用的領(lǐng)域，例如實(shí)時(shí)分析、在線監(jiān)測(cè)和過程控制。他補(bǔ)充說：“這類儀器的低成本特點(diǎn)，甚至允許儀器在出現(xiàn)故障時(shí)換一臺(tái)新儀器，而不是維修，具備完全顛覆傳統(tǒng)儀器生命周期的能力?！?

局限與挑戰(zhàn)

下面專家們將討論當(dāng)前光譜學(xué)家在研發(fā)和使用近紅外光譜技術(shù)時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)，包括該技術(shù)的局限性以及使用該技術(shù)的困難性。

Benoit Igne說：“使近紅外光譜這么令人關(guān)注，同時(shí)也是使其難以應(yīng)用的原因是近紅外光譜對(duì)樣品的基體非常敏感?！彼赋?，除非建立的模型經(jīng)過認(rèn)真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，否則所建立的模型極易受樣品基體的影響，例如樣品的顆粒度、密度、濕度和溫度，而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作通常需要大量的時(shí)間、精力和資金。Benoit Igne接著說：“我們需要繼續(xù)做工作，以深入了解漫反射和透射的吸收和散射特性，以開發(fā)出更有效的算法來消除基體對(duì)光譜的影響，從而提高模型的穩(wěn)健性?！?

McGeorge認(rèn)同上述觀點(diǎn)，近紅外光譜技術(shù)的重大挑戰(zhàn)是建立穩(wěn)健的模型。他說：“建立定量方法，必須保證模型的準(zhǔn)確性并且在多種變化的物理干擾物存在的情況下模型依舊穩(wěn)健。在建立藥物模型時(shí)，要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)模型的穩(wěn)健性非常昂貴。光譜學(xué)家需要掌握如何在最低資源消耗的條件下減少這些干擾物的影響?！彼a(bǔ)充說到，如果模型沒有能力適應(yīng)各種影響因素，我們很難讓企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者相信近紅外技術(shù)會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

McGeorge認(rèn)為藥物分析對(duì)近紅外模型有額外的穩(wěn)健性要求，這是因?yàn)樗幤推渌诜苿┧玫妮o料存在固有的易變性。他說：“輔料經(jīng)常來源于天然產(chǎn)物，因此季節(jié)、地域和其他因素的變化會(huì)使這些材料在物化組成上的發(fā)生改變。這些變化常常會(huì)對(duì)近紅外光譜特征產(chǎn)生直接的影響，在模型建立和商務(wù)采購談判過程中需要充分考慮這些變動(dòng)因素。”

Igne認(rèn)為，儀器設(shè)計(jì)缺少一致性是近紅外光譜技術(shù)另一個(gè)重要問題。他解釋說：“由于儀器之間不一致，不能將一臺(tái)儀器上建立的模型直接應(yīng)用到另一臺(tái)儀器上，所以模型傳遞往往需要不小的投入并且可能會(huì)用到復(fù)雜的算法?！彼J(rèn)為，對(duì)于傳統(tǒng)分析化學(xué)框架體系而言，這些建模和傳遞算法是主要的障礙。他補(bǔ)充說：“許多近紅外使用者為了避免處理模型傳遞問題，在推廣應(yīng)用時(shí)不得不采用建模時(shí)使用的那款儀器?！?

Dardenne談及了近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的一些問題，他說：“沒有經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的模型到處可見，許多論文只給出了隨機(jī)交互驗(yàn)證結(jié)果，卻沒有給出獨(dú)立的驗(yàn)證結(jié)果?！彼J(rèn)為，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)用，近紅外光譜的檢測(cè)限也是一個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)于小于0.1%含量的分析物，近紅外光譜通常無能為力。他說：“由于內(nèi)部相關(guān)性，有些模型看上去很好，但待測(cè)組分的信息實(shí)際上被噪聲掩蓋了。”

Igne補(bǔ)充道，在分析實(shí)驗(yàn)室近紅外方法還沒有得到廣泛的認(rèn)可。他說：“即使近紅外光譜方法被證明是成功的，但人們還是傾向于使用傳統(tǒng)的濕化學(xué)分析方法?！?Igne認(rèn)為，只有在線和實(shí)時(shí)信息成為企業(yè)的必需時(shí)，近紅外光譜技術(shù)才能得到迅速應(yīng)用。

人才的缺乏

近紅外光譜的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，面對(duì)寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，嚴(yán)重缺乏具備充足專業(yè)知識(shí)和技能的技術(shù)人員。因此，當(dāng)企業(yè)想采用近紅外技術(shù)時(shí)，很難找到可以勝任的人員幫助他們完成這些工作。McGeorge說：“現(xiàn)在很難找到合適的人，簡(jiǎn)單通過招聘的方法幾乎不可能得到具有這方面技能的技術(shù)人員?！?

McGeorge認(rèn)為造成人才缺乏的原因是：“在藥廠，PAT倡議計(jì)劃引起了學(xué)術(shù)上的廣泛興趣，探索使用光譜如何能更好地理解制藥配方和制藥過程?！钡?，很多學(xué)校只是使用現(xiàn)成的工具，而沒有掌握和理解建模背后的光譜儀器和數(shù)學(xué)算法。McGeorge說：“而且，我認(rèn)為許多用戶被近紅外儀器銷售商的宣傳所左右，他們將該技術(shù)宣傳得非常容易，以打消用戶有關(guān)建立穩(wěn)健模型所使用復(fù)雜算法的顧慮?！币虼耍@些學(xué)校培養(yǎng)出的是缺乏光譜知識(shí)背景的藥劑師或工程師，McGeorge說，這些學(xué)生進(jìn)入工作崗位時(shí)對(duì)光譜沒有足夠的理解。

Dardenne贊同在大學(xué)和高中階段進(jìn)行更多的關(guān)于近紅外光譜知識(shí)的教育，他介紹說國際近紅外光譜學(xué)會(huì)Ana Garrido-Varo主席正在努力做這方面的事情。Dardenne說，他們正在建一個(gè)用于近紅外光譜教學(xué)的虛擬平臺(tái)，不久就可以使用并且給學(xué)生提供學(xué)分。

如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

Igne認(rèn)為：“所有儀器制造商都在千方百計(jì)提高模型在不同儀器上的可傳遞性，我期待進(jìn)一步減少儀器制造時(shí)的差異，那時(shí)上述傳遞的方法會(huì)更有效?！钡?，他預(yù)計(jì)模型傳遞問題將持續(xù)到下一個(gè)十年。

對(duì)于樣品基體的影響，據(jù)Igne介紹，現(xiàn)在有不少團(tuán)隊(duì)正在深入研究散射和吸收現(xiàn)象，并著手開發(fā)更好提取相關(guān)信息的算法。他說：“我認(rèn)為在學(xué)術(shù)圈，這方面的研究將持續(xù)一段時(shí)間?！?

對(duì)解決這一問題，McGeorge看到了一些進(jìn)展?！半S著問題的明確，化學(xué)計(jì)量學(xué)家正在研究一些絕妙的算法來解決這一問題。” McGeorge說，“外部參數(shù)正交化(EPO)就是一個(gè)例子，該方法可以消除已知的系統(tǒng)干擾物的影響，保證所建模型對(duì)這類變動(dòng)是穩(wěn)健的?！彼a(bǔ)充說，該方法可以校正消除光譜儀或原材料的系統(tǒng)性變化，這些變化是由已知因素引起的。

McGeorge還介紹了另一種提高模型穩(wěn)健性的可能解決方法，“一種新的商品化技術(shù)，這種空間位移分析技術(shù)在一個(gè)區(qū)域照射樣品在另一個(gè)區(qū)域檢測(cè)信號(hào)?！彼f，“隨著這種技術(shù)的不斷成熟，有可能成為實(shí)施近紅外技術(shù)的一種完整解決方案，用于消除光譜中的物理擾動(dòng)信號(hào)，從而更容易建立更穩(wěn)健的模型?！?

Igne認(rèn)為，讓更多實(shí)驗(yàn)室采用近紅外光譜技術(shù)依賴于兩件事：讓使用者弄懂驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)學(xué)和簡(jiǎn)化建模步驟。他說：“近紅外邁向更廣泛成功應(yīng)用的重要一步是讓非化學(xué)計(jì)量學(xué)專家更容易掌握該技術(shù)?！?