近红外：“开放”的技术，共享的应用

　　原想绞尽脑汁写些与众不同的词作为开场白，但在拜读了群里几位近红外技术研究与应用领域颇有建树的老师的关于“我与近红外的故事”的文章后突有感悟，近红外技术作为一项实用的检测技术，无需堆砌华丽的辞藻和曲折动人的故事情节，只需把自己的经历和感受朴实无华的娓娓道来，其独特魅力已然跃然纸上。循此思路，我也讲讲我在近红外技术领域学习、工作与应用的经历和感受。

　　和很多从事近红外领域研究的老师一样，我是从读博士开始接触近红外的。所不同的是，我是因为导师有近红外方向研究的课题才读的博士，并且很幸运一开始就从导师十多年研究的基础上起步，还算比较顺利的完成了博士课题。2000年，我的导师天津大学精仪学院徐可欣教授刚从国外作为“长江学者”引进人才回到母校，需要博士硕士与其共同开始课题的研究，而我刚好硕士毕业，作为导师回国后的第一批博士生(当时课题组只有我和李庆波2名博士)进入课题组开始工作，也算近红外研究领域的“科班”出身吧。当时的研究课题是“人体无创血糖检测”。迄今为止我仍然认为这是近红外应用领域最难的课题之一，可以说对影响近红外检测技术应用的难点该课题都有涉及，如光在人体中行进的光程不确定性，占人体大部分组成的水分、蛋白、脂肪的吸收对含量相对较低的血糖的吸收的干扰，人体结构的差异和不同个体不同部位的差异都会对检测结果的准确性产生极大的影响。另外，由于不能对检测对象(人体)做任何样品前处理，解决手段受到很大限制。所涉及到的学科除了属于物理学的近红外，数学的化学计量学，还涉及到医学等其他领域，导师把这一课题作为其终生研究的主方向，也直接影响了我直到现在仍然从事与近红外应用相关的工作。徐老师在课题研究上的两个“态度”使我印象深刻并受益匪浅。一是“开放”的态度，刚回国时，徐老师在无创血糖检测研究上已经处于世界上比较前沿的水平，但在科研领域并不墨守陈规闭门造车，就像现在很多不同领域的近红外专家一样，注重跨学科的合作，取长补短，并经常邀请国内外相关领域的专家，如OCT研究的专家来学校进行学术交流，使我们及时了解国内外最新的研究成果，开拓眼界。除了每人发一本陆婉珍院士的红宝书《现代近红外光谱分析技术》作为入门的理论基础学习资料外，徐老师还把在国外带回的十几箱研究资料提供我们学习，使我们很快跨过了入门的阶段。另外，虽然以近红外作为主要的技术手段，但并不排斥其他的可能解决方案如紫外、红外、微创、拉曼等等，这也为这些技术在课题组后来的其他检测研究上的良好应用打下了基础。他也始终坚持“技术是解决问题的手段，问题的解决才是目的”。二是“实事求是”的态度，这既是天津大学的校训，也是徐老师从事科研工作一直坚持的态度，这点从其报告中会深有体会。他经常强调“失败并不可怕也并非一无所用，至少别人会从你的失败中总结经验教训，少走弯路，但为了成功去编造结果或数据是绝对不允许的”。对我们所从事的研究都要求尽可能的有实验数据支持，并且实验过程和结果要具有复制性和可再现性，这可以说切中了近红外技术应用与推广的要点。这一思想对我影响深远，现在我和客户交流时还时不时冒出“我们用数据说话”的口头禅。为此，实验室把大部分经费都用在购买先进的实验设备和实验耗材上，先后购买了PKI公司的傅立叶变换光谱仪，BRIMROSE公司的AOTF光谱仪，布鲁克公司和尼高力公司的光谱仪。对这些仪器的实际操作与理解，对于我现在从事的近红外仪器销售与推广应用工作可以说打下了最坚实的基础。为了得到实际的无创血糖近红外检测数据，我们实验室成员大部分都做过光谱采样的血糖抽血检测(连续糖代谢变化检测)的实验，可以说为科研工作真的付出过“血”的代价。我从事的课题是光子在组织中行进路线的蒙特卡罗仿真研究，除了计算机仿真外，实验室还搭建了不同光程半径的同心光纤环采样实验光谱仪，以及营养液和牛奶的激光穿透组织的模拟实验平台，以至于其他课题组的同期同学不无羡慕的说“你读个博士可真没少花老师的钱”。下图为当时的实验装置：

　　2003年博士毕业后，我就进入了瑞典波通仪器公司一直工作至今。我们公司早期生产滤光片型的近红外光谱仪，在面粉检测领域占领了80%以上的市场，但在其他领域鲜有建树。进公司的当年正好赶上公司刚刚推出了一款固定光栅二极管阵列的DA7200近红外光谱仪，其最大的卖点是“开放式”检测，即光从上向下直接照射样品，不通过任何石英介质直接照到样品上。当年只卖出了4台，习惯于在面粉这一狭窄的应用领域应用的我们并不清楚我们的销售对象在哪，也不知道如何利用好这一卖点。第二年，在逐渐熟悉了我们服务的农业领域以后，我在学校时学习的基础知识和课题研究中的经验发挥了作用：对近红外的扩展应用不应仅仅拘泥于理论，而是从整体上消除影响近红外检测准确性的因素，去适应样品的原生状态和客户的需求。而DA7200“开放式”检测设计提供了一个开放的平台。为此，我们开发了适合于液体，尤其是浑浊有沉淀或分层液体的连续流动椭圆石英样品池，采用后样冲前样的方式解决样品冲洗和交叉污染的问题，一下子在油脂和发酵行业打开了市场。针对单粒谷物漫反射信号微弱，谷物颗粒形状不规则导致静态检测时漫反射光各向异性无规律的问题，我们开发了凹面镜聚焦透反射增强信号并自旋转的微量样品检测附件，这又帮助解决了近红外在育种和农业科研领域应用的一些问题，对于象酱料、肉、蚝油等难清洗的样品，我们开发了成本极其低廉的抛弃型样品杯，对于象奶粉、面粉等因内部空气影响样品密度进而影响检测准确度的样品，我们开发了弹性压紧杯。这些改进虽然技术含量不高，但解决了影响近红外检测结果的关键因素：样品形态或样品前处理因素。瑞典总部也对波通中国公司采取开放交流的态度，这些附件很多也在其他国家得到了应用。后来，DA7200的销售量逐渐上升，我们也达到了年销售过百台，现在中国市场DA存量过700台的业绩。虽然没法和布鲁克公司那300台的一单相比，但也踏踏实实的对近红外的应用与推广做出了一定的贡献。下图是国内开发的部分检测附件：

　　从事近红外仪器的应用与推广工作，不得不提到我们的客户，这也是我从事这一工作的另外一大动力源。记得刚到公司不久，我接待一个私人油脂公司的老板，我觉得这是展示我知识和能力的机会，我从横向比较讲我们仪器相对于其他如光栅、傅立叶变换等光谱仪的优势，纵向讲我们公司在粮油加工领域应用的历史和经验、业绩，为保险起见还增加了近红外原理等基础知识，以及近红外检测结果和化学值的关系，系统偏差，绝对误差，仪器重复性，误差的正态分布等等相关知识，足有1个多小时，听得我们公司经理频频点头，老板一个问题也没问，我也得意的想：这下把你老板镇住了吧。这时，一脸茫然的公司老板从包里拿出了两个棉籽样品(上图仪器左脚盘子里那样)，说：“你说了半天，我几乎一句不懂，也不关心，你测测这俩样品的水分和含油，测准了我就买，测不准就拉倒”。我只好硬着头皮忐忑的开始安装曲线，检测样品，老板也拿着一张纸条不停的瞄着屏幕，应该是在对比检测结果。至今我也不知道检测结果到底准确度如何，只是老板随后的一句话让我如释重负：“我们谈谈合同细节和价格吧”。这件事后我感触良多，对于我们的服务对象，任何理论和分光原理都不是他们关心的，或者说不是最关心的，能够直接反映仪器应用效果的“稳不稳(重复性)，准不准(准确性)”才是最重要的，如果没有后者，前面我1个多小时的介绍基本清零。最终用户能够购买，另外一个因素是我刚刚得到了一个棉籽用户的数据库和曲线，至少仪器可以直观的显示检测结果，这对很多基础的应用用户是最有说服力的。由此后我们公司制定了政策：鼓励用户收集并提供数据库，而我们也把整合后通用的数据库终身免费提供给用户使用，这也很大程度上促进了近红外的应用与推广。所以我认为近红外未来的发展一定是数据库的“共享”，也就是“我为人人，人人为我”的理念。我再举另外一个例子，约10年前我去一个黑龙江油脂用户那回访，当时厂子的董事长指着院子里的帕萨特对我说：“我原计划要换车的，现在我的奥迪A6变成了DA7200，你们可要让我用好呀”。我顿感压力很大。今年开培训班时，该董事长特别让他们厂的化验室主任对我们公司表示感谢：“近些年国产大豆油脂行业受进口大豆的冲击，我们周边的几个厂都倒闭了，我们及时转型代中储粮做玉米收购，同时改为加工生产米糠油，在此过程中近红外分析仪一直发挥着重要的关键作用，给我们带来了不知几个奥迪A6的收益。”我也很受感动，在培训班上以此为案例说明近红外模型共享给大家带来的方便和直接收益，客户都很认可。从事近红外应用工作带来的酸甜苦辣不胜枚举，但解决实际问题后得到客户肯定带来的喜悦完全抵消了过程的辛劳，相信很多近红外同仁都有同感。

　　谈近红外的基础理论知识难免有班门弄斧之嫌，在此我只结合自己实际经历谈个人对近红外应用的几点感受。

　　1、很多近红外的检测问题并不是分光方法和光谱仪自身的问题，同一个外壳可以装入光栅、AOTF、傅立叶变换等不同的分光系统，不同品牌的近红外仪器也可以使用同一厂家的光谱仪。单纯追求高信噪比和分辨率并不会解决本质的问题，因为检测对象和周边环境或者安装点位置(对于在线)产生的影响远远大于仪器自身的误差或热噪声，往往进样方式是否合理就已经决定了一个应用的成败。

　　2、近红外的普及应用是近红外发展的源动力，近红外未来大量的使用还是在生产或贸易环节，只有把科研的成果与实际需求相结合，解决现在生产环节的问题并产生经济效益，近红外技术的发展道路才会越走越宽广。

　　3、在线近红外分析仪和便携式近红外分析仪应该是未来发展的趋势。如我们有用户购买了一台实验室近红外分析仪，却购买了8台在线分析仪，其需求比例决定了在线仪器会有更大的发展空间。再如我们公司的IM8800便携式近红外谷物分析仪，因其检测结果准确，操作方便，在谷物贸易应用中很有市场，很长一段时间用户需要按交钱顺序排期等货，现在用户都直接称呼8800为“快速蛋白机”，以至于其他厂家推出类似功能仪器时直接介绍为“蛋白机”。如果在线仪器能进一步提高性价比，便携仪器能提高仪器的稳定性和准确性，前景会更光明。

　　4、近红外分析技术的发展离不开化学计量学的发展，化学计量学如果解决了实验室来源不同的同类样品的数据库合并建模问题，无论使用线性还是非线性方法，并且该方法具有普适性，将对近红外数据库的真正共享起到决定性作用。

　　再次感谢我的导师，近红外光谱协会的各位专家对我近红外应用工作的支持，也感谢那些与我们共同开发，数据共享的用户们！