國產傅立葉變換近紅外光譜儀如何做大做強

　　近年來，近紅外光譜技術在我國得到了迅猛的發展，相關的新產品新技術層出不窮。為了多方位展現我國在近紅外光譜領域的最新成果，儀器信息網和近紅外光譜分會合作製作《近紅外光譜新技術/應用進展》網絡專題，同時也以此獻禮近紅外分會成立10周年，並寄語2021年國際近紅外大會。

　　為了更深入的了解國產近紅外光譜儀器技術的發展和應用現狀，我們特別邀請了北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司的田燕龍博士給大家分享其對國產近紅外光譜技術及應用發展的理解。

北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司 田燕龍博士

　　產品線布局始於國內首臺傅立葉變換紅外光譜儀

　　儀器信息網：請介紹一下貴單位近紅外產品的定位及發展歷史?

　　田燕龍博士：上世紀80年代，傅立葉變換紅外光譜儀的應用在國內剛剛起步，但國內卻沒有相關儀器的製造技術。為改變這一現狀，在國家科委批准下北京第二光學儀器廠(現歸屬北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司，以下簡稱北分瑞利公司)於1987年從美國ANALECT公司引進了傅立葉變換紅外光譜儀設計及製造技術，通過對引進技術的消化和吸收，於1993年7月27日成功開發了我國第一臺傅立葉變換紅外光譜儀——WQF-400型傅立葉變換紅外光譜儀，填補了國內空白。

　　隨後北分瑞利公司在持續發展和提升傅立葉變換紅外光譜儀技術的同時，開始拓展紅外光譜儀器的應用範圍，於1995年開始研發國內首臺傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀(見圖1)，並於1999年通過專家鑑定，再次填補國內空白。

　　WQF-400N自主設計了CaF₂分束器、PbS/InGaAs探測器組件，將國產傅立葉變換紅外光譜儀的工作波段，由中紅外(4000cm^-1-400cm^-1)擴展到近紅外(10000cm^-1-3300cm^-1)，代表了當時我國近紅外儀器的最高水平。

圖1 我國首臺傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀

　　為豐富近紅外光譜儀器產品品類、滿足用戶多樣化需求，在WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀之外，2004年北分瑞利公司自主設計開發了NIR-800型近紅外光譜儀(見圖2)。NIR-800主要工作波段在短波近紅外(800nm-1000nm)，和主要工作在長波近紅外(1000nm-2500nm)的WQF-400N形成了很好的互補。NIR-800外接通用PC機，採用交叉C-T的單色器結構和CCD/PDA陣列探測器接收，具有無運動部件、可靠性好、價格較低、綜合像差小、雜散光低等創新點。

圖2 NIR-800型的近紅外光譜儀

　　2008年，北分瑞利公司又開發出了第二代傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-600N。WQF-600N，該儀器採用了擺式幹涉儀結構，開發了適合新儀器的CaF₂分束器、攻克了動鏡結構和快速擺動控制技術、高速高精度數據採集等關鍵技術，於2008年12月19日通過了北京市技術創新服務中心組織的專家鑑定。鑑定以後，WQF-600N型傅立葉變換近紅外光譜儀就替代了老款的WQF-400N型，成為北分瑞利公司近紅外領域的主推產品(見圖3)。這款產品在2008年及之後的一段時間內是唯一的一款國產傅立葉變換近紅外光譜儀，在如今也是屈指可數的幾款國產傅立葉變換近紅外光譜儀之一，主要應用在大學及科研機構。

圖3 WQF-600N型傅立葉變換近紅外光譜儀

　　目前，北分瑞利公司正在研究基於新一代500平臺的WQF-500N型傅立葉變換近紅外光譜儀。500平臺使用模塊化的總體設計思路，採用密封型的角鏡型式麥可遜幹涉儀、高精度的24位A/D變換，快速穩定的動鏡控制及數據採集與處理等技術，通過全新改版升級的MainFTOS Suite傅立葉紅外光譜儀通用軟體及先進的網口及無線通訊技術，在外觀、軟體、可靠性以及產品功能方面都實現了突破。

　　儀器信息網：貴公司近紅外光譜儀的應用情況?有哪些典型的應用案例?

　　田燕龍博士：北分瑞利公司的近紅外產品可應用於製藥、農業、石油化工、食品、紡織品檢測等領域。江蘇大學陳斌課題組使用北分瑞利公司的傅立葉變換近紅外產品，先後實現了如下應用：(1)使用近紅外漫反射方法研究了甲硝唑的主要成分硝基羥乙唑，建立了近紅外光譜與硝基羥乙唑含量之間的數學建模，實現了硝基羥乙唑的快速檢測;(2)研究了應用近紅外光譜分析技術檢測紡織品中羊毛成分含量的一系列過程，實現了對紡織品中羊毛含量的檢測;(3)以食用植物油中主要脂肪酸棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸為檢測指標，通過對近紅外光譜技術在定量檢測中的幾個關鍵問題的研究，實現了對食用油種類和摻偽的鑑別。

　　儀器信息網：目前貴公司計劃或者正在重點拓展的新領域有哪些?為什麼看好該領域?

　　田燕龍博士：食源性致病菌是引起食源性疾病的首要原因，全球每年發生高達1.5億的腹瀉病例中，有70%是由各種致病性微生物汙染食品所引起，許多研究已經表明近紅外光譜技術可以實現對食源性病菌的快速檢測。目前，北分瑞利公司正在開展食源性病菌近紅外檢測技術和儀器的研究工作，相關解決方案正在開發當中。

　　近紅外光譜發展趨勢：MEMS技術、定製化、掌上生活

　　儀器信息網：相較於光柵近紅外，傅立葉變換近紅外光譜的優勢體現在哪裡?目前的技術發展水平如何?

　　田燕龍博士：和光柵近紅外儀器相比，傅立葉變換近紅外光譜儀器最大的優勢體現在性能上，目前研究級的近紅外光譜儀器基本都屬於傅立葉變換型。首先，傅立葉變換近紅外光譜儀器具有多路通過的特點，所有頻率同時測量;其次，傅立葉變換近紅外光譜儀器的光通量比光柵儀器大得多，因此具有更高的靈敏度和信噪比;最後，傅立葉變換近紅外光譜儀器由於採用雷射定位，波長的穩定性好，且光譜的解析度高，使得這類儀器具有較好的波長準確性與重複性，儀器間的一致性好，更容易實現近紅外模型傳遞。

　　雖然傅立葉變換近紅外光譜儀器較光柵近紅外儀器具有更優異的性能，但是高性能也帶來了高成本的問題，在近紅外儀器市場份額上傅立葉變換近紅外光譜儀器並沒有表現出明顯的競爭優勢。目前傅立葉變換近紅外光譜儀器的技術水平已經比較成熟，未來應該更多考慮如何降低成本。

　　儀器信息網：從儀器發展及應用的角度分析，您認為目前有哪些先進的近紅外光譜技術值得大家關注?

　　田燕龍博士：隨著光學器件、新材料、5G(6G)通訊、物聯網、大數據、雲計算等科技的迅速崛起，近紅外光譜分析技術的面貌也必然煥然一新，與人類生活的聯繫將會更加密切。綜合比較國內外先進儀器，在近期有如下發展趨勢：

　　(1)MEMS技術

　　近年來，全球掀起了儀器微型化的開發熱潮：臺式機——可攜式——手持式——掌上機——晶片機。其中，近紅外光譜儀倍受關注，近紅外光譜儀產品越做越小，其推動力就是微電子機械系統(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)的大量使用。基於MEMS微光柵、MEMS微幹涉儀等開發的新型近紅外光譜儀，具有尺寸小、重量輕、功耗小等優點。2017年埃及Si-Ware在洛杉磯推出了單個晶片大小的MEMS近紅外光譜儀——NeoSpectra Micro，該儀器檢測範圍為1100nm-2500nm，其外觀尺寸為18×18mm，厚度僅為4mm。

　　(2)定製化

　　近紅外光譜技術快速無損、多性質同檢的特點，使得其特別適合作為一種在線監測手段。很多企業在用到近紅外技術時，往往具有自己獨特的需求，需要單獨設計在線產品。如西派特(北京)科技有限公司為山東廣通蠶種有限公司開發的HF-C06蠶蛹雌雄高速鑑別與分選設備，基於蠶蛹雌雄在化學組成上的不同，以光波為媒介高速採集蠶蛹的化學特徵信息，實現了蠶蛹性別的高速鑑別。

　　(3)掌上生活

　　隨著近紅外光譜儀的微小型化和成本的不斷降低，原來遙不可及、只有大型企業或研究機構方能使用的光譜儀產品，會逐漸走進普通老百姓的生活，甚至人手一個，用於監測日常生活中的飲用水、奶製品、肉製品、果蔬品等食物的安全性、新鮮度，以及通過成分含量的攝入而實現個人健康管理。2017年1月，長虹在年國際消費電子展(CES)上發布全球首款分子識別手機--長虹H2。H2手機搭載了小型化高解析度近紅外光譜傳感器，可對被測物體進行近紅外吸收光譜的數據採集，並將光譜數據傳輸至雲平臺進行分析、計算、處理，得出定性、定量分析結果。

　　國產與進口儀器差距猶在 市場快速增長毋庸置疑

　　儀器信息網：您認為目前國產近紅外光譜儀與進口產品相比有哪些不足?

　　田燕龍博士：一直以來，國產傅立葉變換紅外光譜儀器產品就與國外同類產品存在一定差距。對於中紅外，國產傅立葉變換紅外光譜儀器產品與國外產品的差距主要體現在硬體水平上(如儀器的一致性、穩定性等)，通過差異化競爭、降低價格等手段，國產儀器仍能獲得一定的市場份額。但是在近紅外領域，由於缺少成熟的模型資料庫，使得國產儀器與國外產品的差距進一步拉大。

　　模型往往需要針對不同的樣品類型單獨建立，而且資料庫的建立也不是一勞永逸的，在實際應用中需要經常維護和擴充，需花費大量的人力和物力及持續的資金投入，而這恰恰是國產儀器廠商難以負擔的。由於缺少模型資料庫，使得國產傅立葉變換近紅外光譜儀器在市場上競爭力很差，這又進一步打擊了儀器廠商的積極性，從而造成了惡性循環。因此國產傅立葉變換近紅外光譜儀器要想做大做強，在硬體提升的同時，必須從基礎做起，通過積累逐漸建立起自己的大資料庫，在為用戶服務的同時也可以獲得利潤，形成良性循環。

　　另外，相比別的光譜儀器，傅立葉變換近紅外光譜儀器的專業性更強，銷售人員專業能力不足是一個不可忽視的因素。進口儀器公司的銷售人員往往也是應用工程師，具備售前制定方案、售中指導建立校正模型、售後負責模型維護和儀器維護的能力;而國內儀器公司的銷售人員大多不是化學專業出身，與應用脫節，這些都制約著國產近紅外儀器市場份額的擴大。

　　儀器信息網：您如何評價我國近紅外光譜的市場需求情況及發展潛力?未來幾年，近紅外光譜的熱點市場需求有哪些?由哪些方法標準或政策法規等所促進?

　　田燕龍博士：2017年11月，美通社根據Global Market Insights的一份市場報告發布新聞稱近紅外市場規模從2016開始到2024年將以年複合增長率6.1%的速度增長，並佔據整個過程光譜行業(拉曼、紅外、近紅外)55%以上的份額。近期國際知名諮詢公司QY Research公司出版了行業調研報告《全球近紅外光譜(近紅外(NIR)分析儀)市場規模、趨勢和預測2019》，預測到2025年底全球近紅外分析儀器市場將達到5.6億美元，而且未來幾年近紅外分析儀器市場的最高增長率將會出現在亞太地區。

　　就國內來說，近三年來許多近紅外行業標準開始陸續制定和實施，涉及到了多個應用領域，包括茶葉品質檢測(標準號DB34/T 2890-2017)、山羊絨淨絨率檢測(標準號DB15/T 1229-2017)、紡織品纖維定量分析(標準號FZ/T 01144-2018)、珍珠粉鑑別(標準號GB/T 34406-2017)、甲基乙烯基矽橡膠中乙烯基含量測定(標準號GB/T 36691-2018)、固態速溶茶中主要成分測定(GHT1260-2019)、茶多酚製品中主要成分測定(徵求意見稿已發布)、畜禽肉品質檢測(計劃編號20191050-T-326、20191054-T-326)、紡織纖維鑑別(申報號FZFFZT0832-2019)和中藥混合均勻度與水分快速檢測(團體標準已啟動)等。

　　總體來說，國內近紅外光譜儀器市場在未來幾年快速增長是毋庸置疑的，唯一不可預估的是在食品、質量監控、過程控制和化學品等不同行業最終規模化的大小。