國產近紅外光譜儀器與應用發展「診斷」——訪江蘇大學陳斌教授

　　近紅外光譜儀器已走過近50年的發展歷程，在這50年的時間裡，儀器從設計到性能以及測量方法都發生了巨大的變化。近年來，近紅外光譜儀器的數位化程度不斷提高，配備功能強大的計算機和化學計量學分析軟體，使其得到更為廣泛的應用。尤其在歐美等發達國家，近紅外光譜儀器已被視為品質管理實驗中必備的儀器。

　　然而，在儀器硬體方面,我國雖然取得了一定成績,但與國際先進水平相比還存在相當大的差距,例如儀器的主要核心部件還依賴於進口、用於測量不同類型樣品的附件不夠完善、光譜儀整體性能指標和智能化水平有待提高等。

　　江蘇大學陳斌教授團隊自從1996年以來一直從事近紅外光譜分析技術在食品和農產品品質快速檢測中的應用研究。日前，儀器信息網編輯採訪了陳斌教授，探討了國產近紅外光譜儀器發展的現狀，陳斌教授直言了國產儀器與進口之間的差距、國產儀器發展存在的「瓶頸」，乃至未來發展方向等問題。

江蘇大學教授 陳斌

　　國產近紅外光譜與進口相比仍有差距

　　1990年代開始，國內也開始了一些近紅外光譜儀器的生產。經過近30年的發展，目前國內生產近紅外光譜儀的廠家越來越多，如聚光科技、北分瑞利、華夏科創、上海稜光、南京中地、凱元盛世、長光思博等。但是，陳斌認為，「上述這些企業生產的近紅外光譜儀器都未達到穩定批量生產的水平，其主要原因並不是沒有批量生產的能力，而是所有生產企業都不具備批量生產的銷售量。」

　　「國產近紅外光譜儀器的穩定性，特別是長期穩定性與國外知名公司的儀器相比尚有很大的差距;信噪比也不盡人意;另外，近紅外光譜儀器在標準化、模型傳遞、物聯網、技術標準、應用示範等關鍵理論或技術方面，還急需加強研發。這些在近紅外光譜分析中最基礎的要求制約著國產儀器在實際生產中的應用。」陳斌說。

　　關於國產近紅外光譜儀器與進口儀器的差距，陳斌認為主要有以下幾個方面：

　　(1)國產近紅外光譜儀器長期穩定性差、信噪比精度差、測量附件種類少、功能單一、軟體的人性化不夠理想，科研院所等應用單位不願接受國產近紅外光譜儀器;

　　(2)國產近紅外光譜儀器基本上還是採用傳統的一般光譜儀器的製造工藝，缺少一定的光學器件、電子元器件的篩選、配對檢測平臺，這些因素累積到整機上就造成了可靠性差、信噪比差，不能滿足近紅外光譜分析的一些基本要求;

　　(3)應用行業對近紅外光譜分析技術的理解不夠，儀器企業不具備針對用戶要求建立校正模型的能力，儀器使用人員基礎知識欠缺，不具備模型的二次開發能力。另外，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。

　　生產積極性不高、標準制定嚴重滯後

　　2012年，我國召開了題為「我國近紅外光譜分析關鍵技術問題、應用與發展戰略」的香山科學會議，可見國家對近紅外光譜儀器發展的重視。發現問題，才能解決問題，所以，首先需要找出國產近紅外光譜儀器發展中存在哪些亟需突破的「瓶頸」;對於這些「瓶頸」，應該如何做，才能快速提高國產近紅外光譜儀器與應用的水平和規模?

　　關於國產近紅外光譜儀器發展中的「瓶頸」及其解決方法，陳斌認為：

　　(1)大多數科研人員和使用者理解不到位

　　近紅外光譜分析技術在國內的研究工作已經有了近30年的歷史，但是由於絕大多數處在實驗室研究階段，還有不少研究人員對其應用能力理解不到位，未能就充分發揮其特點進行研究，造成了重論文發表、輕實際應用;重提高預測精度的算法研究、輕檢測方法減少誤差研究的現象。一般的使用者對於近紅外光譜分析技術的實際應用理解不透徹，同時也不具備二次開發、二次應用的能力。這兩方面的原因使得國內近紅外光譜分析技術暫時還不能廣泛推廣到生產實際中去。

　　(2)無模型就無法應用

　　近紅外光譜分析技術能否應用到生產實際的關鍵是要有穩定、可靠的校正模型，模型建立的基礎是針對特定的物料、特定的檢測指標進行的。儀器生產企業需要事先做好基礎工作，才能保證用戶購買儀器後立即用於生產實際，但是一般的儀器生產商並不能同時具備化學分析與化學計量學的能力。解決這個問題的關鍵是需要廣大從事近紅外光譜技術研究的科研工作者起到橋梁的作用，扎紮實實為儀器生產企業、廣大的用戶建立大量的、實用的校正模型，同時還需要提供模型的維護。

　　(3)無批量就無質量

　　儀器質量的提高不是一朝一夕就能徹底解決的，除了設計、每個環節的質量保證體系外，作為生產企業需要有一定生產批量的保證，才能積累大量的生產經驗，才能改進位造工藝，才能建立必須的工藝過程檢測平臺，最終達到提高儀器的品質的目的。因此，擴大近紅外光譜的應用範圍，提高國產儀器的市場佔有率，就可以提高生產企業的積極性，進而提高儀器的品質，這是一個相互制約的關係，反之，沒有市場佔有率，空談國產儀器的質量是無意義的。

　　(4)無標準就無法推廣

　　近紅外光譜分析技術是一種實用技術，只有在生產實際中得到很好的應用才是該技術的真正出路。要在行業中得到推廣，必須要得到政府職能部門的幫助。目前，近紅外光譜的國家標準非常少，該技術還停留在企業內部的質量控制體系中，很多情況下得出的檢測數據不被行業認可。因此，儘快出臺相關國家標準，得到行業的認可，才能擴大近紅外光譜分析技術的應用範圍。在這方面，行業協會、專業學會大有可為，他們的工作對加快近紅外光譜儀器的國產化進程起著巨大的作用。

　　(5)加強分析技術的基礎研究

　　雖然經過了科研工作者多年的努力，但是近紅外光譜分析技術存在的一些問題並沒有從根本上得到解決，許多時候還是靠經驗或就事論事。如：在信息提取方面，如何評價某種光譜預處理效果的優劣?至今尚未看到從理論上進行評價的公認方法，還是僅僅通過後續的建模效果(在某種建模方法下)的比較得出採用何種預處理方法較好的結論，顯然這是一種「盲人摸象」的方法;在校正集樣品和預測集樣品劃分上，怎樣的劃分方法，怎樣的劃分比例，怎樣的數據範圍?等等問題的解決方法基本還是停留在經驗的積累上̷̷

　　類似的問題很多，需要廣大科研工作者做仔細的工作，如果還是停留在「採用某種先進的儀器+某種光譜預處理方法+某種建模算法=解決某指標的檢測」這樣的試驗報告的形式上，對提高近紅外光譜技術的應用水平是沒有太大幫助的。

　　高端與專用並重，網絡化是方向

　　陳斌認為，目前近紅外光譜儀器正處在方興未艾的發展階段，綜合比較國外先進儀器，以下幾個方面或許是近期國產近紅外光譜器發展的趨勢：

　　(1)傅立葉變換型依然是主流產品

　　目前研究型的近紅外光譜儀器基本都屬於傅立葉型，傅立葉變換硬體技術要求高，我國至今不能獨立開發生產該類儀器。國內的傅立葉變換近紅外儀器市場份額95%以上被國外進口品牌佔有。

　　傅立葉變換型儀器由於採用雷射定位，波長的穩定性好、光譜解析度高、光通量大，可以最大限度地減少儀器之間的臺間差，在光譜標準化方面具有獨特的優越性，便於校正模型在多臺儀器之間轉移，甚至可以在不同公司的儀器間轉移。但是傅立葉變換型儀器的建模技術要求高，價格相對較高;使用對象主要集中在高校、研究所，以及有實力的行業(藥監、菸草、出入境、石油、軍工等)。這類儀器的前期研發投入比較大，而且需要長時間的技術積累，其國產化需要有國家政策支持，憑企業自身的力量發展則需要較長時間。

　　(2)小型化、專用化、便攜化是發展方向

　　為了滿足生產過程中各種需求，需要開發各式各樣的實用儀器，千萬不能採用「一機多用」的思維模式，這樣不但浪費了資源，也使得儀器不能面面兼顧，往往使得儀器不能工作在最佳工作點。

　　小型化——為了節省空間，便於在線安裝;

　　專用化——可以最大限度提高儀器的性能，滿足特定內容的檢測。生產過程中有許多環節只要檢測幾個參數，有時甚至只需要檢測一個參數，研發專用儀器無論是使用成本、檢測精度，還是穩定性和可靠性都會得到大大的提高;

　　便攜化——滿足野外現場、突發事件的檢測，這類儀器不但要考慮儀器的基本指標，還到考慮能耗問題，特別是光源的能耗，同時還需考慮累積工作時間、抗振動、工作環境等。

　　(3)智能化、網絡化、數據共享是儀器的內容

　　為了降低儀器對使用者要求，為了使儀器能在各種環境下始終工作在最佳工作點上，從儀器方面來講，就是使儀器本身聰明起來，能主動適應使用者和環境的變化，儀器的智能化是所有分析儀器發展的最基本要求。

　　網絡儀器的出現使分析儀器從有形變成了無形，對於實驗室儀器已經形成「固定場所使用的分析儀器+電腦+網絡=網絡儀器」的新概念;對於移動的、現場的便攜儀器也應該形成「移動式分析儀器+移動控制平臺+行動網路=移動雲儀器」的新概念。我們更希望出現「光譜傳感器+手機控制平臺+行動網路=移動雲光譜檢測系統」這樣的使用方便、簡潔的新型儀器系統。網絡儀器不但使得儀器的開發周期縮短，大大節約儀器的成本，也真正意義上達到了數據共享、資源共享和人才共享。可以說從某種意義上講，分析儀器更需要網絡技術，更需要雲服務系統;近紅外光譜分技術最需要網絡儀器，最需要移動雲光譜檢測系統。

　　近紅外分析的特殊性(不是只學會使用儀器)，要求使用者都學會化學計量學是不現實的，數據共享是充分發揮近紅外儀器性能的最好方案，可以能讓一位精通數據處理和光譜分析的高手遠程為異地一臺或多臺儀器的使用者提供及時準確地服務。

　　(4)團結、合作、互利、共贏的大聯合推動近紅外光譜分析技術的發展

　　近紅外光譜分析技術涉及到化學、數學、計算機應用、信號處理、物理光學、光譜儀器和行業專業知識，所以這項技術的發展需要多方面的人才參與，希望大家能本著團結、合作、互利、共贏的共識，組成真正意義上的聯合研究團隊，才能在較短的時間內，共同推動我國的近紅外光譜分析技術的快速發展，才能研發出適合中國國情的能個用於行業的近紅外光譜儀器，推動該技術的實用化研究的進程。

合影

採訪編輯：劉豐秋

 

　　附錄：陳斌教授簡歷

　　陳斌，男，江蘇鎮江人，1960年6月生，教授，博士生導師。中國農業機械學會收穫加工機械分會常務理事，第七、八屆儀器儀表學會分析儀器分會理事，中國儀器儀表學會光學儀器學會、物理光學儀器專業委員會副主任委員、近紅外光譜專業委員會理事，列屆全國近紅外光譜分析與應用大會學術委員會委員。

　　主要學習經歷：

　　1978年2月至1982年2月 鎮江農機學院機械製造工藝、設備及自動化專業本科學習，獲得工學學士學位;

　　1986年9月至1990年7月 江蘇工學院農產品加工與貯藏專業碩士研究生學習，獲得工學碩士學位;

　　1996年9月至2001年6月 江蘇理工大學農產品加工與貯藏專業博士研究生學習，獲得工學博士學位。

　　主要工作經歷：

　　1983年9月，鎮江農業機械學院，任助教;

　　1987年10月，江蘇工學院，農機學院 ，任講師;

　　1996年7月，江蘇理工大學，農機學院，任副教授;

　　1997年7年，江蘇理工大學，農機學院，任碩士生導師;

　　2004年10月， 江蘇大學，生物與環境學院，任教授;

　　2005年12月，食品與生物工程學院，任博士生導師。

　　1982年2月從鎮江農機學院畢業後留校從事教學和科研工作，從1986年來一直從事農產品品質的光學檢測方法的研究，擔任本科和研究生的農產品品質無損快速檢測、食品加工機械與設備、光電技術基礎、光譜分析、分析儀器等課程，其中《食品加工機械與設備》2008年獲國家精品課程榮譽，2004年獲江蘇大學優秀課程教學成果獎，博士研究生階段的論文題目是《液態食品品質的近紅外光譜分析技術》。工作以來從事過相關課題20餘項，其中國家自然科學基金3項，「863」項目1項，國家教委博士基金2項，現主持國家自然基金面上項目2項，江蘇省重大成果轉化項目1項，鎮江市科技項目3項，企業委託項目3項。近5年發表第一作者的相關文章共計40餘篇，其中被SCI收錄10篇，EI收錄18篇，主編國家「11.5」，「12.5」規劃教材《食品加工機械與設備》2部，主編專著《食品與農產品快速無損檢測新技術》1部。擁有實用新型專利4項，申請發明專利2項，軟體著者權登記1項。

　　自1996年開始從事近紅外光譜分析技術在食品與農產品品質檢測中的應用研究，先後利用近紅外光譜分析技術檢測了穀物、調味品、植物油、飲料、紡織品等物料的主要品質指標，2006年創辦了國內第一家近紅外光譜分析技術的專業技術網站《中國近紅外光譜分析與儀器協作網(www.chinanir.com)》，10年來在近紅外光譜分析技術的理論與應用研究的水平在國內從事該技術研究的同行中得到大家的認可，作為學術委員會委員參加了全國第一、二、三、四屆近紅外光譜分析技術學術研討會並做大會報告。目前的研究方向主要是食品與農產品快速無損檢測技術和智能光譜分析儀器的研發，近5年來共指導研究生25餘名，其中博士2名，食品科學與工程方向的碩士研究生22名，測試計量技術及儀器方向研究生6名。