珀金埃爾默近紅外光譜技術及應用全解析

　　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，我們特別邀請了珀金埃爾默公司中國區材料表徵產品線經理華瑞給大家分享他對近紅外光譜技術以及其應用發展的理解。

珀金埃爾默公司中國區材料表徵產品線經理 華瑞博士

　　華瑞，分析化學博士，進入分析儀器行業10年，具有豐富的理論和應用經驗，主要從事材料表徵產品的應用、開發和推廣。

　　PerkinElmer近紅外產品與技術詳解

　　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？在產品的發展過程中有哪些獨具優勢的技術？

　　華瑞：PerkinElmer公司在光學領域一直處於世界領先地位，在近紅外光譜儀和圖像儀的研發中，也一直體現了業界的最高性能標準。無論是光譜儀還是圖像儀，指標和性能都是業界領先的，因此受到科研領域專家學者的青睞。

　　1993年，PerkinElmer推出世界第一臺傅立葉變換型的近紅外光譜儀，大大提升了近紅外儀器的精度、準確度和靈敏度，是一次技術飛躍；2001年，推出世界上第一套傅立葉變換陣列檢測器近紅外顯微圖像系統，可以快速分析樣品中微米級別的成分分布信息，大大擴展了近紅外技術的應用領域。

　　PerkinElmer近紅外的麥可遜幹涉儀，採用DynaScan專利技術，將所有的光學器件固定在光譜平臺上，光譜採集過程中沒有動鏡的水平移動，而是光學平臺的轉動。這種設計克服了可能出現的切變和傾斜造成的光譜偏差，使儀器的長期穩定性和抗振動性能都大大提升。儀器內部配有多種標準物質，可以在需要的時候進行儀器橫縱坐標準確性和噪音的性能確認，保證儀器正常工作狀態。特別是可溯源的甲烷氣體，可對每張光譜自動進行AVI(Absolute Virtual Instrument)校正，除了保證橫坐標的更好準確度，還對整體的光譜峰型進行校準，使不同儀器、不同機型的數據都是一致的，大大提升了模型的通用性。

圖1.PerkinElmer專利的幹涉儀設計；

圖2.儀器內置標準物質，軟體自動調用進行性能認證

　　PerkinElmer近紅外光譜儀可單獨使用，也可升級成近紅外圖像儀，獲取樣品的微觀分布信息。近紅外圖像儀包括近紅外光譜儀和圖像系統，可自動掃描樣品區域，獲得不同空間解析度的近紅外特徵信息。所有的操作都是自動化，包括聚焦、可見光照明、切換掃描模式、切換空間解析度、數據主成分分析等。還可升級成中近紅外光譜儀和圖像儀，成為多功能的樣品分析系統。

　　2014年底，PerkinElmer公司收購了瑞典波通公司，又大大豐富了近紅外產品線。波通近紅外採用最新一代固定光柵二極體陣列分光技術，可應用於實驗室或生產車間的旁線，或在線近紅外作為過程分析的一部分。波通在15年前就開始使用在線近紅外檢測黃油奶酪產品，積累了大量經驗，是業界在線近紅外的首選方案提供商。

　　儀器信息網：目前貴單位主推的產品?

　　華瑞：目前PerkinElmer近紅外光譜儀有傅立葉變換型的Frontier和Spectrum Two N，光柵型的DA7250，DA7440等。

 

圖3. Frontier近紅外光譜儀；圖4.Spectrum Two N近紅外光譜儀

　　Frontier近紅外於2011年推出，光譜範圍、信噪比、解析度、精度等主要指標都是業界領先水平，還可以拓展為中/近紅外光譜儀和圖像儀，適合於樣品種類多、研究水平高的高校等科研單位。

　　Spectrum Two N為2018年推出的最新產品，是單獨的近紅外光譜儀，其性能指標同Frontier一樣，都是業界最好水平，並得益於其結構緊湊、功能專一的特點，特別適合企業用戶。

 

圖5. Spotlight近紅外圖像儀；圖6. DA7250近紅外光譜儀

　　近紅外圖像儀型號為Spotlight 400，主要面向客戶為高校等科研單位，其強大的功能和卓越的性能使其一直是微觀近紅外分析的首選設備。它由Frontier擴展而成，兼具常規樣品和微觀樣品的分析能力。其空間解析度最高可達6.25µm，可進行透射和反射模式測試，具有自動切換測試模式、自動聚焦、自動照明、自動切換空間解析度、自動進行主成分分析數據等先進功能。整套儀器無透鏡，採用全反射光學元件，是真正的高端近紅外儀器。

　　DA7250是採用最新一代固定光柵二極體陣列分光技術的光譜儀，採用電致冷銦鎵砷檢測器和靈敏度最高的J22材料，檢測精度高，內置氙燈作為波長基準，內置參考板作為能量基準，可以保證儀器長期使用的穩定性。DA7250檢測樣品時無需通過石英介質，樣品間無需清理也不會產生交叉汙染，對於粘稠，高油等難清理樣品無需清理，使用簡便。 

圖7. DA7440在線近紅外光譜儀

　　在線近紅外光譜儀DA7440，採用全防護等級設計( SD )，滿足IP 67 & 69k標準，使用特氟龍塗層鋁部件，藍寶石檢測窗口，清理容易。內置不鏽鋼空氣過濾器和空氣泵。在線顯示屏為12英寸觸控螢幕，IP 65防護等級，嵌入式網絡瀏覽器，網線或者無線網連接網絡，軟體內置取樣按鈕。

　　食用油和醫藥領域的應用是目前主要開發方向

　　儀器信息網:貴公司近紅外光譜儀應用最具優勢的領域?

　　華瑞：得益於優異的性能和強大的擴展性，PerkinElmer公司近紅外產品在科研領域的優勢巨大，可以提供一系列的解決方案：

　　在飼料領域，比如飼料中動物源性成分的檢測，比利時Wallon 農業研究中心(CRA-W)，義大利Ispra 的健康和消費者保護研究所(IHCP)以及比利時Geel 的標準物質與測量研究所(IRMM)等三家歐盟實驗室，使用PerkinElmer Spotlight近紅外圖像系統對動物飼料樣品沉澱物中圍巾肉骨粉進行了研究，並通過了盲樣測試。中國農業大學工學院楊增玲教授課題組，也做了大量細緻的工作。中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所和PerkinElmer公司合作，開發了不同載體預混合飼料中維生素E 近紅外光譜模型，為近紅外分析方法在預混合飼料維生素檢測方面的實際應用提供有益的參考。

　　在天然產物領域，清華大學孫素琴教授課題組使用Frontier近紅外光譜儀，對多種藥材(如牛膝、丹參、白芷)進行了產地和品種鑑別，對藥材中有效成分(如牛膝中蛻皮甾酮、杜仲中松脂醇和二葡萄糖苷等)進行定量研究，均獲得了良好效果。孫教授課題組還使用Spotlight紅外圖像系統，對銀杏葉和茯苓等藥材進行了微觀分析，獲得不同成分的分布狀態。國際竹藤中心、中國林業科學院等單位，也使用Spotlight進行天然產物的微觀分析。北京中醫藥大學的吳志生教授，使用Spotlight對中成藥成分的微觀分布也做了大量研究。

　　在食用油領域，PerkinElmer公司和國內著名的企業合作，在Spectrum Two N上開發建立了一系列的指標模型，除了最終產品的QAQC，還對生產過程中的重要指標進行了快速分析，如毛油的酸價、水分和含磷量，這些指標用於判斷大豆原油的酸敗程度，並為後邊鹼煉工序提供添加物料用量的依據。油脂的含磷量是很重要的一個指標，會影響油脂的色澤和透明度，國標方法(GB5009.87—2016鉬藍比色法)需要7~8個小時才能測試一個數據，對生產過程失去了監控作用。目前開發的含磷量模型，其偏差已經小於15ppm，滿足了企業的實際需求。

　　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？有哪些新的解決方案?

　　華瑞：在近紅外領域，PerkinElmer公司目前的主要開發方向是食用油和醫藥。食用植物油與人們生活密切相關, 既是人體的重要能源和營養源, 也是食品生產加工中的重要原料，因此食用油的質量控制格外重要。國家發布了食品安全國家標準，用於控制和測定食用油的各項指標，如酸價、含水量、含磷量等。但這些實驗，都需要對樣品進行前處理，使用多種化學試劑，操作時間較長，耗費大量的人力物力，而且不能快速得到實驗結果指導生產。不少食用油加工企業已經在使用近紅外快速檢測原料的品質，有一定的近紅外基礎，對油脂近紅外設備有強烈的興趣。目前市場上有一些近紅外油脂分析設備，但實際使用效果一般，基本只能對碘值進行預測，對食用油生產企業意義不大。PerkinElmer Spectrum Two N近紅外光譜儀憑藉良好的性能，已經和一些著名的油脂企業合作，開發了大豆油不同生產階段的酸價、含水量、含磷量等，並得到了企業的認可。我們正在加緊和更多的企業合作，進一步優化現有模型，並開發更多對企業有真正幫助作用的模型方法。

　　醫藥領域中，國家新近推行的帶量採購政策，要求中標品種需要採用近紅外光譜建模跟蹤檢測方式對每批次進行監測，這對近紅外光譜儀的銷售是一個利好。PerkinElmer公司在製藥行業有很好的客戶基礎，加上近紅外光譜儀光學性能好，附件種類多的特點，我們已經和一些藥企進行了合作測試和方法開發，重複性和準確性非常高。我們推薦主機+漫反射NIRA附件的配置。NIRA採用了小角度鏡面反射收集機制，由於平面反射鏡的加工精度大大高於球體內部鍍膜，可以製成非常均勻的一致性非常高的反射鏡片，避免了傳統積分球鍍層均勻性和一致性差造成的光譜偏差，這保證了數據測試可以在不同的NIRA的傳遞，在一臺機器上的數據和模型可以應用到其它儀器。小角度測量，還克服了樣品高度和位置對譜圖的影響，並減少了雜散光進入檢測器，提高了測試的重複性和精密度。

　　近紅外行業看點：小型化、專業化、在線化、網絡化……

　　儀器信息網:從儀器發展及應用的角度分析，您認為目前近紅外光譜儀走到了哪一個階段?有哪些先進的技術值得大家關注?又有哪些制約因素?

　　華瑞：經過近些年儀器硬體和軟體的發展，近紅外光譜儀已經得到了長足的進步，也得到了很好的應用。小型化、專業化、在線化、網絡化是未來近紅外光譜儀應用的發展方向。不過，如何提高近紅外光譜儀的準確度、精度、對不規則樣品和低含量指標的分析能力，仍是目前面臨的一個挑戰。此外，自動優化、自動建模等基於大數據的軟體，也是一個需要解決的問題。

　　儀器信息網:請分析目前全球及中國近紅外光譜市場的發展態勢有何不同?

　　華瑞：國外近紅外儀器的研發比中國早，水平也相對較高。在小型近紅外光譜儀方面，也處於領先地位。相對來說，我國近紅外光譜儀研製時間較短，而且基本上是光柵型儀器，精度和靈敏度均受限。當前，我國科研型的近紅外儀器基本都是進口的，而化工、醫藥、食品等領域中一些規模較小的企業是國產儀器的主要市場。

　　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?

　　華瑞：目前近紅外主要的應用領域包括：石油及石油化工、基本有機化工、精細化工、冶金、生命科學、製藥、醫學臨床、農業、食品、飲料、菸草、紡織、造紙、化妝品、質量監督、環境保護、高校及科研院所等。

　　隨著各個行業自動化需求的提高，工藝和成本的控制更加嚴格，在食品、化工等行業會有持續的購買需求。國家醫藥帶量採購的政策，也會促使更多的藥企購買近紅外光譜儀。比如，在石化領域可測定油品的辛烷值、族組成、十六烷值、閃點、冰點、凝固點、餾程、MTBE含量等;在農業領域可以測定穀物的蛋白質、糖、脂肪、纖維、水分含量等;在醫藥領域可以測定藥品中有效成分，組成和含量;亦可進行樣品的種類鑑別，如酒類和香水的真假辨別，環保廢棄物的分檢等。