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国产近红外光谱仪器与应用发展
来源:www.zgmxshyjy.com 作者: 合金分析仪厂家

国产近红外光谱仪器与应用发展“诊断”——访江苏大学陈斌教授

       江苏大学陈斌教授团队自从1996年以来一直从事近红外光谱分析技术在食品和农产品品质快速检测中的应用研究。日前,仪器信息网编辑采访了陈斌教授,探讨了国产近红外光谱仪器发展的现状。
  近红外光谱仪器已走过近50年的发展历程,在这50年的时间里,仪器从设计到性能以及测量方法都发生了巨大的变化。近年来,近红外光谱仪器的数字化程度不断提高,配备功能强大的计算机和化学计量学分析软件,使其得到更为广泛的应用。尤其在欧美等发达国家,近红外光谱仪器已被视为品质管理实验中必备的仪器。

  然而,在仪器硬件方面,我国虽然取得了一定成绩,但与国际先进水平相比还存在相当大的差距,例如仪器的主要核心部件还依赖于进口、用于测量不同类型样品的附件不够完善、光谱仪整体性能指标和智能化水平有待提高等。

  江苏大学陈斌教授团队自从1996年以来一直从事近红外光谱分析技术在食品和农产品品质快速检测中的应用研究。日前,仪器信息网编辑采访了陈斌教授,探讨了国产近红外光谱仪器发展的现状,陈斌教授直言了国产仪器与进口之间的差距、国产仪器发展存在的“瓶颈”,乃至未来发展方向等问题。

江苏大学教授 陈斌

  国产近红外光谱与进口相比仍有差距

  1990年代开始,国内也开始了一些近红外光谱仪器的生产。经过近30年的发展,目前国内生产近红外光谱仪的厂家越来越多,如聚光科技、北分瑞利、华夏科创、上海棱光、南京中地、凯元盛世、长光思博等。但是,陈斌认为,“上述这些企业生产的近红外光谱仪器都未达到稳定批量生产的水平,其主要原因并不是没有批量生产的能力,而是所有生产企业都不具备批量生产的销售量。”

  “国产近红外光谱仪器的稳定性,特别是长期稳定性与国外知名公司的仪器相比尚有很大的差距;信噪比也不尽人意;另外,近红外光谱仪器在标准化、模型传递、物联网、技术标准、应用示范等关键理论或技术方面,还急需加强研发。这些在近红外光谱分析中最基础的要求制约着国产仪器在实际生产中的应用。”陈斌说。

  关于国产近红外光谱仪器与进口仪器的差距,陈斌认为主要有以下几个方面:

  (1)国产近红外光谱仪器长期稳定性差、信噪比精度差、测量附件种类少、功能单一、软件的人性化不够理想,科研院所等应用单位不愿接受国产近红外光谱仪器;

  (2)国产近红外光谱仪器基本上还是采用传统的一般光谱仪器的制造工艺,缺少一定的光学器件、电子元器件的筛选、配对检测平台,这些因素累积到整机上就造成了可靠性差、信噪比差,不能满足近红外光谱分析的一些基本要求;

  (3)应用行业对近红外光谱分析技术的理解不够,仪器企业不具备针对用户要求建立校正模型的能力,仪器使用人员基础知识欠缺,不具备模型的二次开发能力。另外,进口仪器公司的销售人员往往也是应用工程师,具备售前制定方案、售中指导建立校正模型、售后负责模型维护和仪器维护的能力;而国内仪器公司的销售人员与应用脱节,这些都制约着国产近红外仪器市场份额的扩大。

  生产积极性不高、标准制定严重滞后

  2012年,我国召开了题为“我国近红外光谱分析关键技术问题、应用与发展战略”的香山科学会议,可见国家对近红外光谱仪器发展的重视。发现问题,才能解决问题,所以,首先需要找出国产近红外光谱仪器发展中存在哪些亟需突破的“瓶颈”;对于这些“瓶颈”,应该如何做,才能快速提高国产近红外光谱仪器与应用的水平和规模?

  关于国产近红外光谱仪器发展中的“瓶颈”及其解决方法,陈斌认为:

  (1)大多数科研人员和使用者理解不到位

  近红外光谱分析技术在国内的研究工作已经有了近30年的历史,但是由于绝大多数处在实验室研究阶段,还有不少研究人员对其应用能力理解不到位,未能就充分发挥其特点进行研究,造成了重论文发表、轻实际应用;重提高预测精度的算法研究、轻检测方法减少误差研究的现象。一般的使用者对于近红外光谱分析技术的实际应用理解不透彻,同时也不具备二次开发、二次应用的能力。这两方面的原因使得国内近红外光谱分析技术暂时还不能广泛推广到生产实际中去。

  (2)无模型就无法应用

  近红外光谱分析技术能否应用到生产实际的关键是要有稳定、可靠的校正模型,模型建立的基础是针对特定的物料、特定的检测指标进行的。仪器生产企业需要事先做好基础工作,才能保证用户购买仪器后立即用于生产实际,但是一般的仪器生产商并不能同时具备化学分析与化学计量学的能力。解决这个问题的关键是需要广大从事近红外光谱技术研究的科研工作者起到桥梁的作用,扎扎实实为仪器生产企业、广大的用户建立大量的、实用的校正模型,同时还需要提供模型的维护。

  (3)无批量就无质量

  仪器质量的提高不是一朝一夕就能彻底解决的,除了设计、每个环节的质量保证体系外,作为生产企业需要有一定生产批量的保证,才能积累大量的生产经验,才能改进制造工艺,才能建立必须的工艺过程检测平台,最终达到提高仪器的品质的目的。因此,扩大近红外光谱的应用范围,提高国产仪器的市场占有率,就可以提高生产企业的积极性,进而提高仪器的品质,这是一个相互制约的关系,反之,没有市场占有率,空谈国产仪器的质量是无意义的。

  (4)无标准就无法推广

  近红外光谱分析技术是一种实用技术,只有在生产实际中得到很好的应用才是该技术的真正出路。要在行业中得到推广,必须要得到政府职能部门的帮助。目前,近红外光谱的国家标准非常少,该技术还停留在企业内部的质量控制体系中,很多情况下得出的检测数据不被行业认可。因此,尽快出台相关国家标准,得到行业的认可,才能扩大近红外光谱分析技术的应用范围。在这方面,行业协会、专业学会大有可为,他们的工作对加快近红外光谱仪器的国产化进程起着巨大的作用。

  (5)加强分析技术的基础研究

  虽然经过了科研工作者多年的努力,但是近红外光谱分析技术存在的一些问题并没有从根本上得到解决,许多时候还是靠经验或就事论事。如:在信息提取方面,如何评价某种光谱预处理效果的优劣?至今尚未看到从理论上进行评价的公认方法,还是仅仅通过后续的建模效果(在某种建模方法下)的比较得出采用何种预处理方法较好的结论,显然这是一种“盲人摸象”的方法;在校正集样品和预测集样品划分上,怎样的划分方法,怎样的划分比例,怎样的数据范围?等等问题的解决方法基本还是停留在经验的积累上……

  类似的问题很多,需要广大科研工作者做仔细的工作,如果还是停留在“采用某种先进的仪器+某种光谱预处理方法+某种建模算法=解决某指标的检测”这样的试验报告的形式上,对提高近红外光谱技术的应用水平是没有太大帮助的。

  高端与专用并重,网络化是方向

  陈斌认为,目前近红外光谱仪器正处在方兴未艾的发展阶段,综合比较国外先进仪器,以下几个方面或许是近期国产近红外光谱器发展的趋势:

  (1)傅立叶变换型依然是主流产品

  目前研究型的近红外光谱仪器基本都属于傅立叶型,傅立叶变换硬件技术要求高,我国至今不能独立开发生产该类仪器。国内的傅立叶变换近红外仪器市场份额95%以上被国外进口品牌占有。

  傅里叶变换型仪器由于采用激光定位,波长的稳定性好、光谱分辨率高、光通量大,可以最大限度地减少仪器之间的台间差,在光谱标准化方面具有独特的优越性,便于校正模型在多台仪器之间转移,甚至可以在不同公司的仪器间转移。但是傅里叶变换型仪器的建模技术要求高,价格相对较高;使用对象主要集中在高校、研究所,以及有实力的行业(药监、烟草、出入境、石油、军工等)。这类仪器的前期研发投入比较大,而且需要长时间的技术积累,其国产化需要有国家政策支持,凭企业自身的力量发展则需要较长时间。

  (2)小型化、专用化、便携化是发展方向

  为了满足生产过程中各种需求,需要开发各式各样的实用仪器,千万不能采用“一机多用”的思维模式,这样不但浪费了资源,也使得仪器不能面面兼顾,往往使得仪器不能工作在最佳工作点。

  小型化——为了节省空间,便于在线安装;

  专用化——可以最大限度提高仪器的性能,满足特定内容的检测。生产过程中有许多环节只要检测几个参数,有时甚至只需要检测一个参数,研发专用仪器无论是使用成本、检测精度,还是稳定性和可靠性都会得到大大的提高;

  便携化——满足野外现场、突发事件的检测,这类仪器不但要考虑仪器的基本指标,还到考虑能耗问题,特别是光源的能耗,同时还需考虑累积工作时间、抗振动、工作环境等。

  (3)智能化、网络化、数据共享是仪器的内容

  为了降低仪器对使用者要求,为了使仪器能在各种环境下始终工作在最佳工作点上,从仪器方面来讲,就是使仪器本身聪明起来,能主动适应使用者和环境的变化,仪器的智能化是所有分析仪器发展的最基本要求。

  网络仪器的出现使分析仪器从有形变成了无形,对于实验室仪器已经形成“固定场所使用的分析仪器+电脑+网络=网络仪器”的新概念;对于移动的、现场的便携仪器也应该形成“移动式分析仪器+移动控制平台+移动网络=移动云仪器”的新概念。我们更希望出现“光谱传感器+手机控制平台+移动网络=移动云光谱检测系统”这样的使用方便、简洁的新型仪器系统。网络仪器不但使得仪器的开发周期缩短,大大节约仪器的成本,也真正意义上达到了数据共享、资源共享和人才共享。可以说从某种意义上讲,分析仪器更需要网络技术,更需要云服务系统;近红外光谱分技术最需要网络仪器,最需要移动云光谱检测系统。

  近红外分析的特殊性(不是只学会使用仪器),要求使用者都学会化学计量学是不现实的,数据共享是充分发挥近红外仪器性能的最好方案,可以能让一位精通数据处理和光谱分析的高手远程为异地一台或多台仪器的使用者提供及时准确地服务。

  (4)团结、合作、互利、共赢的大联合推动近红外光谱分析技术的发展

  近红外光谱分析技术涉及到化学、数学、计算机应用、信号处理、物理光学、光谱仪器和行业专业知识,所以这项技术的发展需要多方面的人才参与,希望大家能本着团结、合作、互利、共赢的共识,组成真正意义上的联合研究团队,才能在较短的时间内,共同推动我国的近红外光谱分析技术的快速发展,才能研发出适合中国国情的能个用于行业的近红外光谱仪器,推动该技术的实用化研究的进程。

采访编辑:刘丰秋

  附录:陈斌教授简历

  陈斌,男,江苏镇江人,1960年6月生,教授,博士生导师。中国农业机械学会收获加工机械分会常务理事,第七、八届仪器仪表学会分析仪器分会理事,中国仪器仪表学会光学仪器学会、物理光学仪器专业委员会副主任委员、近红外光谱专业委员会理事,列届全国近红外光谱分析与应用大会学术委员会委员。

  主要学习经历:

  1978年2月至1982年2月 镇江农机学院机械制造工艺、设备及自动化专业本科学习,获得工学学士学位;

  1986年9月至1990年7月 江苏工学院农产品加工与贮藏专业硕士研究生学习,获得工学硕士学位;

  1996年9月至2001年6月 江苏理工大学农产品加工与贮藏专业博士研究生学习,获得工学博士学位。

  主要工作经历:

  1983年9月,镇江农业机械学院,任助教;

  1987年10月,江苏工学院,农机学院 ,任讲师;

  1996年7月,江苏理工大学,农机学院,任副教授;

  1997年7年,江苏理工大学,农机学院,任硕士生导师;

  2004年10月, 江苏大学,生物与环境学院,任教授;

  2005年12月,食品与生物工程学院,任博士生导师。

  1982年2月从镇江农机学院毕业后留校从事教学和科研工作,从1986年来一直从事农产品品质的光学检测方法的研究,担任本科和研究生的农产品品质无损快速检测、食品加工机械与设备、光电技术基础、光谱分析、分析仪器等课程,其中《食品加工机械与设备》2008年获国家精品课程荣誉,2004年获江苏大学优秀课程教学成果奖,博士研究生阶段的论文题目是《液态食品品质的近红外光谱分析技术》。工作以来从事过相关课题20余项,其中国家自然科学基金3项,“863”项目1项,国家教委博士基金2项,现主持国家自然基金面上项目2项,江苏省重大成果转化项目1项,镇江市科技项目3项,企业委托项目3项。近5年发表第一作者的相关文章共计40余篇,其中被SCI收录10篇,EI收录18篇,主编国家“11.5”,“12.5”规划教材《食品加工机械与设备》2部,主编专著《食品与农产品快速无损检测新技术》1部。拥有实用新型专利4项,申请发明专利2项,软件著者权登记1项。

  自1996年开始从事近红外光谱分析技术在食品与农产品品质检测中的应用研究,先后利用近红外光谱分析技术检测了谷物、调味品、植物油、饮料、纺织品等物料的主要品质指标,2006年创办了国内第一家近红外光谱分析技术的专业技术网站《中国近红外光谱分析与仪器协作网(www.chinanir.com》,10年来在近红外光谱分析技术的理论与应用研究的水平在国内从事该技术研究的同行中得到大家的认可,作为学术委员会委员参加了全国第一、二、三、四届近红外光谱分析技术学术研讨会并做大会报告。目前的研究方向主要是食品与农产品快速无损检测技术和智能光谱分析仪器的研发,近5年来共指导研究生25余名,其中博士2名,食品科学与工程方向的硕士研究生22名,测试计量技术及仪器方向研究生6名。

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