在慶祝《Spectroscopy》創(chuàng)刊30周年之際，該刊邀請(qǐng)多位近紅外光譜技術(shù)領(lǐng)域的專家評(píng)論該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。

　　盡管近紅外光譜不屬于特別靈敏的分析技術(shù)，但由于該技術(shù)具有不需要樣品預(yù)處理的特點(diǎn)，其非常適合于過(guò)程監(jiān)測(cè)、材料科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。該刊邀請(qǐng)了多位本領(lǐng)域的專家就近紅外光譜技術(shù)新進(jìn)展、近紅外使用者面臨的挑戰(zhàn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)論。

　　過(guò)去十年近紅外光譜技術(shù)新進(jìn)展

　　專家們認(rèn)為近紅外光譜技術(shù)最新進(jìn)展主要是新成像系統(tǒng)和儀器的小型化。

　　Pierre Dardenne是比利時(shí)瓦隆農(nóng)業(yè)研究中心的部門主任，他認(rèn)為近紅外技術(shù)的兩大進(jìn)展是高光譜成像和便攜式儀器。Gary McGeorge是百時(shí)美施貴寶公司(bristol-myers squibb)的高級(jí)首席科學(xué)家，他贊同Dardenne關(guān)于高光譜成像重要性的觀點(diǎn)�！俺上窆庾V儀和高光譜成像儀的商品化和應(yīng)用是近紅外領(lǐng)域過(guò)去十年的顯著性變革”，他說(shuō)，“成像技術(shù)可以給出藥物中成分的微觀分布信息，為進(jìn)一步了解該藥物的功效提供幫助�！�

　　McGeorge指出，這些成像儀器除了用于藥品分析外，還可與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合用于農(nóng)業(yè)和食品加工領(lǐng)域。他說(shuō)：“如果分析時(shí)只需要幾個(gè)波長(zhǎng)，這些成像系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)得到實(shí)時(shí)的圖像，這在以前是不可能的事�！�

　　Benoit Igne是葛蘭素史克(GSK)公司的首席科學(xué)家，也是近紅外光譜學(xué)會(huì)(Council for Near-Infrared Spectroscopy)主席當(dāng)選人，他認(rèn)為主要的進(jìn)展是近紅外系統(tǒng)的小型化。他說(shuō)：“過(guò)去5–10年，近紅外最重要的進(jìn)展是市場(chǎng)上存在的低成本、小型、專用儀器，它們可以替代大型儀器用于研發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)等場(chǎng)合�！�Benoit Igne認(rèn)為微型FT-NIR、MEMS-NIR、LVF-NIR可用于先前研究級(jí)儀器所應(yīng)用的領(lǐng)域，例如實(shí)時(shí)分析、在線監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制。他補(bǔ)充說(shuō)：“這類儀器的低成本特點(diǎn)，甚至允許儀器在出現(xiàn)故障時(shí)換一臺(tái)新儀器，而不是維修，具備完全顛覆傳統(tǒng)儀器生命周期的能力�！�

　　局限與挑戰(zhàn)

　　下面專家們將討論當(dāng)前光譜學(xué)家在研發(fā)和使用近紅外光譜技術(shù)時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)，包括該技術(shù)的局限性以及使用該技術(shù)的困難性。

　　Benoit Igne說(shuō)：“使近紅外光譜這么令人關(guān)注，同時(shí)也是使其難以應(yīng)用的原因是近紅外光譜對(duì)樣品的基體非常敏感。”他指出，除非建立的模型經(jīng)過(guò)認(rèn)真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，否則所建立的模型極易受樣品基體的影響，例如樣品的顆粒度、密度、濕度和溫度，而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作通常需要大量的時(shí)間、精力和資金。Benoit Igne接著說(shuō)：“我們需要繼續(xù)做工作，以深入了解漫反射和透射的吸收和散射特性，以開(kāi)發(fā)出更有效的算法來(lái)消除基體對(duì)光譜的影響，從而提高模型的穩(wěn)健性。”

　　McGeorge認(rèn)同上述觀點(diǎn)，近紅外光譜技術(shù)的重大挑戰(zhàn)是建立穩(wěn)健的模型。他說(shuō)：“建立定量方法，必須保證模型的準(zhǔn)確性并且在多種變化的物理干擾物存在的情況下模型依舊穩(wěn)健。在建立藥物模型時(shí)，要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)模型的穩(wěn)健性非常昂貴。光譜學(xué)家需要掌握如何在最低資源消耗的條件下減少這些干擾物的影響�！彼�補(bǔ)充說(shuō)到，如果模型沒(méi)有能力適應(yīng)各種影響因素，我們很難讓企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者相信近紅外技術(shù)會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

　　McGeorge認(rèn)為藥物分析對(duì)近紅外模型有額外的穩(wěn)健性要求，這是因?yàn)樗幤�和其他口服制劑所用的輔料存在固有的易變性。他說(shuō)：“輔料經(jīng)常來(lái)源于天然產(chǎn)物，因此季節(jié)、地域和其他因素的變化會(huì)使這些材料在物化組成上的發(fā)生改變。這些變化常常會(huì)對(duì)近紅外光譜特征產(chǎn)生直接的影響，在模型建立和商務(wù)采購(gòu)談判過(guò)程中需要充分考慮這些變動(dòng)因素�！�

　　Igne認(rèn)為，儀器設(shè)計(jì)缺少一致性是近紅外光譜技術(shù)另一個(gè)重要問(wèn)題。他解釋說(shuō)：“由于儀器之間不一致，不能將一臺(tái)儀器上建立的模型直接應(yīng)用到另一臺(tái)儀器上，所以模型傳遞往往需要不小的投入并且可能會(huì)用到復(fù)雜的算法�！彼�認(rèn)為，對(duì)于傳統(tǒng)分析化學(xué)框架體系而言，這些建模和傳遞算法是主要的障礙。他補(bǔ)充說(shuō)：“許多近紅外使用者為了避免處理模型傳遞問(wèn)題，在推廣應(yīng)用時(shí)不得不采用建模時(shí)使用的那款儀器�！�

　　Dardenne談及了近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，他說(shuō)：“沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的模型到處可見(jiàn)，許多論文只給出了隨機(jī)交互驗(yàn)證結(jié)果，卻沒(méi)有給出獨(dú)立的驗(yàn)證結(jié)果�！彼�認(rèn)為，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)用，近紅外光譜的檢測(cè)限也是一個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)于小于0.1%含量的分析物，近紅外光譜通常無(wú)能為力。他說(shuō)：“由于內(nèi)部相關(guān)性，有些模型看上去很好，但待測(cè)組分的信息實(shí)際上被噪聲掩蓋了�！�

　　Igne補(bǔ)充道，在分析實(shí)驗(yàn)室近紅外方法還沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)可。他說(shuō)：“即使近紅外光譜方法被證明是成功的，但人們還是傾向于使用傳統(tǒng)的濕化學(xué)分析方法�！� Igne認(rèn)為，只有在線和實(shí)時(shí)信息成為企業(yè)的必需時(shí)，近紅外光譜技術(shù)才能得到迅速應(yīng)用。

　　人才的缺乏

　　近紅外光譜的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，面對(duì)寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，嚴(yán)重缺乏具備充足專業(yè)知識(shí)和技能的技術(shù)人員。因此，當(dāng)企業(yè)想采用近紅外技術(shù)時(shí)，很難找到可以勝任的人員幫助他們完成這些工作。McGeorge說(shuō)：“現(xiàn)在很難找到合適的人，簡(jiǎn)單通過(guò)招聘的方法幾乎不可能得到具有這方面技能的技術(shù)人員。”

　　McGeorge認(rèn)為造成人才缺乏的原因是：“在藥廠，PAT倡議計(jì)劃引起了學(xué)術(shù)上的廣泛興趣，探索使用光譜如何能更好地理解制藥配方和制藥過(guò)程�！钡���，很多學(xué)校只是使用現(xiàn)成的工具，而沒(méi)有掌握和理解建模背后的光譜儀器和數(shù)學(xué)算法。McGeorge說(shuō)：“而且，我認(rèn)為許多用戶被近紅外儀器銷售商的宣傳所左右，他們將該技術(shù)宣傳得非常容易，以打消用戶有關(guān)建立穩(wěn)健模型所使用復(fù)雜算法的顧慮�！币虼�，這些學(xué)校培養(yǎng)出的是缺乏光譜知識(shí)背景的藥劑師或工程師，McGeorge說(shuō)，這些學(xué)生進(jìn)入工作崗位時(shí)對(duì)光譜沒(méi)有足夠的理解。

　　Dardenne贊同在大學(xué)和高中階段進(jìn)行更多的關(guān)于近紅外光譜知識(shí)的教育，他介紹說(shuō)國(guó)際近紅外光譜學(xué)會(huì)Ana Garrido-Varo主席正在努力做這方面的事情。Dardenne說(shuō)，他們正在建一個(gè)用于近紅外光譜教學(xué)的虛擬平臺(tái)，不久就可以使用并且給學(xué)生提供學(xué)分。

　　如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

　　Igne認(rèn)為：“所有儀器制造商都在千方百計(jì)提高模型在不同儀器上的可傳遞性，我期待進(jìn)一步減少儀器制造時(shí)的差異，那時(shí)上述傳遞的方法會(huì)更有效�！钡�是，他預(yù)計(jì)模型傳遞問(wèn)題將持續(xù)到下一個(gè)十年。

　　對(duì)于樣品基體的影響，據(jù)Igne介紹，現(xiàn)在有不少團(tuán)隊(duì)正在深入研究散射和吸收現(xiàn)象，并著手開(kāi)發(fā)更好提取相關(guān)信息的算法。他說(shuō)：“我認(rèn)為在學(xué)術(shù)圈，這方面的研究將持續(xù)一段時(shí)間。”

　　對(duì)解決這一問(wèn)題，McGeorge看到了一些進(jìn)展�！半S著問(wèn)題的明確，化學(xué)計(jì)量學(xué)家正在研究一些絕妙的算法來(lái)解決這一問(wèn)題�！� McGeorge說(shuō)，“外部參數(shù)正交化(EPO)就是一個(gè)例子，該方法可以消除已知的系統(tǒng)干擾物的影響，保證所建模型對(duì)這類變動(dòng)是穩(wěn)健的。”他補(bǔ)充說(shuō)，該方法可以校正消除光譜儀或原材料的系統(tǒng)性變化，這些變化是由已知因素引起的。

　　McGeorge還介紹了另一種提高模型穩(wěn)健性的可能解決方法，“一種新的商品化技術(shù)，這種空間位移分析技術(shù)在一個(gè)區(qū)域照射樣品在另一個(gè)區(qū)域檢測(cè)信號(hào)�！彼�說(shuō)，“隨著這種技術(shù)的不斷成熟，有可能成為實(shí)施近紅外技術(shù)的一種完整解決方案，用于消除光譜中的物理擾動(dòng)信號(hào)，從而更容易建立更穩(wěn)健的模型�！�

Igne認(rèn)為，讓更多實(shí)驗(yàn)室采用近紅外光譜技術(shù)依賴于兩件事：讓使用者弄懂驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)學(xué)和簡(jiǎn)化建模步驟。他說(shuō)：“近紅外邁向更廣泛成功應(yīng)用的重要一步是讓非化學(xué)計(jì)量學(xué)專家更容易掌握該技術(shù)�！�

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　Dardenne說(shuō)：“近紅外光譜始于上世紀(jì)60年代Karl Norris在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的工作，我相信，農(nóng)業(yè)依舊是該技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是動(dòng)物飼用價(jià)值的測(cè)定�！� Igne同意這一觀點(diǎn)，認(rèn)為農(nóng)業(yè)包括農(nóng)作物、動(dòng)物、林業(yè)和土壤是近紅外最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　三位專家都同意制藥工業(yè)是當(dāng)前另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。“在制藥領(lǐng)域，制藥企業(yè)和監(jiān)管者已經(jīng)從連續(xù)生產(chǎn)解決方案中獲得了巨大的效益�！�McGeorge說(shuō)，“這一生產(chǎn)方式的改變要求對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，以保證生產(chǎn)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)并生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品�！�McGeorge進(jìn)一步指出，如果沒(méi)有像近紅外光譜這樣的無(wú)損測(cè)量技術(shù)用于每一個(gè)生產(chǎn)單元來(lái)確保藥物配方的一致性，這種生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變不會(huì)得到快速實(shí)施。

　　但是，Igne對(duì)近紅外在制藥工業(yè)中的應(yīng)用略持悲觀態(tài)度�！芭c已建立的傳統(tǒng)方法相比，監(jiān)管限制了近紅外光譜技術(shù)的使用。”他說(shuō)，“隨著監(jiān)管負(fù)擔(dān)的減輕，近紅外將會(huì)更容易地用于生產(chǎn)過(guò)程的常規(guī)控制中，類似于溫度和壓力傳感器。”

　　McGeorge認(rèn)為，最大的挑戰(zhàn)是正在盡力設(shè)計(jì)的全球監(jiān)管體系下的光譜解決方案，因?yàn)槊總�(gè)國(guó)家和地區(qū)都有自己的要求�！澳壳�，這些需求尚不明確，每位應(yīng)用者都需要與各自的衛(wèi)生主管部門進(jìn)行反復(fù)又艱難的協(xié)商�！彼�說(shuō)：“這些應(yīng)用的監(jiān)管路線圖尚不清晰�！钡���，McGeorge還是看到了已經(jīng)取得的進(jìn)展。他說(shuō)：“情況正在發(fā)生改變，EMA發(fā)布了在制藥工業(yè)應(yīng)用近紅外光譜的最終指南，FDA制定的指南草案正在審查中�！倍���，ASTM E55委員會(huì)正在積極制訂用于藥廠多個(gè)環(huán)節(jié)的光譜在線和旁線分析的標(biāo)準(zhǔn)方法。McGeorge說(shuō)：“通過(guò)這些努力，與早期的實(shí)施者相比，近紅外的實(shí)施藍(lán)圖將會(huì)變得更加清晰和容易�！�

　　專家們認(rèn)為生物醫(yī)學(xué)是近紅外光譜重要的新興應(yīng)用領(lǐng)域。 “近紅外光譜用于生物醫(yī)學(xué)分析的大部分理論(吸收信號(hào)與散射信號(hào)的分離)工作已經(jīng)完成，有望可以用來(lái)提高監(jiān)測(cè)腫瘤和控制血糖的能力�！�Igne說(shuō)，“近紅外光譜儀可以用在病人床邊，對(duì)患者來(lái)說(shuō)是重大的福音�！� Dardenne指出近紅外光譜用于生物醫(yī)學(xué)，必需進(jìn)行縝密的驗(yàn)證工作，一個(gè)小的錯(cuò)誤將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

　　Igne說(shuō)，在傳統(tǒng)的近紅外應(yīng)用領(lǐng)域，取樣和光譜采集方式的改進(jìn)使得該技術(shù)更高效，并在拓展新的應(yīng)用對(duì)象。他認(rèn)為，盡管在近紅外光譜技術(shù)基礎(chǔ)認(rèn)知方面已經(jīng)進(jìn)入成熟期，但依舊存在挑戰(zhàn)。Igne說(shuō)：“如何確保從過(guò)程分析界面獲取高品質(zhì)光譜以及如何從樣品中采集到最相關(guān)的信息，仍然是近紅外光譜技術(shù)所面臨的困難�！�

　　近紅外在生物制藥中的作用

　　近期制藥企業(yè)迅速轉(zhuǎn)向蛋白質(zhì)產(chǎn)品，這為近紅外光譜提供了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　“對(duì)生物制藥企業(yè)，將近紅外光譜用于過(guò)程分析，在上游監(jiān)測(cè)細(xì)胞的生長(zhǎng)，在純化過(guò)程表征蛋白質(zhì)，這可帶來(lái)很大的效益�！�Igne說(shuō)，“許多研究團(tuán)隊(duì)和企業(yè)已經(jīng)投入了大量時(shí)間和資金，將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于生物反應(yīng)器的監(jiān)控，并取得了成功�！�

　　“發(fā)酵對(duì)于近紅外來(lái)講是一個(gè)棘手的應(yīng)用”Dardenne提醒說(shuō)，“近紅外檢測(cè)的是NH鍵而不是大分子上NH的構(gòu)型�！彼�補(bǔ)充說(shuō)，近紅外光譜可用來(lái)測(cè)定一種確定的蛋白質(zhì)或氨基酸，近紅外結(jié)果必須與真實(shí)值進(jìn)行比較，不能表達(dá)為絕對(duì)值，而是要表達(dá)為相對(duì)于總氮含量的數(shù)值。

　　Igne和McGeorge指出，近紅外用于生物制藥領(lǐng)域的根本問(wèn)題是水的存在。McGeorge說(shuō)：“水在近紅外光譜區(qū)吸收很強(qiáng)且譜帶寬，在發(fā)酵過(guò)程中，水會(huì)降低近紅外光譜提供有效信息的能力�！�

　　近紅外光譜聯(lián)用技術(shù)

　　分析化學(xué)中，聯(lián)用技術(shù)通常是指將幾種獨(dú)立的分析技術(shù)組合到一起的檢測(cè)方法，例如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用或液相色譜-紅外聯(lián)用等。下面是專家們對(duì)近紅外聯(lián)用技術(shù)的觀點(diǎn)。

　　“我們課題組已將將近紅外和中紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，也把草料的近紅外光譜與糞便的近紅外光譜組合以更好地預(yù)測(cè)消化率�！�Dardenne說(shuō)，“我們期望著NIR–Raman便攜式聯(lián)用儀器，甚至NIR–Raman–XRF便攜式聯(lián)用儀器。”

　　Igne認(rèn)為近紅外成像的出現(xiàn)就是這類技術(shù)的實(shí)例。他說(shuō)：“盡管傳統(tǒng)的遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用，但是隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展，低成本的近紅外化學(xué)成像數(shù)據(jù)將會(huì)越來(lái)越多地用于農(nóng)業(yè)和自然資源管理領(lǐng)域。”他補(bǔ)充說(shuō)，近紅外化學(xué)成像也可用于食品工業(yè)(例如禽類和新鮮水果)和制藥工業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　未來(lái)的發(fā)展

　　專家們對(duì)近紅外光譜及其儀器的未來(lái)發(fā)展意見(jiàn)不一，但成本問(wèn)題卻是共同關(guān)注的。

　　“我期望低成本微型近紅外光譜系統(tǒng)能得到廣泛應(yīng)用，這些系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠像當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程中pH值探針或壓力傳感器一樣以常規(guī)方式得到應(yīng)用�！�McGeorge說(shuō)，“近期基于LVF的超小型光譜儀的商品化，就是一個(gè)證明實(shí)例。隨著這類儀器的不斷應(yīng)用，其局限性就會(huì)不斷暴露，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行改進(jìn)完善，從而進(jìn)一步應(yīng)用于更苛刻要求的場(chǎng)合�！彼�認(rèn)為隨著這類儀器成本的降低，近紅外光譜儀會(huì)在主流商店得到應(yīng)用，甚至有可能集成到手機(jī)上。

　　Dardenne提到了高光譜成像系統(tǒng)成本降低來(lái)帶影響，“就儀器而言，高光譜相機(jī)的價(jià)格將下降，使其可應(yīng)用于更多領(lǐng)域�！� Dardenne預(yù)測(cè)，高光譜成像系統(tǒng)將會(huì)像經(jīng)典儀器一樣得到實(shí)際應(yīng)用，但是它能夠檢測(cè)到更低含量水平的污染物;同時(shí)，高光譜成像系統(tǒng)將會(huì)與無(wú)人機(jī)集于一體。Dardenne 說(shuō)：“我們將會(huì)看到攜帶高光譜成像系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，用于提升精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)水平，更有效地使用化肥和農(nóng)藥。”

　　Igne認(rèn)為，近紅外光譜儀器應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，除了成本問(wèn)題，還要將儀器的分辨率、信噪比與儀器的穩(wěn)定性和耐用性綜合起來(lái)考慮。他認(rèn)為儀器公司將會(huì)沿著兩條路發(fā)展，“原有儀器公司將會(huì)繼續(xù)提升現(xiàn)有儀器系統(tǒng)的性能，而新儀器公司將會(huì)致力于設(shè)計(jì)針對(duì)特定應(yīng)用的專用型儀器，不像研發(fā)實(shí)驗(yàn)室所用的儀器包羅各式各樣的功能，這些專用儀器的功能專一。”他說(shuō)：“這將顯著降低儀器的成本，促進(jìn)近紅外技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，因?yàn)槌杀竞途S護(hù)一直是制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙�！�

　　Igne預(yù)計(jì)會(huì)研發(fā)出更多的多技術(shù)聯(lián)用儀器，以將數(shù)據(jù)融合并能更全面地獲取樣品的信息。