近紅外光譜技術(shù)發(fā)展現狀評述

　　在慶�！�Spectroscopy》創(chuàng )刊30周年之際，該刊邀請多位近紅外光譜技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家評論該技術(shù)的發(fā)展現狀，并對未來(lái)的發(fā)展趨勢做出預測。

　　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)具有不需要樣品預處理的特點(diǎn)，其非常適合于過(guò)程監測、材料科學(xué)和醫療等領(lǐng)域的應用。該刊邀請了多位本領(lǐng)域的專(zhuān)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、應用領(lǐng)域以及該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行評論。

　　過(guò)去十年近紅外光譜技術(shù)新進(jìn)展

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

　　Pierre Dardenne是比利時(shí)瓦隆農業(yè)研究中心的部門(mén)主任，他認為近紅外技術(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)的高級首席科學(xué)家，他贊同Dardenne關(guān)于高光譜成像重要性的觀(guān)點(diǎn)�！俺上窆庾V儀和高光譜成像儀的商品化和應用是近紅外領(lǐng)域過(guò)去十年的顯著(zhù)性變革”，他說(shuō)，“成像技術(shù)可以給出藥物中成分的微觀(guān)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，還可與機器視覺(jué)系統結合用于農業(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(cháng)，這些成像系統可以在幾秒鐘之內得到實(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)主席當選人，他認為主要的進(jìn)展是近紅外系統的小型化。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(zhuān)用儀器，它們可以替代大型儀器用于研發(fā)、現場(chǎng)和生產(chǎn)等場(chǎng)合�！�Benoit Igne認為微型FT-NIR、MEMS-NIR、LVF-NIR可用于先前研究級儀器所應用的領(lǐng)域，例如實(shí)時(shí)分析、在線(xiàn)監測和過(guò)程控制。他補充說(shuō)：“這類(lèi)儀器的低成本特點(diǎn)，甚至允許儀器在出現故障時(shí)換一臺新儀器，而不是維修，具備完全顛覆傳統儀器生命周期的能力�！�

　　局限與挑戰

　　下面專(zhuān)家們將討論當前光譜學(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，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)也是使其難以應用的原因是近紅外光譜對樣品的基體非常敏感�！彼�指出，除非建立的模型經(jīng)過(guò)認真系統的設計和驗證，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，而系統的設計和驗證工作通常需要大量的時(shí)間、精力和資金。Benoit Igne接著(zhù)說(shuō)：“我們需要繼續做工作，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)消除基體對光譜的影響，從而提高模型的穩健性�！�

　　McGeorge認同上述觀(guān)點(diǎn)，近紅外光譜技術(shù)的重大挑戰是建立穩健的模型。他說(shuō)：“建立定量方法，必須保證模型的準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健。在建立藥物模型時(shí)，要設計并實(shí)現模型的穩健性非常昂貴。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�補充說(shuō)到，如果模型沒(méi)有能力適應各種影響因素，我們很難讓企業(yè)的領(lǐng)導者相信近紅外技術(shù)會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

　　McGeorge認為藥物分析對近紅外模型有額外的穩健性要求，這是因為藥片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、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)采購談判過(guò)程中需要充分考慮這些變動(dòng)因素�！�

　　Igne認為，儀器設計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，不能將一臺儀器上建立的模型直接應用到另一臺儀器上，所以模型傳遞往往需要不小的投入并且可能會(huì )用到復雜的算法�！彼�認為，對于傳統分析化學(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)在農業(yè)應用中存在的一些問(wèn)題，他說(shuō)：“沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證的模型到處可見(jiàn)，許多論文只給出了隨機交互驗證結果，卻沒(méi)有給出獨立的驗證結果�！彼�認為，對于農產(chǎn)品應用，近紅外光譜的檢測限也是一個(gè)挑戰，對于小于0.1%含量的分析物，近紅外光譜通常無(wú)能為力。他說(shuō)：“由于內部相關(guān)性，有些模型看上去很好，但待測組分的信息實(shí)際上被噪聲掩蓋了�！�

　　Igne補充道，在分析實(shí)驗室近紅外方法還沒(méi)有得到廣泛的認可。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的濕化學(xué)分析方法�！� Igne認為，只有在線(xiàn)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)才能得到迅速應用。

　　人才的缺乏

　　近紅外光譜的另一個(gè)主要挑戰是，面對寬廣的應用領(lǐng)域，嚴重缺乏具備充足專(zhuān)業(yè)知識和技能的技術(shù)人員。因此，當企業(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認為造成人才缺乏的原因是：“在藥廠(chǎng)，PAT倡議計劃引起了學(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�是，很多學(xué)校只是使用現成的工具，而沒(méi)有掌握和理解建模背后的光譜儀器和數學(xué)算法。McGeorge說(shuō)：“而且，我認為許多用戶(hù)被近紅外儀器銷(xiāo)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(hù)有關(guān)建立穩健模型所使用復雜算法的顧慮�！币虼�，這些學(xué)校培養出的是缺乏光譜知識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)于近紅外光譜知識的教育，他介紹說(shuō)國際近紅外光譜學(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，不久就可以使用并且給學(xué)生提供學(xué)分。

　　如何應對挑戰

　　Igne認為：“所有儀器制造商都在千方百計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，他預計模型傳遞問(wèn)題將持續到下一個(gè)十年。

　　對于樣品基體的影響，據Igne介紹，現在有不少團隊正在深入研究散射和吸收現象，并著(zhù)手開(kāi)發(fā)更好提取相關(guān)信息的算法。他說(shuō)：“我認為在學(xué)術(shù)圈，這方面的研究將持續一段時(shí)間�！�

　　對解決這一問(wèn)題，McGeorge看到了一些進(jìn)展�！半S著(zhù)問(wèn)題的明確，化學(xué)計量學(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)，“外部參數正交化(EPO)就是一個(gè)例子，該方法可以消除已知的系統干擾物的影響，保證所建模型對這類(lèi)變動(dòng)是穩健的�！彼�補充說(shuō)，該方法可以校正消除光譜儀或原材料的系統性變化，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)區域照射樣品在另一個(gè)區域檢測信號�！彼�說(shuō)，“隨著(zhù)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，從而更容易建立更穩健的模型�！�

Igne認為，讓更多實(shí)驗室采用近紅外光譜技術(shù)依賴(lài)于兩件事：讓使用者弄懂驗證統計學(xué)和簡(jiǎn)化建模步驟。他說(shuō)：“近紅外邁向更廣泛成功應用的重要一步是讓非化學(xué)計量學(xué)專(zhuān)家更容易掌握該技術(shù)�！�

　　應用領(lǐng)域

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

　　三位專(zhuān)家都同意制藥工業(yè)是當前另一個(gè)重要的應用領(lǐng)域�！霸谥扑庮I(lǐng)域，制藥企業(yè)和監管者已經(jīng)從連續生產(chǎn)解決方案中獲得了巨大的效益�！�McGeorge說(shuō)，“這一生產(chǎn)方式的改變要求對連續生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行驗證，以保證生產(chǎn)過(guò)程處于穩定狀態(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)方式的轉變不會(huì )得到快速實(shí)施。

　　但是，Igne對近紅外在制藥工業(yè)中的應用略持悲觀(guān)態(tài)度�！芭c已建立的傳統方法相比，監管限制了近紅外光譜技術(shù)的使用�！彼�說(shuō)，“隨著(zhù)監管負擔的減輕，近紅外將會(huì )更容易地用于生產(chǎn)過(guò)程的常規控制中，類(lèi)似于溫度和壓力傳感器�！�

　　McGeorge認為，最大的挑戰是正在盡力設計的全球監管體系下的光譜解決方案，因為每個(gè)國家和地區都有自己的要求�！澳壳�，這些需求尚不明確，每位應用者都需要與各自的衛生主管部門(mén)進(jìn)行反復又艱難的協(xié)商�！彼�說(shuō)：“這些應用的監管路線(xiàn)圖尚不清晰�！钡�是，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�且，ASTM E55委員會(huì )正在積極制訂用于藥廠(chǎng)多個(gè)環(huán)節的光譜在線(xiàn)和旁線(xiàn)分析的標準方法。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)施藍圖將會(huì )變得更加清晰和容易�！�

　　專(zhuān)家們認為生物醫學(xué)是近紅外光譜重要的新興應用領(lǐng)域。 “近紅外光譜用于生物醫學(xué)分析的大部分理論(吸收信號與散射信號的分離)工作已經(jīng)完成，有望可以用來(lái)提高監測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學(xué)，必需進(jìn)行縝密的驗證工作，一個(gè)小的錯誤將會(huì )帶來(lái)嚴重的后果。

　　Igne說(shuō)，在傳統的近紅外應用領(lǐng)域，取樣和光譜采集方式的改進(jìn)使得該技術(shù)更高效，并在拓展新的應用對象。他認為，盡管在近紅外光譜技術(shù)基礎認知方面已經(jīng)進(jìn)入成熟期，但依舊存在挑戰。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)迅速轉向蛋白質(zhì)產(chǎn)品，這為近紅外光譜提供了一個(gè)新的應用領(lǐng)域。

　　“對生物制藥企業(yè)，將近紅外光譜用于過(guò)程分析，在上游監測細胞的生長(cháng)，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)，“許多研究團隊和企業(yè)已經(jīng)投入了大量時(shí)間和資金，將近紅外光譜技術(shù)應用于生物反應器的監控，并取得了成功�！�

　　“發(fā)酵對于近紅外來(lái)講是一個(gè)棘手的應用”Dardenne提醒說(shuō)，“近紅外檢測的是NH鍵而不是大分子上NH的構型�！彼�補充說(shuō)，近紅外光譜可用來(lái)測定一種確定的蛋白質(zhì)或氨基酸，近紅外結果必須與真實(shí)值進(jìn)行比較，不能表達為絕對值，而是要表達為相對于總氮含量的數值。

　　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)：“水在近紅外光譜區吸收很強且譜帶寬，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)通常是指將幾種獨立的分析技術(shù)組合到一起的檢測方法，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(zhuān)家們對近紅外聯(lián)用技術(shù)的觀(guān)點(diǎn)。

　　“我們課題組已將將近紅外和中紅外光譜數據進(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測消化率�！�Dardenne說(shuō)，“我們期望著(zhù)NIR–Raman便攜式聯(lián)用儀器，甚至NIR–Raman–XRF便攜式聯(lián)用儀器�！�

　　Igne認為近紅外成像的出現就是這類(lèi)技術(shù)的實(shí)例。他說(shuō)：“盡管傳統的遙感技術(shù)已經(jīng)應用，但是隨著(zhù)無(wú)人機的發(fā)展，低成本的近紅外化學(xué)成像數據將會(huì )越來(lái)越多地用于農業(yè)和自然資源管理領(lǐng)域�！彼�補充說(shuō)，近紅外化學(xué)成像也可用于食品工業(yè)(例如禽類(lèi)和新鮮水果)和制藥工業(yè)的連續生產(chǎn)單元，實(shí)時(shí)監測產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　未來(lái)的發(fā)展

　　專(zhuān)家們對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能得到廣泛應用，這些系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠像當前生產(chǎn)過(guò)程中pH值探針或壓力傳感器一樣以常規方式得到應用�！�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(zhù)這類(lèi)儀器的不斷應用，其局限性就會(huì )不斷暴露，在此基礎上再進(jìn)行改進(jìn)完善，從而進(jìn)一步應用于更苛刻要求的場(chǎng)合�！彼�認為隨著(zhù)這類(lèi)儀器成本的降低，近紅外光譜儀會(huì )在主流商店得到應用，甚至有可能集成到手機上。

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

　　Igne認為，近紅外光譜儀器應用于工業(yè)現場(chǎng)，除了成本問(wèn)題，還要將儀器的分辨率、信噪比與儀器的穩定性和耐用性綜合起來(lái)考慮。他認為儀器公司將會(huì )沿著(zhù)兩條路發(fā)展，“原有儀器公司將會(huì )繼續提升現有儀器系統的性能，而新儀器公司將會(huì )致力于設計針對特定應用的專(zhuān)用型儀器，不像研發(fā)實(shí)驗室所用的儀器包羅各式各樣的功能，這些專(zhuān)用儀器的功能專(zhuān)一�！彼�說(shuō)：“這將顯著(zhù)降低儀器的成本，促進(jìn)近紅外技術(shù)在工業(yè)中的應用，因為成本和維護一直是制約該技術(shù)推廣應用的主要障礙�！�

　　Igne預計會(huì )研發(fā)出更多的多技術(shù)聯(lián)用儀器，以將數據融合并能更全面地獲取樣品的信息。