在慶祝《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)域的專家評論該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展趨勢做出預(yù)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(yù)處理的特點，其非常適合于過程監(jiān)測、材料科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。該刊邀請了多位本領(lǐng)域的專家就近紅外光譜技術(shù)新進展、近紅外使用者面臨的挑戰(zhàn)、應(yīng)用領(lǐng)域以及該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行評論。

　　過去十年近紅外光譜技術(shù)新進展

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

　　Pierre Dardenne是比利時瓦隆農(nóng)業(yè)研究中心的部門主任，他認為近紅外技術(shù)的兩大進展是高光譜成像和便攜式儀器。Gary McGeorge是百時美施貴寶公司(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點。“成像光譜儀和高光譜成像儀的商品化和應(yīng)用是近紅外領(lǐng)域過去十年的顯著性變革”，他說，“成像技術(shù)可以給出藥物中成分的微觀分布信息，為進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，還可與機器視覺系統(tǒng)結(jié)合用于農(nóng)業(yè)和食品加工領(lǐng)域。他說：“如果分析時只需要幾個波長，這些成像系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)得到實時的圖像，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(Council for Near-Infrared Spectroscopy)主席當(dāng)選人，他認為主要的進展是近紅外系統(tǒng)的小型化。他說：“過去5–10年，近紅外最重要的進展是市場上存在的低成本、小型、專用儀器，它們可以替代大型儀器用于研發(fā)、現(xiàn)場和生產(chǎn)等場合。”Benoit Igne認為微型FT-NIR、MEMS-NIR、LVF-NIR可用于先前研究級儀器所應(yīng)用的領(lǐng)域，例如實時分析、在線監(jiān)測和過程控制。他補充說：“這類儀器的低成本特點，甚至允許儀器在出現(xiàn)故障時換一臺新儀器，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：“使近紅外光譜這么令人關(guān)注，同時也是使其難以應(yīng)用的原因是近紅外光譜對樣品的基體非常敏感。”他指出，除非建立的模型經(jīng)過認真系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)的設(shè)計和驗證工作通常需要大量的時間、精力和資金。Benoit Igne接著說：“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，以開發(fā)出更有效的算法來消除基體對光譜的影響，從而提高模型的穩(wěn)健性。”

　　McGeorge認同上述觀點，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：“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(wěn)健。在建立藥物模型時，要設(shè)計并實現(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。”他補充說到，如果模型沒有能力適應(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)會帶來顯著的經(jīng)濟效益。

　　McGeorge認為藥物分析對近紅外模型有額外的穩(wěn)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：“輔料經(jīng)常來源于天然產(chǎn)物，因此季節(jié)、地域和其他因素的變化會使這些材料在物化組成上的發(fā)生改變。這些變化常常會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)采購談判過程中需要充分考慮這些變動因素。”

　　Igne認為，儀器設(shè)計缺少一致性是近紅外光譜技術(shù)另一個重要問題。他解釋說：“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(yīng)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用到復(fù)雜的算法。”他認為，對于傳統(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。他補充說：“許多近紅外使用者為了避免處理模型傳遞問題，在推廣應(yīng)用時不得不采用建模時使用的那款儀器。”

　　Dardenne談及了近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的一些問題，他說：“沒有經(jīng)過實際驗證的模型到處可見，許多論文只給出了隨機交互驗證結(jié)果，卻沒有給出獨立的驗證結(jié)果。”他認為，對于農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)用，近紅外光譜的檢測限也是一個挑戰(zhàn)，對于小于0.1%含量的分析物，近紅外光譜通常無能為力。他說：“由于內(nèi)部相關(guān)性，有些模型看上去很好，但待測組分的信息實際上被噪聲掩蓋了。”

　　Igne補充道，在分析實驗室近紅外方法還沒有得到廣泛的認可。他說：“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認為，只有在線和實時信息成為企業(yè)的必需時，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主要挑戰(zhàn)是，面對寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，嚴重缺乏具備充足專業(yè)知識和技能的技術(shù)人員。因此，當(dāng)企業(yè)想采用近紅外技術(shù)時，很難找到可以勝任的人員幫助他們完成這些工作。McGeorge說：“現(xiàn)在很難找到合適的人，簡單通過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，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程。”但是，很多學(xué)校只是使用現(xiàn)成的工具，而沒有掌握和理解建模背后的光譜儀器和數(shù)學(xué)算法。McGeorge說：“而且，我認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。”因此，這些學(xué)校培養(yǎng)出的是缺乏光譜知識背景的藥劑師或工程師，McGeorge說，這些學(xué)生進入工作崗位時對光譜沒有足夠的理解。

　　Dardenne贊同在大學(xué)和高中階段進行更多的關(guān)于近紅外光譜知識的教育，他介紹說國際近紅外光譜學(xué)會Ana Garrido-Varo主席正在努力做這方面的事情。Dardenne說，他們正在建一個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(yīng)對挑戰(zhàn)

　　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，我期待進一步減少儀器制造時的差異，那時上述傳遞的方法會更有效。”但是，他預(yù)計模型傳遞問題將持續(xù)到下一個十年。

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

　　對解決這一問題，McGeorge看到了一些進展。“隨著問題的明確，化學(xué)計量學(xué)家正在研究一些絕妙的算法來解決這一問題。” McGeorge說，“外部參數(shù)正交化(EPO)就是一個例子，該方法可以消除已知的系統(tǒng)干擾物的影響，保證所建模型對這類變動是穩(wěn)健的。”他補充說，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)在一個區(qū)域照射樣品在另一個區(qū)域檢測信號。”他說，“隨著這種技術(shù)的不斷成熟，有可能成為實施近紅外技術(shù)的一種完整解決方案，用于消除光譜中的物理擾動信號，從而更容易建立更穩(wěn)健的模型。”

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

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　Dardenne說：“近紅外光譜始于上世紀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，尤其是動物飼用價值的測定。” Igne同意這一觀點，認為農(nóng)業(yè)包括農(nóng)作物、動物、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，“這一生產(chǎn)方式的改變要求對連續(xù)生產(chǎn)過程進行驗證，以保證生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)并生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。”McGeorge進一步指出，如果沒有像近紅外光譜這樣的無損測量技術(shù)用于每一個生產(chǎn)單元來確保藥物配方的一致性，這種生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變不會得到快速實施。

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

　　McGeorge認為，最大的挑戰(zhàn)是正在盡力設(shè)計的全球監(jiān)管體系下的光譜解決方案，因為每個國家和地區(qū)都有自己的要求。“目前，這些需求尚不明確，每位應(yīng)用者都需要與各自的衛(wèi)生主管部門進行反復(fù)又艱難的協(xié)商。”他說：“這些應(yīng)用的監(jiān)管路線圖尚不清晰。”但是，McGeorge還是看到了已經(jīng)取得的進展。他說：“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。”而且，ASTM E55委員會正在積極制訂用于藥廠多個環(huán)節(jié)的光譜在線和旁線分析的標準方法。McGeorge說：“通過這些努力，與早期的實施者相比，近紅外的實施藍圖將會變得更加清晰和容易。”

　　專家們認為生物醫(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(吸收信號與散射信號的分離)工作已經(jīng)完成，有望可以用來提高監(jiān)測腫瘤和控制血糖的能力。”Igne說，“近紅外光譜儀可以用在病人床邊，對患者來說是重大的福音。” Dardenne指出近紅外光譜用于生物醫(yī)學(xué)，必需進行縝密的驗證工作，一個小的錯誤將會帶來嚴重的后果。

　　Igne說，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使得該技術(shù)更高效，并在拓展新的應(yīng)用對象。他認為，盡管在近紅外光譜技術(shù)基礎(chǔ)認知方面已經(jīng)進入成熟期，但依舊存在挑戰(zhàn)。Igne說：“如何確保從過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新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　“對生物制藥企業(yè)，將近紅外光譜用于過程分析，在上游監(jiān)測細胞的生長，在純化過程表征蛋白質(zhì)，這可帶來很大的效益。”Igne說，“許多研究團隊和企業(yè)已經(jīng)投入了大量時間和資金，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)酵對于近紅外來講是一個棘手的應(yīng)用”Dardenne提醒說，“近紅外檢測的是NH鍵而不是大分子上NH的構(gòu)型。”他補充說，近紅外光譜可用來測定一種確定的蛋白質(zhì)或氨基酸，近紅外結(jié)果必須與真實值進行比較，不能表達為絕對值，而是要表達為相對于總氮含量的數(shù)值。

　　Igne和McGeorge指出，近紅外用于生物制藥領(lǐng)域的根本問題是水的存在。McGeorge說：“水在近紅外光譜區(qū)吸收很強且譜帶寬，在發(fā)酵過程中，水會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。下面是專家們對近紅外聯(lián)用技術(shù)的觀點。

　　“我們課題組已將將近紅外和中紅外光譜數(shù)據(jù)進行了融合，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)測消化率。”Dardenne說，“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認為近紅外成像的出現(xiàn)就是這類技術(shù)的實例。他說：“盡管傳統(tǒng)的遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用，但是隨著無人機的發(fā)展，低成本的近紅外化學(xué)成像數(shù)據(jù)將會越來越多地用于農(nóng)業(yè)和自然資源管理領(lǐng)域。”他補充說，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，實時監(jiān)測產(chǎn)品的品質(zhì)。

　　未來的發(fā)展

　　專家們對近紅外光譜及其儀器的未來發(fā)展意見不一，但成本問題卻是共同關(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)通過無線方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠像當(dāng)前生產(chǎn)過程中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，“近期基于LVF的超小型光譜儀的商品化，就是一個證明實例。隨著這類儀器的不斷應(yīng)用，其局限性就會不斷暴露，在此基礎(chǔ)上再進行改進完善，從而進一步應(yīng)用于更苛刻要求的場合。”他認為隨著這類儀器成本的降低，近紅外光譜儀會在主流商店得到應(yīng)用，甚至有可能集成到手機上。

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

　　Igne認為，近紅外光譜儀器應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，除了成本問題，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考慮。他認為儀器公司將會沿著兩條路發(fā)展，“原有儀器公司將會繼續(xù)提升現(xiàn)有儀器系統(tǒng)的性能，而新儀器公司將會致力于設(shè)計針對特定應(yīng)用的專用型儀器，不像研發(fā)實驗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：“這將顯著降低儀器的成本，促進近紅外技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，因為成本和維護一直是制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。”

　　Igne預(yù)計會研發(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。