近紅外光譜技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀評述

時間：2016-06-08作者：深圳市思貝達科技有限公司瀏覽：149

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。

過去十年近紅外光譜技術(shù)新進展

*們認為近紅外光譜技術(shù)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****科學(xué)家，他贊同Dardenne關(guān)于高光譜成像重要性的觀點?！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**科學(xué)家，也是近紅外光譜學(xué)會(Council for Near-Infrared Spectroscopy)**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，近紅外較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?！盉enoit 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*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，否則所建立的模型較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)出較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(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，要設(shè)計并實現(xiàn)模型的穩(wěn)健性非常昂貴。光譜學(xué)家需要掌握如何在資源消耗的條件下減少這些干擾物的影響?！彼a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**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**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?！彼J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*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(yán)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較好地理解制藥配方和制藥過程?！钡牵芏鄬W(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*，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?！币虼耍@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**近紅外光譜學(xué)會Ana Garrido-Varo**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較有效?！钡?，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)較好提取相關(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?！彼a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?！彼f，“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，從而較*建立較穩(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：“近紅外邁向較廣泛成功應(yīng)用的重要一步是讓非化學(xué)計量學(xué)*較*掌握該技術(shù)?！?


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