近年來，近紅外光譜技術(shù)在我國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，相關(guān)的新產(chǎn)品新技術(shù)層出不窮。為了多方位展現(xiàn)我國(guó)在近紅外光譜領(lǐng)域的最新成果，91儀器信息網(wǎng)和近紅外光譜分會(huì)合作制作《近紅外光譜新技術(shù)/應(yīng)用進(jìn)展》網(wǎng)絡(luò)專題，同時(shí)也以此獻(xiàn)禮近紅外分會(huì)成立10周年，并寄語(yǔ)2021年國(guó)際近紅外大會(huì)。

為了更深入的了解國(guó)產(chǎn)近紅外光譜儀器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，我們特別邀請(qǐng)了北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司的田燕龍博士給大家分享其對(duì)國(guó)產(chǎn)近紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的理解。

北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司 田燕龍博士

產(chǎn)品線布局始于國(guó)內(nèi)首臺(tái)傅立葉變換紅外光譜儀

91儀器信息網(wǎng)：請(qǐng)介紹一下貴單位近紅外產(chǎn)品的定位及發(fā)展歷史?

田燕龍博士：上世紀(jì)80年代，傅立葉變換紅外光譜儀的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)剛剛起步，但國(guó)內(nèi)卻沒有相關(guān)儀器的制造技術(shù)。為改變這一現(xiàn)狀，在國(guó)家科委批準(zhǔn)下北京第二光學(xué)儀器廠(現(xiàn)歸屬北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司，以下簡(jiǎn)稱北分瑞利公司)于1987年從美國(guó)ANALECT公司引進(jìn)了傅立葉變換紅外光譜儀設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，通過對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化和吸收，于1993年7月27日成功開發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)傅立葉變換紅外光譜儀——WQF-400型傅立葉變換紅外光譜儀，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

隨后北分瑞利公司在持續(xù)發(fā)展和提升傅立葉變換紅外光譜儀技術(shù)的同時(shí)，開始拓展紅外光譜儀器的應(yīng)用范圍，于1995年開始研發(fā)國(guó)內(nèi)首臺(tái)傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀(見圖1)，并于1999年通過專家鑒定，再次填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

WQF-400N自主設(shè)計(jì)了CaF2分束器、PbS/InGaAs探測(cè)器組件，將國(guó)產(chǎn)傅立葉變換紅外光譜儀的工作波段，由中紅外(4000cm-1-400cm-1)擴(kuò)展到近紅外(10000cm-1-3300cm-1)，代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)近紅外儀器的最高水平。

圖1 我國(guó)首臺(tái)傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀

為豐富近紅外光譜儀器產(chǎn)品品類、滿足用戶多樣化需求，在WQF-400N型傅立葉變換近紅外光譜儀之外，2004年北分瑞利公司自主設(shè)計(jì)開發(fā)了NIR-800型近紅外光譜儀(見圖2)。NIR-800主要工作波段在短波近紅外(800nm-1000nm)，和主要工作在長(zhǎng)波近紅外(1000nm-2500nm)的WQF-400N形成了很好的互補(bǔ)。NIR-800外接通用PC機(jī)，采用交叉C-T的單色器結(jié)構(gòu)和CCD/PDA陣列探測(cè)器接收，具有無運(yùn)動(dòng)部件、可靠性好、價(jià)格較低、綜合像差小、雜散光低等創(chuàng)新點(diǎn)。

圖2 NIR-800型的近紅外光譜儀

2008年，北分瑞利公司又開發(fā)出了第二代傅立葉變換近紅外光譜儀——WQF-600N。WQF-600N，該儀器采用了擺式干涉儀結(jié)構(gòu)，開發(fā)了適合新儀器的CaF2分束器、攻克了動(dòng)鏡結(jié)構(gòu)和快速擺動(dòng)控制技術(shù)、高速高精度數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵技術(shù)，于2008年12月19日通過了北京市技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)中心組織的專家鑒定。鑒定以后，WQF-600N型傅立葉變換近紅外光譜儀就替代了老款的WQF-400N型，成為北分瑞利公司近紅外領(lǐng)域的主推產(chǎn)品(見圖3)。這款產(chǎn)品在2008年及之后的一段時(shí)間內(nèi)是唯一的一款國(guó)產(chǎn)傅立葉變換近紅外光譜儀，在如今也是屈指可數(shù)的幾款國(guó)產(chǎn)傅立葉變換近紅外光譜儀之一，主要應(yīng)用在大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)。

圖3 WQF-600N型傅立葉變換近紅外光譜儀

目前，北分瑞利公司正在研究基于新一代500平臺(tái)的WQF-500N型傅立葉變換近紅外光譜儀。500平臺(tái)使用模塊化的總體設(shè)計(jì)思路，采用密封型的角鏡型式邁克爾遜干涉儀、高精度的24位A/D變換，快速穩(wěn)定的動(dòng)鏡控制及數(shù)據(jù)采集與處理等技術(shù)，通過全新改版升級(jí)的MainFTOS Suite傅立葉紅外光譜儀通用軟件及先進(jìn)的網(wǎng)口及無線通訊技術(shù)，在外觀、軟件、可靠性以及產(chǎn)品功能方面都實(shí)現(xiàn)了突破。

91儀器信息網(wǎng)：貴公司近紅外光譜儀的應(yīng)用情況?有哪些典型的應(yīng)用案例?

田燕龍博士：北分瑞利公司的近紅外產(chǎn)品可應(yīng)用于制藥、農(nóng)業(yè)、石油化工、食品、紡織品檢測(cè)等領(lǐng)域。江蘇大學(xué)陳斌課題組使用北分瑞利公司的傅立葉變換近紅外產(chǎn)品，先后實(shí)現(xiàn)了如下應(yīng)用：(1)使用近紅外漫反射方法研究了甲硝唑的主要成分硝基羥乙唑，建立了近紅外光譜與硝基羥乙唑含量之間的數(shù)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了硝基羥乙唑的快速檢測(cè);(2)研究了應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)檢測(cè)紡織品中羊毛成分含量的一系列過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紡織品中羊毛含量的檢測(cè);(3)以食用植物油中主要脂肪酸棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸為檢測(cè)指標(biāo)，通過對(duì)近紅外光譜技術(shù)在定量檢測(cè)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)食用油種類和摻偽的鑒別。

91儀器信息網(wǎng)：目前貴公司計(jì)劃或者正在重點(diǎn)拓展的新領(lǐng)域有哪些?為什么看好該領(lǐng)域?

田燕龍博士：食源性致病菌是引起食源性疾病的首要原因，全球每年發(fā)生高達(dá)1.5億的腹瀉病例中，有70%是由各種致病性微生物污染食品所引起，許多研究已經(jīng)表明近紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食源性病菌的快速檢測(cè)。目前，北分瑞利公司正在開展食源性病菌近紅外檢測(cè)技術(shù)和儀器的研究工作，相關(guān)解決方案正在開發(fā)當(dāng)中。

近紅外光譜發(fā)展趨勢(shì)：MEMS技術(shù)、定制化、掌上生活

91儀器信息網(wǎng)：相較于光柵近紅外，傅立葉變換近紅外光譜的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪里?目前的技術(shù)發(fā)展水平如何?

田燕龍博士：和光柵近紅外儀器相比，傅立葉變換近紅外光譜儀器最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在性能上，目前研究級(jí)的近紅外光譜儀器基本都屬于傅立葉變換型。首先，傅立葉變換近紅外光譜儀器具有多路通過的特點(diǎn)，所有頻率同時(shí)測(cè)量;其次，傅立葉變換近紅外光譜儀器的光通量比光柵儀器大得多，因此具有更高的靈敏度和信噪比;最后，傅立葉變換近紅外光譜儀器由于采用激光定位，波長(zhǎng)的穩(wěn)定性好，且光譜的分辨率高，使得這類儀器具有較好的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性與重復(fù)性，儀器間的一致性好，更容易實(shí)現(xiàn)近紅外模型傳遞。

雖然傅立葉變換近紅外光譜儀器較光柵近紅外儀器具有更優(yōu)異的性能，但是高性能也帶來了高成本的問題，在近紅外儀器市場(chǎng)份額上傅立葉變換近紅外光譜儀器并沒有表現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。目前傅立葉變換近紅外光譜儀器的技術(shù)水平已經(jīng)比較成熟，未來應(yīng)該更多考慮如何降低成本。

91儀器信息網(wǎng)：從儀器發(fā)展及應(yīng)用的角度分析，您認(rèn)為目前有哪些先進(jìn)的近紅外光譜技術(shù)值得大家關(guān)注?

田燕龍博士：隨著光學(xué)器件、新材料、5G(6G)通訊、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等科技的迅速崛起，近紅外光譜分析技術(shù)的面貌也必然煥然一新，與人類生活的聯(lián)系將會(huì)更加密切。綜合比較國(guó)內(nèi)外先進(jìn)儀器，在近期有如下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)MEMS技術(shù)

近年來，全球掀起了儀器微型化的開發(fā)熱潮：臺(tái)式機(jī)——便攜式——手持式——掌上機(jī)——芯片機(jī)。其中，近紅外光譜儀倍受關(guān)注，近紅外光譜儀產(chǎn)品越做越小，其推動(dòng)力就是微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)的大量使用。基于MEMS微光柵、MEMS微干涉儀等開發(fā)的新型近紅外光譜儀，具有尺寸小、重量輕、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。2017年埃及Si-Ware在洛杉磯推出了單個(gè)芯片大小的MEMS近紅外光譜儀——NeoSpectra Micro，該儀器檢測(cè)范圍為1100nm-2500nm，其外觀尺寸為18×18mm，厚度僅為4mm。

(2)定制化

近紅外光譜技術(shù)快速無損、多性質(zhì)同檢的特點(diǎn)，使得其特別適合作為一種在線監(jiān)測(cè)手段。很多企業(yè)在用到近紅外技術(shù)時(shí)，往往具有自己獨(dú)特的需求，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)在線產(chǎn)品。如西派特(北京)科技有限公司為山東廣通蠶種有限公司開發(fā)的HF-C06蠶蛹雌雄高速鑒別與分選設(shè)備，基于蠶蛹雌雄在化學(xué)組成上的不同，以光波為媒介高速采集蠶蛹的化學(xué)特征信息，實(shí)現(xiàn)了蠶蛹性別的高速鑒別。

(3)掌上生活

隨著近紅外光譜儀的微小型化和成本的不斷降低，原來遙不可及、只有大型企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)方能使用的光譜儀產(chǎn)品，會(huì)逐漸走進(jìn)普通老百姓的生活，甚至人手一個(gè)，用于監(jiān)測(cè)日常生活中的飲用水、奶制品、肉制品、果蔬品等食物的安全性、新鮮度，以及通過成分含量的攝入而實(shí)現(xiàn)個(gè)人健康管理。2017年1月，長(zhǎng)虹在年國(guó)際消費(fèi)電子展(CES)上發(fā)布全球首款分子識(shí)別手機(jī)--長(zhǎng)虹H2。H2手機(jī)搭載了小型化高分辨率近紅外光譜傳感器，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行近紅外吸收光譜的數(shù)據(jù)采集，并將光譜數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行分析、計(jì)算、處理，得出定性、定量分析結(jié)果。

國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口儀器差距猶在 市場(chǎng)快速增長(zhǎng)毋庸置疑

91儀器信息網(wǎng)：您認(rèn)為目前國(guó)產(chǎn)近紅外光譜儀與進(jìn)口產(chǎn)品相比有哪些不足?

田燕龍博士：一直以來，國(guó)產(chǎn)傅立葉變換紅外光譜儀器產(chǎn)品就與國(guó)外同類產(chǎn)品存在一定差距。對(duì)于中紅外，國(guó)產(chǎn)傅立葉變換紅外光譜儀器產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在硬件水平上(如儀器的一致性、穩(wěn)定性等)，通過差異化競(jìng)爭(zhēng)、降低價(jià)格等手段，國(guó)產(chǎn)儀器仍能獲得一定的市場(chǎng)份額。但是在近紅外領(lǐng)域，由于缺少成熟的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，使得國(guó)產(chǎn)儀器與國(guó)外產(chǎn)品的差距進(jìn)一步拉大。

模型往往需要針對(duì)不同的樣品類型單獨(dú)建立，而且數(shù)據(jù)庫(kù)的建立也不是一勞永逸的，在實(shí)際應(yīng)用中需要經(jīng)常維護(hù)和擴(kuò)充，需花費(fèi)大量的人力和物力及持續(xù)的資金投入，而這恰恰是國(guó)產(chǎn)儀器廠商難以負(fù)擔(dān)的。由于缺少模型數(shù)據(jù)庫(kù)，使得國(guó)產(chǎn)傅立葉變換近紅外光譜儀器在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力很差，這又進(jìn)一步打擊了儀器廠商的積極性，從而造成了惡性循環(huán)。因此國(guó)產(chǎn)傅立葉變換近紅外光譜儀器要想做大做強(qiáng)，在硬件提升的同時(shí)，必須從基礎(chǔ)做起，通過積累逐漸建立起自己的大數(shù)據(jù)庫(kù)，在為用戶服務(wù)的同時(shí)也可以獲得利潤(rùn)，形成良性循環(huán)。

另外，相比別的光譜儀器，傅立葉變換近紅外光譜儀器的專業(yè)性更強(qiáng)，銷售人員專業(yè)能力不足是一個(gè)不可忽視的因素。進(jìn)口儀器公司的銷售人員往往也是應(yīng)用工程師，具備售前制定方案、售中指導(dǎo)建立校正模型、售后負(fù)責(zé)模型維護(hù)和儀器維護(hù)的能力;而國(guó)內(nèi)儀器公司的銷售人員大多不是化學(xué)專業(yè)出身，與應(yīng)用脫節(jié)，這些都制約著國(guó)產(chǎn)近紅外儀器市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。

91儀器信息網(wǎng)：您如何評(píng)價(jià)我國(guó)近紅外光譜的市場(chǎng)需求情況及發(fā)展?jié)摿?未來幾年，近紅外光譜的熱點(diǎn)市場(chǎng)需求有哪些?由哪些方法標(biāo)準(zhǔn)或政策法規(guī)等所促進(jìn)?

田燕龍博士：2017年11月，美通社根據(jù)Global Market Insights的一份市場(chǎng)報(bào)告發(fā)布新聞稱近紅外市場(chǎng)規(guī)模從2016開始到2024年將以年復(fù)合增長(zhǎng)率6.1%的速度增長(zhǎng)，并占據(jù)整個(gè)過程光譜行業(yè)(拉曼、紅外、近紅外)55%以上的份額。近期國(guó)際知名咨詢公司QY Research公司出版了行業(yè)調(diào)研報(bào)告《全球近紅外光譜(近紅外(NIR)分析儀)市場(chǎng)規(guī)模、趨勢(shì)和預(yù)測(cè)2019》，預(yù)測(cè)到2025年底全球近紅外分析儀器市場(chǎng)將達(dá)到5.6億美元，而且未來幾年近紅外分析儀器市場(chǎng)的最高增長(zhǎng)率將會(huì)出現(xiàn)在亞太地區(qū)。

就國(guó)內(nèi)來說，近三年來許多近紅外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開始陸續(xù)制定和實(shí)施，涉及到了多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，包括茶葉品質(zhì)檢測(cè)(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)DB34/T 2890-2017)、山羊絨凈絨率檢測(cè)(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)DB15/T 1229-2017)、紡織品纖維定量分析(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)FZ/T 01144-2018)、珍珠粉鑒別(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB/T 34406-2017)、甲基乙烯基硅橡膠中乙烯基含量測(cè)定(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB/T 36691-2018)、固態(tài)速溶茶中主要成分測(cè)定(GHT1260-2019)、茶多酚制品中主要成分測(cè)定(征求意見稿已發(fā)布)、畜禽肉品質(zhì)檢測(cè)(計(jì)劃編號(hào)20191050-T-326、20191054-T-326)、紡織纖維鑒別(申報(bào)號(hào)FZFFZT0832-2019)和中藥混合均勻度與水分快速檢測(cè)(團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已啟動(dòng))等。

總體來說，國(guó)內(nèi)近紅外光譜儀器市場(chǎng)在未來幾年快速增長(zhǎng)是毋庸置疑的，唯一不可預(yù)估的是在食品、質(zhì)量監(jiān)控、過程控制和化學(xué)品等不同行業(yè)最終規(guī)模化的大小。