導(dǎo)讀: 江蘇大學(xué)陳斌教授團(tuán)隊(duì)自從1996年以來一直從事近紅外光譜分析技術(shù)在食品和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)快速檢測中的應(yīng)用研究。
國產(chǎn)近紅外光譜儀器與應(yīng)用發(fā)展“診斷”——訪江蘇大學(xué)陳斌教授
江蘇大學(xué)陳斌教授團(tuán)隊(duì)自從1996年以來一直從事近紅外光譜分析技術(shù)在食品和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)快速檢測中的應(yīng)用研究。日前，儀器信息網(wǎng)編輯采訪了陳斌教授，探討了國產(chǎn)近紅外光譜儀器發(fā)展的現(xiàn)狀。
近紅外光譜儀器已走過近50年的發(fā)展歷程，在這50年的時(shí)間里，儀器從設(shè)計(jì)到性能以及測量方法都發(fā)生了巨大的變化。近年來，近紅外光譜儀器的數(shù)字化程度不斷提高，配備功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和化學(xué)計(jì)量學(xué)分析軟件，使其得到更為廣泛的應(yīng)用。尤其在歐美等發(fā)達(dá)*，近紅外光譜儀器已被視為品質(zhì)管理實(shí)驗(yàn)中的儀器。
然而，在儀器硬件方面,我國雖然取得了一定成績,但與國際*水平相比還存在相當(dāng)大的差距,例如儀器的主要核心部件還依賴于進(jìn)口、用于測量不同類型樣品的附件不夠完善、光譜儀整體性能指標(biāo)和智能化水平有待提高等。
江蘇大學(xué)陳斌教授團(tuán)隊(duì)自從1996年以來一直從事近紅外光譜分析技術(shù)在食品和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)快速檢測中的應(yīng)用研究。日前，儀器信息網(wǎng)編輯采訪了陳斌教授，探討了國產(chǎn)近紅外光譜儀器發(fā)展的現(xiàn)狀，陳斌教授直言了國產(chǎn)儀器與進(jìn)口之間的差距、國產(chǎn)儀器發(fā)展存在的“瓶頸”，乃至未來發(fā)展方向等問題。
江蘇大學(xué)教授陳斌
國產(chǎn)近紅外光譜與進(jìn)口相比仍有差距
1990年代開始，國內(nèi)也開始了一些近紅外光譜儀器的生產(chǎn)。經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前國內(nèi)生產(chǎn)近紅外光譜儀的廠家越來越多，如聚光科技、北分瑞利、華夏科創(chuàng)、上海棱光、南京中地、凱元盛世、長光思博等。但是，陳斌認(rèn)為，“上述這些企業(yè)生產(chǎn)的近紅外光譜儀器都未達(dá)到穩(wěn)定批量生產(chǎn)的水平，其主要原因并不是沒有批量生產(chǎn)的能力，而是所有生產(chǎn)企業(yè)都不具備批量生產(chǎn)的銷售量?！?/span>
“國產(chǎn)近紅外光譜儀器的穩(wěn)定性，特別是長期穩(wěn)定性與國外公司的儀器相比尚有很大的差距;信噪比也不盡人意;另外，近紅外光譜儀器在標(biāo)準(zhǔn)化、模型傳遞、物聯(lián)網(wǎng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用示范等關(guān)鍵理論或技術(shù)方面，還急需加強(qiáng)研發(fā)。這些在近紅外光譜分析中*基礎(chǔ)的要求制約著國產(chǎn)儀器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。”陳斌說。
關(guān)于國產(chǎn)近紅外光譜儀器與進(jìn)口儀器的差距，陳斌認(rèn)為主要有以下幾個(gè)方面：
(1)國產(chǎn)近紅外光譜儀器長期穩(wěn)定性差、信噪比精度差、測量附件種類少、功能單一、軟件的人性化不夠理想，科研所等應(yīng)用單位不愿接受國產(chǎn)近紅外光譜儀器;
(2)國產(chǎn)近紅外光譜儀器基本上還是采用傳統(tǒng)的一般光譜儀器的制造工藝，缺少一定的光學(xué)器件、電子元器件的篩選、配對檢測平臺(tái)，這些因素累積到整機(jī)上就造成了可靠性差、信噪比差，不能滿足近紅外光譜分析的一些基本要求;
(3)應(yīng)用行業(yè)對近紅外光譜分析技術(shù)的理解不夠，儀器企業(yè)不具備針對用戶要求建立校正模型的能力，儀器使用人員基礎(chǔ)知識(shí)欠缺，不具備模型的二次開發(fā)能力。另外，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;而國內(nèi)儀器公司的銷售人員與應(yīng)用脫節(jié)，這些都制約著國產(chǎn)近紅外儀器市場份額的擴(kuò)大。
生產(chǎn)積極性不高、標(biāo)準(zhǔn)制定嚴(yán)重滯后
2012年，我國召開了題為“我國近紅外光譜分析關(guān)鍵技術(shù)問題、應(yīng)用與發(fā)展戰(zhàn)略”的香山科學(xué)會(huì)議，可見*對近紅外光譜儀器發(fā)展的重視。發(fā)現(xiàn)問題，才能解決問題，所以，首先需要找出國產(chǎn)近紅外光譜儀器發(fā)展中存些亟需突破的“瓶頸”;對于這些“瓶頸”，應(yīng)該如何做，才能快速提高國產(chǎn)近紅外光譜儀器與應(yīng)用的水平和規(guī)模?
關(guān)于國產(chǎn)近紅外光譜儀器發(fā)展中的“瓶頸”及其解決方法，陳斌認(rèn)為：
(1)大多數(shù)科研人員和使用者理解不到位
近紅外光譜分析技術(shù)在國內(nèi)的研究工作已經(jīng)有了近30年的歷史，但是由于絕大多數(shù)處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，還有不少研究人員對其應(yīng)用能力理解不到位，未能就充分發(fā)揮其特點(diǎn)進(jìn)行研究，造成了重論文發(fā)表、輕實(shí)際應(yīng)用;重提高預(yù)測精度的算法研究、輕檢測方法減少誤差研究的現(xiàn)象。一般的使用者對于近紅外光譜分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用理解不透徹，同時(shí)也不具備二次開發(fā)、二次應(yīng)用的能力。這兩方面的原因使得國內(nèi)近紅外光譜分析技術(shù)暫時(shí)還不能廣泛推廣到生產(chǎn)實(shí)際中去。
(2)無模型就無法應(yīng)用
近紅外光譜分析技術(shù)能否應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)鍵是要有穩(wěn)定、可靠的校正模型，模型建立的基礎(chǔ)是針對特定的物料、特定的檢測指標(biāo)進(jìn)行的。儀器生產(chǎn)企業(yè)需要事先做好基礎(chǔ)工作，才能保證用戶購買儀器后立即用于生產(chǎn)實(shí)際，但是一般的儀器生產(chǎn)商并不能同時(shí)具備化學(xué)分析與化學(xué)計(jì)量學(xué)的能力。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是需要廣大從事近紅外光譜技術(shù)研究的科研工作者起到橋梁的作用，扎扎實(shí)實(shí)為儀器生產(chǎn)企業(yè)、廣大的用戶建立大量的、實(shí)用的校正模型，同時(shí)還需要提供模型的維護(hù)。
(3)無批量就無質(zhì)量
儀器質(zhì)量的提高不是一朝一夕就能解決的，除了設(shè)計(jì)、每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量保證體系外，作為生產(chǎn)企業(yè)需要有一定生產(chǎn)批量的保證，才能積累大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，才能改進(jìn)制造工藝，才能建立必須的工藝過程檢測平臺(tái)，*終達(dá)到提高儀器的品質(zhì)的目的。因此，擴(kuò)大近紅外光譜的應(yīng)用范圍，提高國產(chǎn)儀器的市場占有率，就可以提高生產(chǎn)企業(yè)的積極性，進(jìn)而提高儀器的品質(zhì)，這是一個(gè)相互制約的關(guān)系，反之，沒有市場占有率，空談國產(chǎn)儀器的質(zhì)量是無意義的。
(4)無標(biāo)準(zhǔn)就無法推廣
近紅外光譜分析技術(shù)是一種實(shí)用技術(shù)，只有在生產(chǎn)實(shí)際中得到很好的應(yīng)用才是該技術(shù)的真正出路。要在行業(yè)中得到推廣，必須要得到政府職能部門的幫助。目前，近紅外光譜的*標(biāo)準(zhǔn)非常少，該技術(shù)還停留在企業(yè)內(nèi)部的質(zhì)量控制體系中，很多情況下得出的檢測數(shù)據(jù)不被行業(yè)認(rèn)可。因此，盡快出臺(tái)相關(guān)*標(biāo)準(zhǔn)，得到行業(yè)的認(rèn)可，才能擴(kuò)大近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用范圍。在這方面，行業(yè)協(xié)會(huì)、*學(xué)會(huì)大有可為，他們的工作對加快近紅外光譜儀器的國產(chǎn)化進(jìn)程起著巨大的作用。
(5)加強(qiáng)分析技術(shù)的基礎(chǔ)研究
雖然經(jīng)過了科研工作者多年的努力，但是近紅外光譜分析技術(shù)存在的一些問題并沒有從根本上得到解決，許多時(shí)候還是靠經(jīng)驗(yàn)或就事論事。如：在信息提取方面，如何評(píng)價(jià)某種光譜預(yù)處理效果的優(yōu)劣?至今尚未看到從理論上進(jìn)行評(píng)價(jià)的*方法，還是僅僅通過后續(xù)的建模效果(在某種建模方法下)的比較得出采用何種預(yù)處理方法較好的結(jié)論，顯然這是一種“盲人摸象”的方法;在校正集樣品和預(yù)測集樣品劃分上，怎樣的劃分方法，怎樣的劃分比例，怎樣的數(shù)據(jù)范圍?等等問題的解決方法基本還是停留在經(jīng)驗(yàn)的積累上……
類似的問題很多，需要廣大科研工作者做仔細(xì)的工作，如果還是停留在“采用某種*的儀器+某種光譜預(yù)處理方法+某種建模算法=解決某指標(biāo)的檢測”這樣的試驗(yàn)報(bào)告的形式上，對提高近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用水平是沒有太大幫助的。
高端與并重，網(wǎng)絡(luò)化是方向
陳斌認(rèn)為，目前近紅外光譜儀器正處在方興未艾的發(fā)展階段，綜合比較國外*儀器，以下幾個(gè)方面或許是近期國產(chǎn)近紅外光譜器發(fā)展的趨勢：
(1)傅立葉變換型依然是主流產(chǎn)品
目前研究型的近紅外光譜儀器基本都屬于傅立葉型，傅立葉變換硬件技術(shù)要求高，我國至今不能獨(dú)立開發(fā)生產(chǎn)該類儀器。國內(nèi)的傅立葉變換近紅外儀器市場份額95%以上被國外進(jìn)口占有。
傅里葉變換型儀器由于采用激光定位，波長的穩(wěn)定性好、光譜分辨率高、光通量大，可以*限度地減少儀器之間的臺(tái)間差，在光譜標(biāo)準(zhǔn)化方面具有的優(yōu)越性，便于校正模型在多臺(tái)儀器之間轉(zhuǎn)移，甚至可以在不同公司的儀器間轉(zhuǎn)移。但是傅里葉變換型儀器的建模技術(shù)要求高，價(jià)格相對較高;使用對象主要集中在高校、研究所，以及有實(shí)力的行業(yè)(藥監(jiān)、煙草、出入境、石油、軍工等)。這類儀器的前期研發(fā)投入比較大，而且需要長時(shí)間的技術(shù)積累，其國產(chǎn)化需要有*政策支持，憑企業(yè)自身的力量發(fā)展則需要較長時(shí)間。
(2)小型化、化、便攜化是發(fā)展方向
為了滿足生產(chǎn)過程中各種需求，需要開發(fā)各式各樣的實(shí)用儀器，千萬不能采用“一機(jī)多用”的思維模式，這樣不但浪費(fèi)了資源，也使得儀器不能面面兼顧，往往使得儀器不能工作在*工作點(diǎn)。
小型化——為了節(jié)省空間，便于在線安裝;
化——可以*限度提高儀器的性能，滿足特定內(nèi)容的檢測。生產(chǎn)過程中有許多環(huán)節(jié)只要檢測幾個(gè)參數(shù)，有時(shí)甚至只需要檢測一個(gè)參數(shù)，研發(fā)儀器無論是使用成本、檢測精度，還是穩(wěn)定性和可靠性都會(huì)得到大大的提高;
便攜化——滿足野外現(xiàn)場、突發(fā)事件的檢測，這類儀器不但要考慮儀器的基本指標(biāo)，還到考慮能耗問題，特別是光源的能耗，同時(shí)還需考慮累積工作時(shí)間、抗振動(dòng)、工作環(huán)境等。
(3)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)共享是儀器的內(nèi)容
為了降低儀器對使用者要求，為了使儀器能在各種環(huán)境下始終工作在*工作點(diǎn)上，從儀器方面來講，就是使儀器本身聰明起來，能主動(dòng)適應(yīng)使用者和環(huán)境的變化，儀器的智能化是所有分析儀器發(fā)展的*基本要求。
網(wǎng)絡(luò)儀器的出現(xiàn)使分析儀器從有形變成了無形，對于實(shí)驗(yàn)室儀器已經(jīng)形成“固定場所使用的分析儀器+電腦+網(wǎng)絡(luò)=網(wǎng)絡(luò)儀器”的新概念;對于移動(dòng)的、現(xiàn)場的便攜儀器也應(yīng)該形成“移動(dòng)式分析儀器+移動(dòng)控制平臺(tái)+移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)=移動(dòng)云儀器”的新概念。我們更希望出現(xiàn)“光譜傳感器+手機(jī)控制平臺(tái)+移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)=移動(dòng)云光譜檢測系統(tǒng)”這樣的使用方便、簡潔的*儀器系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)儀器不但使得儀器的開發(fā)周期縮短，大大節(jié)約儀器的成本，也真正意義上達(dá)到了數(shù)據(jù)共享、資源共享和人才共享。可以說從某種意義上講，分析儀器更需要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更需要云服務(wù)系統(tǒng);近紅外光譜分技術(shù)*需要網(wǎng)絡(luò)儀器，*需要移動(dòng)云光譜檢測系統(tǒng)。
近紅外分析的特殊性(不是只學(xué)會(huì)使用儀器)，要求使用者都學(xué)會(huì)化學(xué)計(jì)量學(xué)是不現(xiàn)實(shí)的，數(shù)據(jù)共享是充分發(fā)揮近紅外儀器性能的*方案，可以能讓一位精通數(shù)據(jù)處理和光譜分析的高手遠(yuǎn)程為異地一臺(tái)或多臺(tái)儀器的使用者提供及時(shí)準(zhǔn)確地服務(wù)。
(4)團(tuán)結(jié)、合作、互利、共贏的大聯(lián)合推動(dòng)近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展
近紅外光譜分析技術(shù)涉及到化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信號(hào)處理、物理光學(xué)、光譜儀器和行業(yè)*知識(shí)，所以這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展需要多方面的人才參與，希望大家能本著團(tuán)結(jié)、合作、互利、共贏的共識(shí)，組成真正意義上的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，才能在較短的時(shí)間內(nèi)，共同推動(dòng)我國的近紅外光譜分析技術(shù)的快速發(fā)展，才能研發(fā)出適合國情的能個(gè)用于行業(yè)的近紅外光譜儀器，推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)用化研究的進(jìn)程。
采訪編輯：劉豐秋
附錄：陳斌教授簡歷
陳斌，男，江蘇鎮(zhèn)江人，1960年6月生，教授，博士生導(dǎo)師。農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)收獲加工機(jī)械分會(huì)常務(wù)理事，第七、八屆儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器分會(huì)理事，儀器儀表學(xué)會(huì)光學(xué)儀器學(xué)會(huì)、物理光學(xué)儀器*委員會(huì)副主任委員、近紅外光譜*委員會(huì)理事，列屆近紅外光譜分析與應(yīng)用大會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。
主要學(xué)經(jīng)歷：
1978年2月至1982年2月鎮(zhèn)江農(nóng)機(jī)學(xué)機(jī)械制造工藝、設(shè)備及自動(dòng)化*本科學(xué)，獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位;
1986年9月至1990年7月江蘇工學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏*碩士研究生學(xué)，獲得工學(xué)碩士學(xué)位;
1996年9月至2001年6月江蘇理工大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏*博士研究生學(xué)，獲得工學(xué)博士學(xué)位。
主要工作經(jīng)歷：
1983年9月，鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)，任助教;
1987年10月，江蘇工學(xué)，農(nóng)機(jī)學(xué)，任講師;
1996年7月，江蘇理工大學(xué)，農(nóng)機(jī)學(xué)，任副教授;
1997年7年，江蘇理工大學(xué)，農(nóng)機(jī)學(xué)，任碩士生導(dǎo)師;
2004年10月，江蘇大學(xué)，生物與環(huán)境學(xué)，任教授;
2005年12月，食品與生物工程學(xué)，任博士生導(dǎo)師。
1982年2月從鎮(zhèn)江農(nóng)機(jī)學(xué)畢業(yè)后留校從事教學(xué)和科研工作，從1986年來一直從事農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的光學(xué)檢測方法的研究，擔(dān)任本科和研究生的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損快速檢測、食品加工機(jī)械與設(shè)備、光電技術(shù)基礎(chǔ)、光譜分析、分析儀器等課程，其中《食品加工機(jī)械與設(shè)備》2008年獲*精品課程榮譽(yù)，2004年獲江蘇大學(xué)*課程教學(xué)成果獎(jiǎng)，博士研究生階段的論文題目是《液態(tài)食品品質(zhì)的近紅外光譜分析技術(shù)》。工作以來從事過相關(guān)課題20余項(xiàng)，其中*自然科學(xué)基金3項(xiàng)，“863”項(xiàng)目1項(xiàng)，*教委博士基金2項(xiàng)，現(xiàn)主持*自然基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)，江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目1項(xiàng)，鎮(zhèn)江市科技項(xiàng)目3項(xiàng)，企業(yè)委托項(xiàng)目3項(xiàng)。近5年發(fā)表*作者的相關(guān)文章共計(jì)40余篇，其中被SCI收錄10篇，EI收錄18篇，主編*“11.5”，“12.5”規(guī)劃教材《食品加工機(jī)械與設(shè)備》2部，主編專著《食品與農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測新技術(shù)》1部。擁有實(shí)用*4項(xiàng)，申請發(fā)明2項(xiàng)，軟件著者權(quán)登記1項(xiàng)。
自1996年開始從事近紅外光譜分析技術(shù)在食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究，先后利用近紅外光譜分析技術(shù)檢測了谷物、調(diào)味品、植物油、飲料、紡織品等物料的主要品質(zhì)指標(biāo)，2006年創(chuàng)辦了國內(nèi)*家近紅外光譜分析技術(shù)的*技術(shù)網(wǎng)站《近紅外光譜分析與儀器協(xié)作網(wǎng)(www.chinanir.com》，10年來在近紅外光譜分析技術(shù)的理論與應(yīng)用研究的水平在國內(nèi)從事該技術(shù)研究的同行中得到大家的認(rèn)可，作為學(xué)術(shù)委員會(huì)委員參加了*、二、三、四屆近紅外光譜分析技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)并做大會(huì)報(bào)告。目前的研究方向主要是食品與農(nóng)產(chǎn)品快速無損檢測技術(shù)和智能光譜分析儀器的研發(fā)，近5年來共指導(dǎo)研究生25余名，其中博士2名，食品科學(xué)與工程方向的碩士研究生22名，測試計(jì)量技術(shù)及儀器方向研究生6名。
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