您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
近紅外光譜技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀評(píng)述
導(dǎo)讀： 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(diǎn)，其非常適合于過(guò)程監(jiān)測(cè),、材料科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。
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(diǎn),，其非常適合于過(guò)程監(jiān)測(cè)、材料科學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用,。
過(guò)去十年近紅外光譜技術(shù)新進(jìn)展
專家們認(rèn)為近紅外光譜技術(shù)進(jìn)展主要是新成像系統(tǒng)和儀器的小型化,。
Pierre Dardenne是比利時(shí)瓦隆農(nóng)業(yè)研究中心的部門主任，他認(rèn)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)的科學(xué)家,，他贊同Dardenne關(guān)于高光譜成像重要性的觀點(diǎn)?！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(guò)去十年的顯著性變革",，他說(shuō)，“成像技術(shù)可以給出藥物中成分的微觀分布信息,，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(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合用于農(nóng)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(zhǎng)，這些成像系統(tǒng)可以在幾秒鐘之內(nèi)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)公司的科學(xué)家,，也是近紅外光譜學(xué)會(huì)(Council for Near-Infrared Spectroscopy)主席當(dāng)選人，他認(rèn)為主要的進(jìn)展是近紅外系統(tǒng)的小型化,。他說(shuō)：“過(guò)去5–10年,，近紅外zui重要的進(jìn)展是市場(chǎng)上存在的低成本、小型,、儀器,，它們可以替代大型儀器用于研發(fā),、現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)等場(chǎng)合,。"Benoit Igne認(rèn)為微型FT-NIR、MEMS-NIR,、LVF-NIR可用于先前研究級(jí)儀器所應(yīng)用的領(lǐng)域,，例如實(shí)時(shí)分析、在線監(jiān)測(cè)和過(guò)程控制,。他補(bǔ)充說(shuō)：“這類儀器的低成本特點(diǎn),，甚至允許儀器在出現(xiàn)故障時(shí)換一臺(tái)新儀器，而不是維修,，具備*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(shí)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(shuō)：“使近紅外光譜這么令人關(guān)注,，同時(shí)也是使其難以應(yīng)用的原因是近紅外光譜對(duì)樣品的基體非常敏感。"他指出,，除非建立的模型經(jīng)過(guò)認(rèn)真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(jì)和驗(yàn)證工作通常需要大量的時(shí)間,、精力和資金,。Benoit Igne接著說(shuō)：“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(lái)消除基體對(duì)光譜的影響,，從而提高模型的穩(wěn)健性。"
McGeorge認(rèn)同上述觀點(diǎn),，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(shuō)：“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(shí),，要設(shè)計(jì)并實(shí)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zui低資源消耗的條件下減少這些干擾物的影響。"他補(bǔ)充說(shuō)到,，如果模型沒(méi)有能力適應(yīng)各種影響因素,，我們很難讓企業(yè)的相信近紅外技術(shù)會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
McGeorge認(rèn)為藥物分析對(duì)近紅外模型有額外的穩(wěn)健性要求,，這是因?yàn)樗幤推渌诜苿┧玫妮o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(jié),、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(duì)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(gòu)談判過(guò)程中需要充分考慮這些變動(dòng)因素,。"
Igne認(rèn)為,，儀器設(shè)計(jì)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(tái)儀器上建立的模型直接應(yīng)用到另一臺(tái)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(fù)雜的算法。"他認(rèn)為,，對(duì)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(bǔ)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(yīng)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(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，他說(shuō)：“沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的模型到處可見,，許多論文只給出了隨機(jī)交互驗(yàn)證結(jié)果,，卻沒(méi)有給出獨(dú)立的驗(yàn)證結(jié)果。"他認(rèn)為,，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)用,，近紅外光譜的檢測(cè)限也是一個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)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(nèi)部相關(guān)性，有些模型看上去很好,，但待測(cè)組分的信息實(shí)際上被噪聲掩蓋了,。"
Igne補(bǔ)充道，在分析實(shí)驗(yàn)室近紅外方法還沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)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(tǒng)的濕化學(xué)分析方法。" Igne認(rèn)為,，只有在線和實(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(yīng)用,。
人才的缺乏
近紅外光譜的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，面對(duì)寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域,，嚴(yán)重缺乏具備充足專業(yè)知識(shí)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(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(xiàn)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(rèn)為造成人才缺乏的原因是：“在藥廠,，PAT倡議計(jì)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,。"但是,，很多學(xué)校只是使用現(xiàn)成的工具,，而沒(méi)有掌握和理解建模背后的光譜儀器和數(shù)學(xué)算法,。McGeorge說(shuō)：“而且，我認(rèn)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(shí)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(duì)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(shí)的教育,，他介紹說(shuō)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(tái),，不久就可以使用并且給學(xué)生提供學(xué)分。
如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
Igne認(rèn)為：“所有儀器制造商都在千方百計(jì)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。"但是,，他預(yù)計(jì)模型傳遞問(wèn)題將持續(xù)到下一個(gè)十年,。
對(duì)于樣品基體的影響，據(jù)Igne介紹,，現(xiàn)在有不少團(tuán)隊(duì)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(shuō)：“我認(rèn)為在學(xué)術(shù)圈,，這方面的研究將持續(xù)一段時(shí)間,。"
對(duì)解決這一問(wèn)題,，McGeorge看到了一些進(jìn)展?！半S著問(wèn)題的明確,，化學(xué)計(jì)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(shù)正交化(EPO)就是一個(gè)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(duì)這類變動(dòng)是穩(wěn)健的,。"他補(bǔ)充說(shuō),，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(gè)區(qū)域照射樣品在另一個(gè)區(qū)域檢測(cè)信號(hào),。"他說(shuō),，“隨著這種技術(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(hào),，從而更容易建立更穩(wěn)健的模型。"
Igne認(rèn)為,，讓更多實(shí)驗(yàn)室采用近紅外光譜技術(shù)依賴于兩件事：讓使用者弄懂驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)學(xué)和簡(jiǎn)化建模步驟,。他說(shuō)：“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(jì)量學(xué)專家更容易掌握該技術(shù)。"