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闵顺耕:用大数据刻画七彩光谱

2020-9-10 09:56

  “七彩光谱 万象更新”主题系列—访中国农业大学闵顺耕教授

    众望所盼,在经历疫情被迫延期后,第21届全国分子光谱学术会议暨2020年光谱学会将于2020年10月30日-11月2日在成都举行。为促进我国光谱事业的发展,展示我国在光谱学及相关领域的最新研究进展及取得的成果,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访光谱界的一线工作者代表,他们与大家共同探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,并一同展望光谱未来发展的新方向。希望这次活动能对广大光谱爱好与从业者有更多的帮助和启发。本期分析测试百科网以“光谱的发展、应用及现存问题”为主题,特邀请中国农业大学闵顺耕教授为我们讲述他与光谱学的完美邂逅。

  中国农业大学 闵顺耕教授

原子分子光谱融会贯通 数学让光谱插上翅膀

    在清华大学化学与化工系仪器分析专业读书时,闵顺耕师从原子光谱界著名的邓勃教授,并得到分子光谱界著名的胡鑫尧教授的指导。1988年进入中国农业大学工作后,跟随我国近红外光谱分析界著名的严衍禄教授,进入近红外光谱这个新兴的领域。众所周知,近红外光谱的特点是在结合建模、训练、算法等技术之后,能在有机物快速无损检测中发挥巨大作用,因此近红外光谱的应用中非常需要研究者的数学能力。闵顺耕的数学功底非常扎实,是国内为数不多的可以用数学模型和计算机来分析光谱数据的跨领域专家。近年来,闵顺耕主要关注中红外、近红外、拉曼光谱技术应用。事实上,近年来的大数据发展和未来的人工智能发展,光谱技术都是被看好的技术。因为它能够快速对原始物质、混合物质直接快速采集,结合数据处理后可以快速给出结果,直接影响决策或实现智能化控制。

光谱之强:解决大量实际问题 快速无损

    在闵顺耕20余年的研究与教学生涯中,他与团队及学生主要从事光谱技术推广与应用的工作,如采用近红外、中红外、拉曼光谱应用于物质属性确认、产品溯源、产品品质分析等方面技术研究与方法开发,农产品品质分析、农药质量分析、饲料质量与安全检测等众多领域。主要围绕快速现场检测方法的应用开发,解决国家产品质量监管中技术难点。与常用的化学分析方法不同的是,近红外光谱分析法是一种间接分析技术,是用统计的方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立关联模型。因此在对未知样品进行分析之前需要搜集一批用于建立关联模型的校正样品,且要达到一定数量。这是最关键的操作过程。

  闵顺耕团队近期发表的化学计量学与光谱分析研究论文

sPLS-LS-SVM的循环过程  

    鉴定文献年代是许多领域亟待解决的问题之一。虽然有各种分析方法侧重于文件的墨水来估计文件的年代,但对文件本身的分析却很少引起注意。闵顺耕课题组提出一种基于傅立叶变换红外(FTIR)的无损检测方法来估计文献的年代。收集了中国农业大学图书馆1940-1980年自然老化和保存的期刊的FTIR光谱。应用最小二乘支持向量机(LS-SVM)对不同年代的文献进行分类,识别准确率为99.26%。为了寻找影响文献断代过程的感兴趣波数,采用稀疏偏最小二乘法(sPLS)选择信息变量。经100次sPLS筛选出483个变量,选择的变量集中在无机组分和纤维素的吸收峰上。sPLS-LS-SVM在100次测试中的平均准确率为99.34%。这项结合了FTIR和sPLS-LS-SVM算法的研究发表在近期的《Cellulose》上1

     

数据融合过程方案:(a)低层数据融合;(b)中层数据融合;(c)高层数据融合

    在蜂蜜制品中非法添加糖浆会降低蜂蜜的天然营养价值,开发方便、准确的分析方法是快速监测产品质量的关键。闵顺耕课题组研究探讨了中红外光谱(MIR)和拉曼光谱(Raman)相结合对鲈鱼蜂蜜混合物中高果糖糖浆(HFGS)定量的潜在可用性。其中偏最小二乘(PLS)模型用于预测掺假物的浓度;利用MIR和Raman化学信息的协同效应,采用低、中、高三种数据融合策略,提高了定量模型的预测精度。其中,高层数据融合的预测能力相对最强。这种综合利用中红外光谱和拉曼光谱的分析策略提高了蜂蜜掺假的识别效率,发表在近期的《Vibrational Spectroscopy 》上2

    出于职业敏感,闵顺耕在日常生活中也会随手收集样品,与人交谈时也不忘叮嘱对方帮忙收集样品,可见他对工作的认真负责与热爱。几十年工作经验的积累,似乎把他也变成了一台可移动的“近红外”,再复杂的加工食品经过闵顺耕的分析也显露出了本质:“这个味儿不对”“嗯,这个不是天然的,是化学合成的”“你确定这是产自xx的?”…“不过,近红外技术也不是万能的,它虽然可以解决许多实际问题,但不能指望它能解决所有问题。比如地沟油的鉴定需要借助多种仪器和手段,检测不同参数,综合评价。”


光谱发展

    谈到光谱发展历史,首先闵顺耕讲到自己大学的光谱学习中最深的印象:1666年牛顿(I.Newton)做三棱镜色散实验;1800年赫谢尔(W.Herschel)从太阳光谱发现红外线;1802年沃拉斯顿(W.H.Wollaston)发现太阳光谱中的暗线和1815年夫琅和费(J.V.Fraunhofer)用分光镜研究太阳光谱中的暗线;基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)发现蒸汽相碱金属原子对其共振线的吸收。1881年迈克尔逊(A.A.Michelson)做以太漂移实验失败,但由此产生迈克尔逊干涉仪被用于傅里叶红外光谱仪;除外还有巴耳末(J.J.Balmer)发表氢原子光谱中巴耳末系4根谱线和里德伯(R.J.R.Rydberg)发表碱金属和氢原子光谱线通用的波长公式……

    闵顺耕也谈到现代光谱中近年来进展较快的几项技术:“比如大家比较熟悉的傅里叶红外光谱技术、红外光谱成像技术及原子力显微红外光谱技术、共聚焦拉曼光谱成像技术、多道毛细管电泳-激光荧光检测技术、多光谱成像技术、超快激光二维红外光谱技术、超分辨荧光成像等。”

我国光谱:应用广泛 研究一流

    “中国光谱研究和应用涉及面太广,以近红外光谱技术为例来说明。近年来,我国近红外理论及应用研究伴随着我国经济发展和产品质量重视有了突破性的进展,在农业、食品、制药、石化等传统领域得到了广泛的应用;在非传统领域,如材料、环境、生态、生物医学等领域也有了快速进展,尤其是备受关注的可穿戴应用领域及社区应用领域。”

    我国在光谱及相关领域的成果在近几年里也得到了国际上的认可。闵顺耕说,“印象最深刻的是2017年,厦门大学田中群院士在表面增强拉曼光谱和谱学电化学研究领域的杰出贡献获得美国化学会“光谱分析化学奖”;2018年,湖南大学谭蔚泓院士在超小型光学生物传感器等领域的突出成就再次获得美国化学会“光谱分析化学奖”,这些成就表明中国光谱学研究在一些领域处于国际领先地位。这是我们引以自豪的事情!”

普析通用 非常好用 国产替代 从我做起

    前段时间一篇题为《先放过芯片吧,中国这个行业可能更悲情!》文章登上热搜榜,将国人对国产仪器的信任度和关注度再一次推到了风口浪尖,同时也让仪器使用人员对国产仪器与进口仪器之间的差距展开了激烈讨论。闵顺耕也为此表达了自己的几个观点:“大部分国产仪器能够满足一般用户要求,部分产品同国外仪器差异不大。各档次仪器都有其用途,高端仪器有高端仪器的用处,普通仪器有普通仪器的用途。一些人口口声声所说的国产仪器没法用只是他自己购买进口产品的借口,从来都没有使用过国产仪器,凭什么就认定没法用?尽管现在大部分科研院所和大专院校都有条件都买进口仪器,但近几年相信每个人都能感受到‘卡脖子’、‘被制裁’等痛苦,以及支持国产的呼声。希望从每位专家开始,对国产仪器给以更多的肯定,包容,最好是直接采购使用。”

    闵顺耕更是“从我做起”,使用国产仪器:“尽管我没有专门对比过国产仪器与进口仪器的性能、准确度和精密度,但是我使用过的国产仪器给我的感觉就是“非常好用”,比如我用过普析通用公司1901 、1810和T6等型号紫外-可见分光光度计,仪器性能可以满足我们农业分析的不同需要,是非常好的仪器。我相信‘好仪器是生产出来的,更是用出来的’这句话,毕竟普通仪器的基本功能适用于绝大部分领域的应用。”

    “如果说差距的话,实话实说,我觉得主要在高端产品上有差距,涉及到仪器设计经验、核心专利技术、光学器件等方面,另外专业软件、数据库及模型也是短板。这一点上,从有些国产仪器的分析软件上就可以容易看出是模仿国外品牌” 中国近红外光谱技术研究目前主要是推广应用及软件算法研究较多,但是在硬件上还很少,在近红外器件开发、整机设计等方面有短板,需要国家政策扶持,也需要各方一起努力加以解决。同时,加强仪器生产商与用户之间的合作关系非常重要,尤其是在仪器的研发阶段,让用户参与仪器研发对最终产品是否好用、够用有着重要意义。这一点对于国产仪器的发展和优化十分重要。闵顺耕呼吁各方加强合作,让用户参与提前到产品设计阶段,而不是产品验证阶段。多换角度考虑问题,就会觉得茅塞顿开!”

对《光谱学与光谱分析》期刊的祝愿

    光谱学领域期刊《光谱学与光谱分析》创刊40年之际,作为期刊编委和审稿人,闵顺耕感叹道:“《光谱学与光谱分析》是许多国内学者向往的期刊,对我国分析检测领域有着重要影响。我们领域内有许多专家、学者把第一篇SCI论文发表到这里,可见大家对该期刊寄予了厚望。随着我国科技水平的提高,逐渐得到了国际的认可,有更多的国内学术期刊被SCI收录。《光谱学与光谱分析》是我国较早进入SCI的期刊之一,在化学类学术期刊中占有重要的地位,是众多光谱分析工作者学术交流和成果发布的首选期刊。希望国内光谱界共同努力,继承老一辈光谱学家的优良传统,将《光谱学与光谱分析》办得越来越好!”

寄语2020年光谱年会

    最后,闵顺耕对即将到来的“2020年光谱年会”寄予期望:“今年受疫情影响,会议推迟近半年,能在此时举行实属不易,这也可见此次年会的重要性。两年一届的光谱年会已经成为我国光谱分析界的盛会,是光谱分析产、学、研、用交流、合作的重要平台,希望通过这次盛会以及大家的共同努力,推动我国光谱学研究及应用达到新的高度,为我国科学技术发展和国家经济繁荣做出新的贡献。”


附:闵顺耕个人简历

    闵顺耕,中国农业大学理学院应用化学系教授,博士生导师,现任中国仪器仪表学会分析仪器学会常务理事;中国仪器仪表学会分析农业应用仪器学会常务理事;北京市农产品质量与安全学会常务理事;《现代仪器》杂志副主编;《光谱学与光谱分析》杂志编委。研究领域:红外/近红外光谱、化学计量学、农产品品质与营养分析、农产品安全;主要从事仪器分析及农产品品质与营养分析的教学与科研工作。


参考文献:

  1.  Development of a chemometric methodology based on FTIR spectra for paper dating. Cellulose (2020) 27:5323–5335

  2.  Quantitative analysis of honey adulteration by spectrum analysis combined with several high-level data fusion strategies. Vibrational Spectroscopy 108 (2020) 103060