閔順耕：用大數據刻畫七彩光譜

　　“七彩光譜 萬象更新”主題系列—訪中國農業大學閔順耕教授

    眾望所盼，在經歷疫情被迫延期后，第21屆全國分子光譜學術會議暨2020年光譜學會將于2020年10月30日-11月2日在成都舉行。為促進我國光譜事業的發展，展示我國在光譜學及相關領域的最新研究進展及取得的成果，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪光譜界的一線工作者代表，他們與大家共同探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，并一同展望光譜未來發展的新方向。希望這次活動能對廣大光譜愛好與從業者有更多的幫助和啟發。本期分析測試百科網以“光譜的發展、應用及現存問題”為主題，特邀請中國農業大學閔順耕教授為我們講述他與光譜學的完美邂逅。

　　中國農業大學 閔順耕教授

原子分子光譜融會貫通 數學讓光譜插上翅膀

    在清華大學化學與化工系儀器分析專業讀書時，閔順耕師從原子光譜界著名的鄧勃教授，并得到分子光譜界著名的胡鑫堯教授的指導。1988年進入中國農業大學工作后，跟隨我國近紅外光譜分析界著名的嚴衍祿教授，進入近紅外光譜這個新興的領域。眾所周知，近紅外光譜的特點是在結合建模、訓練、算法等技術之后，能在有機物快速無損檢測中發揮巨大作用，因此近紅外光譜的應用中非常需要研究者的數學能力。閔順耕的數學功底非常扎實，是國內為數不多的可以用數學模型和計算機來分析光譜數據的跨領域專家。近年來，閔順耕主要關注中紅外、近紅外、拉曼光譜技術應用。事實上，近年來的大數據發展和未來的人工智能發展，光譜技術都是被看好的技術。因為它能夠快速對原始物質、混合物質直接快速采集，結合數據處理后可以快速給出結果，直接影響決策或實現智能化控制。

光譜之強：解決大量實際問題 快速無損

    在閔順耕20余年的研究與教學生涯中，他與團隊及學生主要從事光譜技術推廣與應用的工作，如采用近紅外、中紅外、拉曼光譜應用于物質屬性確認、產品溯源、產品品質分析等方面技術研究與方法開發，農產品品質分析、農藥質量分析、飼料質量與安全檢測等眾多領域。主要圍繞快速現場檢測方法的應用開發，解決國家產品質量監管中技術難點。與常用的化學分析方法不同的是，近紅外光譜分析法是一種間接分析技術，是用統計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數據之間建立關聯模型。因此在對未知樣品進行分析之前需要搜集一批用于建立關聯模型的校正樣品，且要達到一定數量。這是最關鍵的操作過程。

　　閔順耕團隊近期發表的化學計量學與光譜分析研究論文

sPLS-LS-SVM的循環過程　　

    鑒定文獻年代是許多領域亟待解決的問題之一。雖然有各種分析方法側重于文件的墨水來估計文件的年代，但對文件本身的分析卻很少引起注意。閔順耕課題組提出一種基于傅立葉變換紅外（FTIR）的無損檢測方法來估計文獻的年代。收集了中國農業大學圖書館1940-1980年自然老化和保存的期刊的FTIR光譜。應用最小二乘支持向量機（LS-SVM）對不同年代的文獻進行分類，識別準確率為99.26%。為了尋找影響文獻斷代過程的感興趣波數，采用稀疏偏最小二乘法（sPLS）選擇信息變量。經100次sPLS篩選出483個變量，選擇的變量集中在無機組分和纖維素的吸收峰上。sPLS-LS-SVM在100次測試中的平均準確率為99.34%。這項結合了FTIR和sPLS-LS-SVM算法的研究發表在近期的《Cellulose》上¹。

數據融合過程方案：（a）低層數據融合；（b）中層數據融合；（c）高層數據融合

    在蜂蜜制品中非法添加糖漿會降低蜂蜜的天然營養價值，開發方便、準確的分析方法是快速監測產品質量的關鍵。閔順耕課題組研究探討了中紅外光譜（MIR）和拉曼光譜（Raman）相結合對鱸魚蜂蜜混合物中高果糖糖漿（HFGS）定量的潛在可用性。其中偏最小二乘（PLS）模型用于預測摻假物的濃度；利用MIR和Raman化學信息的協同效應，采用低、中、高三種數據融合策略，提高了定量模型的預測精度。其中，高層數據融合的預測能力相對最強。這種綜合利用中紅外光譜和拉曼光譜的分析策略提高了蜂蜜摻假的識別效率，發表在近期的《Vibrational Spectroscopy 》上²。

    出于職業敏感，閔順耕在日常生活中也會隨手收集樣品，與人交談時也不忘叮囑對方幫忙收集樣品，可見他對工作的認真負責與熱愛。幾十年工作經驗的積累，似乎把他也變成了一臺可移動的“近紅外”，再復雜的加工食品經過閔順耕的分析也顯露出了本質：“這個味兒不對”“嗯，這個不是天然的，是化學合成的”“你確定這是產自xx的？”…“不過，近紅外技術也不是萬能的，它雖然可以解決許多實際問題，但不能指望它能解決所有問題。比如地溝油的鑒定需要借助多種儀器和手段，檢測不同參數，綜合評價。”

光譜發展

    談到光譜發展歷史，首先閔順耕講到自己大學的光譜學習中最深的印象：1666年牛頓(I.Newton)做三棱鏡色散實驗；1800年赫謝爾(W.Herschel)從太陽光譜發現紅外線；1802年沃拉斯頓(W.H.Wollaston)發現太陽光譜中的暗線和1815年夫瑯和費(J.V.Fraunhofer)用分光鏡研究太陽光譜中的暗線；基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)發現蒸汽相堿金屬原子對其共振線的吸收。1881年邁克爾遜(A.A.Michelson)做以太漂移實驗失敗，但由此產生邁克爾遜干涉儀被用于傅里葉紅外光譜儀；除外還有巴耳末(J.J.Balmer)發表氫原子光譜中巴耳末系4根譜線和里德伯(R.J.R.Rydberg)發表堿金屬和氫原子光譜線通用的波長公式……

    閔順耕也談到現代光譜中近年來進展較快的幾項技術：“比如大家比較熟悉的傅里葉紅外光譜技術、紅外光譜成像技術及原子力顯微紅外光譜技術、共聚焦拉曼光譜成像技術、多道毛細管電泳-激光熒光檢測技術、多光譜成像技術、超快激光二維紅外光譜技術、超分辨熒光成像等。”

我國光譜：應用廣泛 研究一流

    “中國光譜研究和應用涉及面太廣，以近紅外光譜技術為例來說明。近年來，我國近紅外理論及應用研究伴隨著我國經濟發展和產品質量重視有了突破性的進展，在農業、食品、制藥、石化等傳統領域得到了廣泛的應用；在非傳統領域，如材料、環境、生態、生物醫學等領域也有了快速進展，尤其是備受關注的可穿戴應用領域及社區應用領域。”

    我國在光譜及相關領域的成果在近幾年里也得到了國際上的認可。閔順耕說，“印象最深刻的是2017年，廈門大學田中群院士在表面增強拉曼光譜和譜學電化學研究領域的杰出貢獻獲得美國化學會“光譜分析化學獎”；2018年，湖南大學譚蔚泓院士在超小型光學生物傳感器等領域的突出成就再次獲得美國化學會“光譜分析化學獎”，這些成就表明中國光譜學研究在一些領域處于國際領先地位。這是我們引以自豪的事情！”

普析通用 非常好用 國產替代 從我做起

    前段時間一篇題為《先放過芯片吧，中國這個行業可能更悲情！》文章登上熱搜榜，將國人對國產儀器的信任度和關注度再一次推到了風口浪尖，同時也讓儀器使用人員對國產儀器與進口儀器之間的差距展開了激烈討論。閔順耕也為此表達了自己的幾個觀點：“大部分國產儀器能夠滿足一般用戶要求，部分產品同國外儀器差異不大。各檔次儀器都有其用途，高端儀器有高端儀器的用處，普通儀器有普通儀器的用途。一些人口口聲聲所說的國產儀器沒法用只是他自己購買進口產品的借口，從來都沒有使用過國產儀器，憑什么就認定沒法用？盡管現在大部分科研院所和大專院校都有條件都買進口儀器，但近幾年相信每個人都能感受到‘卡脖子’、‘被制裁’等痛苦，以及支持國產的呼聲。希望從每位專家開始，對國產儀器給以更多的肯定，包容，最好是直接采購使用。”

    閔順耕更是“從我做起”，使用國產儀器：“盡管我沒有專門對比過國產儀器與進口儀器的性能、準確度和精密度，但是我使用過的國產儀器給我的感覺就是“非常好用”，比如我用過普析通用公司1901 、1810和T6等型號紫外-可見分光光度計，儀器性能可以滿足我們農業分析的不同需要，是非常好的儀器。我相信‘好儀器是生產出來的，更是用出來的’這句話，畢竟普通儀器的基本功能適用于絕大部分領域的應用。”

    “如果說差距的話，實話實說，我覺得主要在高端產品上有差距，涉及到儀器設計經驗、核心ZL技術、光學器件等方面，另外專業軟件、數據庫及模型也是短板。這一點上，從有些國產儀器的分析軟件上就可以容易看出是模仿國外品牌” 中國近紅外光譜技術研究目前主要是推廣應用及軟件算法研究較多，但是在硬件上還很少，在近紅外器件開發、整機設計等方面有短板，需要國家政策扶持，也需要各方一起努力加以解決。同時，加強儀器生產商與用戶之間的合作關系非常重要，尤其是在儀器的研發階段，讓用戶參與儀器研發對最終產品是否好用、夠用有著重要意義。這一點對于國產儀器的發展和優化十分重要。閔順耕呼吁各方加強合作，讓用戶參與提前到產品設計階段，而不是產品驗證階段。多換角度考慮問題，就會覺得茅塞頓開！”

對《光譜學與光譜分析》期刊的祝愿

    光譜學領域期刊《光譜學與光譜分析》創刊40年之際，作為期刊編委和審稿人，閔順耕感嘆道：“《光譜學與光譜分析》是許多國內學者向往的期刊，對我國分析檢測領域有著重要影響。我們領域內有許多專家、學者把第一篇SCI論文發表到這里，可見大家對該期刊寄予了厚望。隨著我國科技水平的提高，逐漸得到了國際的認可，有更多的國內學術期刊被SCI收錄。《光譜學與光譜分析》是我國較早進入SCI的期刊之一，在化學類學術期刊中占有重要的地位，是眾多光譜分析工作者學術交流和成果發布的首選期刊。希望國內光譜界共同努力，繼承老一輩光譜學家的優良傳統，將《光譜學與光譜分析》辦得越來越好！”

寄語2020年光譜年會

    最后，閔順耕對即將到來的“2020年光譜年會”寄予期望：“今年受疫情影響，會議推遲近半年，能在此時舉行實屬不易，這也可見此次年會的重要性。兩年一屆的光譜年會已經成為我國光譜分析界的盛會，是光譜分析產、學、研、用交流、合作的重要平臺，希望通過這次盛會以及大家的共同努力，推動我國光譜學研究及應用達到新的高度，為我國科學技術發展和國家經濟繁榮做出新的貢獻。”

附：閔順耕個人簡歷

    閔順耕，中國農業大學理學院應用化學系教授，博士生導師，現任中國儀器儀表學會分析儀器學會常務理事；中國儀器儀表學會分析農業應用儀器學會常務理事；北京市農產品質量與安全學會常務理事；《現代儀器》雜志副主編；《光譜學與光譜分析》雜志編委。研究領域：紅外/近紅外光譜、化學計量學、農產品品質與營養分析、農產品安全；主要從事儀器分析及農產品品質與營養分析的教學與科研工作。

參考文獻：

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