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2025-04-08 09:00:24
想象一下，3秒识别300多种中草药真伪、不拆快递就能检测包裹安全性，甚至未来星际探测器都能用它来分析外星土壤……这不是科幻小说，而是近红外光谱技术正在创造的现实。
日前，在中国仪器仪表学会主办的“智感世界·仪创未来”主题系列科普讲座近红外光谱技术应用专场中，两位专家带领广大网友走进近红外光谱技术的奇妙世界，揭秘它如何从实验室走向田间地头、工厂车间，甚至未来家庭。
近红外光谱技术：颠覆传统重构物质检测模式
在人工智能与数字(zì)化(huà)深(shēn)度(dù)融(róng)合(hé)的(de)时(shí)代，物质属性的快速精(jīng)准(zhǔn)检(jiǎn)测(cè)成(chéng)为(wèi)产(chǎn)业(yè)升(shēng)级(jí)与(yǔ)科(kē)技(jì)创(chuàng)新(xīn)的(de)关键。当(dāng)前(qián)，无(wú)论(lùn)是(shì)工(gōng)业(yè)原(yuán)料(liào)检(jiǎn)测(cè)、医(yī)疗(liáo)诊(zhěn)断(duàn)还(hái)是(shì)食品安全等(děng)领(lǐng)域，均(jūn)面(miàn)临(lín)物(wù)质(zhì)属(shǔ)性(xìng)快(kuài)速(sù)数(shù)字(zì)化(huà)的(de)迫(pò)切需求。传统(tǒng)检(jiǎn)测(cè)实(shí)验(yàn)室(shì)受(shòu)限(xiàn)于(yú)检(jiǎn)测(cè)周(zhōu)期(qī)长(zhǎng)、成(chéng)本(běn)高(gāo)、多(duō)指(zhǐ)标(biāo)并(bìng)行(xíng)检(jiǎn)测(cè)难(nán)等(děng)瓶(píng)颈(jǐng)，已(yǐ)无(wú)法(fǎ)满(mǎn)足(zú)现(xiàn)代(dài)社(shè)会(huì)高(gāo)效(xiào)、精(jīng)准(zhǔn)的(de)需(xū)求(qiú)。
“传(chuán)统(tǒng)检(jiǎn)测(cè)依(yī)赖(lài)单(dān)一(yī)指(zhǐ)标(biāo)对(duì)应(yīng)单(dān)一(yī)设(shè)备(bèi)的(de)‘一(yī)对(duì)一(yī)’模(mó)式(shì)，如(rú)医(yī)疗(liáo)血(xuè)液(yè)检(jiǎn)测(cè)需(xū)数(shù)十(shí)种(zhǒng)仪(yí)器(qì)，石(shí)化(huà)油(yóu)品(pǐn)检(jiǎn)测(cè)涉(shè)及(jí)30余(yú)项(xiàng)指(zhǐ)标(biāo)，导(dǎo)致(zhì)检(jiǎn)测(cè)周(zhōu)期(qī)长(zhǎng)达(dá)数(shù)天(tiān)甚(shén)至(zhì)一(yī)周(zhōu)，成(chéng)本(běn)高(gāo)昂(áng)且(qiě)难(nán)以(yǐ)满(mǎn)足(zú)智(zhì)能(néng)化(huà)生产的即时决策需求。”北京化工大学教授、中国仪器仪表学会理事袁洪福表示，破解这一难题的关键在于建立高效的智慧检测体系。而近红外光谱技术通过整合光谱采集、数据处理与智能建模，可在3秒内同步检测百余种指标，从根本上颠覆了传统检测的“耗时耗力”模式。
袁洪福介绍，近红外光谱技术的核心原理在于解析“分子指纹”。物质分子中的化学键如碳氢键、氧氢键在吸收特定能量的光子后会产生共振，形成独特的光谱信号，如同人类指纹般具有唯一性。通过光谱仪(yí)采集这(zhè)些信号，结合化学计量学算法，可构建光谱与物质属性如成分、浓度、物理性质等的定量关系模型。
例如，在石油炼化领域，光谱技术已实现在线监测汽油辛烷值、柴油硫含量及混油比例，检测精度达98%；在光伏产业中，3秒内即可完成硅片杂质成分分析，生产效率提升40%。
更值得关注的是，光谱智慧检测技术正加速向民生领域渗透。比如，医疗领域已开发出手持式近红(hóng)外(wài)设(shè)备(bèi)，实(shí)现(xiàn)血(xuè)糖(táng)、血(xuè)氧(yǎng)无(wú)创(chuàng)检(jiǎn)测(cè)；食(shí)品(pǐn)安(ān)全领(lǐng)域，通(tōng)过(guò)奶(nǎi)粉(fěn)蛋(dàn)白(bái)质(zhì)含(hán)量(liàng)快(kuài)速(sù)检(jiǎn)测(cè)，将(jiāng)传(chuán)统(tǒng)2小(xiǎo)时(shí)检(jiǎn)测(cè)流(liú)程(chéng)压(yā)缩(suō)至(zhì)5分(fēn)钟(zhōng)。在(zài)农(nóng)业(yè)领(lǐng)域，便(biàn)携(xié)式(shì)光(guāng)谱(pǔ)仪(yí)可(kě)实(shí)时(shí)诊(zhěn)断(duàn)土(tǔ)壤(rǎng)肥(féi)力(lì)与(yǔ)作(zuò)物(wù)病(bìng)虫(chóng)害(hài)，指(zhǐ)导(dǎo)精(jīng)准(zhǔn)施(shī)肥(féi)与(yǔ)种(zhǒng)植(zhí)。
展(zhǎn)望(wàng)未(wèi)来(lái)，袁(yuán)洪(hóng)福(fú)描绘了光谱智慧检测实验室的三大特征。其一是检测形态多元化，可覆盖液体、固体、气体，支持透明/不透明、均匀/非均匀样品，能在高温、高压、移动状态下实现检测，适应工业生产、环境监测等复杂场景；其二是空间场景泛在化，检测设备从实验室走向工业现场、物流节点、家庭场景，通过云平台实现远程定标与数据协同，构建“分布式智慧检测网络”；其三是技术融合深度化，与人工智能、物联网、大数据深度融合，形成“光谱采集-模型构建-智能决策-自动执行”闭环，为智能制造、精准医疗、智慧农业等提供底层数据支撑。
“智慧检测实验室并非替代传统实验室，而是通过协同互补实现效率和成本的革命——传统实验室提供标准数据用于模型定标，智慧技术实现海量样本的快速筛查。”袁洪福认为，随着仪器小型化、多模态融合等技术的突破，光谱智慧检测将成为人工智能时代物质属性感知的核心基础设施，为工业升级、民生改善和科技创新开辟广阔空间。
现代光谱分析技术：赋能千行百业的智能感知引擎
讲座中，中国石化石油化工科学研究院教授级高工、中国仪器仪表学会科普委副主任委员褚小立以“点亮我们生活的现代光谱分析技术”为主题，深入解读了以近红外光谱为代表的现代过程分析技术如何突破传统分析局限，通过数据驱动建模与多场景融合，成为支撑工业智能化、农业精准化、生活便捷化的核心技术力量。
褚小立介绍，光谱分析技术从上世纪70年代开始，已经经历了四个范式的转变。传统光谱分析依赖“纯净样品+特征峰”的朗伯比尔定律，在面对谷物、油品、土壤等含成千上万种组分的复杂混合体系时，因光谱重叠导致特征信号提取困难，难以满足快速检测需求。现代光谱分析技术则通过“化学计量学+人工智能”实现范式革新，以实际样本为基础构建数据驱动模型，将光谱信号转化为物质属性的定量关联。例如，针对烟草、茶叶等复杂样品，无需分离组分即可通过海量数据训练模型，快速解析其中尼古丁、氨基酸等成分含量，使光谱技术从单一指标检测升级为复杂体系的全域分析。
在应用实践中，现代光谱分析技术展现出三大核心优势：现场快速分析，依托便携式设备实现“即测即得”，如手持近红外仪可在果园实时检测橄榄果成熟度、大豆收购中秒级测定蛋白质含量，助力农民精准判断采摘时机与作物品质。实验室高通量分析，区别于传统光谱分析(xī)，能(néng)够(gòu)实(shí)现(xiàn)无(wú)损(sǔn)测(cè)量(liàng)，不(bù)破(pò)坏(huài)样(yàng)品(pǐn)的(de)同(tóng)时(shí)大(dà)大(dà)提(tí)高(gāo)了(le)分(fēn)析(xī)的(de)效(xiào)率(lǜ)。如(rú)通(tōng)过(guò)自(zì)动(dòng)化(huà)转(zhuǎn)盘(pán)、光(guāng)谱(pǔ)数(shù)据(jù)库(kù)整(zhěng)合(hé)，将(jiāng)原(yuán)油(yóu)全馏(liú)分指标检测周期从传统的30天压缩至5分钟，为石化行业快速制定生产方案提供数据支撑。工业在线分析则深度融入流程控制。如在油品调和场景中，通过在线光谱仪实时监测各组分性质，结合智能算法优化混兑比例，既确保产品符合国家标准，又最大化降低生产成本，相关技术已在国内炼油企业实现规模化应用，显著提升生产效率与经济效(xiào)益(yì)。
谈(tán)及(jí)未(wèi)来(lái)技(jì)术(shù)发(fā)展(zhǎn)，褚(chǔ)小(xiǎo)立(lì)表(biǎo)示(shì)，一(yī)是(shì)小(xiǎo)型(xíng)化(huà)与(yǔ)便(biàn)携(xié)化(huà)是(shì)重(zhòng)要(yào)方(fāng)向(xiàng)。随(suí)着(zhe)微(wēi)型(xíng)光(guāng)谱(pǔ)仪(yí)成(chéng)本(běn)降(jiàng)至(zhì)百(bǎi)元(yuán)级(jí)，未(wèi)来(lái)可(kě)集成至手机、可穿戴设备，实现土壤肥力、食品成分的日常化快速检测。二是多模态融合成为突破复杂场景(jǐng)的(de)关键。如(rú)近(jìn)红(hóng)外(wài)与(yǔ)X射(shè)线(xiàn)荧(yíng)光(guāng)光(guāng)谱(pǔ)结(jié)合(hé)检(jiǎn)测(cè)煤(méi)炭(tàn)热(rè)值(zhí)，通(tōng)过(guò)元(yuán)素(sù)信(xìn)息(xi)与(yǔ)分(fēn)子(zi)键信(xìn)号(hào)的(de)协(xié)同(tóng)，将预测精度提升30%以上。三是跨领域数据整合潜力巨大。通过融合光谱数据与文本、图像、视频等多源信息（如红酒品鉴的用户反馈与光谱信号结合），可构建更精准的品质评价模型，推动技术从工业生产向消费端渗透。
“21世纪的科技竞赛，某种程度上是仪器精度的竞赛。”正(zhèng)如讲座主持人、北京航空航天大学教务部部长、中国仪器仪表学会理事钱政所言，从星际探测到一日三餐，现代光谱技术正以“无声”的方式重塑世界。或许不久后，我们手中的手机就能(néng)成为“便携实验室”，让科学真正“看得见、摸得着”。
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