我的近红外之旅——卅年科学生涯的再历练

潘涛　(暨南大学)

作者简介

潘涛，日本生物信息工学博士，暨南大学光电工程系教授、博导。在光谱分析与仪器、生物医学信息、化学计量学与模式识别、偏微分方程等方向发表SCI/EI收录论文近80篇、发明专利10件。第一完成人获省部级成果二、三等奖2项，第二完成人获省部级成果二等奖2项。国际近红外新闻（NIR news）团队专栏、英国皇家化学会刊物封面亮点介绍。中国仪器仪表学会近红外光谱分会常务理事、广东省生物物理学会理事、广东省工业与应用数学学会常务理事、广东省生物数学专业委员会副主任委员等。

人生格言 ：科学造福人类，创新引领未来！

自“我与近红外的故事”征稿以来，因才疏文陋，几次拖曳。抱着学习、分享、奉献的心态，鼓起勇气完成了本文。

1985年，我从四川大学数学专业毕业，分配到广西大学任教，1987年1月发表第一篇论文。不觉间，从事科学工作已满32年。一时不知从何说起，先分享一些早年的求学轶事吧！

1987—1988年，我参加了中国科大、苏州大学主办的第五届全国偏微分方程研究班，由姜礼尚教授、张同教授、李大潜院士、洪家兴院士、陈恕行院士等名家讲授。李先生称我们是“八年抗战”：精修八门课，苦读而成效。我庆幸有这样的机缘，学到顶尖的前沿课程。我对张同教授的课程颇感兴趣，学间常请教于他。一年后，张先生邀我去中科院数学所访问四个月，跟他研习“高维双曲守恒律”这个至今仍高难的课题。之后，林龙威教授邀我到中山大学访问一年（教育部立项）。再后，王靖华教授也邀我去中科院数学所访问四个月。方向凝练在“双曲守恒律的边界效应”，背景是超音速气流的边界层。我们的工作在国际上开展较早，论文发表在SIAM J Math Anal、App Math L、Q Appl Math、BVP、JJIAM、JPDE、自然科学进展（英）、数学学报（英）、应用数学学报（英）、数学物理学报（英）等刊物。我们证明的压缩波冲击边界可反射稀疏波的定理，被美国布朗大学数学家C. M. Dafermos撰写的专著《Hyperbolic Conservation Laws in Continuum Physics》（黄皮书）引用。

受母校刘应明院士团队在模糊拓扑的知名研究的影响，我回母校拜访胡淑礼老师，学习模糊数学，开展模糊层次分析法、模糊系统及算法设计的应用研究。我主持研发的相关计算机软件成功应用到广西的几十家单位。我至今仍感到：模糊逻辑与模糊评判乃是人工智能的基石之一。1995年，晋升副教授，开始培养硕士研究生。主持承担国家自然科学基金、广西自然科学基金、广西科技计划等项目。获邀到香港中文大学数学科学研究所（丘成桐创立）、香港浸会大学、香港城市大学从事客座研究等。

1998年，日本启动著名的文部省重点课题“E-Cell Project”，三重大学副校长T. Kameoka教授主持“代谢通路测定与分析”的子课题，面向全球招聘懂数学和物理的学者。没学过多少英语和日语，也没有出国打算的我，就这么机缘巧合地去了日本，一待就是六个年头。在循环生物工学系生物信息工学研究室，我的研究方向为“细胞代谢及解离性代谢物分析”，涉及数、理、化、生、计算机的各方知识。主要工具是傅里叶变换红外光谱（FT-IR）结合衰减全反射（ATR）技术。侧重点是化学计量学，但大量生物光谱实验得自己做。数学出身的我，还要深究物理化学、分析化学、生物化学三大化学，其困难不亚于十年前的那场历练。

首次接触近红外光谱（NIR），是参加T. Kameoka先生主持的日本农林水产省重点课题“分散协调型多元农产品信息传感系统的开发”。这个项目将近红外用于田间土壤、农作物（西红柿、葡萄）的实时测定，并将数据返回监测中心。后来，在九州大学出席日本化学工学年会，结识了Y. Ozaki教授，对近红外有了更多的了解。我们的研究先后发表在Appl Spectros、Bioproc Biosyst Eng、MMAS、JJCE等刊物。赴英国剑桥大学牛顿研究所短期学术访问，并赴日本早稻田大学与K. Nishihara教授开展合作等。用三年时间完成了我的博士学位。为了吸引海外留学生回国工作，中国留学基金委、中国大使馆组织评审“首届国家优秀自费留学生奖”（在美国、日本、英国、德国、法国五国的博士留学生中评选100人）。我有幸获选，赴中国大使馆（东京）接受中国外交部副部长武大卫颁发的证书和奖金，我的导师T. Kameoka教授作为导师代表发言。

感念国家的厚爱，蒙台湾中央研究院院士、斯坦福大学刘太平教授推荐，我于2004年回国，进入暨南大学任教，同年评定为教授。中国科学院长春光机所的陈星旦院士，也是这一年到暨大创建“应用光谱”团队。和陈院士的认识颇有传奇色彩：他让图书馆买了一本英文的近红外光谱学专著，这本书刚上架就被我借走了，他很吃惊，找到我，聊了十来分钟。他说：“你就是搞近红外的，我们一起做吧！”就这样，由校长特批，我从信息学院转入理工学院光电工程系，开启近红外之旅……

一、近红外过程分析技术（PAT）的探讨

2005年，陈院士和我到广东湛江、广西宜州的甘蔗糖厂考察近红外在制糖过程的应用。从原料收购的按质论价、工艺质量监控、成品质量分级等环节，依次需要对初压汁、混合汁、清汁、清糖浆、糖蜜、白砂糖等中间及终产物的垂度、蔗糖分、还原糖分、pH值、色值等指标进行实时测定。还关注了制糖废水排放的COD检测、转基因甘蔗叶片的无损判别分析等。我们采集大量样品，通过很多实验建立了上述各类样品及指标的预测模型，为近红外用于甘蔗制糖过程的在线分析积累了大量数据和参数，在全国第一届近红外会议做了报道。我的体会是：在过程分析技术（PAT）中，近红外乃是珍贵的一线技术，但尚需要解决诸多技术问题，如多过程、多目标、多参数的模型优化及动态维护才是问题的核心。

二、在土壤、农产品、食品领域的创新应用

2006年，与中科院长春光机所团队合作，研制了分立波长土壤专用近红外分析样机，通过广州市科技攻关项目的实施建立了土壤有机碳、总氮的NIR预测模型，经验证，其预测性能已接近进口的FOSS仪器。后来，与广东省科学院土壤研究所、自动化研究所等单位合作，进一步开发仪器通信端口，实现野外检测和数据传输，通过粤港关键领域招标项目的实施成功应用于珠江三角洲农田系统立体污染监测的信息化。为了避免数据过拟合、模型评价失真，实现参数选择稳定性，我们基于随机性、相似性、稳定性提出定标、预测、检验设计的新方法，应用于土壤有机碳、总氮、重金属、废水COD、玉米蛋白质等的检测，还开展了白酒、葡萄酒、奶粉品牌的近红外判别分析等。论文发表在Appl Spectros、Chemom Intell Lab、Spectrochim Acta A、Anal Methods、Infrared Phys Tech、分析化学、光学精密工程等刊物，获评《分析化学》优秀论文（2012—2013年度最高引用率）。近红外在农业、食品领域的应用可行性是熟知的，但规模化应用是终极目标，必须解决仪器制造的低成本、小型便携化、一致性与模型传递、数据云平台的快速运算等核心问题。近年来，这些技术发展甚快，我们的目标可望实现。

三、在生物、医学、药学领域的创新应用

2007年，我先后遴选为数学（上海大学）、生物医学工程（暨南大学）的博导，与陈院士一起培养了多届博士研究生，侧重于红外（NIR、FTIR/ATR）光谱在生物、医学、药学领域的创新应用。血糖、血脂（胆固醇、甘油三酯等）、血蛋白（血红蛋白、糖化血红蛋白、白蛋白、球蛋白等）、血黏度等是医学上诊断糖尿病、高脂血症、高黏滞血症、心脑血管疾病的重要临床指标。地中海贫血（地贫）是全球性危害严重的遗传性血红蛋白病，我国广西、广东人群的地贫基因携带率分别高达24.50%和11.07%。我们在上述诸方面具有长期的研究积累。其中，地贫、糖化血红蛋白、血黏度的研究为本团队首创。在药学方面，还开展了抗生素、中药口服液检测的研究。论文发表在Anal Bioanal Chem、Chemom Intell Lab、Spectrochim Acta A、J Biomed Opt、Anal Methods、Clin Biochem、J Innov Opt Heal Sci、分析化学、光谱学与光谱分析、光学精密工程等刊物。地贫近红外研究被英国皇家化学会（RSC）刊物Anal Methods作为封面论文亮点介绍。另外，还获评《分析化学》优秀论文（2010—2011年度最高引用率），第三、五、六届全国近红外光谱学术会议优秀墙报奖等。我相信，近红外在健康、医学领域也有相当的适用性，将从研究殿堂逐步推入实际应用。

四、面向仪器设计及应用的化学计量学研究

近红外分析包含样品、变量和模型三要素。由于近红外的吸收强度弱，通常不需要处理便可直接测量样品，快速简便。这既是优点也是难点：我们的对象基本上是多组分的复杂体系，化学计量学是问题的核心，需要解决光谱预处理、波长优选、多变量校正方法等环节的多目标、多参数优化及稳定性。我们提出了Savitzky-Golay平滑参数与PLS潜变量数同时优化的算法、基于连续型的移动窗口PLS的模型集群方法等。在变量优化方面，兼顾到参数选择稳定性，我们提出了准连续型的等间隔组合方法（EC-MLR、EC-PLS），分段连续型的相关系数优化（CCO-PLS）、吸光度值优化（AVO-PLS）方法，离散型的最优伙伴波长组合（OPWC-PLS）、重复率优先（RRPC-PLS）方法等。在复杂样品的光谱分析中取得成功应用，申请了发明专利，对于提高光谱预测能力、降低复杂性和专用仪器设计具有意义。论文发表在Appl Spectrosc、Chemom Intell Lab、Spectrochim Acta A、Anal Methods、Infrared Phys Tech、J Innov Opt Heal Sci、分析化学、光谱学与光谱分析、光学精密工程等刊物。我在历届国际近红外、亚洲近红外会议上作过六次大会发言，先后介绍了这些工作。最近，国际近红外新闻（NIR news，2015）团队专栏介绍我们的工作，在国际上产生了影响。化学计量学乃是近红外分析的另一个核心。我们面对的是多过程、多目标、多参数的动态数学建模，博大精深，必须融合数、理、化、生、计算机的各方知识，集成创新，攻克难关。

五、申办国际近红外光谱大会（ICNIRS）的点滴感受

在丹麦举行的2017国际近红外光谱大会（ICNIRS）上，中国仪器仪表学会近红外分会团队力压对手奥地利、加拿大，成功拿下2021年ICNIRS大会主办权。领队刘慧颖老师要我写写先后两次参与申办活动的体会。几经思考，写下点滴感想。

国际近红外光谱大会（ICNIRS）是近红外光谱领域的最高级学术盛会，每两年举办一次，迄今为止已举办了十八届，旨在促进各国在近红外理论研究和应用探索的拓展与交流。在近五届的ICNIRS大会：第十四届（泰国，2009）、第十五届（南非，2011）、第十六届（法国，2013）、第十七届（巴西，2015）、第十八届（丹麦），我们团队均有成果展示。其中，大会报告论文3篇，墙报论文7篇。尽管英语仍不流利，我还是刻苦、有成效地完成了我的每一次大会口头报告和墙报论文解说。我们的成果，得到了一些国际名家的肯定，如国际近红外光谱杂志（JNIRS）主编、澳大利亚的Graeme D. Batten教授，前亚洲近红外学会主席、日本的Y. Ozaki教授，在会间休息时他们来到我的坐席表示祝贺。我们感到很荣幸与自豪：通过我们的工作，在国际上展示了中国近红外学者的研究，并与很多国际同行增进了交流与友谊，为我国近红外事业做出了应有的贡献。

2011年，在南非开普敦召开的第十五届ICNIRS大会上，中国第一次申办ICNIRS大会。我出席了这次盛会，我们有两篇论文被大会录用和展示。袁洪福、刘慧颖、梁逸曾、臧恒昌、赵会娟、戴连奎诸教授也出席了本次大会。梁逸曾教授代表学会做了热情洋溢的申办发言。虽然这次申办失利，但是，我们总结了很多经验教训。我记得，和袁洪福、梁逸增等老师散步时，我提出了自己的看法和建议：我国的近红外学者大多在国内或在日本学成而来，在欧美学习的不多。与欧美学者的学术交流少，沟通理解自然就少了，影响了申办世界大会。另一点，教授、学生们的英语水平也有待大幅提高。为此，我们应该首先得到日本和亚洲学者的支持，同时加强与欧美学者的联系。

这个建议也应该是大家的共识。后来的几年中，学会领导在这两方面做了很多好的组织工作。学会专门聘请了精通日语的王立波老师作秘书，经韩东海老师牵线，多次邀请日本学者来访交流。同时，学会邀请欧美名家访问交流的力度也越来越大：ICNIRS前任主席Pierre Dardenne、现任主席Tom Fearn等有影响的人物被多次邀请到我国访问、参会等。近几年，不少教授还将自己的得意门生派到欧美、日本留学交流，为我们的下一次申办埋下了成功的种子。

2017年6月11—15日，在丹麦哥本哈根召开的第十八届ICNIRS大会上，中国第二次申办ICNIRS大会。近红外学会诸领导带领大家做了精心筹备，包括褚小立老师组织大家做好的既精湛又到位的申办视频。中国的申办代表团，包括国内代表19人、中国海外留学生及海外华人12人。其中，有参加过第一次申办活动的刘慧颖老师、臧恒昌老师和我，还有邵学广老师团队等一批中青年近红外学者。有张莉老师、王立波老师，还有从荷兰赶来的英语流利、敢说敢为的龚伟老师的鼎力相助。可谓天时、地利、人和。幸福不需要太多的言语！在大会晚宴上，当我们七人经过漫长的等待，终于等来ICNIRS主席Tom Fearn教授宣布中国成功申办2021年国际近红外大会时，那种成功的喜悦是无以言表的……

值得一提的是：年轻的一辈，已经成长起来。看到李连博士在这次大会上流利、自信的英语发言，我们感到十分欣慰。我们的近红外事业后继有人，近红外的星星之光，代代相传！国际近红外光谱大会将于建党100周年的2021年在北京召开，是我们近红外人献给国家的一份厚礼。