张卓勇:七彩光谱信息的解码者(下)

2020年5月18日 08:42:35 来源: 分析测试百科
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“七彩光谱 万象更新”主题系列访首都师范大学张卓勇教授

  分析测试百科网讯 师从黄本立院士的张卓勇老师为我国的光谱发展奉献了毕生精力,在他的科研生涯中还对我国的光谱分析发展做出了哪些贡献?本文为您一一揭晓。

2004年张卓勇(左)在黄本立先生(中)家的合影

致力于化学计量学方法在光谱分析中的应用

  张卓勇接下来介绍了自己在光谱分析方面的主要工作。除较早期做氢化物发生-ICP-AES外,后面的工作主要是运用化学计量学方法来解决光谱分析中的问题。

  近年来,大数据的应用非常热门,大数据的前提是有巨量的数据,技术关键是多变量的相关分析。张卓勇并没有使用“大数据”这个词汇,但是他所研究的方向无疑正是运用其关键技术:具有多变量分析特点的化学计量学,应用领域是光谱分析。

  张卓勇表示:化学计量学方法具有多变量分析的特点,特别适合于多变量复杂体系的数据解析与分析模型建立,将化学计量学方法用于各种光谱测试实验设计和光谱分析数据解释是一个很有实际意义的研究方向。“具体来说,我的研究不侧重在新算法,而是将一些其它领域已有的新方法,应用于光谱化学分析领域解决分析问题。当然这些方法在化学领域应用时往往需要进行算法改进、参数优化、多种方法的组合应用等,这是化学背景的人擅长的。”

  10年来,张卓勇开发了众多使用各种ANN(人工神经网络)技术应用于光谱分析与分析化学的方法。除了常用的BP-ANN外,侧重运用新的网络方法并对实际应用效果评估,包括高木关也模糊系统(Takagi-Sugeno Fuzzy System)、双向联想记忆网络(Bidirectional Associative Memory Networks)、多层感知器神经网络(Multilayer Perceptron Neural Networks)、温度限制串联相关网络(Temperature-Constrained Cascade Correlation Networks)、基于模糊规则的专家系统(Fuzzy Rule-building Expert System)、模糊优化联想记忆器(Fuzzy Optimal Associative Memory)等。另外,还开展近红外光谱特征变量选择新方法开发与应用的工作,包括增强正交信号校正方法(Emphatic Orthogonal Signal Correction)、局部线性嵌入方法(Locally Linear Embedding)、高维映射数据分析方法(High Dimensional Data Analysis)等。

  张卓勇举例了一些研究课题:“2012年之前,我主要做近红外光谱分析方面的研究工作,采用化学计量学方法与近红外光谱等光谱技术相结合,解决的问题包括药品质量控制、中药材大黄的品质鉴定、癌组织分类鉴定、水果糖度测定及品质鉴定等。”

  太赫兹光谱研究

  2012年,作为国家重大科学仪器设备专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”中任务五的负责人,张卓勇开始进入太赫兹光谱研究领域,并负责项目中相关软件和数据库的开发、以及太赫兹光谱技术在多个领域的应用示范等工作。

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太赫兹波段在电磁波谱中的位置

  太赫兹波(Tera Hertz radiation)一般是指频率范围在0.1~10 THz(波长范围30 um~3mm)间的电磁辐射波。太赫兹波谱段位于毫米波和红外光之间。与传统技术相比,THz技术具有极丰富的光谱信息、极短的脉冲宽度、极宽的光谱范围、极低的光子能量和极特别的穿透性等特点,近年来受到科学界和工业界的高度重视,并逐步应用在科学研究、生物医疗和国防安全等领域。

  太赫兹波的重要特性包括:

  1)透视性:太赫兹辐射对很多电介质材料和非极性的液体有良好的穿透性,因此太赫兹波可以对不透明的物体进行透视成像。

  2)安全性:太赫兹波的光子能量只有毫电子伏,仅为X射线光子能量的百万分之一,因此一般不会对生物体造成损害,可以对生物活体进行无损检测。

  3)波谱分辨本领:太赫兹波段包含丰富的波谱信息,太赫兹波谱成像技术不但能辨别物体外形,还能鉴别物体的组成成分(X射线做不到)。生物有机分子的骨架振动、转动光谱以及分子间弱的相互作用力(如氢键、范德华力等)能级处在太赫兹谱段范围内。

  2004年,美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一,我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”制定了我国THz技术的发展规划。首都师范大学在我国THz研究早、投入大,在毒品和炸药太赫兹光谱、航天材料无损检测、安全检查等方面做出许多领先工作。首都师范研发的太赫兹光谱仪入选“2016中国黑科技百强”。

  太赫兹光谱技术与其它光谱技术互相补充、互相配合,可以得到关于待分析物的更全面的信息。例如,常用的红外光谱与太赫兹光谱的技术特点对比请见下表:

光谱或技术特点

红外光谱(IR)

太赫兹光谱(THz)

波长范围

2.5~25 μm

0.03 mm~30 mm

穿透性

分子振动模式

振动

振动-转动

实用范围

小分子

生物大分子

强度

相位信息

  尽管太赫兹技术在国家安全、毒品检测等方面得到了重视,但是太赫兹光谱技术在光谱分析检测方面尚处于起步阶段。面对分析检测的要求,太赫兹光谱技术面临的挑战是:(1)进一步提高太赫兹光谱技术分析灵敏度;(2)太赫兹光谱的数据解析;(3)太赫兹光谱数据库建设。

  张卓勇团队将多年来利用化学计量学方法应用于近红外光谱分析的方法集成为一个太赫兹光谱数据解析系统,该系统功能齐全,操作简便,基本可满足太赫兹时域光谱解析的需要;他们根据太赫兹光谱分析的需要开发了多个太赫兹光谱数据库系统。已经获得5项太赫兹光谱技术相关发明专利授权和8项与太赫兹光谱数据解析软件和数据库相关的软件著作权登记。并将太赫兹与光谱技术应用于中药材大黄、癌瘤组织鉴定诊断、粮食中农药分析、农产品中氨基酸分析、化合物表征与谱峰解释、砂样的鉴定与来源追溯等,建立了多种利用太赫兹光谱技术解决多领域实际问题的方法,均取得了满意的效果。这些工作将为太赫兹光谱技术的应用普及起到积极的示范和推动作用。

对我国光谱分析仪器现状和发展的看法

  张卓勇表示:“我从1982年读研迄今,经历了近40年中我国改革开放和社会经济、科学技术、科学仪器等各个方面发展和进步的全过程。就我国分析仪器和光谱分析的发展来说,我国从20世纪70年代改革开放之后处处受到限制,到后来的跟踪学习,再到后来的跟跑、并跑、领跑,我国的光谱分析水平和光谱仪器取得了举世瞩目的发展和成果。

  早期实验室使用最多的是比色法,如72型、721型分光光度计;后来从国外购买并接触了各种光谱分析仪器;与此同时我国研制的光谱仪器逐渐占领了低端市场,并向中高端市场发展,个别仪器开始进入高端市场。我个人感觉,我国光谱分析仪器整体水平距离欧美等发达国家还有一定的差距,尽管近年我国在这个领域发展很快,但是目前还处于跟跑阶段。

  对于发展我国光谱仪器的发展,张卓勇提出了自己的看法:(1)提升我国光谱仪器的研发与制造水平不是一家或几家企业能够做到的,这不仅需要相关科技发展的助推,更需要一个自主创新、公平竞争的仪器制造文化氛围。近年发生的中美贸易争端暴露了我国制造业的软肋。过度依赖国外进口高端仪器设备或关键部件是我国光谱仪器制造和广大用户需要亟待解决的问题。中国加入WTO后,中国市场就是世界市场的一部分,中国不可能再通过政府政策大范围地通过限制进口产品来扶持国家民族企业,我们必须提高本身的研发与制造实力,提高在国际市场的竞争力,应当像华为那样,强化自主知识产权技术的比重,在纷纭复杂的商业竞争中要有合作伙伴,也要有备胎;(2)近年来我国科技水平迅速提高,我国已经超过美国成为第一论文大国。我国的科技工作者在追踪国际科技前沿和热点问题方面已经达到了相当高的水平。我们应当进一步明确科研的目的是解决有意义的问题,而不只是发论文,发表论文仅是研究问题中的一个记录和总结,并不是科研的目标。我们应当更注重国内经济发展和生产中的实际问题,把解决实际需求和问题作为科研目的和宗旨,使光谱仪器和光谱技术更好地为国家建设和经济服务。

  近年来,国家科技部和国家自然科学基金委都设立了仪器开发专项,若干国内仪器制造商也加大了对高端科学仪器的研发投入,这些投入取得了很好的效果。高端科学仪器是一个国家综合实力的体现,随着我国综合实力的提升,我国分析仪器一定会赶超国际先进水平。

  对我国光谱制造企业而言,目前我国高端的科研实验室和检测机构的配备仍然主要是以进口仪器为主,这说明我国高端光谱仪器的研发与应用还有很大的提升空间,还有长的路要走。某些关键部件是高端光谱仪器的核心。对于大多数国内生产厂家来说,要有精益求精的工匠精神,脚踏实地,树立国产光谱仪器的品牌,维护国产光谱仪器的声誉,仪器指标可以逐渐改进和提高,首先要把仪器的可靠性和稳定性放在第一位。”

对《光谱学与光谱分析》期刊的祝愿

  张卓勇多年来担任《光谱学与光谱分析》期刊的编委和审稿人,谈到对该期刊的期望,他说:“我国学术期刊得到国际同行的认可经历了一个很缓慢的过程;国际同行对我国学术期刊的认可实际上就是对我国科研工作水平的认可。我读博士时,被SCI收录的我国化学相关期刊不超过10个;后来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EI的期刊之一,后来进入了SCIE和SCI。这经过了许多光谱领域专家和同仁们的努力,也经过了多年的历程。现在《光谱学与光谱分析》在化学类、物理类学术期刊中都占有重要的地位,是我们光谱分析工作者学术交流和成果发布的园地。我大约在1998年左右就开始担任《光谱学与光谱分析》的编委,现在还在积极地为该刊投稿和审稿。我们有责任共同努力,继承老一辈光谱学家的事业,把我国的光谱事业做好,把《光谱学与光谱分析》办好。”

  【采访后记】张卓勇教授40年的光谱研究之路,反映了我国光谱发展的历程的一个侧影。从早期原子光谱多元素测定的探索,到研究计算机编程和化学计量学,再到近红外、太赫兹等与化学计量学方法紧密结合的前沿应用。七彩光谱的各个波段都蕴含着无穷的物质组成、含量、结构的信息,在我国发展光谱仪器硬件的同时,也需要张卓勇教授这样的光谱信息“解码”者,让光谱这项古老又年轻的无损检测技术在各行各业发挥更强的威力。