【我与近红外的故事】潘涛：卅年科学生涯的再历练

暨南大学  潘涛

　　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。

　　1987-88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，张先生邀我去陈景润所在的中国科学院数学研究所访问四个月，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”，國立三重大學副校长T.Kameoka教授主持“代謝通路測定與分析”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，就这么机缘巧合的去了日本，一呆就是六个年头。在循环生物工學系生物信息工學研究室，我的研究方向为“細胞代謝及解离性代謝物分析”，涉及到数、理、化、生、计算机的各方知识。主要工具是傅立叶变换红外(FT-IR)光谱结合衰减全反射(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(NIR)光谱，是参加T.Kameoka先生主持的日本农林水产省重点课题《分散協調型多次元農産物情報センシングシステムの開発》。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，在九州大學出席日本化學工學年會，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、日、英、德、法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、美国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、混和汁、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，进一步开发仪器通讯端口，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，已经指日可待。

　　(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)、血粘度等是医学上诊断糖尿病、高脂血症、高粘滞血症、心脑血管疾病的重要临床指标。地中海贫血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、血粘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。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，基本上都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。领队的刘慧颖老师，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、成效的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、前亚洲近红外协会主席、日本的Y.Ozaki教授，在会间休息时，来到我的座席表示祝贺。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，我们总结了很多的经验教训。我记得，和袁洪福、梁逸增等老师在散步时，我提出了自己看法和建议：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，我们应该首先要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做秘书，经韩东海老师牵线，多次邀请了日本学者来访交流;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的流利、自信的英语发言，我们感到十分的欣慰。我们的近红外事业后继有人，近红外的星星之火，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，是我们全体近红外人呈给国家的一份厚礼。

　　从第一届全国近红外会议开始，我出席了几乎每一届的中国、亚洲、世界近红外学术盛会，关联的国际化学计量学大会(CAC)，以及我们近红外理事会的活动，堪称近红外的铁杆粉丝，深切地感受到近红外的强大生命力。近红外学会也一直对我们的工作给予支持。早在2010年，学会的袁洪福、韩东海、刘慧颖、梁逸曾诸领导就到暨南大学考察、指导。另一方，业界的朋友也找上门来，精诚合作，成立“智能检测网络技术联合研究中心”，共商近红外规模化应用之大计。现今的近红外已经是云仪器、云计算的触角和纽带，连接物联网、大数据。并将伴随着人工智能一道步入新时代。我愿意和大家一起努力奋斗，攻克难关，为我国的近红外光谱事业继续贡献力量。

　　感谢多年来给予我关心、帮助、指导的家人、师长、同事、学生、朋友!感谢陈星旦院士的关心、指导!

　　并以此文纪念已故的陆婉珍院士和梁逸曾教授!

　　潘涛 2017年7月18日修改稿，于广州·暨南大学

　　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、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。