光频梳

[B][center]红外光谱分析概述 （上） [/center][/B] 1． 红外光谱红外光谱是反映红外辐射强度或其他与之相关性质随波长（波数）变化的谱图。目前，它是一种被广泛应用于研究表征物质的化学组成，在分子层次上的结构及分子间相互作用的有力手段。红外射线发现于1800年，在用普通温度计测量可见光谱的温度效应时，在红光一端的外侧观察到有较强的热效应。后来，实验证实了这是由一种肉眼看不见、波长比红光更长的电磁辐射所造成的，这种电磁辐射被称为红外光。通常将红外辐射的波长范围定为0.8～1000微米，并可粗略地分为三个波段：（1）近红外的波段为0.8～2.5微米，波数为12500～4000厘米-1；（2）中红外的波段为2.5～25微米，波数为4000～400厘米-1；（3）远红外的波段为25～1000微米，波数为400～10厘米，目前，实验上已能测定到2500微米，波数为4厘米-1。相应地有[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/1p][color=#3333ff]近红外光谱[/color][/url]、中红外光谱和远红外光谱。红外光谱的形式虽然多种多样，从本质上可分为发射光谱和吸收光谱两大类。物体的红外发射光谱是指样品在通过受激或自发辐射的条件下，所发射的红外光的强度随波长(波数)变化的光谱图，红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成。吸收光谱是指样品对红外辐射的吸收能力随波长(波数)变化的光谱图，在实验上，使红外光与样品发生相互作用，测定红外光与物质相互作用前后光强的变化与波长(波数)之间的关系, 称红外吸收光谱。2．分子的振动和转动光谱 对于分子体系而言，其振动和转动是量子化的，其能级差所对应的光子的波长落在红外光范围，因此是红外光谱(拉曼光谱)的主要研究对象。研究指出，红外光谱的研究范围不仅仅局限于分子的振动、转动跃迁，某些特殊体系的电子能级跃迁亦可能落在红外光谱波段范围内，例如，超大规模共轭体系的电子跃迁、某些稀土离子的f-f能级跃迁等等。不过目前绝大多数的红外光谱研究工作仍集中于分子的振动能级跃迁上，以最简单的双原子为例，其振动吸收Eν可近似地表示为： [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911020939_179698_1912472_3.jpg[/img]式中h为普朗克常数；ν为振动量子数（取正整数）；n0为简谐振动频率。当ν=0时，分子的能量最低，称为基态。处于基态的分子受到频率为n0的红外射线照射时，分子吸收了能量为n0的光量子，跃迁到第一激发态，得到频率为n0的红外吸收带, 它称为分子振动的基频。反之，处于该激发态的分子也可发射频率为n0的红外射线而恢复到基态。n0的数值决定于分子的约化质量μ和力常数κ：[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911020940_179699_1912472_3.jpg[/img]κ决定于原子的核间距离、原子的特性和化学键及键级等。在多原子分子体系中，各原子在平衡位置附近作相对运动。这些振动方式可以被分解为各种简正振动的线性组合，所谓简正振动就是指分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简揩振动。含N个原子的非线分子有3N-6个简正振动方式；线性分子有3N－5种简正振动方式。对于分子的转动而言，往往可以假定分子为刚性转子，则其转动能量Er为：[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/11/200911020940_179701_1912472_3.jpg[/img]

一、【实验题目】 红外光谱分析实验 二、【实验目的】 1.了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理 2.掌握红外光谱分析的基础实验技术 3.学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试 4.掌握几种常用的红外光谱解析方法 三、【实验要求】 利用所学过的红外光谱知识对碳酸钙、聚乙烯醇、丙三醇、乙醇的定性分析制定出合理的样品制备方法；并对其谱图给出基本的解析。 四、【实验原理】 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.78～300μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.78～2.5μm（波数在12820～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～25μm（波数在4000～400cm-1），又称基频区；远红外区：波长在25～300μm（波数在400～33cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数（wave number）σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/09/201009041200_241477_1645275_3.gif作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为"分子指纹"。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。 根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收谱带的数目、位置、形状及强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，即可利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确定分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。 五、【仪器与试剂】 1.仪器：Spectrum One-B型傅立叶变换红外光谱仪(美国铂金埃尔默公司) 2.试剂：碳酸钙、溴化钾、丙三醇、乙醇(均为分析纯)；聚乙烯醇（化学纯）。 3.红外光谱仪(FT)的构造及工作原理http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/09/201009041202_241478_1645275_3.jpg(1)光源 红外光谱仪(FT)中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度连续红外辐射，如空冷陶瓷光源。随着科技的发展，一种黑体空腔光源被研制出来。它的输出能量远远高于空冷陶瓷光源，可达到60％以上。 (2)迈克尔逊干涉仪 其作用是将光源发出的红外辐射转变成干涉光，特点是输出能量大、分辨率高、波数精度高（它采用激光干涉条纹准确测定光差，故使其测定的波数更为精确）、且扫描平稳、重线性好。 (3)探测器 其作用是将光信号转变为电信号，特点是扫描速度快（一般在1s内可完成全谱扫描）、灵敏度高。 (4)计算机 特点是各种数据处理快，且具有色散型红外光谱仪所不具备的多种功能。 (5)样品池 用能透过红外光的透光材料制作样品池的窗片，通常用KBr或NaCl做样品池的窗片。 (6)红外光谱仪（FT）的工作原理 FTIR是基于光相干性原理而设计的干涉型红外光谱仪。它不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外光谱仪。它与棱镜和光栅的红外光谱仪比较，称为第三代红外光谱仪。但由于干涉仪不能得到人们业已习惯并熟知的光源的光谱图，而是光源的干涉图。为此可根据数学上的傅立叶变换函数的特性，利用电子计算机将其光源的干涉图转换成光源的光谱图。亦即是将以光程差为函数的干涉图变换成以波长为函数的光谱图，故将这种干涉型红外光谱仪称为傅立叶变换红外光谱仪。确切地说，即光源发出的红外辐射经干涉仪转变成干涉光，通过试样后得到含试样信息的干涉图，由电子计算机采集，并经过快速傅立叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。其工作原理如下图所示：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/09/201009041204_241479_1645275_3.gif六、【试样的制备】 测定试样的红外光谱时，必须依据试样的状态，分析的目的和测定装置的种类等条件，选择能够得到最满意的结果的试样制备方法。若选择的试样制备方法不合适，也就不能充分发挥测定的效力，甚至还可能导致错误的结论，因而不能轻视试样的制备及处理方法。这是因为要获得一个良好的光谱记录，除了与仪器性能有关外，还要受到操作技术的影响。而在操作技术中，一是试样的制备及处理技术，一是光谱的记录条件。所以，在红外光谱法中，试样的制备及处理占有重要的地位。如果试样处理不当，那么即使仪器的性能很好，也不能得到满意的红外光谱图。一般来说，在制备试样时应注意下述各点。 （1）试样的浓度和测试厚度应选择适当，浓度太小，厚度太薄，会使一些弱的吸收峰和光谱的细微部分不能显示出来；过大，过厚，又会使强的吸收峰超越标尺刻度而无法确定它的真实位置。 （2）试样中不应含有游离水。水分的存在不仅会侵蚀吸收池的盐窗，而且水分本身 在红外区有吸收，将使测得的光谱图变形。 （3）试样应该是单一组分的纯物质。多组分试样在测定前应尽量预先进行组分分离（如采用色谱法、精密蒸馏、重结晶、区域熔融法等），否则各组分光谱相互重叠，以致对谱图无法进行正确的解释。 试样的制备，根据其集聚状态可进行如下。 1.固体试样 （1）压片法 在红外光谱的测定上被广泛用于固体试样调制剂的有KBr、KCl，它们的共同特点是在中红外区（4000～400cm-1）完全透明，没有吸收峰。被测样品与它们的配比通常是1：100，即取固体试样1～3mg，在玛瑙研钵中研细，再加入100～300mg磨细干燥的KBr或KCl粉末，混合研磨均匀，使其粒度在2.5μm（通过250目筛孔）以下，放入锭剂成型器中。加压（5～10t/cm2）3分钟左右即可得到一定直径及厚度的透明片，然后将此薄片放在仪器的样品窗口上进行测定。 （2）熔融法 将熔点低且对热又稳定的试样，直接放在可拆池的窗片上，用红外灯烘烤，使之受热变成流动性的液体，盖上另一个窗片，按压使其展成一均匀薄膜，逐渐冷却固化后测定。 （3）薄膜法 将试样溶于适当的低沸点溶剂中，而后取其溶液滴洒在成膜介质（水银、平板玻璃、平面塑料板或金属板等）上，使其溶剂自然的蒸发，揭下薄膜进行测定。薄膜厚度一般约为0.05～0.1mm。 （4）附着法 有些高分子物质，结晶性物质或象细菌膜那样的生物体试样，不能用溶液成膜法得到所需的薄膜，可将其试样溶液直接滴在盐片上展开，当溶剂蒸发后，在盐片的表面上形成薄的附着层即可直接测试。 （5）涂膜法 对于那些熔点低、在熔融时又不分解、升华或发生其它化学反应的物质，可将它们直接加热熔融后涂在盐片上，上机测试；另外对于不易挥发的粘、稠状样品，也可直接涂在盐片上（厚度一般约为0.02mm），上机测试。 2.液体试样 （1）沸点较高试样，直接滴在两块盐片之间，形成液膜（液膜法），上机测试。 （2）沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中， 液层厚度一般约为0.01～1mm。 3.气态试样 使用气体吸收池，先将吸收池内空气抽去，然后注入被测试样。 七、【谱图解析】 所谓谱图解析就是根据实际上测绘的红外光谱所出现的吸收谱带的位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确认分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。有机化合物的种类很多，但大多数都由C、H、O、N、S卤素等元素构成，而其中大部分又是仅由C、H、O、N四种元素组成。所以说大部分有机物质的红外光谱基本上都是由这四种元素所形成的化学键的振动贡献的。研究大量化合物的红外光谱后发现，同一类型的化学键的振动频率是非常相近的，总是出现在某一范围内。例如CH3CH2Cl中的CH3基团具有一定的吸收谱带，而很多具有CH3基团的化合物，在这个频率附近（3000～2800 cm -1）亦出现吸收峰，因此可以认为此出现CH3吸收峰的频率是CH3基团的特征频率。这个与一定的结构单元相联系的振动频率称为基团频率。但是它们又有差别，因为同一类型的基团在不同的物质中所处的环境各不相同，这种差别常常能反映出结构上的特点。例如C=O伸缩振动的频率范围在1850～1600cm-1，当与此基团相连接的原子是C、O、N时，C=O谱带分别出现在1715cm-1，1735cm-1，1680cm-1处，根据这一差别可区分酮、酯和酰胺。因此，特征吸收峰的位置和强度取决于分子中各基团（化学键）

近三年光谱结合化学计量学分析技术综述文献的评述Commentary on the review articles of spectroscopy technology combined with chemometrics in the last three years褚小立（中石化石油化工科学研究院有限公司，北京，100083） 摘要：近些年，现代光谱分析技术得到了迅猛发展，该技术的一个关键特征是采用化学计量学方法对光谱数据进行处理，从而尽可能多地获得有用信息，并且，该技术可直接对不同形态的复杂混合物进行定性和定量分析，在检测速度、成本、效率、通用性、自动化和便携性等方面表现出优于多数传统方法的特殊优势，在农业、食品、制药、石油、化工、烟草、环保和医学等各个领域得到了广泛的应用。因此，现代光谱分析技术也日益得到关注和重视。本文对近三年（2020-2022年）发表的涉及光谱结合化学计量学为主题的综述论文进行评述，主要论述了这类技术的发展现状、存在的挑战以及未来的发展方向，引用文献351篇。1引言现代光谱分析技术，如紫外可见光谱（UV-vis）、中红外（MIR）、近红外（NIR）、拉曼光谱（Raman）、三维荧光光谱（EEM）、太赫兹（THz）光谱、核磁共振（NMR）光谱、激光诱导击穿光谱（LIBS）等，可直接对不同形态的复杂混合物进行定性和定量分析，具有速度快，效率高，可无损和在线分析等优势，在农业、食品、制药、石油、化工、烟草、环保和医学等各个领域得到了广泛的应用（图1）。该技术的一个显著特点是借助化学计量学方法从光谱数据中尽可能多的提取详细的有价值的化学信息，其目的是为了显著提高分析结果的稳健性和准确性，使传统光谱技术不可实现的应用成为现实。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141141258286_5423_3389662_3.jpg!w554x229.jpg 图1 光谱结合化学计量学方法的分析技术框架图 近年来，随着人工智能、大数据、云计算等，尤其是深度学习的快速发展，为化学计量学注入了新思路、新途径和新方法，用于光谱分析的新型化学计量学方法如雨后春笋般涌现出来，成为国内外本领域专家学者的重点和热点研究方向。借助材料学、MEMS制造技术、计算机技术等的进步，光谱类仪器及其应用也得到了长足发展。近三年（2020-2022年），光谱结合化学计量学的综述论文也如井喷式般的出现，涉及到光谱学、光谱仪器、化学计量学（机器学习）方法、以及在诸多领域的应用研究等方方面面。本文以“化学计量学（chemometric）” 或“机器学习（machine learning）”，“光谱（spectroscopy）”或“光谱技术（spectroscopic technology）”或“光谱仪（spectrometer）”，以及“综述（review或overview）”为关键词，以2020年至今为时间段，在Science Direct、Scopus、Web of Science、Google Scholar和知网（CNKI）上进行检索，对检索到的351篇综述类论文进行了整理、归纳和评述。2 光谱学与光谱技术2.1近/中红外光谱Be?等综述了量子计算化学在近红外光谱解析方面的进展，指出振动光谱学与计算化学形成的显著的协同作用，随着理论方法和计算机技术的进步，将大大提高振动光谱，特别是近红外光谱的应用潜力。在另一篇综述中，他们论述了明确且详细的谱带归属研究对深入认识和理解近红外光谱的重要意义，解释了不同微型光谱仪所提供的化学信息贡献的差异的原因。水光谱组学是一门研究水和水系统分子间氢键组成形态的新兴科学，它通过观察近红外光对水的作用所表征特征峰的变化来分析水系统中溶剂与溶质间的作用关系，具有非侵入性、分析速度快和定性定量等特点。孙岩等总结了用于温控近红外光谱分析的化学计量学方法，以及利用温控近红外光谱技术研究小分子的结构和蛋白质、温敏聚合物结构转变过程等方面的研究工作，利用随温度变化的水光谱信息，可实现对含水混合物的定性和定量分析。陈定芳等梳理了水光谱组学的历史沿革、研究方法及其应用现状，阐明了水光谱组学用于测定人体经络脏腑的超分子结构特征的可行性。褚小立等从振动光谱基础理论、光谱仪器硬件和化学计量学3个方面对近红外光谱分析技术的最新进展进行了综述，认为以近红外光谱为核心的商业产品将在不同应用领域进一步提供深化和细化的服务，近红外光谱有望成为与时代发展特征（如人工智能、大数据、云计算和物联网等）最相关的一项分析技术。王家俊等探讨了在网络化应用环境中，近红外光谱仪器设备存在的硬件差异以及传统化学计量学方法在建模、数据处理存在的不足对近红外光谱的深度应用产生的影响，提出了云计算应用的解决思路，并对大数据时代近红外光谱分析网络化模式的应用前景进行了展望。Fakayode等介绍了近红外光谱、傅里叶变换红外光谱仪器和拉曼光谱的最新技术创新进展，对2015-2018年期间近红外光谱、傅里叶变换红外光谱仪器和拉曼光谱在药品、食品等质量控制和保证等方面的应用现状进行了探究。霍学松等综述了近些年新型的商品化微小型（便携式、手持式和袖珍式）近红外光谱仪器及其应用进展，指出物联网技术在智能农业、智能工厂、智能医疗和智慧城市等众多领域的兴起，成为推动近红外光谱传感器向着微型化方向发展的主要力量。Zhu等综述了商品化便携式近红外光谱仪的主要类型，总结并比较了它们的性能指标，还介绍了促进小型化的新技术，对仪器未来发展的前景进行了展望。表面增强红外吸收（SEIRA）是一种超灵敏的红外光谱技术，能够实现亚单层膜水平的表面选择性探测。Zhou等对SEIRA传感机制和理论模型的进展进行了综述，从结构设计、材料选择到结合机器学习算法等方面讨论了优化SEIRA性能的方法。2.2拉曼光谱Pan等综述了人工智能方法结合拉曼光谱用于分析复杂混合物的进展，包括化学品、食品、药品和医学诊断等，指出拉曼光谱如SERS可以与红外光谱相结合，以增强物质识别能力。Orlando等综述了拉曼光谱在先进材料科学表征中的应用进展，认为随着现场拉曼分析的推广应用，该技术在未来有望成为材料表征的常规分析技术。L?benberg等系统比较了不同拉曼分析技术的特点，介绍了拉曼光谱作为过程分析技术（PAT）工具在医药产品和工艺开发中的应用进展。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141141345800_7929_3389662_3.jpg!w357x310.jpg 图2 用于体内上皮组织诊断的快速光纤共焦拉曼光谱系统 Heng等综述了现代拉曼仪器、微型光纤拉曼探针设计和制造的最新进展（图2），论述了实时光纤拉曼光谱在临床内窥镜检查期间改善体内癌前病变和癌症早期诊断等方面具备的潜力。Barik等概述了用于体内测量的不同光纤探针，重点介绍了用于生物医学的拉曼光谱探头，并对影响探针提取最佳光谱特征的各种方面，如光纤探头、辐射源、探测器和光谱仪等进行了探究。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141141415429_9731_3389662_3.jpg!w442x340.jpg 图3 基于SERS的传感器在农业应用示意图 表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高度灵敏的技术，可增强由某些纳米结构材料支撑的分子的拉曼散射。Han等概述了SERS设备、SERS活性材料制备和SERS测量的详细信息，重点介绍了SERS与化学计量学结合在多个研究领域的最新应用，包括探测表面反应和界面电荷转移、结构表征和化学/生物传感。此外，还讨论了SERS光谱再现性、技术局限性和可能的优化方法。Liu等对目前SERS农业传感器现状和发展进行了总结，较全面地阐述了SERS在农产品质量安全控制中，对农药残留等有害物质检测的发展和应用（图3），介绍了SERS 传感器/基底在不同应用场景中的优势和价值。空间偏移拉曼光谱（SORS）技术可在一定程度上克服通过包装对材料进行定性或定量分析的问题。Arroyo-Cerezo等综述了SORS结合化学计量学方法在食品和农业领域的应用，比较了商业和工业分析仪以及实验室规模的食品和饮料SORS实施情况，讨论了未来在农业食品供应链中的部署途径。低频拉曼光谱（LFR）探测与长程有序（即结晶度）相关的振动模式，该模式可提供固态结构特征和其他特性的独特信息。Bērzi??等详细讨论了LFR的基础理论、仪器和数据分析（包括化学计量学和计算技术的应用）的各个方面，并总结了LFR在药物分析中的新应用。2.3太赫兹光谱随着光源和探测器组件的迅猛发展，太赫兹（THz）谱技术最近在医学、材料、生物传感和制药工业等多个领域都得到了较快发展。Feng综述了太赫兹光谱与化学计量学结合的最新进展，以及太赫兹谱在评估食品质量和确保食品安全方面中的应用，并讨论了太赫兹谱的优势和一些固有的局限性。Rawson等讨论了太赫兹光谱的原理和仪器，重点介绍了太赫兹技术在水分监测、土壤传感、种子分类、品种来源鉴别、残留检测、微生物、毒素和食品腐败检测、食品掺假鉴定、食品或农产品中的异物检测等方面的应用。2.4 LIBS光谱激光诱导击穿光谱法（LIBS）是一种简单、直观、多用途的原子发射光谱法，它将快速脉冲激光束聚焦到样品上，形成含有其组成元素的等离子体，然后使用发射光的光谱分析检测存在的元素。激光诱导击穿光谱技术具有多元素同时检测、结构简单、检测速度快、不受样品形态影响等特点，在诸多领域展现出广阔的应用前景。Andrade等综述了近些年LIBS样品制备、定性分析、校正策略以及提高LIBS分析灵敏度方法的进展，指出现场应用、在线应用、以及与化学计量学方法的深度融合是未来LIBS技术的主要发展趋势。李祥友等综述了激光诱导击穿光谱技术的机理、装置类型、基础研究进展（信号增强方法、定性定量分析方法），以及在深空探测、地质勘探、环境污染、食品安全、工业冶金和生物医疗等领域的应用进展，指出为了实现海量材料的快速、高灵敏度检测，在线 LIBS 装置的研制将是未来的发展趋势。Harmon等论述了实验室和现场LIBS分析技术，综述了LIBS在大气、天然水、矿物、岩石、沉积物和土壤等地球科学领域中的应用研究进展。Wang等总结了LIBS定量分析技术的最新进展，包括不确定性和误差产生机制、硬件改进和定量校正方法（包括基于物理原理的校正模型、基于数据驱动的校正模型和混合模型），解释了信号不确定性和矩阵效应对LIB定量分析性能的影响，提出了LIBS定量分析的改进策略框架。Chen等综述了激光诱导击穿光谱（LIBS）与机器学习相结合在地球化学和环境资源勘探中的最新进展，提出了LIBS在未来发展中的潜在应用，包括现场快速筛选和极端环境下的远程探测等。由于LIBS可同时分析轻元素和重元素含量，在工业中，特别是在钢铁、汽车和飞机制造业中变得非常流行。Velásquez-Ferrín 论述了LIBS在分析食品微量营养素、基本成分和有毒物质的应用进展，包括谷物、蔬菜、盐、酒精饮料、烟草、糖、肉、鱼、咖啡、茶和水等。Legnaioli等综述了激光诱导击穿光谱（LIBS）在工业应用中的进展，包括能源工业、制药业、金属工业、建筑业、食品和饲料工业、资源回收工业等。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141141491810_3160_3389662_3.jpg!w530x229.jpg 图4 激光诱导击穿光谱成像技术的应用示意图曾庆栋等综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型 Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，提出在应用领域应当从“专机专用”的角度着手，即一个样机只针对某个领域的某几种元素，甚至是某几个谱线来设计。Limbeck等综述了LIBS成像仪器和相关化学计量学方法的最近进展，总结了LIBS成像在生命科学、地质学和材料科学领域的应用实例（图4），展示了LIBS在空间分辨分析中的优势，还讨论了该技术的未来前景和潜在应用。2.6微型光谱仪光学、半导体、智能手机和许多其他制造技术的最新进展促进了光谱仪器的小型化和微型化。从未来的角度来看，这些传感器的小型化和性能改进将导致广泛的传感网络与物联网相结合，提供前所未有的现场诊断，从而为医疗保健和环境监测等许多其他应用提供实时分析。Yang等对光谱仪微型化的技术路线、技术突破及其后续应用进行了系统的分析，总结了过去三十年中所发展的四种微型光谱仪（图5），即色散型（dispersive optics）、窄带滤光型（narrowband filters）、傅里叶变换型（Fourier transform）和计算光谱（reconstructive）。论文指出了微型光谱仪发展历程中的重要技术突破，认为微型光谱仪的发展主要依赖于加工技术的进步和计算能力的提升。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141141555954_2465_3389662_3.jpg!w330x273.jpg 图5 超小型微型光谱仪的四种策略示意图 Biswas等概述了智能手机光谱仪的最新发展，重点是光收集、色散、检测和光谱校准，这些光谱仪可以利用实时物联网将边缘数据传输到云端，在未来，该仪器或将为使用者提供前所未有的现场诊断。Zhi等总结了国内外微型光谱仪的发展现状，重点介绍了微型光谱仪在精准农业中的应用研究进展，指出随着新原理、新工艺和新材料的发展，微型光谱仪在提高特异性的同时，正朝着高性能、高集成度和单芯片方向发展。荧光传感器有着高灵敏度和特异性的优点，Shin等论述了便携式不同类型荧光传感器的特点，并讨论了其在水质监测、生物医学等领域的应用进展。Zhang等从理论、实现和性能指标方面系统地回顾了芯片傅里叶变换光谱仪（FTS）的进展，尤其是芯片静态FTS，包括空间调制、时间调制和空时共调制FTS，指出芯片FTS的应用将会逐渐扩展到食品安全、健康分析和大气探测等领域。Ravindran评述了用于微光谱仪的光栅技术的新研究趋势，探究了评估光栅性能的主要参数，发现光栅效率、凹槽密度、自由光谱范围和分辨率对光栅性能有重要影响。王飞等论述了片上光谱成像系统的分光原理、集成方式，展望了片上光谱成像系统在生物医疗、环境监测、军事装备和智能消费电子等领域的应用前景，指出未来基于片上光谱成像系统的各种光谱成像设备将真正进入掌上时代，深度融入个人日常生活，在食品安全、移动健康等方面展现出其独特的魅力。3 化学计量学算法与策略3.1概述Wang等从实用性的角度综述了近十年来在现代光谱分析中应用的各种化学计量学方法，包括光谱预处理、波长（变量）选择、数据降维、定量校正、模式识别、模型传递、模型维护和多光谱数据融合等。Houhou等重点介绍了化学计量学、机器学习和深度学习等人工智能方法用于光谱和成像分析的最新研究和趋势，包括核磁共振、质谱、振动光谱、X射线、原子力显微镜、电子显微镜和二维色谱等，他们认为深度学习在生物医学中的应用，以及数据融合方法，是未来研究的主题之一。Zhang等汇总了用于LIBS多元定量和定性分析的机器学习方法（图6），讨论了模型可解释性、数据集大小、过拟合以及噪声、干扰等问题和挑战。Costa等也综述了用于LIBS的化学计量学方法，比较了多种定量校正方法的优缺点。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142022269_1092_3389662_3.jpg!w468x223.jpg 图6 人工智能、机器学习、化学计量学之间的关系示意图https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142083247_412_3389662_3.jpg!w507x334.jpg 图7 用于电化学、光谱学和联用质谱学中的化学计量学方法框架图Peris-Díaz等引用300多篇文献回顾了2018～2020期间化学计量学方法在电化学、光谱学和联用质谱学中的应用研究和发展趋势（图7），并论述了使用这些方法时要避免的潜在陷阱。 https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142152321_2753_3389662_3.jpg!w369x248.jpg 图8 光谱分析中常用的化学计量学方法工具箱Meza Ramirez等介绍了应用于光谱分析的机器学习和人工智能背景、概念和方法，及其在生命科学和医疗领域的最新研究进展，并给出了光谱分析中常用的机器学习和人工智能工具箱（图8）。Oliveira等综述了各种分析技术与化学计量学方法结合用于石油泄漏研究中的应用和研究进展，讨论了化学计量学方法的一些概念性和不当使用等问题。Aleixandre-Tudo等对化学计量学在食品科学和技术研究领域的应用进行了文献计量学评估，结果表明，化学计量学是一个内容丰富且发展快速的领域，广泛应用于食品领域。Rocha等综述了2008-2018年期间非线性方法（人工神经网络、支持向量机、自组织映射等）在食品（蔬菜、水果、食用油和奶制品等）分类和预测分析中的应用，讨论了非线性方法相对于传统多元分析方法的优缺点。Carolien等用实例对用于食品质量评估的多种化学计量学方法进行了探究，指出食品科学家和统计学家之间需要跨学科合作，以便正确使用数据分析方法并合理解释结果。Ma等全面综述了神经网络在食品分析（如食品识别、食品供应链安全和组学分析等）中的应用进展，提出友好界面软件包的空白、难以解释的模型行为、多源异质数据等是阻碍神经网络广泛推广应用的主要挑战。3.2光谱预处理与波长选择由于测量模式、样品状态和其他外部物理、化学和环境因素，光谱仪等分析仪器产生的数据可能包含不必要的变化。数据预处理的总体目标是从信号中去除不必要的变化或影响，以便与感兴趣属性相关的有用信息可用于有效建模。基线漂移是拉曼、中红外、近红外以及激光诱导击穿光谱等光谱仪器测量过程中经常出现的问题，会对光谱的定量和定性分析产生不利影响。王海朋等系统评述了光谱基线校正的基本算法、改进算法和新型算法及其应用研究进展，认为目前的基线校正算法大都没有从机理或光谱本质方面对基线漂移做出解释，在具体应用时应根据具体的对象加以选择和改进。Mishra等系统介绍了用于光谱预处理的方法，重点论述了新出现的集成融合预处理方法，并归纳出了三种基于集成融合的预处理策略。波长（变量）选择是近红外光谱（NIR）多元校准的重要步骤，也是近红外光谱研究的一个热点。现如今，已经开发了大量的变量选择方法，由于其原理和应用范围的不同，它们具有不同的优点和缺点。Fu等归纳了基于联合策略开发的变量选择方法，联合方法的目的是应用两种或多种变量选择算法，利用它们各自的优势，从高维NIR数据集中更有效地选择特征波长。de Araújo Gomes等则概述了用于食品光谱数据分析中的波长变量筛选方法，并通过定量校正和分类识别实例论述了变量选择的重要性。3.2多维高阶算法化学多维校正方法具有突出的“二阶或更高阶优势”，被视为借助绿色智能的“数学分离”来替代或增强传统的“物理/化学分离”，这避免或显著简化了样品预处理过程，减少了分析时间。此外，可以消除背景基体和干扰信号的影响，即使在存在未知干扰的情况下，也可以实现对感兴趣的多个分量的同时、快速和准确的定量分析。Wu等综述了基于各种高阶分析数据的多维校正的理论和分析应用的最新进展，重点讨论了多线性模型及其扩展、具有二阶或高阶优势的多维校正算法以及其他基本问题，并着重介绍了它们对绿色分析化学的贡献，例如在环境样品定量分析中的应用。在另一篇综述中，吴海龙等则系统综述了近5年来二阶、三阶、四阶校正方法与不同高阶分析仪器相结合的代表性应用，强调了多维校正方法对绿色分析化学的贡献。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142222445_561_3389662_3.jpg!w554x201.jpg 图10 近红外光谱成像与高阶化学计量学算法用于药物杂质测定和有效期估计的分析流程图Sun对用于化学和生物制造过程中张量数据分析的方法进行了综述，指出张量数据分析是一种有前景的过程理解和优化工具，为提取有用的过程信息开辟了新的可能性。Vignaduzzo等讨论了高阶化学计量学与多种仪器技术（如紫外-可见光谱、荧光、色谱、电化学等）相结合解决药学定性和定量问题的研究进展，是解决包括降解研究、杂质和原料药测定（溶解试验、均匀性试验等）等问题的有力工具（图10），还讨论了该策略在药物鉴定、PAT和QbD中的应用潜力。Yu等综述了多维校正算法与近红外光谱结合在食品工业过程控制、质量评价、欺诈识别和分类、以及图像分析等方面的应用进展，作者认为，多维算法与光谱数据的结合可以将食品加工数据信息转化为操作知识，能进一步提高对食品系统和食品过程的理解。Mazivila等论述了如何利用多维分辨方法从基于分析物触发的半导体量子点（QD）荧光调制（猝灭/增强）的传感平台中体现激发发射荧光矩阵（EEFM）的二阶优势，包括平行因子分析（PARAFAC）、多元曲线分辨交替最小二乘（MCR-ALS）和基于残差双线性的未展开偏最小二乘（U-PLS/RBL）。de Juan等系统论述了多元曲线分辨（MCR）方法50年的发展历程，重点介绍了MCR在组学、成像或多维色谱等领域的新应用。Mazivila 等则重点论述了MCR-ALS结合光谱和色谱技术在过程分析化学（PAC）和过程分析技术（PAT）中用于实时过程监测和控制的进展。Park等系统综述了二维相关光谱在概念、实验方法和应用研究等方面的进展，强调了二维相关光谱与多元分辨和多元校正方法的结合。Yang等重点综述了二维相关光谱结合多维化学计量学方法在乳制品、酒精饮料、食用油等食品质量检测中的应用。Liu等综述了二维相关光谱在水环境、土壤环境和大气环境检测和分析中的应用，特别是在研究环境中有机物的分子特性以及与金属离子的相互作用机理等方面的进展。Rutherford等讨论了应用于生物流体红外光谱分析的机器学习分类算法，强调了二维红外光谱的多维性及其具有的丰富信息，其与分类算法结合具有令人鼓舞的潜力。3.3多数据融合多光谱融合技术是将不同类型的光谱进行优化和整合，实现单光谱优势互补，以获得更全面、更可靠、更丰富的特征数据，达到提高模型预测准确性和稳定性的目的。戴嘉伟等对近年出现的多光谱数据融合技术的新策略和新方法进行了综述，作者认为将多光谱仪器硬件与多光谱数据融合算法结合是未来的发展趋势，通过云平台可将多光谱数据的采集和数据的融合处理进行集成，进一步节约人力物力，提高分析效率。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142283206_6217_3389662_3.jpg!w554x280.jpg 图11 低级、中级和高级数据融合的建模策略（包括深度学习）示意图 Calvin等综述了用于评估食品质量的电子鼻（ENs）、电子舌（ET）和电子眼（EEs）组合系统开发的最新进展，特别讨论了不同数据融合策略的应用（图11）。Azcarate等系统论述了数据融合的不同策略，强调数据结构对选择融合策略的重要性，以及如何将它们合并到不同的数据分析场景中。Mishra等概述了多块数据分析的概念、可执行的各种任务（包括探索性数据分析、预测建模、变量选择、预处理优化和模型转移）以及不同方法的优缺点。3.4深度学习https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142344493_9830_3389662_3.jpg!w458x254.jpg 图12 人工神经网络家族的Venn图深度学习是近年来非常活跃的一支人工神经网络方法（图12），主要包括CNN、ResNets、自动编码器、GAN、RNN等，在光谱分析中主要有四种应用场景：光谱预处理、分类、回归和光谱特征提取。Debus等综述了深度学习方法及其在分析化学中的应用，包括定量分析、混合物中特定化合物的识别、光谱重建、图像分析和样品分类等。数据规模的增长和计算能力的提高促进了深度学习在光谱及医学影像分析中的应用，但深度学习模型可解释性的不足是阻碍其应用的关键因素。刘煦阳等从算法角度介绍了深度学习及三类可解释性方法的原理，综述了深度学习及可解释性方法在光谱及医学影像分析，提出基于小规模数据的训练策略、增强模型可解释性的方法及可解释模型的构建仍是未来的发展趋势。光谱数据的深度学习建模中的一个主要主题是选择和优化适用于光谱建模特定任务的深度神经网络架构。Passos等基于实现和优化光谱回归和分类两个实例，介绍了一套旨在优化深度学习模型超参数的方法。 https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142403163_1574_3389662_3.jpg!w454x412.jpg 图13 传统人工神经网络与深度神经网络的区别 Mishra等就深度学习在近红外光谱数据建模中的主要优点和潜在缺陷进行了批判性和全面的论述（图13），介绍了深度学习在回归、分类、模型更新、模型转移和光谱图像处理等方面的应用，作者认为具有广泛变异性的大光谱数据集是训练更复杂、准确和稳健模型的关键。尽管该文是针对近红外光谱评述的，但许多观点也可扩展适用于其他光谱技术。Nikzad-Langerodi等从化学计量学和分析化学角度概述了迁移学习的理论、概念和应用，并将其与校正模型更新/适应和模型转移向联系，提出了未来的应用前景。Luo等在综述中讨论了深度学习算法在拉曼光谱分析中的最新发展以及这些算法存在的挑战。Mozaffari等综述了一维卷积神经网络在便携式拉曼光谱仪中识别未知物质的研究进展，指出缺乏可用于深度学习的大型拉曼光谱数据库是当前面临的最大挑战。Lussier等论述了应用于拉曼和SERS的深度学习和人工智能方法，涉及食品和饮料，病毒和细菌，刑侦、医疗等领域的定性和定量分析。Cobas等论述了机器学习（ML）和深度学习（DL）方法在核磁共振信号处理和小分子分析领域的各种应用，包括结构自动验证和溶液中NMR观测值的预测等。Chen等总结了深度学习方法在核磁共振（NMR）光谱学中的应用，认为深度学习方法有可能将NMR光谱学转化为化学和生命科学中更高效和强大的技术。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142473229_6375_3389662_3.jpg!w467x267.jpg 图14 用于LIBS的ANN方法 Li等综述了用于激光诱导击穿光谱（LIBS）分析的人工神经网络（ANN）方法（图14），包括反向传播神经网络（BPNN）、径向基函数神经网络（RBFNN）、自组织映射（SOM）和卷积神经网络（CNN）等，比较了这些有代表性人工神经网络方法的网络结构原理及其特点，以及它们在LIBS分析中的应用，深入讨论了变量选择、网络构建、数据集利用、网络训练、模型评估等具体实施时的策略性问题，指出了ANN方法在过拟合和可解释性等方面的局限性，展望了多光谱融合、全谱建模、广义谱、多算法组合等方面的发展。赵文雅等总结了LIBS结合ANN模型在地质、合金、有机聚合物、煤炭、土壤及生物等领域的具体应用，展望了ANN在LIBS光谱深度信息挖掘、便携式专用型设备开发、技术联用等方面的发展前景。Cui等讨论了卷积神经网络（CNN）和递归神经网络（RNN）等深度学习方法在电化学生物传感器、可穿戴电子器件、SERS和基于其他光谱的生物传感器、荧光生物传感器和比色生物传感器中的应用，提出在这些应用程序中，所建模型必须是可解释的（而不是黑匣子）。医疗专业人员和决策者必须能够理解机器决策。同时，人类的知识和推理规则需要以透明的方式纳入深度学习系统，以强制和规范其学习和决策过程。此外，将人类知识和推理规则纳入机器学习过程可以显著减少训练模型所需的样本量。Pradhan等讨论了深度学习在生物光子领域的可能性，包括图像分类、分割、配准、伪染色和分辨率增强，以及深度学习在光谱数据中的潜在用途，如光谱数据预处理和光谱分类，并对深度学习在振动光谱应用面临一些挑战进行了讨论，例如数据的缺乏、光谱的复杂性、光谱内的类间和类内差异以及深度学习模型的可解释性。Nayak等论述了从人工神经网络到深度学习在智能食品加工中的应用进展，包括了该领域从浅层学习到深度学习的详细过程。Liang等论述了近红外光谱和红外光谱与人工神经网络（浅层神经网络和深层神经网络）相结合用于食品质量和安全认证以及品种和产地的可追溯性的研究进展，指出不应盲目追求复杂的神经网络结构，应根据测量数据集的复杂性设计网络，并应专注于研究神经网络轻量级结构和算法。Zhang等的综述侧重于深入学习算法在食品和农产品质量评估中的应用、当前研究的经验教训和未来展望，深度学习方法能够平滑光谱数据并提取信息特征，所以其主要优点之一是通过端到端分析可在很大程度上减少对领域知识的依赖。Mishra等综述了用于高光谱图像特征提取和分类的4种深度学习方法，并归纳了它们在常用数据集中获得的对比结果。Ozdemir等综述了用于高光谱图像特征提取和分类的深度学习算法。Kassem等系统综述了用于图像视觉诊断皮肤病变的机器学习和深度学习方法，认为小数据集、特殊图像选择和种族偏见是当前面临的主要挑战。Zhu等则综述了应用于食品加工领域机器视觉技术的传统机器学习和深度学习方法，应用领域包括食品安全检测、食品加工监控和异物检测等。Jaiswal等综述了高光谱成像结合深度学习在多领域的应用进展，包括生物医学、食品质量、农业、生态、采矿、林业和国防等领域，提出应在高光谱解混合、异常检测、模式识别和数据融合等方面进行深入研究，以有效利用高光谱数据立方体。Wang等从深度学习模型和特征网络两个方面综述了高光谱图像分析在农业中的应用，包括品种分类、成熟度和成分预测、遥感图像分类和植物病害检测，提出了迁移学习、生成对抗网络、半监督学习和主动学习是应对有限标记训练样本挑战的有前景的技术。Odebiri等论述了从传统神经网络向深度学习的过渡，并讨论了遥感数据预测土壤有机碳（SOC）带来的应用潜力和主要挑战。Yang等概述了深度学习技术在园艺领域中的应用场景，以及应用的模型和框架、使用的数据和总体性能结果，包括品种识别、产量估计、质量检测、病虫害管理、生长监测等。3.5标准与规范拉曼光谱越来越多地应用于生物学、法医学、诊断学、药剂学和食品科学。这种增长不仅是由仪器设备和实验方法的改进引起的，也是由化学计量学技术的发展引起的。Guo等概述了拉曼光谱分析中的化学计量学过程，包括实验设计、数据预处理、数据学习和模型传递，讨论了可能遇到的方法陷阱问题及解决办法，在此基础上提出了化学计量学方法用于拉曼光谱分析的标准化流程，其目的是将基于化学计量学方法的拉曼分析技术从概念验证研究进一步推向实际应用。Barton等论述了用于拉曼光谱分析的化学计量学方法进展，尤其是与仪器和数据校准相关的方法，概述了使用拉曼光谱创建、验证和传递化学计量学模型所需的步骤和应注意的问题。Ntziouni等全面分析了与拉曼光谱相关的标准方法、指南和规范，指出制定通用标准方法对进一步促进拉曼光谱技术的发展和应用至关重要，尤其是对于表面增强拉曼光谱和低分辨率便携式分析仪来说。结合化学计量学的光谱分析方法在疾病筛查和诊断、微生物学研究、法医学和环境调查中非常有吸引力，其中快速、准确和可靠的分类模型是基础。Morais等编写了用于振动光谱数据（FTIR、Raman和近红外）的多元分类分析规程，重点介绍了一系列关键步骤，如预处理、数据选择、特征提取、分类和模型验证。Afara等提出了近红外光谱和成像表征生物组织的工作流程规范，并展示了近红外光谱和成像在探索和诊断生物组织应用中的分析能力。Yang等系统总结了世界范围内的近红外光谱相关的标准，涉及仪器、建模通则和应用方法等。3.6其他随着校正样本数据集的日益增大、样本来源日益广泛及光谱采集条件日益复杂，非线性方法的使用越来越普遍。Zareef等概述了近红外光谱应用于食品分析的非线性定量和定性校正算法，包括ANN、AdaBoost、SVM、ELM和局部校正方法（LA），讨论了各种方法的优缺点。李明等针对近红外光谱通用模型在农产品和食品检测中的研究进行综述，通过比较传统模型建模方法与通用模型建模方法，分别就建立通用模型过程中样品信息的获取、模型的建立以及样品信息的预测三大建模步骤中使用的方法进行总结，并归纳了近红外光谱通用模型在建模步骤中的要点。Dorantes等针对土壤的光谱分析，综述了校正集大小的选择、通过子集构建目标校正模型，以及通过加标方法实现库转移等建模优化方法和策略。模型转移是用于在光谱仪之间转移光谱校正模型的一类化学计量学方法。传统模型转移方法对标准样品的要求一直是一个挑战，因为此类测量在现实应用中存在困难。Mishra等论述了近年来在模型转移领域取得的研究进展，提出随着人工智能、深度学习和计算能力的不断进步，无标样算法将会得到越来越多的应用。在模式识别中，单类分类方法（one-class classification）是一种只针对一类实例建模分析，以特定的置信水平固定目标样本类的边界，对新样本的类别进行判定的方法，利用这一特点能有效区分不同于真实样本的数据，大大减少了检测的工作量，在食品掺假检测应用领域有一定的发展潜力。唐逸芸等对单类分类方法进行了综述，重点介绍了几种常见的单类分类方法如数据驱动的簇类独立软模式（DD-SIMCA）、单类偏最小二乘（OCPLS）、单类支持向量机（OCSVM）以及单类随机森林（OCRF），论述了该方法在食品真实性鉴别中的应用，包括食用油、乳制品、饮料、保健品、香辛料及谷物等。Lavine等论述了红外光谱两种相似性比对方式（库搜索算法和模式识别方法）的优劣，强调了在使用统计方法比较光谱时，光谱专家参与认证以及光谱高质量的重要性。Ferguson等综述了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和量子级联激光红外光谱（QCL）结合机器学习方法在检测和分类不同癌症组织的进展，论文强调了F1得分可作为直接比较模型性能的定量指标，并指出基于集成策略的识别方法往往能得到较好的结果，而且识别技术正在朝着可以捕捉组织复杂性的分层建模方向发展。独立分量分析（ICA）是一种概率方法，其目标是从混合观测信号中提取最大独立和非高斯的基本分量信号。由于分析化学中许多应用获取的数据是成分信号的混合物，因此这种方法非常有用。Monakhova等综述了近年来ICA在荧光、UV-VIS、NMR、振动光谱以及色谱中定量和定性分析的应用，提出了进一步的研究方向。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141142550608_3607_3389662_3.jpg!w554x206.jpg 图15 光谱解混技术的研究现状Research status of spectral unmixing technology 光谱成像中，低空间分辨率和物质异质性等因素造成的图像混合像元问题，使像元级的数据处理和应用难以满足实际需求。光谱解混提取亚像元尺度上的端元和丰度信息，为现实应用的数据精细化定量分析提供技术支撑。杨斌等介绍了近些年光谱解混理论方法和应用的相关研究进展（图15），总结了光谱解混技术与应用研究中的不足和构建二者协同发展的必要性。4 应用4.1农业4.1.1农作物王冬等从种子质量评价、活力与老化检测、纯度与真伪鉴别、分类与溯源研究四方面对光谱及高光谱成像无损快速检测种子品质进行综述，提出光谱数据和形态学数据的融合是本领域的一个难点，采用何种融合方式以及融合数据的筛选是今后的研究重点。Su综述了光谱、彩色成像和高光谱成像三种传感技术结合机器学习在作物和杂草识别中的应用，作者认为鉴于最近机器学习和传感器开发的蓬勃发展，预计多光谱成像将成为实时区分杂草和作物的主流方法。Berger等论述了高光谱技术测定作物氮含量的进展，并归纳了与氮相关的近红外光谱区的特征谱带。Li等从系统选择、数据处理和预测方法三个方面评述了光谱和机器视觉技术对作物氮素状况进行诊断的进展，由于光、土壤和树冠等因素的干扰，他们提出在未来的研究中可以考虑多信息融合实时处理和时间序列估计方法，以提高作物氮素状况的诊断准确性。Sanchez等综述光谱和成像技术在评估马铃薯和甘薯块茎不同质量指标方面的最新应用，讨论了单独应用还是与其他技术相结合的马铃薯和甘薯在线分级和分类的实际用途。Su等综述了光谱成像和机器学习在马铃薯和甘薯块茎智能检测中的最新应用进展，包括物理特性（如质地、水结合能力和比重）、化学成分（如蛋白质、淀粉和总花青素）、品种和缺陷鉴定等方面。Alamu等综述了近红外光谱在木薯和山药高通量表型分析中的应用，包括碳水化合物、蛋白质、维生素、矿物质、类胡萝卜素、水分、淀粉等化学成分分析，强调了近红外光谱在木薯和山药基因型高通量筛选和质量控制方面的潜力。杨杰锴等从蔬菜内在品质检测、营养元素监测、病害诊断三个方面对高光谱成像在蔬菜性状无损检测上的研究成果进行了综述，并结合目前存在的问题，对未来的发展方向提出了展望。Pandiselvam等综述了振动光谱在粮食工业中的应用，包括品质鉴别、掺假与污染物测定、工艺优化和生产监控等，讨论了该技术的优势、面临的挑战、局限性和以及未来的发展趋势。Zareef等综述了近红外（NIR）、红外（IR）、拉曼光谱和荧光光谱，以及比色传感器阵列（CSA）、成像技术和数据融合策略等无损检测技术在谷物质量、真实性和安全监测中的最新应用。Liu等介绍了不同分析技术和化学计量方法对小麦产地、品种、掺假和有机小麦的研究进展。其中，稳定同位素和矿质元素分析技术是识别小麦产地、品种和区分有机小麦和传统小麦的有前途的工具，图像分析、基因分析和组学分析可以为小麦品种识别、有机小麦识别和小麦掺假识别提供解决方案。此外，近红外(NIR)、中红外(MIR)、高光谱成像(HSI)等光谱技术与多变量数据分析方法相结合，在小麦真实性方面表现出巨大的潜力，并具有快速、无损、易用等优点。太赫兹光谱和成像技术已广泛用于农业和食品行业的无损检测、安全筛查、医学成像和质量控制等方面。Afsah-Hejri等介绍了太赫兹光谱的产生原理，讨论了当前太赫兹光谱和成像技术在农业领域的应用，包括太赫兹光谱与化学计量学方法、机器学习和搜索算法结合用于鉴别转基因种子、农药、有害化合物和有毒植物，以及利用太赫兹高分辨率图像区分叶片新鲜度，监测植物的水分状况，并估计作物产量等。卢雪晶等综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果，总结了目前存在的应用局限，提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。4.1.2病虫害孙红等以植物识别与检测、病虫害诊断与识别、遥感区域分类与监测、果实在体检测与产品分级、动物识别与姿态检测5个研究方向，总结概括深度学习在农业信息成像感知中最新的应用研究成果，并指出将深度学习模型输出与控制环节相结合，为农业水肥药等管理决策、变量作业实施以及反馈评价等环节提供支持，是加速智能作业体系构建的方向。Payne等评论了拉曼光谱在数字农业中的潜力，包括及时诊断生物和非生物胁迫，以及鉴定植物和评估植物对某些病原体（如线虫）的抗性，还讨论了基于拉曼光谱种子营养价值分析的数字育种的可能。真菌感染和真菌毒素污染是全世界谷物和油籽收获前后的严重问题。Jia等综述了利用红外光谱、拉曼光谱和高光谱成像技术检测谷物和油籽中真菌感染和霉菌毒素污染物的最新进展，重点介绍了中国的最新研究进展。郭志明等综述了近红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱和光谱成像等技术在粮食真菌毒素检测方面的研究现状及发展动态，讨论了各技术的优势与存在的不足，指出将不同模态的光谱信息进行融合，开发新的信息处理算法是进一步突破的研究方向。Weng等论述了拉曼光谱和表面增强拉曼光谱在植物病害诊断中的应用进展，包括细菌病害和胁迫诱导病害、真菌病害、病毒病害、豆类害虫和真菌毒素等。Johnson等综述了在过去二十年中，近红外光谱在昆虫学领域的应用，包括昆虫物种分类、年龄和性别预测等，详细汇总了昆虫近红外光谱吸收的特征谱带，并指出近红外光谱用于储藏食品中昆虫的识别和昆虫表皮碳氢化合物的无损分析，是两个特别有希望的领域。在另一篇综述中，Johnson综述了近红外光谱在谷物和豆类储藏物害虫检测中的发展史和现状，并对该技术的未来进行了展望。Wang等概述了近红外光谱定性和定量分析在林业中的发展史及最新应用进展，包括树种、种子、木材和昆虫种类的鉴别，以及木材、植物组织、土壤、凋落物等的性质测定，讨论了近红外光谱应用在该领域的挑战和未来用途。4.1.3土壤在过去的二十年里，光谱结合化学计量学方法用于土壤物理和化学性质的快速分析研究已发展成了独立的学科—土壤光谱学。Barra等综述了用于中红外光谱和近红外光谱分析技术的化学计量学和机器学习工具，尤其是用于分析土壤物理和化学性质光谱的预处理转换和变量选择策略的最新发展，并对土壤光谱学作为土壤科学有效分析手段所带来的机遇和挑战进行了详细概述。Ahmadi等对可见-近红外光谱用于精细农业领域土壤性质的预测进行了系统综述和统计分析，表明该技术可以作为低成本、快速分析土壤性质标准方法的替代品，具有可接受的精度，而且随着土壤空间变异性评估需求的增加、仪器技术的进步、数据挖掘技术的发展、大型全球光谱数据库的建立，该技术将在精细农业中有着光明的应用前景。Angelopoulou等综述了从实验室到近端传感应用的土壤反射光谱预测有机碳和土壤有机质含量的进展，讨论了实验室和现场应用中影响光谱测量准确性的因素，以便将模型从实验室转移到现场应用。Nawa等综述了光谱法（可见-近红外、中红外（MIR）、激光诱导击穿和X射线荧光光谱）原位半定量和定量检测土壤中潜在有毒元素的最新进展，并将其与标准分析方法进行了严格的比较，讨论了影响土壤光谱和数据分析的因素，并就如何减少或消除它们的影响提出了建议。LIBS技术是一种原子发射光谱技术，被认为是化学分析和绿色分析技术领域未来的“超级明星”。Yu等综述了LIBS在土壤元素分析中的应用，包括主要元素、微量营养元素和重金属元素，还简要总结了LIBS在植物相关问题（营养素、农药残留和植物病害）分析中的应用。Sharma等综述了土壤样品有机物质的傅里叶红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）和激光诱导击穿光谱（LIBS）的光谱特性，以及基于这些化学成分的光谱特性用于土壤表征和鉴别的应用进展。Huang等综述了LIBS用于对土壤分类和元素分析的各种机器学习算法，重点介绍用于减少基质效应和自吸收、特征选择、定量分析、土壤分类的方法。杨柳等综述了LIBS技术对土壤和植物中元素的定性分析研究，包括土壤快速溯源、土壤快速分类方法的建立和绘制植物组织中元素的空间分布图，以及土壤、植物中营养元素、重金属定量分析方面的进展和存在的问题。4.2食品4.2.1概述食品真实性、原产地和可追溯性是全球消费者、行业和监管机构关注的主要问题。仪器和化学计量学方法的发展导致出现了大量的可用于食品供应链各个控制点的商业化、便携式和手持设备，这些方法可以很容易地集成到食品供应链各个阶段的质量管理体系中。当前硬件和软件的发展使得光谱技术在整个食品供应链和价值链的质量评估和监测过程中的应用能力逐步提高。Aleixandre-Tudó等使用文献计量学方法评估了光谱应用于食品科学和技术的现状，结果显示光谱结合化学计量学方法是这类技术的关键属性，并推测出光谱技术将会逐步融入食品生产的全过程的未来。Biancolillo等概述了在光谱的食品分析和认证领域最常用的化学计量学方法，包括数据探索、光谱预处理、分类、回归、模型验证以及数据融合等，并对最新的应用进展进行了归纳。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143046518_8943_3389662_3.jpg!w465x374.jpg 图16 近红外光谱仪的演变路径图Overview of the evolution of near infrared spectrometers. Aouadi等介绍了电子舌（E-tongle）、电子鼻（E-nose）和近红外光谱仪器的历史发展概况，以及它们在乳制品、甜味剂、饮料、水果和蔬菜以及肉类和鱼类行业中的应用进展，包括掺假识别、多种物理化学和感官参数预测等。Wadood等综述了分析技术如光谱、色谱、同位素比和元素分析、DNA和传感器等在鉴定植物地理来源的可追溯性和真实性的应用现状，包括水果、谷物、豆类、茶、咖啡、香料、食用油、果汁和酒精饮料，讨论了这些技术在实验室和工业水平上的有效性及其优缺点。Bwambok等综述了石英晶体微天平（QCM）、电分析和近红外（NIR）光谱在食品、原材料和配料质量评估和保证方面的突破和挑战，重点介绍了近红外光谱在食品分析和食品掺假检测中的应用。Feng等综述了可见光、近红外和中红外光谱以及高光谱成像技术在食品品种和地理来源识别中的应用，包括谷物、饮料、水果、坚果、肉类、油脂等，还讨论了现有的挑战和未来的发展前景。McVey等概述了便携式光谱仪器的最新技术进展，归纳了商用光谱仪器在食品真实性方面的应用，探讨了将光谱快速分析技术集成到食品链数字追溯系统中的关键挑战和潜力。Rodriguez-Saona等对商品化的小型振动光谱仪器进行了汇总，并介绍了振动光谱设备进一步小型化的技术及其在食品高通量分析和认证中的最新应用。Arendse等综述了振动光谱技术（近红外和中红外光谱、拉曼光谱和高光谱成像）在鉴别加工园艺产品真实性和掺假方面的最新应用，主要针对的产品是粉末状产品、食用油和果汁。Sun等综述了拉曼光谱在食品安全和质量保证中的检测方法，重点介绍了拉曼技术在食品生产链中的应用和优势，包括植物生长、食品加工、运输、储存和营销，并对该技术的未来发展趋势做了展望。Cozzolino等综述了近红外光谱在评价乳制品和谷物功能特性方面的应用、机遇和挑战。Zeng等概述了将近红外光谱用于食品定性分析的模式识别方法，并讨论了卷积神经网络等深度学习方法的应用潜力。Stefas等综述了LIBS结合化学计量学方法应用于食品分析的最新研究活动，重点是对橄榄油、蜂蜜和乳制品的分析。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143115212_6069_3389662_3.jpg!w554x282.jpg 图16 食品真实性类别和合适的拉曼光谱分析技术 近年来，由于成分置换、非法添加等问题导致的经济利益驱动型掺假（EMA）使食品真实性成为了一个全球性问题，如图16所示，拉曼光谱与化学计量学相结合，是一种快速、无损地验证食品性质或来源的方法。Xu等综述了拉曼光谱结合化学计量学方法的分析技术原理、工作流程、优点、挑战以及在食品真实性方面的应用，还讨论了该技术存在的问题以及未来的展望。Mendes等概述了中红外光谱结合化学计量学方法用于五种最容易发生欺诈行为食品（咖啡、乳制品、蜂蜜、橄榄油和葡萄酒）的掺伪和真实性的最新应用研究，所引用文献时间的跨度为2010年至2020年。Nobari-Moghaddam等综述了近红外光谱和高光谱成像在快速检测食品掺假方面的应用，包括食用油、乳制品、婴儿配方奶粉、蜂蜜、香料和果汁。张仲雄等综述了太赫兹谱在食品掺假检测方面的研究进展，包括转基因食品鉴别、食品原产地鉴别、乳制品掺假和蜂蜜掺假检测等，讨论了目前存在的问题，如水分吸收、散射效应的影响等。He等介绍了无损检测技术的原理及其在食品掺假检测中的应用，讨论了这些方法确定食品掺假最低检测检出限的困难性。4.2.2食用油https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143173914_4988_3389662_3.jpg!w554x227.jpg 图17 用于食用油质量分析的常规色谱工具和过程分析工具的比较示意图 确定食用油的品质对世界各地的食品监督机构和消费者来说都具有重要价值。Rifna等综述了多种光谱分析工具与化学计量学结合在鉴别食用油中掺杂物方面的应用（图17），包括鉴别掺假品、质量控制、原产地评估、工艺评估和产品分类等。Tahir等综述了2013-2020年期间通过各种分析手段结合化学计量学用于确定食用油的地理来源的应用，并提出相关研究机构应开展合作建立全球范围的指纹（例如光谱、色谱、多元素）数据库，以满足常规分析的需要。Li等的综述重点介绍了近红外光谱在检测油籽和食用油的物理化学性质和质量、特定营养成分、认证和地理来源追溯方面的应用，还讨论了近红外高光谱成像技术在油籽中的应用。他们认为，近红外光谱定量分析油籽和食用油中营养成分的能力将有助于质量控制过程，从而促进高质量食品工业的发展。Shi等讨论了鉴别山茶油的各种分析技术的特点，指出与传统的色谱分析方法相比，红外光谱、拉曼光谱、核磁共振和荧光光谱结合化学计量学是茶油质量控制过程的有效替代分析方法。Mousa等综述了FT-IR光谱法与化学计量学相结合在食用油质量、真实性和掺假检测中的最新应用进展。Rohman等对FTIR结合化学计量学方法对20余种油脂的鉴别分析进行了综述，强调了化学计量学方法在该应用中的重要性。Bian等综述了用于分析调和食用油混合物中单组分油含量的研究进展，涉及实验设计方法、光谱仪器技术和化学计量学方法等。Meenu等综述了振动光谱技术（FTIR、NIR和拉曼光谱）与化学计量学相结合在测定煎炸油脂热降解方面的应用进展。Sudhakar等综述了食用油掺假检测技术，包括化学方法、生物传感器、色谱、光谱、差示扫描量热、非热等离子体、介电谱等，详细介绍各种检测技术的优缺点。Jamwal等对FTIR结合化学计量学方法鉴别食用油掺假进行综述，引用了50多篇文献。Mohammed等综述了各种检测摩洛哥坚果油(Argan Oil)掺假方法的优缺点，对荧光光谱方法的未来应用前景给与了很大期望。Salah等综述了用于检测食用油（尤其是橄榄油）掺假的不同方法和技术，指出化学计量学与光谱等分析技术相结合，是食用油质量评估和掺假检测的有力工具。Kakouri等综述了利用气相色谱、红外和拉曼光谱技术鉴定橄榄油的植物和地理来源及掺假的应用研究进展。Calò等概述了核磁共振（NMR）和质谱（MS）与化学计量学相结合用于特级评估初榨橄榄油（EVOO）原产地的研究进展。Maestrello等综述了核磁共振谱（NMR）在特级初榨橄榄油（EVOO）中的应用，认为这是一种可靠、快速的工具，可以使用靶向或非靶向方法来检测廉价油或不同植物来源的掺假，以及鉴定品种和地理可追溯性。4.2.3奶制品Evangelista等综述了近红外光谱技术在奶牛场中的应用，包括原料、全混合日粮（TMR）、粪便和牛奶等的多参数分析，作者特别关注可直接在奶牛场使用的便携式仪器。Pu等综述了近红外光谱在乳品工业中的应用进展，提出未来需要在近红外测量系统和控制系统之间进行连接和通信，以闭合“过程、监控和控制”的回路，从而通过实时和连续的过程自动化实现设计质量目标。Riu等总结了微小型近红外光谱仪在乳制品或乳制品工业中的应用进展，强调了当前设备的一些优势和局限性。Yakubu等综述了近红外光谱技术在乳品生产中的研究进展，包括饲料制备、挤奶、奶酪、黄油和酸奶加工过程中的应用。Pereira等综述了利用近红外、中红外光谱技术评估乳制品内在质量的一些最新研究，汇总了乳制品关键成分在近红外、中红外光谱区的特征吸收谱带。Loudiyi等论述了用于监测加工和储存过程中牛奶和其他乳制品质量变化的光谱技术，讨论了各种光谱技术的优缺点，展望了这些方法的未来发展趋势。A?t-Kaddour等总结了过去十年中发表的关于热处理对牛奶和乳制品的生化、理化和感官变化影响的研究，论述了光谱无损检测技术（荧光、红外、核磁共振）在监测这些食品的变化方面的进展。Windarsih等归纳了振动光谱与化学计量学相结合分析乳制品掺假的应用研究，由于掺假物种类繁多且有时含量较低，检测牛奶掺假非常具有挑战性，这篇综述为选择振动光谱法结合化学计量学技术鉴别乳制品掺假提供了较为全面的信息。Liang等介绍了近红外、中红外、拉曼、荧光、太赫兹、高光谱成像技术等光谱技术在检测掺三聚氰胺奶粉中的应用，指出了这些技术的潜在优势和局限性以及发展方向。4.2.4果品短波近红外光谱技术以部分或全透射几何结构和点光谱模式实施，越来越多地被用于评估果树上和包装线上完整水果的品质。Anderson等综述了用于果品近红外光谱分析的化学计量学方法在过去三十年中的演变，结论表明，从使用多元线性回归到使用偏最小二乘回归，计量学方法已经发生了转变，近年来，对跨季节和跨仪器的模型鲁棒性的关注促使人们逐渐转向机器学习方法，如人工神经网络和深度学习，这一转变得益于大量多样的训练和测试集的可用性。Walsh等系统论述了可见-近红外光谱技术在水果行业广泛实施中的一些关键问题，归纳了几十年来的现场和在线近红外光谱仪器，从应用领域、仪器及测量方式（光学几何学）、化学计量学方法和验证程序方面，对2015年至2020年期间的研究工作进行了回顾评述。Shah等综述了近年来利用不同近红外光谱仪对苹果、芒果、葡萄、桃子、梨和甜瓜等各种水果的成熟度评估所做的大量工作，他们认为现有的在田间评估水果成熟度的近红外光谱设备价格较贵，限制了其在发展中国家的广泛使用，应研制更经济的水果成熟度评估设备。马本学等综述了近红外光谱分析和高光谱成像在甜瓜内部品质（可溶性固形物含量 、坚实度 、总酸含量 、成熟度 、水分等）无损检测中的应用，指出利用深度学习进行光谱信息解析、建立多特征信息融合的综合评价模型、开发基于人工智能与移动终端深度融合的快速无损检测系统等将成为该领域新的研究方向。张义志等综述了高光谱技术在水果、番茄、烟草等农产品成熟度检测中的研究现状和进展，指出了目前在应用方面存在的问题，并提出了改进措施。张静等系统概述了近红外光谱技术在葡萄、葡萄酒、葡萄汁及葡萄副产物检测中的应用现状，认为使用结合视觉、味觉、嗅觉等的多源信息融合技术建立预测精确度更高、更稳健的模型去全面评价葡萄生产、果园管理、成熟期收获及产后加工全过程，实现对葡萄及其制品生产全过程质量控制和在线监测是今后的发展趋势。4.2.5饮品Lin等综述了近红外（NIR）、中红外（MIR）、拉曼、太赫兹（THz）光谱和高光谱成像（HSI）等不同光谱技术与回归、分类模型在茶叶质量和安全性分析中的应用，回归模型主要应用于茶叶的定量分析，如酚类、黄酮类、色素、感官评价和农药残留，而分类模型主要用来区分地理来源、品种和发酵程度，此外，还总结了茶叶组分的光谱谱带归属。Hastuti等综述了利用元素分析（电感耦合等离子体质谱、电感耦合等离子体发射光谱、原子吸收光谱、X射线荧光和/或激光诱导击穿光谱）结合多元数据分析对茶叶进行鉴定的研究进展，认为基于XRF和LIBS的元素指纹技术是根据地理起源、采收时间、品种和类型对茶叶进行分类的一个有前途的技术。Teye等归纳了近红外光谱在可可豆及其制品品质的检测方面的应用，包括分类鉴别（等级、品种、质量和产地）、化学成分和感官属性的预测，其结论表明这项技术的广泛应用将有利于依靠可可为生的农民，也有利于增加可可豆价值的加工商和享用可可豆相关产品的消费者。Munyendo等综述了光谱方法（中红外、近红外、拉曼和荧光光谱）在咖啡产业链分析中的最新研究进展，具体涵盖了它们在烘焙监管、掺假和缺陷咖啡豆检测、特种咖啡品质和感官属性预测、基于品种、物种和地理来源的咖啡鉴别以及咖啡化学成分预测中的应用。表1 几种光谱结合化学计量学方法用于葡萄酒真实性鉴别的比较https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143249120_2450_3389662_3.jpg!w554x198.jpg Ferrer-Gallego等综述了振动光谱结合化学计量学方法在测定葡萄和葡萄酒酚类成分、质量及真实性方面的进展，论述了振动光谱技术在葡萄酒科学研究和工业中的重要性。Ranaweer等综述了紫外-可见、红外、拉曼、荧光和核磁等结合化学计量学方法用于葡萄酒真实性鉴别的应用情况，包括葡萄酒的产地、品种或年份鉴定等，并比较了各种光谱分析技术的特点（表1）。Solovyev等总结了1H核磁共振波谱在评估葡萄酒成分、质量和掺假等多个方面的可行性和局限性，并讨论了核磁共振波谱结合化学计量学的商业和开源解决方案示例，及其成为官方方法的机会。Kersh等综述了用于葡萄汁饮料加工过程质量控制评估的不同分析技术和化学计量学方法，讨论了每种技术的优势和局限性。Ríos-Reina等介绍了光谱技术在葡萄酒和醋的表征、鉴定和质量控制中的适用性和应用，讨论了与此问题相关的化学计量学的最新进展。M?da?等综述了与植物和地理来源相关的蜂蜜质量评价方法，指出色谱、光谱与化学计量学方法组合是未来的发展趋势。Sotiropoulou等综述了红外和拉曼光谱结合化学计量学用于评估蜂蜜的植物、地理来源以及蜂蜜掺假的研究进展。Power等综述了光谱（NIR、MIR和Raman）结合化学计量学方法用于区分威士忌品牌、产地，以及掺假鉴别的应用。da Costa等综述了多种分析方法结合化学计量学对啤酒定性和定量检测的应用进展，包括基于品牌、风格和类型、质量、产地、陈酿等的啤酒分类，以及基于化学参数的啤酒质量属性预测。 4.2.6肉制品 光谱技术与化学计量学相结合在肉类和肉制品领域的品质、真实性和安全性评估方面已引起人们的广泛关注。Pu等综述了高光谱成像技术评价肌肉食品（如猪肉、牛肉、羊肉、鸡肉、鱼和其他肉制品）安全指标的应用，包括生物、化学和物理属性以及其他相关危害物或毒物等。Zhan等综述了拉曼光谱技术（色散、傅里叶变换、空间偏移、显微和共焦拉曼光谱）在检测和评价冷冻食品品质和结构（包括蛋白质、脂质、水和其他等成分）变化方面的研究进展，并提出了拉曼光谱在冷冻食品监测中的发展趋势。Hassoun等论述了荧光光谱鉴别新鲜和冷冻解冻肌肉食品的潜力，作者认为为了增强光谱技术的分析能力，需要该领域不同参与者之间的密切合作，尤其是食品行业公司、数据分析师、光谱学家、机器人和传感器开发商以及监管机构等。Cando?an等的综述涵盖了FTIR光谱与化学计量学技术的基础知识，以及这一方法在肉类科学和技术中的主要应用，包括掺假检测、监测生化和微生物腐败和保质期、测定蛋白质和脂类等化学组分的变化。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143314123_6857_3389662_3.jpg!w267x261.jpg 图18 拉曼光谱和SERS在鱼类质量评估和安全检测中应用的太极图 李鑫星等阐述了水产品品质检测中的几种常用光谱预处理算法和光谱数据建模方法的特点和应用现状，认为建立统一、标准、高效的光谱检测模型库，排除光谱采集过程中的环境干扰，实现水产品品质实时在线检测是未来的技术发展趋势。He等全面概述了拉曼光谱和SERS在鱼类质量评估和安全检测中的应用（图18），特别强调了收获前（兽药残留和环境污染物）和收获后（新鲜度和非法行为）的有害物质和非法行为。论文认为若想将这些技术从实验室推广到实践，需要在开发高性能拉曼仪器、建立通用拉曼数据库、研制可重复的SERS基底以及与其他光谱技术结合等方面开展深入工作。Power等综述了振动光谱（近红外、中红外和拉曼）与化学计量学方法相结合在分析海鲜和鱼类真实性、来源和可追溯性方面的最新应用，讨论了将这类技术应用于海鲜和鱼类整个价值链中存在的困难。刘建华等综述了目前最新的鱼体新鲜度检测方法，包括气味指纹技术、新鲜度指示型智能包装技术、蛋白组学分析技术、生物传感器技术和光谱技术，指出从宏观和分子水平上共同探究鱼体新鲜度变化，实现多种新型检测技术与传统技术相结合，得到多指标融合的检测结果是需要重点考虑的问题。Hassoun等综述了不同的光谱技术（Vis/NIR、荧光、拉曼、HSI、NMR和阻抗光谱）区分新鲜和冷冻-解冻海鲜的研究进展，指出该技术在检测以冻融产品替代鲜鱼或其他海鲜产品的欺诈行为方面具有很大的潜力。Hassoun等综述了光谱技术（如红外、核磁共振、拉曼和荧光光谱）与化学计量工具相结合在线监测海鲜热处理过程变化的研究进展，强调了荧光高光谱成像在这方面的应用前景。李鑫星等从鱼骨检测、掺伪分析、寄生虫检测与重金属检测四方面介绍光谱技术在水产品异物残留检测的研究进展，包括X射线技术、可见光成像、近红外成像、高光谱成像等，指出光谱技术与其他多种检测技术的有机融合是今后发展的必然趋势。夏杨毅等综述了高光谱成像技术在肉类有毒有害物质检测、肉类掺假鉴别、肉类分选分级中的研究现状，讨论了其存在的不足及发展趋势。Hassoun等综述了振动光谱、核磁共振和荧光光谱检测动物源性食品欺诈方面的最新研究进展，特别关注了化学计量学方法的重要性，讨论了这些技术在打击食品欺诈方面的潜力。Rohman等总结了分子光谱结合化学计量学方法在鉴别清真食品和清真药品中的应用，可以识别出猪衍生物（猪油、猪肉和猪明胶）以及其他非清真肉类（鼠肉、野猪肉和狗肉）。韩爱云等对拉曼光谱在肉类掺假检测方面的研究进展进行了综述，并讨论了其存在的问题及发展前景。Edwards等综述了无损光谱和成像技术在检测加工肉类欺诈方面的研究和应用进展，强调小型便携式仪器对肉制品的在线检测是未来的发展趋势。夏杨毅和姜洪喆等综述了高光谱成像技术在肉类有毒有害物质检测、肉类掺假检测、肉类分选分级中的研究现状，讨论了目前高光谱成像技术存在的不足及发展趋势。4.2.7调味品与香料Kaavya等对红外光谱结合化学计量学方法用于香料鉴别、质量评估和掺假检测方面进行了综述。Pacholczyk-Sienicka等综述了核磁共振波谱结合化学计量学方法在香料质量和掺假检测中的应用研究。Mei等论述了近红外（NIR）、中红外（MIR）、拉曼（Raman）、荧光、电感耦合等离子体（ICP）和高光谱成像等光谱技术结合化学计量学方法在调味品无损分析和评估中的最新应用，包括化学危害检测、微生物危害检测和真实性追溯。Belmonte‐Sánchez等综述了高分辨率核磁共振结合化学计量学在香料和植物源调味品成分分析和质量控制中的应用，还介绍了检测储存期后降解、热处理后代谢变化、以及与病毒感染相关的标记物等的应用。Cavdaroglu等综述了鉴别不同类型掺假醋的靶向和非靶向分析方法，指出了数据融合方法是检测产品掺假的发展方向。4.2.8有毒有害物质的检测早期检测食品中有毒有害物质对于控制食品质量和提高医疗反应非常重要，建立快速准确的检测方法正成为健康安全、医疗诊断、环境安全和食品质量控制的迫切要求。Qi等综述了近红外光谱和傅里叶变换红外光谱在粮食、水果、蔬菜和饮料中有毒有害物质检测中的主要进展，讨论了这些检测技术的局限性和发展前景。表面增强拉曼光谱（SERS）集成了拉曼光谱分子指纹和基于纳米技术的增强灵敏度，以满足灵敏度和选择性的要求。Hussain等概述了光谱技术在检测食源性病原体方面的进展和应用，特别是过去几年的新趋势，包括表面增强拉曼光谱、表面等离子体共振、荧光光谱、多角度激光散射和成像分析。此外，还讨论了人工智能、微流体、基于智能手机的技术以及与光谱学相关的先进材料在细菌病原体检测中的应用。Martinez等重点介绍了用于真菌毒素定性和定量分析的SERS方法，讨论了当前的局限性以及对未来趋势的展望。Wang等概述了拉曼光谱、表面增强拉曼光谱和拉曼化学成像在农业食品安全和质量控制方面的应用进展，论述了纳米材料和化学计量学算法的不断发展对推动拉曼光谱技术从实验室走向工业的贡献。Wu等介绍了SERS方法在谷物、水果、乳制品和葡萄酒等农产品样品中痕量真菌毒素检测方面的最新应用，讨论了发展SERS技术检测真菌毒素污染的局限性和未来前景，它们指出未来的研究应侧重于设计可靠的SERS基底，建立真菌毒素的SERS指纹库，以及开发合适的化学计量学方法等。Petersen等论述了拉曼光谱、表面增强拉曼光谱（SERS）以及显微拉曼光谱和成像对食品中生物、化学和物理危害物检测的最新进展，讨论了拉曼光谱方法在食品安全监测中的局限性和未来前景，强调了拉曼光谱法作为一种有前景的食品安全检测技术的潜在应用机会。邱梦情等主要从SERS增强基底制备、检测方式以及光谱数据智能分析三个方面综述了农残检测中SERS的研究进展及趋势。人体内积累的重金属通过干扰人体蛋白质和酶的运输而产生生理毒性，重金属检测对保证食品和农产品安全具有重要意义。Guo等综述了SERS的基本原理、优点和局限性及其检测食品和农产品中Hg2+、As3+、Cd2+、Pb2+、Cr6+的研究现状，并讨论了化学计量学方法与SERS结合的应用潜力。Mishra等综述了无损光谱和光学成像技术检测谷物和坚果中霉菌感染和真菌毒素的研究进展，包括数字彩色成像、X射线成像、近红外光谱、荧光、多光谱和高光谱成像，还讨论了用于鉴定极低水平霉菌生长和霉菌毒素污染的化学计量学方法。赵婕秀等综述了高光谱成像技术在动物源性食品微生物（菌落总数、腐败菌、致病菌）污染无损检测方面的研究进展，指出高光谱成像可以检测出食品中目标微生物的种类和数量，并讨论了进一步研究发展需要解决的几个问题。4.2.9其他Manzoor等介绍了无损检测技术（荧光光谱、太赫兹光谱、近红外光谱、高光谱成像、拉曼光谱和表面增强拉曼光谱）在植物化学物质槲皮素（Quercetin，QUR）快速评估中的应用，并阐述了不同的方法的优缺点及需进一步解决的问题。Manzoor等对基于化学计量学的非破坏性光谱技术（荧光、拉曼、核磁共振光谱、傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、高光谱成像）用于评估农产品和食品中花青素的应用进行了评述，提出多数据融合技术将是这一应用领域的发展方向。应用天然防腐剂引起的食品质量变化通常采用一系列传统方法进行评估，包括微生物学、感官和物理化学测量。一些光谱技术被认为是传统耗时和破坏性方法的有希望的替代方法，Hassoun等综述了这些方面的最近研究进展，并强调光谱技术在评估应用天然防腐剂后的食品质量变化方面的潜力。Ghnimi等综述了NIR、FT-MIR和荧光光谱在评价饼干组成、质地和特性等方面的应用，指出这些技术用作监控配方、烘焙过程和评估工业烘焙产品最终质量的工具的潜力。Chen等综述了红外光谱和化学计量学的结合在食用菌的定性和定量分析方面取得了一些进展，包括掺假、产地和种类的鉴别分析，以及食用菌中的化学成分含量测定等。Sohn等重点介绍了近红外光谱检测农业和食品系统中转基因生物的基本原理、检测方法和应用研究，并提出水光谱组学有望成为监测转基因食品的有效途径。Loffredi等综述了2015-2020年期间的光谱方法（即VIS-NIR、NIR、拉曼、微波、高光谱成像、脉冲红外热成像）在鸡蛋品质和新鲜度无损评估中的应用，讨论了工业实施仍需面临的一些挑战，例如使用大量样本，考虑尽可能多的变异源（例如，母鸡品种、母鸡年龄、饲养系统、储存条件），将稳健的模型转移到简化的手持系统，以实现低成本和易用性等。Tirado-Kulieva等综述了紫外可见、近红外、中红外和拉曼光谱通过定性表征和定量分析评估维生素C的应用进展，论述了这些技术的一些局限性和潜在的解决方案，以及相关的未来趋势。紫外-可见（UV-Vis）光谱可以在化学计量学工具的帮助下提供混合物中复杂共轭系统的光谱信息。Farag综述了紫外-可见光谱在食品和膳食补充剂质量控制中的应用进展，包括物种的化学分类、鉴定、指纹识别、定量测定等。Rohman等综述了基于分子光谱、色谱和化学计量学的鱼油真实性鉴定方法，提出了多种分析手段与化学计量学相结合是鉴别鱼油的最有效的方法。4.3药品4.3.1中草药https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143385494_9308_3389662_3.jpg!w454x327.jpg 图19 化学指纹图谱与化学计量学方法结合用于中药定性分析的框架图 与合成药物相比，天然产品具有化学多样性，这取决于药用植物的种植条件、地理来源及收获时间。生物活性化合物及其衍生物的含量，以及天然药物的质量参数需要根据多种条件进行控制。现代光谱结合化学计量学方法已被证明是药用植物定性和定量分析的有力工具，具有现场快速、高通量、高化学特异性和无需/最少样品制备等特点。Be?等综述了近红外光谱在天然药用植物中的最新应用进展，强调了在仪器小型化、理论计算活性成分的吸收带、以及预测它们与基质分子相互作用等方面的发展前景。Kucharska-Ambro?ej等综述了光谱法结合化学计量学技术在中药和香料掺假检测中的应用，包括分类学研究、草药开发、质量控制、过程监控、假冒产品检测和地理来源评估，所有这些都在制药和食品行业中很重要。Li等综述了色谱法、振动光谱法、核磁共振波谱法和质谱法等不同分析技术生成化学指纹图谱的理论，阐明了化学指纹图谱与化学计量学方法结合用于中药质量评估的定性和定量应用研究现状（图19），包括定性鉴别中药的不同地理来源、植物种类、生长年份、收获时间、加工方法，以及定量分析质量控制标记物浓度等，该综述也为建立中药指纹图谱分析的标准提供了参考。 https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143453300_7297_3389662_3.jpg!w460x370.jpg 图20 近红外光谱技术在名贵中药材质量评价中的应用黄志伟等综述了近红外光谱技术对名贵中药材的质量评价研究概况，包括中药材的真伪鉴别、种类鉴别、产地鉴别、质量评价等。Noviana等综述了不同指纹技术结合化学计量学方法在草药标准化和质量控制方面的进展和应用，包括色谱、质谱、光谱和基于DNA的方法等。刘南岑等从申请量趋势、专利技术构成、申请人类型、当前法律状态、转让情况等角度分析了近红外光谱技术在中药制造领域的发明专利申请情况，梳理了近红外光谱技术在在线检测和质量控制、中药鉴定中的研究与应用，以及近红外检测装置的申请状况，为国内创新主体的专利布局提供了借鉴。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143512823_5328_3389662_3.jpg!w416x503.jpg 图21 用于非靶向和靶向指纹图谱分析的化学计量学方法Kharbach等综述了使用非目标和目标指纹技术结合多元数据分析对草药提取物和精油分析的最新进展（图21），涉及地理和种类真实性鉴别以及质量控制等方面。Junaedi等综述了红外光谱技术在分析植物性药物和补充剂中的植物化学物质和掺假物含量方面的应用，重点介绍了光谱预处理和变量选择对红外光谱定量分析的影响。Liu等综述了基于现代分析技术和化学计量学方法的中药欺诈检测，包括目标分析、非目标分析和非目标分析与目标分析相结合三种方式，涉及假冒伪劣产品、添加劣质材料掺假、使用西药掺假以及添加异物掺假等欺诈行为。4.3.2化学药振动光谱单独使用或与其他分析方法联用, 在研究不同晶型之间的转换、晶态和无定形之间的转换、水合物和无水晶型之间的转换, 以及药物共晶/盐的形成方面发挥着重要作用。彭浡等综述了振动光谱在药物晶型表征中的应用研究进展，认为化学计量学方法和量子化学计算将成为研究药物晶型、辅料、成分与药效关系的强有力分析工具。Bawuah等综述了太赫兹时域谱用于分析有机小分子晶体、非晶药物产品以及生物制药固体制剂的最新进展，重点强调了太赫兹谱在非破坏性监测片剂的孔隙率和多孔微结构的应用优势。Patil等综述了太赫兹谱在药物分析中的应用，包括蛋白质分析、结晶度研究、评估片剂薄膜和涂层、药物老化变化、非法药物检测等。Gao等论述了拉曼光谱结合人工智能在促进药物制剂开发方面的潜力，提出应协同应用人工智能方法和拉曼技术，通过高质量地收集大量化学丰富的拉曼数据集，建立配方数据库，并将配方开发与临床试验联系起来，最终获得高质量的最终产品，以实现更高效的药物开发过程。Song等总结了傅里叶变换红外（FTIR）光谱在药物制剂领域中应用的最新进展，认为衰减全反射FTIR成像、纳米FTIR与化学计量学的结合将在药物表征，药物质量控制和生物样品检测方面显示出巨大潜力。Usman等综述了小型化和便携式近红外（NIR）、傅里叶变换红外（FT-IR）和拉曼光谱仪在过去和现在的药品检验和控制中的应用，比较了各种光谱技术的优缺点。Diehl等讨论了非传统核磁共振波谱结合化学计量学方法在药物定性定量质量评估中的研究进展，强调了模型传递和自动建模的重要性。Bunaciu等综述了2015-2020年期间近红外光谱和中红外光谱结合化学计量学方法在掺假药物、化学药物和草药产品中的研究进展，并指出在一些情况下光谱结合一些化学分离方法是快速鉴别药物的有效手段。Bakker等介绍了2015-2020年科研人员在检测假药方面的进展和挑战，指出光谱（如光学显微镜、X射线荧光、红外光谱和拉曼光谱）与多变量数据分析的结合在检测假冒药品方面具有良好的效果，并提出对人员进行技术培训和建立光谱数据库是实施这类技术的关键。4.3.3 PAThttps://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141143589126_3796_3389662_3.jpg!w554x274.jpg 图 22 制药领域 PAT 技术路线Figure 22 Technology roadmap of PAT for pharmaceutical industriesPAT 技术为制造过程提供连续监测与质量控制工具，是先进制药技术框架中的必要技术，能够在药品开发、商业化生产以及上市后产品管理的全生命周期中发挥出提升质量、提高效率、降低风险的作用。熊皓舒等提炼了PAT技术在中药产品全生命周期的持续应用并改进了方法学，对过程认知、过程检测、过程建模、过程控制、持续改进这5个关键步骤的技术手段和最新研究进展进行介绍（图22），为中药制药企业在先进制造、智能制造、连续制造框架中开发和应用PAT技术提供参考借鉴。Casian等系统论述了在制药行业PAT中实施数据融合的挑战和机遇（图23），强调必须将高效的数据管理解决方案集成到生产线中，以实现快速决策所需的实时数据处理，并提出在医药4.0工业中，数据融合将占据高效实施的关键地位。谢升谷等综述了制药行业中的PAT相关法规和指导原则发展进程以及常用的PAT工具和相关应用进展，认为将来随着药品监管系统与法规对QbD/PAT的逐渐认可，PAT将会成为药品生产过程智能化监测的必然方法。 https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141144050715_2603_3389662_3.jpg!w554x369.jpg 图23 药品质量管理PAT指南时间发展图邹文博等探讨了过程分析技术在实施连续制造工艺中的模型分类与风险考虑，先进控制策略、当今监管法规关注重点和可能面临的施行挑战，并介绍欧美制药企业基于连续制造的上市新药审批结果与PAT应用项目。张大玮等介绍了用于流化床制粒的过程检测技术以及数据分析方法，并指出在实际应用中需要根据制粒过程所需检测及控制的理化参数，对照过程分析技术各自的优缺点，来选择合适的过程分析技术。吴思俊等对衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术、拉曼光谱技术、近红外光谱技术、聚光束反射测量技术等多种过程分析技术在结晶过程中的应用进行综述，涉及了结晶过程监测、多晶型研究、晶型转化方面的应用。Wasalathanthri等综述了在生物工艺开发中实施的PAT技术，包括振动光谱、多元数据分析、多属性色谱、质谱、传感器和自动取样技术，并提出了在利用数据自动化、数据可视化和数据智能等方面的见解，他们认为结合企业级可视化平台实施实时分析会促进下一代工业4.0制造计划的实现。Mandenius的评述为生物加工过程监控系统的设计提出了一种概念性和面向用户的方法，讨论了为理解新兴生物过程之间的关键相互作用、其生物分子复杂性和对用户友好分析工具的需求而提出的具有挑战性的分析要求，并从用户的角度强调了复杂生物工业介质中的分析、敏感性和选择性问题。Rathore等介绍了在开发和实施用于连续生物制药过程的鲁棒性和适应性自动化控制系统时所面临的挑战，并提出了包括实施PAT在内的潜在的解决方案。Esmonde-White等系统论述了拉曼光谱作为PAT手段在生物制药从开发到制造整个生命周期中的应用进展。Lin等概述了拉曼光谱在生物技术加工中的最新应用进展，论述了拉曼光谱作为PAT工具在生物分离和纯化过程中的价值，以及存在的技术局限性。Rolinger等概述了光谱方法作为PAT工具在生物制药下游加工中的最新创新和应用，阐述了多种传感器组合在该领域的发展应用及其相关的数据融合建模策略。4.4生物医学4.4.1概述Be?等的两篇综述分门别类地介绍了近红外光谱、中红外光谱在生物样本分析中的应用，包括医学诊断、生物物理过程监测以及生物分子的物理化学性质和动力学研究等，系统比较了近红外光谱、中红外、拉曼光谱的特点，指出了相关技术的发展方向。Magalh?es等介绍了FTIR光谱在生物医学（细胞、组织或生物流体）研究中的应用，论述了样品制备、光谱采集和化学计量学方法的重要性，并强调了建立生物样本红外光谱数据的重要性。Mayerh?fer等讨论了量子级联激光器、超连续谱源、波导等红外光谱光学组件的研究进展，以及它们如何潜在地改变护理点应用，并通过所选的实例证明并展示了红外光谱正在成为即时检测（Point-of-Care）不可或缺的技术。为提高人体血液等复杂溶液成分光谱定量分析的准确度，国内外学者提出了许多基于化学计量学方法的相关方法。韩广等从光谱预处理、变量优化和建模分析三方面，以传统的化学计量学方法出发，总结和分析了这些方法在人体血液等近红外光谱定量分析中的应用和各自的特点，认为在未来针对人体血液等复杂溶液成分的研究中，降低背景干扰和样本差异带来的测量误差，增强有效信号的灵敏度和提高预测模型的准确性是需要解决的几个关键问题。曾琦等从常见生物液体样本检验中的应用，检测过程中样本常用的收集及预处理方法，和拉曼光谱数据的处理与分析方法等方面，对拉曼光谱技术在医学检验领域中的应用进行了较为系统的综述，探讨了临床转化需要克服的问题及发展前景。DePaoli等论述了旨在构建适合神经外科环境的拉曼光谱系统的研究进展，指出拉曼光谱技术的临床转化需要医生、仪器工程师和数据科学家之间的密切合作。Tanwar等综述了拉曼光谱在临床和生物医学的应用进展以及技术进步，讨论了拉曼光谱从光学工作台到临床环境的转换受到的相关限制，同时提出了解决上述限制有价值的一些见解。Rangan等论述了细胞治疗产品从实验室转移到临床时的一些突出挑战，并提出了基于拉曼光谱应对这些挑战的解决方案。Markina等综述了表面增强拉曼光谱（SERS）应用于人体体液（血液、尿液和唾液）中药物和麻醉剂测定的能力和局限性。Chakraborty等从细胞代谢物、外泌体、循环肿瘤细胞、细胞外液和癌细胞等方面，对基于SERS的癌症检测和分期的各种策略进行了概述，强调了SERS光谱数据库和高效分类算法的开发，以获得临床标准所需的再现性的重要性。Tahir等综述了SERS在生物分析和诊断中的应用现状，强调了光谱数据的智能分析有助于提高该技术的速度和识别能力，以及建立常见和临床相关病原体SERS数据库的重要性。Panikar等重点论述了用于诊断或个性化治疗时显示出可靠性的SERS底物的最新发展，并讨论了SERS在复杂临床样本中的应用前景。Gong等从氨基酸、多肽、DNA、蛋白质、癌症检测等五个方面综述了太赫兹与化学计量方法结合在生物医学领域的应用，讨论了太赫兹技术在生物医学应用中的缺陷，以及需要进一步研究的工作。Park等总结了机器学习与太赫兹成像和时域光谱在临床和商业等领域的应用进展，提出通过数据增强获取大型训练数据集以及提高THz信号质量是未来需要进一步研究的工作。陈小婉等对太赫兹技术在生物医学方面的应用进行了综述，涉及氨基酸和多肽、DNA、蛋白质、癌症的检测和龋齿诊断等5个方面的应用，讨论了THz技术的不足以及需要进一步研究的方向。张琨等综述了2015年以来LIBS技术在疾病诊断方面的相关研究，包括几种常见疾病（结石、脱发、眼病等）和恶性肿瘤，研究的样品涵盖块状组织、结石、组织切片、血清、血浆、全血等生物材料，指出LIBS成像与其他成像方式（例如拉曼光谱、激光诱导的荧光光谱、光学显微镜等）结合使用，有助于通过光谱学、解剖学和病理学相结合的多模式方法收集临床样本的诊断信息。4.4.2微生物检测https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141144129679_2808_3389662_3.jpg!w515x280.jpg 图24 常用的拉曼光谱波段和化学计量学方法热度图 细菌病原体的快速鉴定和抗生素耐药性分析可以极大地促进传染病的精确治疗策略。Rumaling等综述了检测感染样本中病毒的光谱方法，包括紫外（UV）、红外（IR）、拉曼光谱和荧光光谱，并比较了各种光谱方法的优缺点。Wang等总结了拉曼光谱无标记检测和无创鉴定细菌感染和抗生素耐药性的最新研究（图24），指出缺少完善的细菌病原体拉曼光谱的标准数据库以及样品制备的标准规程等是当前阻碍其实际应用的主要挑战。Senger等综述了拉曼光谱和化学计量学用于表征生物样品的表型，包括微生物种类和组织鉴定、等基因细胞/组织表型变化和生物流体表征方面的应用，并对未来的实用性研究提出了观点。Pezzotti等基于454篇文献系统阐述了拉曼光谱及其成像技术在细胞生物学和微生物学中的应用，论述了拉曼分析与机器学习方法结合在生物物理学研究中的重要作用。邱训等对SERS用于致病菌检测进行了总结和展望，认为未来的研究需要进一步完善基底的设计，建立标准的拉曼光谱分析库，以及提升化学计量学统计分析的准确度。廖文龙等结合SERS和Raman技术在病原菌快检领域的研究现状，综述了两类方法各自的优势和局限性，并对其在病原菌快速检测领域的发展趋势进行了展望4.4.3疾病诊断光谱技术越来越多地应用于医学诊断领域。免疫疾病是一种复杂的疾病，常常表现出跨多个分子途径的相互作用，导致诊断延迟。Callery等综述了振动光谱和多变量分析技术在临床免疫学中的潜在应用，讨论了这些新技术提供的潜在益处，包括增强分子过程的定义及其在疾病诊断、监测和治疗反应中的应用。Naseer等从已发表的研究中收集了唾液、血液和尿液的红外光谱特征，并综述了ATR-FTIR光谱结合化学计量学方法用于疾病诊断的研究进展。Ralbovsky等概述了利用多种拉曼光谱实验技术结合机器学习分析来改进多种疾病的筛查和诊断措施，包括癌症、病毒和细菌感染、神经变性和自身免疫性疾病等，作者指出尽管在将该方法引入临床环境之前仍有改进工作和障碍需要克服，但拉曼光谱与化学计量学相结合，成为一种通用的医学筛查和诊断方法，具有巨大的潜力和前景。Wang等综述了LIBS在人体、动物软组织分类和鉴定中的应用，包括病理诊断和生理检测，重点介绍了样品制备和数据处理方法，并展望了在癌症诊断和激光手术中具有的潜在应用。代谢综合征（MetS）被定义为一组代谢紊乱症状，包括中心性肥胖、血脂异常、动脉高血压和高血糖。Donjuán-Loredo等讨论了拉曼光谱在代谢综合征中的潜在应用，包括早期诊断、监测疾病演变和治疗反应评估等，强调了光谱采集的标准化和多学科交叉合作的重要性。Ralbovsky等综述了使用红外或拉曼光谱早期快速诊断糖尿病的方法，认为振动光谱有可能改善和彻底改变糖尿病的诊断方式，从而可以更快、更有效地治疗这种疾病。Yu等介绍了近红外（NIR）、红外（IR）和拉曼光谱在骨关节炎（OA）早期诊断中的应用和研究进展，讨论了这些技术的局限性和发展方向。马丹英等综述了不同拉曼测量模式（即宏观拉曼、显微拉曼、光纤拉曼）在关节软骨和骨关节炎研究中的进展，提出光纤探针整体体积小、高度灵活，更加适用于生物在体拉曼检测，开发新的内窥光纤拉曼探针，对于推进关节软骨和骨关节炎的诊断研究有着重要意义。Rehman等介绍了振动光谱学与数据挖掘和机器学习相结合在癌症早期诊断和监测疾病进展中的应用，指出该技术在癌症诊断、分期和设计治疗方面具有巨大的潜力。傅里叶变换红外光谱由于其能够阐明复杂生物系统中生物化学含量和分子水平结构变化的定性和定量信息，在癌症研究中受到越来越多的关注。Wang等综述了红外光谱技术在口腔癌研究和检测中的应用进展。Lilo等概述了傅里叶变换红外和拉曼光谱在脑癌及其亚型诊断中的研究进展，归纳了与脑癌相关的红外和拉曼光谱特征谱带，以及用于脑癌诊断的机器学习方法。Zajnulina等综述了人工智能和光谱方法在癌症诊断中的进展，指出基于光谱的组织成像和分析方法对支持医生的决策非常重要。Lazaro-Pacheco等综述了拉曼光谱在乳腺癌诊断和监测方面的研究进展，归纳了与正常和癌性乳腺组织相关的特征拉曼谱峰，强调了化学计量学方法在疾病诊断中的重要性。Guerrini等讨论了SERS在外泌体分析中的各种应用现状，包括早期癌症诊断、预后和治疗监测。光谱学方法允许低侵入性、快速、无标记（即不向患者施用化学试剂）的组织类型成像和分析，可以在术前、术中和术后进行。Shin等从SERS底物和信号分析策略方面总结了利用无标记表面增强拉曼光谱鉴定细胞外囊泡的研究，强调了机器学习方法发挥的重要作用。4.5环境水资源与人类的生产力和生活密切相关。由于水资源环境的恶化，准确、快速地确定主要水质参数已成为当前的研究热点。Chen等综述了紫外可见光谱、荧光光谱、红外光谱和拉曼光谱等分子光谱技术用于表征、测量和监测天然有机质（NOM）的最新进展，探讨了目前这些光谱方法的局限性及其解决办法。Shi等综述了在线紫外-可见光谱在饮用水水质监测和过程控制中的应用（图25），测量参数包括包括254 nm（UV254）的吸光度、颜色、溶解有机碳（DOC）、总有机碳（TOC）、浊度和硝酸盐，还讨论了异常检测和早期预警在饮用水水源或配水系统的水质监测中的应用。Li等综述了荧光激发发射矩阵光谱表征饮用水处理（主要是混凝、吸附、膜过滤和消毒）中溶解有机物的新进展。Rajendran等综述了多种分析手段结合化学计量学在多组分系统水污染物精确评估和污染物降解过程优化中的各种应用。Guo等介绍了紫外-可见光谱结合化学计量学在水环境中污染物的定性和定量分析进展，包括化学需氧量、重金属离子、硝酸盐氮和溶解有机碳等。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141144198247_1677_3389662_3.jpg!w554x283.jpg 图25在线UV-Vis传感器在实时水质监测和过程控制中的应用Applications of online UV-Vis sensors for real-time water quality monitoring and process control.吴海龙等综述了高阶仪器多维校正理论及其在环境分析化学中的应用研究进展，重点阐述高阶仪器数据的产生、高阶仪器数据的定量解析方法以及在复杂环境基质定量分析中的最新应用实例。Zacharioudaki等综述了三维荧光光谱（EEM）和激光诱导荧光（LIF）的基本原理及其在环境质量评估中的进展。Duarte等讨论了水溶性有机气溶胶的多维分析表征技术（激发发射荧光光谱、高分辨率质谱和二维核磁共振（NMR）光谱及其与色谱系统的结合）的挑战和新前景。Escandar等则重点综述了用于定量分析影响环境样品中多环芳烃的多维校正方法及其优缺点。Yu等综述了在膜生物反应器（MBR）废水处理研究中应用EEM表征溶解有机物（DOM）的最新进展，系统地介绍了从EEM中提取的信息，以及如何使用这些信息来解释化学成分、理化性质、生物活性、膜保留/污染行为、DOM的迁移/转换过程等。王靖霖等综述了指纹图谱（三维荧光光谱）与人工智能结合而形成的水污染在线监测-预警-溯源技术体系的构建过程与其在水污染分析检测和溯源领域的研究应用进展，并对现有技术方法的优缺点进行比较和分析。Sciscenko等则重点综述了EEM结合PARAFAC方法在水处理中的经典和新兴应用。Chapman等综述了化学计量学和各种传感器之间的融合及其在在环境检测中新应用，作者强调化学计量学增强了环境监测的能力，这将有助于提高政府和研究机构制定环境政策和分析程序的能力。Chen等综述了FTIR光谱在微塑料鉴定和定量分析中的研究进展，指出结合机器学习光谱自动评估算法可提高微塑料识别和量化的效率及鲁棒性。Zhang等综述了2010-2019年LIBS技术在环境监测领域的研究进展，主要包括基础研究（样品制备、信号增强和化学计量学方法）和应用进展（土壤、水和大气监测）。Gon?alves等归纳了LIBS在分析相关固体、液体和气体环境系统及其污染物（包括土壤、岩石、沙子、沉积物、电子废物、水、垃圾填埋场浸出物、润滑油和气溶胶）方面的最新应用，重点讨论了LIBS作为环境科学中一种有前途的分析工具，在现场应用具有的潜力和多功能性。4.6刑侦与考古Sauzier等综述了化学计量学在各种法医学科中的实用性的研究进展，讨论了该技术在法医应用中的挑战和发展新趋势。赵玉霞等综述了化学计量学结合多种分析技术在法庭科学物证（毒物毒品、微量物证、生物物证、文件检验、痕迹物证）分析中的应用，多种分析技术与多元数据分析方法的相互融合显著提高了物证价值，同时化学计量学方法的引入有助于物证人员建立新的物证评价体系。Amin等总结了近10年来振动光谱技术在法医指纹分析方面取得的进展，指出了当前技术的局限性，并讨论了克服这些局限性的方法，以满足现代法医学的要求。血迹老化产生多种与犯罪相关的重要信息，在犯罪现场重建中极为有效。Das等详尽地综述了用于血迹年龄估计的振动光谱技术及其局限性和未来前景，汇总了与血迹老化相关的红外和拉曼光谱特征峰，强调了化学计量学在整个血迹年龄估计过程中发挥着至关重要的作用。孙威等综述了高光谱成像技术作为血迹检测手段在潜在血迹显现、血迹组分分析、血迹分类识别和血迹陈旧度预测中的应用现状，指出高光谱图像解混方法的深入研究以及构建完备的高光谱数据库，是支撑对各种生物物证的检验鉴定的关键。Yadav等综述了红外和拉曼光谱在纵火残留物法医学（火灾碎片和助燃剂）研究中的进展，归纳了常见聚合物的光谱特征归属峰，论述了振动光谱在法医学纵火调查的局限性和未来前景。Gorziza等综述了多种分析手段结合化学计量学方法在鉴别可疑文件中的研究进展，包括钢笔墨水、印刷文档、纸张和钞票等。Jehli?ka等系统概述了便携式拉曼光谱仪的发展现状，主要介绍了其在地球科学、行星研究（外生物学）和文化遗产三大领域的巨大应用潜力。阎春生等全面论述了古代纸质文物包括纸张原料、墨、印泥和颜料等所涉及的各种现代科技检测技术与方法，主要分为成像法和波谱法两大类，强调了只有各种技术综合应用、各取所长、相互印证才能对所研究的文物全面了解和准确鉴定。杨海亮等结合无损检测技术在纺织品文物的科学认知、修复保护、无损分析和本体安全无损检测中的应用特点，系统探讨了现阶段无损检测技术在纺织品文物保护方面的优势与不足。陈冬梅等综述了红外光谱，拉曼光谱，紫外-可见和荧光光谱、核磁共振等光谱技术在文物绘画用胶结材料分析中的应用，总结了目前胶结材料分析的难点，指出光谱技术和化学计量学结合，可更好地对胶结材料进行研究。4.7能源、矿石与冶金Moro等对1H和13C NMR、NIR和MIR结合化学计量学方法在原油性质表征中的应用进行了概述。Iplik等给出了红外、近红外、紫外和拉曼光谱方法用于表征加氢裂化工艺的进料或产物流的沸点曲线、API、SARA、硫、氮和金属含量的实例，提出了模型、软传感器、优化、控制和诊断之间所需的链接，以实现自动化目标，从而实现装置的可持续运营。章学仕等重点介绍了近红外光谱法、拉曼光谱法、紫外光谱法、荧光光谱法和太赫兹时域光谱法等5种典型易燃液体光谱检测技术的发展历程和应用现状，归纳了各种技术的优缺点，并指出了需要进一步研究的技术问题。Joel等综述了鉴别石油燃料和生物柴油掺假的光谱和色谱方法，论述了各种分析技术的优缺点。塑料的大量消费和不当处理对环境和人类构成了巨大威胁，可通过塑料废物的再利用来解决这一问题。在塑料循环经济中，回收过程的塑料分拣是关键技术之一。基于无损光谱结合化学计量学方法的自动化在线分析系统显示出巨大实际应用潜力，它能通过改进分拣过程来帮助提高废塑料的回收率和利用率。Neo等综述了NIR、MIR、Raman、Libs等无损光谱在塑料分拣中的研究和应用进展，他们认为采用多光谱融合方法有利于进一步调高识别准确率，此外，还需要开发开源的塑料废物光谱标准化数据库，这将有助于该技术的广泛应用。Zeng等则介绍了使用LIBS进行塑料研究的发展和前景，归纳了常见塑料种类的物化特性，强调了LIBS在塑料回收方面的固有优势。此外，还讨论了LIBS硬件组件和化学计量学方法的选择。Adarsh等综述了红外光谱、激光诱导击穿光谱、激光诱导荧光光谱和拉曼光谱用于塑料分选的应用现状，并讨论了它们在塑料工业分选、后处理和质量控制应用中的相对优势和劣势。微藻是燃料和其他化学品的潜在来源，为了有效地操作微藻养殖，通过基于过程变量监测的过程控制，实现微藻生命信息的实时在线检测是光谱技术应用于微藻产业的新挑战。Liu等回顾光谱（包括可见和近红外光谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和荧光光谱）结合化学计量学方法在藻类研究中的最新应用，特别是在测定微藻生命信息（如脂质含量、色素含量、蛋白质含量和生物量含量）以及藻类物种鉴定方面的应用，讨论了这些技术的优缺点，并对这些技术未来发展趋势做了归纳。Havlik等综述了适合在线和现场实施的监测微藻养殖过程中生物参数的技术，这些参数包括细胞浓度、叶绿素含量、辐照度、脂质和色素浓度等。Sá等重点总结了荧光光谱监测微藻生产多个参数（细胞浓度、色素和脂质）的现状，讨论了该技术进行工业应用所需的改进。https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211141144269511_5133_3389662_3.jpg!w456x276.jpg 图26 光谱结合化学计量学方法用于在线检测核燃料废物示意图Tse等讨论了光谱（UV-Vis、MIR和Raman）结合化学计量学方法在线监测用过的核燃料（UNF）后处理溶液和汉福德遗留核废物（LNW）的特性（图26），该技术可以实时准确地量化稀土、锕系元素、酸和多氧阴离子的浓度，以及准确跟踪锕系元素的形态。激光诱导击穿光谱技术（LIBS）具有高速、制备量小或无需制备、破坏性小等独特优势，是一种很有前途的现场和在线分析技术。近年来，LIBS已被用于实时分析工业中的煤炭，包括煤炭开采、发电厂、钢铁、煤化工加工等。Liu等综述了LIBS煤光谱采集仪器、煤样预处理方法、煤数据预处理以及煤的具体分析应用，对其存在的局限性和潜在的发展趋势也进行了评述。Fabre综述了LIBS在地质领域的应用进展，包括岩石/矿物来源和识别、资源应用、稀土元素和轻元素定量分析等，指出LIBS成像将是地球科学未来重大进步的技术源泉。矿物高光谱解混对矿产勘查、矿物含量定量反演和野外地质填图等提供了可行的鉴定方法，朱玲等总结了各算法的解混效果和适用性，并针对各解混算法的特点和研究现状，指出未来矿物高光谱解混的研究方向，他们认为对于基于数据驱动的解混方法，建立大量优质的标签数据库、深入地挖掘神经网络内部的物理含义、在端元数目未知情况下训练深度神经网络等是未来应用深度学习进行矿物解混的重要研究方向。刘艳丽对激光诱导击穿光谱用于钢渣分析的国内外研究现状、系统参数优化、光谱数据预处理、定量分析方法、钢渣的分类和识别等5个方面进行了综述，指出“在线－实时－数字化”是LIBS技术在钢铁行业的发展方向。5 结束语通过对近三年（2020-2022）光谱结合化学计量学为主题的综述论文进行归纳和研析，可以总结出如下研究现状和前沿研究热点：（1）对于光谱分析中的化学计量学研究和应用方面，深度学习是当之无愧的热点和焦点。与传统机器学习方法相比，深度学习方法可以提取蕴藏在光谱数据中的微观特征和宏观特征，在一定程度上可以降低建模前对光谱的预处理和变量选取工作，减少建模的工作量，尤其适用于大数据集的定性和定量分析。深度学习中的迁移学习、强化学习和多任务学习等还有望为模型建立和模型传递提供新策略和新方法，在一定程度上解决定量和定性模型适用性和通用性的问题。（2）在光谱仪硬件方面，微型光谱仪的研制是重要的发展方向，具有广阔的应用前景。随着光源、检测器、芯片集成和计算机科学的发展，高性能、低成本的微型光谱仪应用将成为趋势。结合消费品的光谱数据库，出现在智能手机、智能手环、智能眼镜等电子设备上的消费级微型光谱仪将成为万物互联传感器网络中的重要一环；芯片式高光谱相机的出现将为智慧农业、地质勘探、肿瘤诊断等领域带来新变革。（3）在众多的现代光谱分析中，目前研究和应用最广泛的仍旧是近红外光谱，主要原因是对各种状态的物质测试方便，仪器更坚固皮实，也更适合环境复杂的工业在线分析。LIBS是发展最快速的光谱技术，在复杂混合物（如土壤、矿石、煤、生物组织等）的元素分析方面具有独特优势。太赫兹光谱及其成像技术在农业和医学中的应用研究的热度在逐年升高，三维荧光光谱结合多维校正算法在环境检测中的关注度也依旧活跃。（4）在光谱实验技术方面，表面增强拉曼光谱（SERS）与化学计量学的结合是最受关注的，一方面随着材料学的发展，研制灵敏度高、重复性好、性能稳定、成本低的SERS基底的速度越来越快，另一方面随着人们对食品安全和医疗诊断的日益关切，作为一种对化学物质具有指纹特征的无损和灵敏的检测工具，SERS的应用面也将越来越广。（5）多光谱融合技术是另一个显著的研究热点，不仅体现在光谱仪硬件的组合集成上，也体现在多数据融合算法和策略的研究上，LIBS原子光谱、拉曼或近红外分子光谱、以及物理图像之间的融合，可获取更多、更丰富、更全面的物质信息，与先进的多数据融合方法相结合，能进一步提高定性和定量分析结果的稳定性和准确性。（6）随着现代光谱技术的深入应用，光谱采集的实验规程和模型建立流程的规范等相关的标准、通则和指南也越来越受到重视，这是推动该项技术广泛应用的关键环节，对以法律和监管为目的的应用尤为重要，如环境、刑侦等领域。而且，实验规程的标准化和光谱数据库的共享有助于不同实验室研究结果的比较，这将在很大程度上有助于这项技术的进步，尤其是对各类化学计量学算法的可比性提供了基础。（7）在应用领域，农业、食品、药品和临床医学依旧是研究热点，而且已逐渐聚焦到更细分的应用对象，在食品品质检测和掺假鉴定等方面的应用研究尤其突出。在环境和临床诊断的应用研究热度也从未停止过，但在这些领域实现较大规模的实际应用尚需时日。另外，需要特别指出的是，在制药领域，随着智能制造、连续制造应用的日益广泛，PAT的研究和应用也愈发受到关注，各国监管机构也都鼓励制药企业在生产过程中采用PAT。尽管现代光谱分析技术已广泛应用于农业、食品、药品和石油化工等领域，且发展前景也很广阔，但仍有一些技术壁垒和难题需要攻克。基于已发表的300多篇综述论文，凝练出以下几个主要方面：（1）深度学习算法致力于解决复杂建模任务，自然受到了分析化学学科的关注，但该算法在光谱分析中的应用研究刚刚开始，还有诸如网络规模、超参数的优化选择、过拟合、模型的可解释性等问题仍值得进一步研究。此外，随着光谱数据库中有效样本数的指数式增加，在现有机器学习和深度学习算法的基础上，对定量和定性建模策略的研究和应用也将会变得越来越重要。（2）针对特定应用对象的化学计量学建模规范需要进一步完善，与之配套的用户友好界面（例如交互式数据可视化）的商品化软件也需要开发和升级，目前基于Matlab、Python和R语言的化学计量学工具箱远远不能满足普通用户的需要。（3）微型光谱仪和光谱成像仪的性能指标尚待进步提高，包括波长范围、分辨率、信噪比和仪器的稳定性、一致性等。此外，芯片式仪器的成本也相对较高，限制了该技术的广泛应用，尤其是用于消费电子品市场的需要二次开发的专用光谱仪。而且，小型化的多光谱融合光谱仪器硬件以及与多块数据算法的组合也应一并考虑。（4）目前在很多领域的应用研究不够深入，尤其是消费品的模型开发主要处于实验室理想条件下的探索阶段，很多研究零零散散，缺乏一致性和可比性，例如食用油掺假、肉制品掺假等识别模型。为满足应用于商品市场和消费市场，建议由行业协会等组织机能统一协调，制订更全面、更深入的研究方案和工作计划，系统考察各种变化因素对识别和定量准确性的影响。（5）在商品化、标准通用化的光谱数据库开发方面，应集中行业科研院所、大型应用企业和仪器制造商等多方面的力量，根据不同应用行业的特点，以市场需求为导向，开发技术细节严格的、商业化、权威性的谱学数据库，并纳入官方的法规，例如用于疾病的快速诊断与监控、环境监测尤其是污染源判别与治理过程控制、中药现代化生产、食品安全与品质的快速检验，石化及其他工业流程等。同时形成谱学数据库定期升级维护的工作机制，保证数据库的持续更新，不断提高模型数据库的适用范围和利用效率。（6）在企业界和工业界实施现代光谱分析技术，需要多领域专家更密切的配合，例如只有工艺工程师、分析化验师、光谱学家、化学计量学家或统计学家、控制工程师等相关人员密切配合，才能将过程分析与过程控制相结合，以闭合“过程、监控和控制”回路，从而通过实时和连续的过程自动化实现设计质量目标。此外，校正模型的开发、评估和维护需要专业技术人员，需要加大专业培训力度，而且有必要将教育前移到研究生和大学生的培养上，即光谱结合化学计量学的分析模式应进入大学和研究生的教材，这也是未来在更多实验室、学术和工业中接受并发展该技术的关键点之一。纵观近几年现代光谱分析技术的前沿研究和应用热点，不难看出，其发展趋势总体是变得“更快、更高、更强”。“更快”的内涵包括测量速度和分析速度更快、同时获取多种光谱信息更便捷更快、新技术新产品推陈出新更快等等，“更高”的内涵包括分析更高效、光谱仪器的性能指标更高、可以获取样本更高更深层的光谱信息、整体的分析解决方案更高湛等等，“更强”的内涵包括仪器越来越小，但功能越来越强、实用性更强、灵活性更强、适应性更强，诸如此类。现代过程分析技术也将会越来越与数字地球、智慧农业、智能工厂、精准医疗、深空探测、碧水蓝天、炫彩生活等时代主题相融合，在与众多学科交叉交融中得到快速发展。 致谢：感谢北京工商大学吴静珠教授、山东大学李连副教授、海南大学云永欢副教授在这篇论文写作过程中给予的帮助。 参考文献 Be? 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