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日本科学家将近红外技术用于检测血液脂肪浓度

行业聚焦点中国仪表网2014年10月28日 09:30人气:4797

  【中国仪表网 行业聚焦点】中性脂肪即甘油三酯,是高血压和心脏病的主要原因。近日,日本产业技术综合研究所宣布,该所开发出一种新装置,只需用近红外光照射指尖几秒钟,就能检测出血液里中性脂肪的浓度。


  研究人员注意到,波长介于可见光和红外线之间的近红外光具有不容易被人体吸收的性质,因此通过向手指尖端照射近红外光,然后分析透过手指的光,就能检测血液内中性脂肪的浓度。
  
  现有的近红外光测试装置灵敏度很低,为确保透过身体组织的光的强度,需要长时间照射,既不方便又有安全问题。新的分光装置能在更广范围内收集很微弱的光,其灵敏度达到以前水平的1000倍,从而能进行快速准确的检测。
  
  这种新装置只有约3公斤重,便于携带,将手指放在照射近红外光的光纤顶端,装置就会在显示器上显示出检测值。在利用试制的新装置对就餐前后血液中的中性脂肪进行检测时,研究人员发现就餐后人体血液中的中性脂肪开始升高,约4小时后达到峰值。研究人员通过将检测值分为5个阶段,来显示脂肪的摄取状况。
  
  近红外光谱(NIR)分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术,越来越引起国内外分析专家的注目,在分析化学领域被誉为分析“巨人”,它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。日本近红外技术发展早于我国,日本近红外技术的发展历程以及现状如何呢?日本近红外技术的发展过程对我国近红外技术的发展有何可借鉴的经验呢?中日两国在近红外领域可有哪些合作呢?
  
  日本近红外技术起源于美国
  
  说起日本近红外技术的起源,河野教授侃侃而谈:“上世纪80年代初期,日本近红外技术的开创者岩本睦夫在美国近红外鼻祖KarlNorris的实验室学习了一年,回国后开启了日本近红外技术的研究工作。岩本教授是日本食品综合研究所非破坏检测研究室(注:我国称无损研究室)的第一任主任,因此非破坏检测研究室也是日本近红外技术的发祥地。为了便于日本近红外技术的交流与传播,岩本教授于1985年创建了一个论坛——‘无损检测技术论坛’,此论坛每年召开一次,至今已召开了将近30届了。”岩本教授退休后,河野教授接替岩本教授成为无损检测研究室第二任主任,目前河野教授也已从此研究室退休,并有了新的接班人。
  
  近红外技术是一种二次检测技术,这决定了大多数情况下近红外技术不太适合作为国家标准来实施,因此目前近红外技术多用于企业内部的质量控制。首先采用近红外技术对原材料、生产中间品、产品等做检测,如果检测结果符合要求,再按照国家标准取样进行检测。在日本,近红外技术应用最广的领域也是工厂的内部质量控制。河野教授提到,日本某酱油厂采用近红外技术测定酱油的全氮、盐分、乙醇等指标来控制酱油的品质。
  
  “与美国近红外技术应用从农业领域到食品领域的发展路径基本相同,日本近红外技术的应用也是先从农业开始,后来发展到食品行业,现在逐步扩展到化工、纤维等领域,将来制药可能成为日本近红外应用发展的一个重要方向。”河野教授说。
  
  基础研究是日本近红外技术研究热点
  
  据河野教授介绍,与其他技术不同,近红外技术一开始就是一项应用型的技术,而随着近红外技术应用越来越广泛,很多研究者发现近红外技术的基础研究还很不足,因此有一些研究者开始对近红外技术进行基础研究。
  
  “我的前辈岩本教授现在开始研究水。农产品中大部分都是水,而且水对近红外吸收很强烈,因此水在近红外技术的基础研究中很重要。但是现在对水的了解还不是很清楚,因此很多近红外技术的基础研究者开始关注水在近红外技术中的作用”。
  
  还有一个问题是,现在很多近红外技术的研究是很好的,但是应用起来却很困难,主要原因在于精度不够,而精度不够的原因在于对精度的管理还没有形成一个系统。河野教授比喻说,就像我们的计算机有一个CPU,CPU有一个WINDOWS系统,WINDOWS系统就像一个大舞台,舞台上面搭建了office等很多的应用软件。而近红外技术的这个大舞台还没有搭建好,因此虽然可能已有很多实际应用,但有时候会显得薄弱,后续管理肯定会有些问题。总而言之,近红外技术的基础研究还不够扎实。
  
  近红外技术的挑战是无创检测和仪器小型化
  
  说起近红外技术目前最大的挑战,两位教授一致认为,医学上利用近红外技术进行无创检测是一个重要的课题。
  
  “近红外技术因其对人体伤害小而被认为是一项有优势的无创检测技术,尤其是对虚弱的个体如婴儿等和较敏感的人体部位如脑部等,如能应用近红外技术,则会大大提高医学检测的安全性”,韩教授说到。但目前,近红外技术在人体健康检测方面的研究还处于一个比较前期的状态,虽然研究者很多,有些研究者甚至已开展研究十几年了,但是还不能形成定论。
  
  “主要难点在于检测成分含量低,样品差异性大。以血糖检测为例,首先人体血糖含量很低,而检测方法都有自己的检测限,这就对近红外检测方法提出很高的要求;其次,人体差异性很大,如皮肤厚度不同等,导致模型比较难建立,而且针对某个人建立的模型,对其他人同样指标的检测就不适用。”河野教授解释说。
  
  近红外技术的另一大发展需求是仪器小型化。河野教授举例说,利用近红外仪器检测水果的成熟度在日本应用是比较广泛的,但是现在的便携式仪器还是稍嫌笨重,使用不方便。如仪器能小到仅有一支钢笔的体积,则将大大提高此类仪器使用的便捷性,可方便的检测果树上水果的成熟度。
  
  还有一个应用方向要求近红外仪器小型化。随着人们对自身了解需求的增加,一些小巧的科学仪器不断面市,进入人们的日常生活中。而皮肤老化原因的检测可能会受到大众的欢迎。皮肤老化主要是两个原因,一是皮肤的自然老化,一是紫外线对皮肤的伤害造成的皮肤老化。利用近红外技术可以判断皮肤老化是哪种原因造成的,而此类仪器要真正得到大众的接受,则需要近红外仪器足够小巧。
  
  专注于模型建立
  
  谈到自己的研究课题,河野教授说,“除了前面提到的人体血糖检测,我目前主要研究的课题还包括如何快速去除温度对近红外结果的影响和建立通用型的模型。”
  
  温度对近红外测量结果有很大影响,而一般的处理方式是将温度作为一个变量来建立模型。河野教授介绍说,目前其研究团队正寻找一种快速去除温度对近红外结果影响的方法,即通过找到对温度比较敏感的波段,在模型建立时将此波段去除,从而快速去除温度对近红外结果的影响。
  
  以水果为例,在近红外技术应用于水果检测时,一种水果需要一个模型,有时候同种水果的不同品种也需要不同的模型。有些水果的测量方式不同,如橘子一般用透射模式来测量,桃子一般用反射模式来测量,这样的水果很难建立通用型的模型。但是有些水果测量方式相同,如苹果、梨等都采用的是反射模式,如果能建立通用型的模型,则近红外技术应用将更加方便。目前,河野教授也正在致力于这方面的研究。
  
  中国成为近红外仪器厂商布局亚洲的中心
  
  提到近红外技术在亚洲的发展情况,河野教授说“中国将是世界近红外生产厂商未来业务布局的中心”。在亚洲地区,近红外技术发展较好的国家有日本、中国、韩国、泰国四国,有定期技术交流的是日本(每年一次技术交流会)、中国(两年一次技术交流会),而且亚洲近红外技术大会是在中国、韩国、日本、泰国轮流召开。近红外处于发展期,对仪器需求较大的国家有中国、泰国、马来西亚、菲律宾等。因此“各个近红外厂家综合考虑技术发展和技术需求,在亚洲布局中均以中国为中心,然后开始向周边国家辐射。因此中国在亚洲近红外技术发展中占有重要位置”。
  
  研究小组准备推动医疗机构明年开始采用这种新装置,并准备继续开发面向家庭的相关产品。
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