張卓勇：七彩光譜信息的解碼者（下）
“七彩光譜 萬象更新”主題系列訪首都師范大學張卓勇教授
分析測試百科網訊 師從黃本立院士的張卓勇老師為我國的光譜發展奉獻了畢生精力，在他的科研生涯中還對我國的光譜分析發展做出了哪些貢獻？本文為您一一揭曉。
2004年張卓勇（左）在黃本立先生（中）家的合影
致力于化學計量學方法在光譜分析中的應用
張卓勇接下來介紹了自己在光譜分析方面的主要工作。除較早期做氫化物發生-ICP-AES外，后面的工作主要是運用化學計量學方法來解決光譜分析中的問題。
近年來，大數據的應用非常熱門，大數據的前提是有巨量的數據，技術關鍵是多變量的相關分析。張卓勇并沒有使用“大數據”這個詞匯，但是他所研究的方向無疑正是運用其關鍵技術：具有多變量分析特點的化學計量學，應用領域是光譜分析。
張卓勇表示：化學計量學方法具有多變量分析的特點，特別適合于多變量復雜體系的數據解析與分析模型建立，將化學計量學方法用于各種光譜測試實驗設計和光譜分析數據解釋是一個很有實際意義的研究方向。“具體來說，我的研究不側重在新算法，而是將一些其它領域已有的新方法，應用于光譜化學分析領域解決分析問題。當然這些方法在化學領域應用時往往需要進行算法改進、參數優化、多種方法的組合應用等，這是化學背景的人擅長的。”
10年來，張卓勇開發了眾多使用各種ANN（人工神經網絡）技術應用于光譜分析與分析化學的方法。除了常用的BP-ANN外，側重運用新的網絡方法并對實際應用效果評估，包括高木關也模糊系統（Takagi-Sugeno Fuzzy System）、雙向聯想記憶網絡（Bidirectional Associative Memory Networks）、多層感知器神經網絡（Multilayer Perceptron Neural Networks）、溫度限制串聯相關網絡（Temperature-Constrained Cascade Correlation Networks）、基于模糊規則的專家系統（Fuzzy Rule-building Expert System）、模糊優化聯想記憶器（Fuzzy Optimal Associative Memory）等。另外，還開展近紅外光譜特征變量選擇新方法開發與應用的工作，包括增強正交信號校正方法（Emphatic Orthogonal Signal Correction）、局部線性嵌入方法（Locally Linear Embedding）、高維映射數據分析方法（High Dimensional Data Analysis）等。
張卓勇舉例了一些研究課題：“2012年之前，我主要做近紅外光譜分析方面的研究工作，采用化學計量學方法與近紅外光譜等光譜技術相結合，解決的問題包括藥品質量控制、中藥材大黃的品質鑒定、癌組織分類鑒定、水果糖度測定及品質鑒定等。”
太赫茲光譜研究
2012年，作為國家重大科學儀器設備專項“基于飛秒激光的太赫茲時域光譜儀開發”中任務五的負責人，張卓勇開始進入太赫茲光譜研究領域，并負責項目中相關軟件和數據庫的開發、以及太赫茲光譜技術在多個領域的應用示范等工作。
太赫茲波段在電磁波譜中的位置
太赫茲波（Tera Hertz radiation）一般是指頻率范圍在0.1～10 THz（波長范圍30 um～3mm）間的電磁輻射波。太赫茲波譜段位于毫米波和紅外光之間。與傳統技術相比，THz技術具有極豐富的光譜信息、極短的脈沖寬度、極寬的光譜范圍、極低的光子能量和極特別的穿透性等特點，近年來受到科學界和工業界的高度重視，并逐步應用在科學研究、生物醫療和國防安全等領域。
太赫茲波的重要特性包括：
1）透視性：太赫茲輻射對很多電介質材料和非極性的液體有良好的穿透性，因此太赫茲波可以對不透明的物體進行透視成像。
2）安全性：太赫茲波的光子能量只有毫電子伏，僅為X射線光子能量的百萬分之一，因此一般不會對生物體造成損害，可以對生物活體進行無損檢測。
3）波譜分辨本領：太赫茲波段包含豐富的波譜信息，太赫茲波譜成像技術不但能辨別物體外形，還能鑒別物體的組成成分（X射線做不到）。生物有機分子的骨架振動、轉動光譜以及分子間弱的相互作用力(如氫鍵、范德華力等)能級處在太赫茲譜段范圍內。
2004年，美國政府將THz科技評為“改變未來世界的十大技術”之一，我國政府在2005年11月專門召開了“香山科技會議”制定了我國THz技術的發展規劃。首都師范大學在我國THz研究早、投入大，在毒品和炸藥太赫茲光譜、航天材料無損檢測、安全檢查等方面做出許多領先工作。首都師范研發的太赫茲光譜儀入選“2016中國黑科技百強”。
太赫茲光譜技術與其它光譜技術互相補充、互相配合，可以得到關于待分析物的更全面的信息。例如，常用的紅外光譜與太赫茲光譜的技術特點對比請見下表：
|
光譜或技術特點 |
紅外光譜（IR） |
太赫茲光譜（THz） |
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波長范圍 |
2.5~25 μm |
0.03 mm~30 mm |
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穿透性 |
弱 |
強 |
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分子振動模式 |
振動 |
振動-轉動 |
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實用范圍 |
小分子 |
生物大分子 |
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強度 |
有 |
有 |
|
相位信息 |
無 |
有 |
盡管太赫茲技術在國家安全、毒品檢測等方面得到了重視，但是太赫茲光譜技術在光譜分析檢測方面尚處于起步階段。面對分析檢測的要求，太赫茲光譜技術面臨的挑戰是：（1）進一步提高太赫茲光譜技術分析靈敏度；（2）太赫茲光譜的數據解析；（3）太赫茲光譜數據庫建設。
張卓勇團隊將多年來利用化學計量學方法應用于近紅外光譜分析的方法集成為一個太赫茲光譜數據解析系統，該系統功能齊全，操作簡便，基本可滿足太赫茲時域光譜解析的需要；他們根據太赫茲光譜分析的需要開發了多個太赫茲光譜數據庫系統。已經獲得5項太赫茲光譜技術相關發明ZL授權和8項與太赫茲光譜數據解析軟件和數據庫相關的軟件著作權登記。并將太赫茲與光譜技術應用于中藥材大黃、癌瘤組織鑒定診斷、糧食中農藥分析、農產品中氨基酸分析、化合物表征與譜峰解釋、砂樣的鑒定與來源追溯等，建立了多種利用太赫茲光譜技術解決多領域實際問題的方法，均取得了滿意的效果。這些工作將為太赫茲光譜技術的應用普及起到積極的示范和推動作用。
對我國光譜分析儀器現狀和發展的看法
張卓勇表示：“我從1982年讀研迄今，經歷了近40年中我國改革開放和社會經濟、科學技術、科學儀器等各個方面發展和進步的全過程。就我國分析儀器和光譜分析的發展來說，我國從20世紀70年代改革開放之后處處受到限制，到后來的跟蹤學習，再到后來的跟跑、并跑、領跑，我國的光譜分析水平和光譜儀器取得了舉世矚目的發展和成果。
早期實驗室使用最多的是比色法，如72型、721型分光光度計；后來從國外購買并接觸了各種光譜分析儀器；與此同時我國研制的光譜儀器逐漸占領了低端市場，并向中高端市場發展，個別儀器開始進入高端市場。我個人感覺，我國光譜分析儀器整體水平距離歐美等發達國家還有一定的差距，盡管近年我國在這個領域發展很快，但是目前還處于跟跑階段。
對于發展我國光譜儀器的發展，張卓勇提出了自己的看法：（1）提升我國光譜儀器的研發與制造水平不是一家或幾家企業能夠做到的，這不僅需要相關科技發展的助推，更需要一個自主創新、公平競爭的儀器制造文化氛圍。近年發生的中美貿易爭端暴露了我國制造業的軟肋。過度依賴國外進口高端儀器設備或關鍵部件是我國光譜儀器制造和廣大用戶需要亟待解決的問題。中國加入WTO后，中國市場就是世界市場的一部分，中國不可能再通過政府政策大范圍地通過限制進口產品來扶持國家民族企業，我們必須提高本身的研發與制造實力，提高在國際市場的競爭力，應當像華為那樣，強化自主知識產權技術的比重，在紛紜復雜的商業競爭中要有合作伙伴，也要有備胎；（2）近年來我國科技水平迅速提高，我國已經超過美國成為第一論文大國。我國的科技工作者在追蹤國際科技前沿和熱點問題方面已經達到了相當高的水平。我們應當進一步明確科研的目的是解決有意義的問題，而不只是發論文，發表論文僅是研究問題中的一個記錄和總結，并不是科研的目標。我們應當更注重國內經濟發展和生產中的實際問題，把解決實際需求和問題作為科研目的和宗旨，使光譜儀器和光譜技術更好地為國家建設和經濟服務。
近年來，國家科技部和國家自然科學基金委都設立了儀器開發專項，若干國內儀器制造商也加大了對高端科學儀器的研發投入，這些投入取得了很好的效果。高端科學儀器是一個國家綜合實力的體現，隨著我國綜合實力的提升，我國分析儀器一定會趕超國際先進水平。
對我國光譜制造企業而言，目前我國高端的科研實驗室和檢測機構的配備仍然主要是以進口儀器為主，這說明我國高端光譜儀器的研發與應用還有很大的提升空間，還有長的路要走。某些關鍵部件是高端光譜儀器的核心。對于大多數國內生產廠家來說，要有精益求精的工匠精神，腳踏實地，樹立國產光譜儀器的品牌，維護國產光譜儀器的聲譽，儀器指標可以逐漸改進和提高，首先要把儀器的可靠性和穩定性放在第一位。”
對《光譜學與光譜分析》期刊的祝愿
張卓勇多年來擔任《光譜學與光譜分析》期刊的編委和審稿人，談到對該期刊的期望，他說：“我國學術期刊得到國際同行的認可經歷了一個很緩慢的過程；國際同行對我國學術期刊的認可實際上就是對我國科研工作水平的認可。我讀博士時，被SCI收錄的我國化學相關期刊不超過10個；后來隨著我國科技水平的提高，逐漸得到了國際的認可，有更多的國內學術期刊被SCI收錄。《光譜學與光譜分析》是我國較早進入EI的期刊之一，后來進入了SCIE和SCI。這經過了許多光譜領域專家和同仁們的努力，也經過了多年的歷程。現在《光譜學與光譜分析》在化學類、物理類學術期刊中都占有重要的地位，是我們光譜分析工作者學術交流和成果發布的園地。我大約在1998年左右就開始擔任《光譜學與光譜分析》的編委，現在還在積極地為該刊投稿和審稿。我們有責任共同努力，繼承老一輩光譜學家的事業，把我國的光譜事業做好，把《光譜學與光譜分析》辦好。”
【采訪后記】張卓勇教授40年的光譜研究之路，反映了我國光譜發展的歷程的一個側影。從早期原子光譜多元素測定的探索，到研究計算機編程和化學計量學，再到近紅外、太赫茲等與化學計量學方法緊密結合的前沿應用。七彩光譜的各個波段都蘊含著無窮的物質組成、含量、結構的信息，在我國發展光譜儀器硬件的同時，也需要張卓勇教授這樣的光譜信息“解碼”者，讓光譜這項古老又年輕的無損檢測技術在各行各業發揮更強的威力。
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