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從1666年說起：近紅外光譜的前世今生

2019-04-15 13:40:23來源：儀器網(wǎng)關鍵詞：近紅外光譜閱讀量：4872

　　【儀器網(wǎng) 行業(yè)要聞】1666年，年輕的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉(xiāng)下老家度假。他在那里獨立完成了幾項足以載入科學史的工作，為數(shù)學、力學和光學三大學科打下了重要基礎。某一天，他從暗室窗上的小孔射進一束光線，在途中安放一面三棱鏡，將光線照射在白色墻壁上，發(fā)現(xiàn)了帶有赤、橙、黃、綠、青、藍、紫色的光帶。根據(jù)這個實驗，牛頓推斷太陽的白光是由七色光混合而成，并將這一現(xiàn)象命名為“光譜”。人類研究光譜的歷史，由此開始。

近紅外光譜

　　然而，在隨后漫長的140年間，牛頓的發(fā)現(xiàn)并未得到足夠的重視，未能有新的研究進展。直到邁入19世紀，歐洲才陸續(xù)出現(xiàn)一些科學家重新研究光譜，擁有更多新發(fā)現(xiàn)和新成果。也正是在1800年，一位英國天文學家William Herschel發(fā)現(xiàn)了近紅外光譜區(qū)。值得一提的是，后世以他名字命名的望遠鏡主要利用紅外光譜儀捕捉紅外光線。

　　這一發(fā)現(xiàn)過后，又再次度過將近140年的漫長時光。直到第二次世界大戰(zhàn)期間，科學家利用紅外技術分析石油和橡膠的品質，才開始推動紅外光譜分析技術的發(fā)展。臺紅外光譜儀也在20世紀30年代得以開發(fā)出來。然而，相比于駛入“快車道”的紅外光譜，近紅外光譜在發(fā)展初期并不受待見，原因是科學家認為近紅外光譜的數(shù)據(jù)可利用性很小。后期，隨著穩(wěn)定電源、信號放大器、光子探測器、微型計算機等技術的誕生和發(fā)展，近紅外光譜才作為一段獨立且具有獨特信息特征的譜區(qū)得以重視。

　　20世紀50年代，Karl Norris運用多波長多元線性回歸方法提出了相對NIR定量分析技術，為后來系統(tǒng)的近紅外光譜技術理論體系的形成起到了重要作用。隨著簡易型近紅外光譜儀的出現(xiàn)，近紅外光譜終于成為實際分析技術，開始廣泛應用于農副產品的分析中。60年代，Norris還研制出了世界上臺近紅外掃描光譜儀，成為日后近紅外光譜儀器的雛形。不過，隨著各種新的分析技術的出現(xiàn)，加之當時的近紅外光譜存在靈敏度低、抗干擾性差的弱點，近紅外光譜的發(fā)展進入沉默時期。

　　80年代開始，在計算機技術的推動之下，分析儀器領域的整體發(fā)展勢頭強勁。人們終于認識到了近紅外光譜的價值，陸續(xù)開展了一系列相關領域的應用研究。到了90年代，近紅外光譜在在線分析領域得到了廣泛的應用，從此步入快速發(fā)展時期。

　　上掀起了近紅外光譜應用研究的熱潮，我國也開始了近紅外光譜儀器的研制。然而，由于建立定量分析數(shù)學模型很難，近紅外光譜技術在國內各領域的應用受到了影響。在眾多科研院所、高校企業(yè)的共同努力下，目前近紅外光譜的部分硬件研發(fā)成果已經被產業(yè)化，并轉化為商品化儀器。有些產品的關鍵性能指標甚至已經達到了同類水平，在石化、農業(yè)等領域發(fā)揮了積極的作用。相對的，我國在化學計量學方法及軟件開發(fā)方面也卓有成效。石油化工科學研究院、中國農業(yè)大學等多家單位都研發(fā)出了適用于近紅外光譜分析的化學計量學軟件。相比于流行軟件，國產軟件在界面語言、操作習慣等方面都更加適合國人，主要功能也并不遜色。

　　看到了成果，自然也要看到差距。目前，國內近紅外光譜儀器的核心部件依然依賴進口，整體性能和智能化水平都與先進產品有著明顯的差距。同時，國產軟件在算法研究、專業(yè)化軟件開發(fā)和及時升級等方面仍需加強。未來，近紅外光譜的主要發(fā)展方向將是小型化、專用化、智能化以及現(xiàn)場在線成套化。結合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術，近紅外光譜將邁向怎樣的未來呢？還請拭目以待！

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