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從1666年說起：近紅外光譜的前世今生
2019年04月16日 08:43:36
來源：儀器網(wǎng) 作者：禾春 點(diǎn)擊量：26200
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(dú)立完成了幾項(xiàng)足以載入科學(xué)史的工作，為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科打下了重要基礎(chǔ)。某一天，他從暗室窗上的小孔射進(jìn)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(lán)、紫色的光帶。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)動(dòng)態(tài)】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(dú)立完成了幾項(xiàng)足以載入科學(xué)史的工作，為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科打下了重要基礎(chǔ)。某一天，他從暗室窗上的小孔射進(jìn)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(lán)、紫色的光帶。根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，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。
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(jìn)展。直到邁入19世紀(jì)，歐洲才陸續(xù)出現(xiàn)一些科學(xué)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(xué)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(yuǎn)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(shí)光。直到第二次世界大戰(zhàn)期間，科學(xué)家利用紅外技術(shù)分析石油和橡膠的品質(zhì)，才開始推動(dòng)紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展。臺(tái)紅外光譜儀也在20世紀(jì)30年代得以開發(fā)出來。然而，相比于駛?cè)?ldquo;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(xué)家認(rèn)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(hào)放大器、光子探測(cè)器、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)的誕生和發(fā)展，近紅外光譜才作為一段獨(dú)立且具有獨(dú)特信息特征的譜區(qū)得以重視。
20世紀(jì)50年代，Karl Norris運(yùn)用多波長多元線性回歸方法提出了相對(duì)NIR定量分析技術(shù)，為后來系統(tǒng)的近紅外光譜技術(shù)理論體系的形成起到了重要作用。隨著簡(jiǎn)易型近紅外光譜儀的出現(xiàn)，近紅外光譜終于成為實(shí)際分析技術(shù)，開始廣泛應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品的分析中。60年代，Norris還研制出了世界上臺(tái)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(shù)的出現(xiàn)，加之當(dāng)時(shí)的近紅外光譜存在靈敏度低、抗干擾性差的弱點(diǎn)，近紅外光譜的發(fā)展進(jìn)入沉默時(shí)期。
80年代開始，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)之下，分析儀器領(lǐng)域的整體發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。人們終于認(rèn)識(shí)到了近紅外光譜的價(jià)值，陸續(xù)開展了一系列相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。到了90年代，近紅外光譜在在線分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從此步入快速發(fā)展時(shí)期。
上掀起了近紅外光譜應(yīng)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(xué)模型很難，近紅外光譜技術(shù)在國內(nèi)各領(lǐng)域的應(yīng)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(jīng)被產(chǎn)業(yè)化，并轉(zhuǎn)化為商品化儀器。有些產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)甚至已經(jīng)達(dá)到了同類水平，在石化、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮了積極的作用。相對(duì)的，我國在化學(xué)計(jì)量學(xué)方法及軟件開發(fā)方面也卓有成效。石油化工科學(xué)研究院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等多家單位都研發(fā)出了適用于近紅外光譜分析的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件。相比于流行軟件，國產(chǎn)軟件在界面語言、操作習(xí)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(nèi)近紅外光譜儀器的核心部件依然依賴進(jìn)口，整體性能和智能化水平都與先進(jìn)產(chǎn)品有著明顯的差距。同時(shí)，國產(chǎn)軟件在算法研究、專業(yè)化軟件開發(fā)和及時(shí)升級(jí)等方面仍需加強(qiáng)。未來，近紅外光譜的主要發(fā)展方向?qū)⑹切⌒突Ｓ没⒅悄芑约艾F(xiàn)場(chǎng)在線成套化。結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，近紅外光譜將邁向怎樣的未來呢？還請(qǐng)拭目以待！
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