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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 作者：禾春 點擊量：26207
1666年，年輕的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉下老家度假。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，發現了帶有赤、橙、黃、綠、青、藍、紫色的光帶。根據這個實驗，牛頓推斷太陽的白光是由七色光混合而成，并將這一現象命名為“光譜”。人類研究光譜的歷史，由此開始。
【化工儀器網 行業動態】1666年，年輕的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉下老家度假。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，發現了帶有赤、橙、黃、綠、青、藍、紫色的光帶。根據這個實驗，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，牛頓的發現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，歐洲才陸續出現一些科學家重新研究光譜，擁有更多新發現和新成果。也正是在1800年，一位英國天文學家William Herschel發現了近紅外光譜區。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。
這一發現過后，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展。臺紅外光譜儀也在20世紀30年代得以開發出來。然而，相比于駛入“快車道”的紅外光譜，近紅外光譜在發展初期并不受待見，原因是科學家認為近紅外光譜的數據可利用性很小。后期，隨著穩定電源、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，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，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展勢頭強勁。人們終于認識到了近紅外光譜的價值，陸續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、高校企業的共同努力下，目前近紅外光譜的部分硬件研發成果已經被產業化，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、農業等領域發揮了積極的作用。相對的，我國在化學計量學方法及軟件開發方面也卓有成效。石油化工科學研究院、中國農業大學等多家單位都研發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、專業化軟件開發和及時升級等方面仍需加強。未來，近紅外光譜的主要發展方向將是小型化、專用化、智能化以及現場在線成套化。結合大數據、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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