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从1666年说起:近红外光谱的前世今生

1666年,年轻的牛顿为了躲避瘟疫,回到乡下老家度假。他在那里独立完成了几项足以载入科学史的工作,为数学、力学和光学三大学科打下了重要基础。某一天,他从暗室窗上的小孔射进一束光线,在途中安放一面三棱镜,将光线照射在白色墙壁上,发现了带有赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫色的光带。根据这个实验,牛顿推断太阳的白光是由七色光混合而成,并将这一现象命名为“光谱”。人类研究光谱的历史,由此开始。

然而,在随后漫长的140年间,牛顿的发现并未得到足够的重视,未能有新的研究进展。直到迈入19世纪,欧洲才陆续出现一些科学家重新研究光谱,拥有更多新发现和新成果。也正是在1800年,一位英国天文学家William Herschel发现了近红外光谱区。值得一提的是,后世以他名字命名的望远镜主要利用红外光谱仪捕捉红外光线。

这一发现过后,又再次度过将近140年的漫长时光。直到第二次世界大战期间,科学家利用红外技术分析石油和橡胶的品质,才开始推动红外光谱分析技术的发展。第一台红外光谱仪也在20世纪30年代得以开发出来。然而,相比于驶入“快车道”的红外光谱,近红外光谱在发展初期并不受待见,原因是科学家认为近红外光谱的数据可利用性很小。后期,随着稳定电源、信号放大器、光子探测器、微型计算机等技术的诞生和发展,近红外光谱才作为一段独立且具有独特信息特征的谱区得以重视。

20世纪50年代,Karl Norris运用多波长多元线性回归方法提出了相对NIR定量分析技术,为后来系统的近红外光谱技术理论体系的形成起到了重要作用。随着简易型近红外光谱仪的出现,近红外光谱终于成为实际分析技术,开始广泛应用于农副产品的分析中。60年代,Norris还研制出了世界上第一台近红外扫描光谱仪,成为日后近红外光谱仪器的雏形。不过,随着各种新的分析技术的出现,加之当时的近红外光谱存在灵敏度低、抗干扰性差的弱点,近红外光谱的发展进入沉默时期。

80年代开始,在计算机技术的推动之下,分析仪器领域的整体发展势头强劲。人们终于认识到了近红外光谱的价值,陆续开展了一系列相关领域的应用研究。到了90年代,近红外光谱在在线分析领域得到了广泛的应用,从此步入快速发展时期。

国际上掀起了近红外光谱应用研究的热潮,我国也开始了近红外光谱仪器的研制。然而,由于建立定量分析数学模型很难,近红外光谱技术在国内各领域的应用受到了影响。在众多科研院所、高校企业的共同努力下,目前近红外光谱的部分硬件研发成果已经被产业化,并转化为商品化仪器。有些产品的关键性能指标甚至已经达到了国际同类水平,在石化、农业等领域发挥了积极的作用。相对的,我国在化学计量学方法及软件开发方面也卓有成效。石油化工科学研究院、中国农业大学等多家单位都研发出了适用于近红外光谱分析的化学计量学软件。相比于国际流行软件,国产软件在界面语言、操作习惯等方面都更加适合国人,主要功能也并不逊色。

看到了成果,自然也要看到差距。目前,国内近红外光谱仪器的核心部件依然依赖进口,整体性能和智能化水平都与国际先进产品有着明显的差距。同时,国产软件在算法研究、专业化软件开发和及时升级等方面仍需加强。未来,近红外光谱的主要发展方向将是小型化、专用化、智能化以及现场在线成套化。结合大数据、人工智能等新兴技术,近红外光谱将迈向怎样的未来呢?还请拭目以待!

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