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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(guān)鍵詞:近紅外光譜閱讀量:4871
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  【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(dú)立完成了幾項足以載入科學(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(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),才開始推動紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展。臺紅外光譜儀也在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、信號放大器、光子探測器、微型計算機(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(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)入沉默時期。
 
  80年代開始,在計算機(jī)技術(shù)的推動之下,分析儀器領(lǐng)域的整體發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。人們終于認(rèn)識到了近紅外光譜的價值,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。相對的,我國在化學(xué)計量學(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,國產(chǎn)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(qiáng)。未來,近紅外光譜的主要發(fā)展方向?qū)⑹切⌒突S没?、智能化以及現(xiàn)場在線成套化。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?還請拭目以待!
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