摘要：本文扼要综述了近红外光谱分析技术的发展里程，主要介绍了Dr. Karl H. Norris对近红外光谱分析技术做出的贡献，并汇总了与近红外光谱相关的诺贝尔奖获得者的贡献。
2019年7月17日被誉为“近红外光谱之父”的Dr. Karl H. Norris去世，享年98岁。7月18日收到国际知名光谱学家日本Ozaki教授发来的邮件：“We share the deep sadness for Dr. KarlNorris. I think his contribution truly corresponds to Nobel Prize. Although we lost the great scientist, we have to keep his great split not onlyin NIR spectroscopy but also in science and engineering. His contribution ismuch wider than NIR spectroscopy. ”Ozaki教授评价Dr.Karl Norris的贡献可以与获得诺贝尔奖的科学家媲美。Ozaki教授的这段话让我萌发写一篇小随笔的冲动，随后系统整理了多年积累的相关文献，几经脉络的调整，终成这篇小文。
一、Dr.Karl H. Norris之前的情况
近红外光是人们发现的第一个非可见光区域，由英国物理学家赫歇耳（F.W.Herschel，1739-1822）发现。赫歇耳是一位天文学家，他通过自己磨制镜片制作的天文望远镜发现了天王星。赫歇耳制作了400多个望远镜提供给天文爱好者使用，其中有些人抱怨通过望远镜观测星体会灼痛眼睛。于是，他设计了一个实验来研究太阳光线的热效应（图1）。赫歇耳利用1666年牛顿发现的三棱镜分光现象将太阳光色散成不同颜色的光，然后用温度计逐一测量不同颜色光的热量，在偶然情况下他发现在红色光之外仍存在更大强度的热量，他断定在红光之外仍存在不可见的光，他用拉丁文称之“红外”（Infra-red）。由于赫歇耳用的棱镜是玻璃制成的，其吸收了中红外区域的辐射，实际上该波段是近红外（Near Infrared，NIR），波长范围大致位于700～1100nm范围内，因此，在一些文献中常把这段短波近红外区域称为Herschel区。

巧合的是，第一次测量近红外吸收谱带的人是赫歇耳的儿子John Herschel，1840年他设计了一个巧妙的实验，将经玻璃棱镜色散后的太阳光照射到乙醇上，用黑色多孔纸吸收乙醇蒸气，然后通过称重方法来测定乙醇的蒸发速度。1881年英国天文学家阿布尼（WAbney）和E R Festing用Hilger光谱仪以照相的方法拍摄下了48个有机液体的近红外吸收光谱（700~1200nm），发现近红外光谱区的吸收谱带均与含氢基团有关（例如C-H、N-H和O-H等），并指认出了乙基和芳烃的C-H特征吸收位置。1889年瑞典科学家K Angstrem采用NaCl材料的棱镜和辐射热测量计作检测器，首次证实尽管CO和CO₂都是由碳原子和氧原子组成，但因为是不同的气体分子而具有不同的红外光谱。这个试验最根本的意义在于它表明了红外光谱吸收产生的根源是分子而不是原子，整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的。
上述这些原始性的科学发现都是在诺贝尔奖设立前完成的，诺贝尔奖设立时间是1900年6月，首次颁发是1901年12月。
直到上世纪六十年代，近红外光谱都没有得到较好的应用，主要是它的吸收非常弱，且谱带宽而交叠严重，依靠传统的光谱定量（单波长的朗伯-比尔定律）和定性分析（官能团的特征吸收峰）方法很难对其进行应用，一度被称为光谱中的“垃圾箱”（The garbage bin of spectroscopy）。相比较而言，近红外光谱两端的外延区域（紫外-可见光谱和中红外光谱），在这段时间内却得到了快速发展。
一些影响分子光谱分析的理论或技术，也都是在此期间（1900～1960）提出或发明的。例如，1912年丹麦物理化学家NBjerrum 提出HCl 分子的振动是带负电的Cl原子核与带正电的H原子之间的相对位移，分子的能量由平动、转动和振动组成，以及转动能量量子化的理论，该理论被称为旧量子理论或者半经典量子理论。同年，F E Fowle用近红外光谱吸收谱带测定空气湿度，这可能是近红外光谱首次用于定量分析。1927年美国加州大学的J W Ellis观测到有机化合物近红外光谱中750nm、820nm、900nm、1000nm、1200nm、1400nm、1700nm、2200nm的吸收峰与C-H键相关，并指出3400nm处的为基频吸收峰，1700nm和1200nm处的分别为一级和二级倍频吸收峰，2300nm和1400nm分别为6800nm与3400nm、1400nm的合频吸收峰。1928年美国加州大学的F S Brackett利用1200nm谱带可以鉴别多个不同的化合物，并指认1190nm、1220nm和1230nm分别为-CH3、-CH2和-CH的吸收谱带。
1924年法国科学家JLecomte首次提出分子指纹图谱的概念，发现中红外光谱可以识别同分异构体（如所有的辛烷异构体）。这一发现为二次世界大战期间，将中红外光谱用于分析性质相似的碳氢燃料以及橡胶产品提供了重要信息，人们真正认识到了中红外光谱的实用价值。1930年Mecke提出了表示分子振动的符号，如ν表示键伸缩振动，δ表示键角弯曲振动，γ表示面外弯曲振动，并对谱带的归属进行了研究，这些符号沿用至今。为描述紫外-可见区测定无机颗粒物质漫反射光谱时的光学行为，PKuhelka和 FMunk于1931年提出了K-M理论，其理论基础是假设光的多重散射，即反射被观察到之前，已在系统内由一个粒子到另一个粒子进行了多次反射。
1942年，用于中红外气体分析的怀特池（White Cell）被发明，使得中红外光谱在气体分析中逐渐得到广泛应用。二次世界大战前的1939年世界仅有几十台中红外光谱仪，但到1947年世界已有500余台红外光谱仪在工作，中红外光谱已成为分子结构的分析的主要手段。1945年美国Beckmam公司推出世界上第一台成熟的紫外可见分光光度计商品仪器，仪器稍加改动便可以测定近红外区域的光谱了。二次世界大战还加速了1930年研制出的硫化铅检测器的发展，使其成为非常灵敏的商品化检测器，用于近红外区1~2.5μm波长范围的测量。1950年左右，干涉滤光片在光谱仪器中得到了应用，基于几个特定波长的红外滤光片式在线过程仪器相对独立地出现了，主要用于气体、水分和湿度的分析，这类仪器的应用延续至今。1955年左右，美国IBM公司已开发出Fortran语言，是第一个结构化和科学化的计算机语言。1960年左右，Fahrenfort和Harrick发明了红外衰减全反射（ATR）测量附件，可直接测量一些特殊样品的红外光谱，显著扩展了红外光谱的应用范围。
尽管上述的理论和技术都有鲜明的原创性，也对后来的分子光谱技术产生了很大影响，但都与诺贝尔奖无缘，这些理论和技术或许算不上重大的发现或发明吧。
上世纪四五十年代，也有将近红外光谱用于定量分析的报道，包括测定环氧化合物官能度、聚合物和酚醛塑料不饱和度、化合物的羟基、药物的水分等，例如，英国化学工业公司（ICI）Harry Willis不仅采用近红外光谱表征聚合物的结构，还采用近红外光谱测量聚合物薄膜的厚度。但上述这些研究和应用从严格意义上讲都不属于现代近红外光谱分析技术，都是沿用传统的中红外光谱官能团解析和朗伯-比尔定律的定性和定量分析路线。
现代近红外光谱分析技术是从Dr. Karl H. Norris的工作开始的。
二、Dr.Karl H. Norris的贡献
Dr. Karl Norris是美国农业部研究中心（马里兰州贝茨维尔市）的一位工程师。1949年他曾用自己改造的Beckmam DU紫外光谱仪通过透射测量方式对鸡蛋的新鲜度进行研究，发现750nm处的吸收峰为水中OH基团的倍频吸收。这或许是第一张复杂混合物（天然产物）的近红外光谱，所以很多介绍近红外光谱发展史的文章中都会引用这张图。遗憾的是因当时条件和技术所限，没有建立光谱与鸡蛋品质之间的关系，只能靠蛋壳的颜色开发出了鸡蛋自动筛选设备，这项工作得到了时任美国总统Dwight D. Eisenhower的关注（见图2）。Karl Norris通过这项研究还发现水果和蔬菜在700～800nm有明显的吸收谱带，这对Karl Norris之后开发近红外无损果品品质分析仪（例如苹果的水心病等）埋下了伏笔（见图3）。

Karl Norris真正开始近红外光谱技术的研究是1960年从测定种子中的水分开始的，早期的思路也是基于朗伯-比尔定律的，例如测定种子甲醇提取物中的水分，后来又将粉碎的谷物与四氯化碳混合成浆，以减少光的散射，他们找到了透射光谱中两个波长（1.94μm和2.08μm）吸光度之间差值与水含量之间的一元二次多项式定量关系，获得了满意的结果。这个差值光谱的感念对Karl Norris影响很深，之后滤光片仪器波长的筛选和导数光谱消除颗粒等影响都源于此。但是，当实际应用推广时，发现四氯化碳有毒，且这种方法操作起来也相对繁琐，用户不接纳。没有四氯化碳做稀释剂，无法实现光谱的透射测量，Karl Norris开始尝试采用反射方式，他们买来了当时最好的Cary 14光谱仪。但这台仪器的性能并不能满足他们的需求，例如测量速度慢（20min才能得到一张光谱），没有合适的反射测量附件（尽管也有积分球，但信噪比很差），样品仓太小无法适合样品的无损分析等。在随后的多年中，随着电子技术的进步，Karl Norris与他的合作者不断对其进行了改造（见图4），包括样品仓、光路系统（将双光路变为单光路）、电子器件、A/D转换板、检测器和计算机等。正是在这台被称为“The Norris Machine”的光谱仪上，Karl Norris开启了现代近红外光谱分析技术的大门。

首先，Karl Norris创造性地将传统光谱分析中的吸光度（A=log1/T）用log1/R代替，这明显不符合朗伯-比尔定律，没有任何理论基础，受到当时大多数光谱学家的一致反对。值得庆幸的是Karl Norris不是光谱学家，他是一位农业工程师，以解决实际应用问题为研究导向。Karl Norris的结果非常积极，log1/R与水分存在较强的相关关系。随着研究的深入，他们发现两波长测量谷物水分时会受样品中其他成分的干扰，例如小麦中的蛋白质，大豆中的油脂等。Karl Norris又创新性地将多个波长的吸光度通过多元线性回归（MLR）方法建立预测方程，显著提高了预测谷物水分的准确度。之后很短的时间内，Karl Norris意识到近红外光谱还可以测量这些干扰物的含量，例如蛋白质、油分等。经过Norris的努力，筛选出了6个关键波长（1680nm、1940nm、2100nm、2230nm、2310nm），为随后开发商品化的滤光片仪器奠定了坚实的基础（图5）。为降低颗粒粒度对漫反射光谱的影响，Karl Norris采用导数方法对光谱进行处理，并提出了Karl Norris滤波方法。
Karl Norris所做的上述工作被认为是现代近红外光谱技术的开端，它已具备了现代近红外光谱技术的显著特征：整粒谷物无损分析、分析速度快、基于光谱处理和多元校正的多物性参数同时分析，建标样本为实际样本等。

Karl Norris的另一项贡献是在他的指导下，DICKEY-john和Neotec两家公司于上世纪七十年代初，基于滤光片技术首次开发出了商品化的近红外光谱谷物专用分析仪，这是近红外光谱技术发展过程的重要一个里程碑。之后，滤光片型的仪器也进行了较多改进，针对不同的测量对象（例如草料和烟草等）选取不同波长的滤光片，增加滤光片的数量，温度控制，光学系统密封以适应恶劣的现场环境等，但Karl Norris提出的仪器本质的特征没有改变。DICKEY-john公司生产的GAC Model 2.5AF和Neotec公司生产的GQA Model 31成为上世纪70年代中期主力的近红外谷物快速分析仪器。这些仪器在实际应用中，发挥了很大的作用，在很大程度上推动了近红外光谱技术的发展。例如，在加拿大Phil Williams通过必要的改进，将这类近红外谷物分析仪（起初是Neotec Model I仪器）用于小麦出口区快速测定蛋白质的需求。因为贸易商愿意为高蛋白质含量的小麦付更多的钱，这样交易量大的贸易商，通过近红外分析仪经几次交易赚得钱，就能够购买一台近红外分析仪。因此，数百台这样的仪器进入大型粮仓和出口区，同时一些面粉厂、大豆加工厂和食品生产厂等也开始使用近红外分析仪。进入70年代末期，光栅扫描型近红外光谱分析仪开始出现，其关键技术都是以“The Norris Machine”为原型样机（雏型）研制的，例如Neotec Model 6100和Tchnicon InfraAlyzer 500等。
1975年，加拿大谷物委员会（Canadian Grain Commission，CGC）将近红外方法规定为蛋白质检测的官方方法。1978年，美国农业部联邦谷物检验服务中心（USDA，FGIS-Federal Grain Inspection Service）也为其所有的小麦出口基地购置了近红外分析仪，1980年FGIS采纳该方法作为官方指定的测定小麦蛋白质的标准方法。1982年美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AACC）正式批准了该方法（AACC No.39-00）。2009年Phil Williams在匹兹堡沃特斯论坛上讲到，全球约90%小麦的贸易是基于整粒谷物近红外分析仪检测蛋白质含量进行的（Today, Phil Williams estimates that over90% of wheat world-wide is sold on the basis of protein testing by whole-grainNIRS instruments）。有文献报道，澳大利亚采用近红外光谱技术后（主要是对农作物的管理），稻米的产量每公顷提高约0.6吨，小麦的产量提高约1.1吨，小麦蛋白质含量提高约1%（The success of NIR-based tissue testingservices is substantial, being estimated to enhance yields of rice by 0.6 tonneha^-1and wheat yields by 1.1 tonnes ha^-1. NIR spectroscopyhas also helped producers raise the protein content of wheat grain by 1%protein）。
Karl Norris的工作，尤其是“The Norris Machine”迅速得到农业领域的关注，在上世纪七十年代，一些美国本土和国际同行纷至沓来，Karl Norris以无私、大度、开放的科学家精神，将他的研究成果毫无保留地传授给每位来访的学者，并与他们进行深入合作。毋庸置疑，Karl Norris的实验室成为了培养现代近红外光谱分析大师的摇篮，“The Norris Machine”也成为名副其实的“Master Instrument”。这期间在Karl Norris实验室进行访问的学者有：美国宾州的John Shenk，美国北卡州的W Fred McClure，加拿大的Phil Williams，日本的Mutsuo Iwamoto，匈牙利的Karoly Kaffka等等。这些学者后来都成为近红外光谱分析技术的卓越践行者和强有力推动者，他们参照Karl Norris的模式纷纷研发仪器、开发软件和推广应用。例如John Shenk在美国建立了第一个近红外光谱草料分析网络，并开发了著名的化学计量学软件DOSISI和WinISI；Mutsuo Iwamoto回到日本后，在他的带领和影响下，近红外光谱技术在日本得到了广泛的应用，日本在上世纪八十年代末期就基于近红外光谱开发出果品品质自动分选装置，并得到了广泛推广应用。上世纪九十年代Karl Norris在日本静冈参观了Mitsui公司研制的果品近红外在线分选装置（图6），感叹说：“My dream has come true in Japan”。可见，Karl Norris在培育国际近红外大师这一方面的贡献无疑是巨大的。

Karl Norris的工作也对我国产生了间接影响，我国的近红外光谱技术也是从农业应用开始的。上世纪七十年代后期我国科研人员通过Karl Norris等人的学术论文、仪器厂商的宣传、以及到日本等国家的考察学习开始认识近红外光谱技术（图7）。早在八十年代初期中国农科院吴秀琴老师和长春光机所陈星旦院士就开始合作研制滤光片型的近红外光谱分析仪，并取得了成功。这之后，严衍禄教授组建了中国农业大学近红外光谱分析实验室，开始了近红外光谱在农业领域的系统研究，他们的研究成果集中发表在1990年《北京农业大学学报》增刊上。

在上世纪六七十年代，Karl Norris等人的近红外光谱分析研究工作并未获得光谱界的认可。Karl Norris为促进近红外光谱获得当时一些光谱学家的支持做了很多工作。Karl Norris在从事近红外光谱分析谷物研究初始，就找到美国著名的光谱学家Tomas Hirschfeld需求帮助，但当时Karl Norris的研究工作被未得到Tomas Hirschfeld的支持，因为从传统光谱学来看，近红外光谱没有任何优势。但是，Karl Norris与Tomas Hirschfeld的交往并没有因此而终止，KarlNorris取得一些进展后，都会与Tomas Hirschfeld进行沟通交流，最终使他从近红外光谱的强烈反对者变为近红外光谱的强烈支持者。这一时期开始支持近红外光谱技术的光谱学家还有Peter Griffiths和Bill Fateley等人。这些光谱学家的加入，对近红外光谱技术理论体系的形成起到了重要的作用。例如，1985年Tomas Hirschfeld通过巧妙的实验设计，找到了近红外光谱可以预测水中氯化钠含量的光谱信息依据（图8）。1984年，在Tomas Hirschfeld的倡导下，美国材料与试验协会（ASTM）成立了近红外光谱工作组（E13.03.03），研究近红外光谱技术的标准方法问题。

1974年瑞典化学家S Wold和美国华盛顿大学的B R Kowalski教授创建了化学计量学学科（Chemometris）。化学计量学是将数学、统计学、计算机科学与化学结合而形成的化学分支学科，其产生的基础是计算机技术的快速发展和分析仪器的现代化。计算机使仪器的控制实现了自动化，且更加精密准确，同时使数据分析变得相对简单了，可以用来处理更为复杂的定量或定性程序。遗憾的是，化学计量学产生初期并没有与近红外光谱在农业中的应用结合起来。是Karl Norris的不懈努力使化学计量学家逐渐重视这一技术，为近红外光谱技术的崛起起到了推波助澜的作用。一些基于主成分分析的化学计量学方法开始被大家所采用，如主成分回归和偏最小二乘等，这显著提高了近红外光谱分析结果的准确性和可靠性，这也是近红外分析理论体系的重要组成部分，是其基本达到了理论与实践的统一。在上世纪九十年代中期，人工神经网络方法已经出现在用于近红外光谱分析的化学计量学商品化软件中。
1984年，T Hirschfeld与B R Kowalski在美国《Science》杂志上发表了题为“Chemical Sensing in Process Analysis”的文章，文中多次提到近红外光谱技术的。Kowalski受美国国家科学基金会（NSF）和21家企业共同资助，在美国华盛顿大学建立了过程分析化学中心（Center for Process Analytical Chemistry，CPAC），后更名为过程分析与控制中心（Center for Process Analysis and Control，CPAC）。该研究中心的核心任务是研究和开发以化学计量学为基础的先进过程分析仪器及分析技术，使之成为生产过程自动控制的组成部分，为生产过程提供定量和定性的信息，这些信息不仅用于对生产过程的控制和调整，而且还用于能源、生产时间和原材料等的有效利用和最优化，近红外光谱是其中一项关键的技术。与CPAC合作的这些企业都是当时化工和石化等领域知名的大企业，这意味着近红外光谱技术已开始从农业应用领域转向工业过程分析领域。与此同时，一些知名的仪器制造商也开始研制新型的近红外光谱仪器，近红外光谱仪器市场和应用研究从此开始呈现出百花齐放的局面。
另外，Dr. Karl H. Norris还是将近红外光谱技术用于医学领域的先行者之一，始终从事和指导近红外光谱在这一领域的研究和应用工作。

三、与近红外光谱相关的诺贝尔奖
下面介绍几个与近红外光谱技术相关的诺贝尔奖。
迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊（Albert Abraban Michelson）和莫雷（Edward Williams Morley）合作，为研究“以太”而设计制造出来的精密光学仪器。实验结果否定了“以太”的存在，动摇了经典物理学的基础，为狭义相对论的建立铺平了道路。因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献，迈克尔逊被授予了1907年度诺贝尔物理学奖。目前，迈克尔逊干涉仪广泛应用于近红外光谱仪器和中红外光谱仪器。
2017年诺贝尔物理学奖授予3位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。LIGO全称“激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-WaveObservatory）”，LIGO项目的成就在于，当引力波到达地球时，两台大型激光干涉仪成功地检测到了这种比原子核还要小数千倍的细微变化（导致的空间变化程度最大值为10^-21，相当于1亿千米的长度内产生一个原子大小（10^-10米）的变化）。LIGO的干涉仪是迈克尔逊干涉仪在18世纪80年代的巨型版本，创新性的技术和工程将LIGO的干涉仪延伸到1120公里，使LIGO的干涉仪比迈克尔逊所使用的大144000倍，以保证有足够的灵敏度检测到引力波。2015年9月14日，LIGO探测器首次捕获到宇宙中的引力波，这次的引力波信号由两个黑洞相互碰撞而产生，经过了13亿光年才到达地球。

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作者：cxlyuli，从事近红外光谱分析技术的研究和应用工作。