从“彩虹”到光谱仪，我们聊聊检测新“利器”

1666年，23岁的牛顿在幽暗房间的护窗板上开了一个小孔，一束太阳光进入并从放置好的玻璃棱镜上传过，诞生了科学史上有名的“人造彩虹”——那束折射到墙上的光不仅是变宽的光点，更是红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带。牛顿又将这条“人造彩虹”通过反向放置的第二个棱镜重新结合，又变成了白色的光。

一直以来遵循着“日出而作，日落而息”的人们，第一次认识到了习以为常的“光”也是一个神秘的复杂体。

随着科学的不断进步与教育的广泛普及，现代的人们早在孩提时代就知道了下雨过后的彩虹并不是天上神仙的“拱桥”，而是由于光线照射到空气中的水滴形成反射和折射后产生的。

人们日常生活中所见的光，是由多种颜色构成的复色光，通过棱镜，或者类似棱镜功能的水滴等分光后显现的就变成了颜色各异的单色光。这些单色光按不同波长（或频率）大小依次排列形成的图案，就是光谱。
 

图：可见光谱

光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式。地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。如果说肉眼能看到物质的形状、尺寸等信息，光谱分析则能获取物质的成分信息，帮助我们看清事物的本质。

光谱仪又叫分光仪，是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成。通过光谱仪分析不同物质的光谱，可以探查出许多重要信息，比如未知星球的表体信息、钢材和宝石的品质、爆炸物特性等等。

前段时间火爆的纪录片《我在故宫修文物》中就有这样一个例子：描绘乾隆皇帝的母亲崇庆皇太后八十大寿时现场祝寿实景的《崇庆皇太后八旬万寿图》，历经250多年之后非常残破，绢面有缺损断裂，甚至还有霉迹。要想恢复原作风貌，修复时就要了解当时所用的颜料。
 

科研人员利用光谱扫描仪对古画颜料进行了扫描，提取了古画颜料信息，由此推算出当初绘画所用矿物原料的种类。根据不同颜料产地光谱曲线的差异，科技人员甚至还能反推出颜料的产地——这就为修复选用精准颜料提供了依据。

其实，光谱仪的应用不止于此，光谱仪的研发离我们也并不遥远。有专业调查机构预测，在2015至2021期间，整个光谱仪器市场年增长率为7%，而小型/微型光谱仪的复合年增长率将达11%，2021年市场将达3亿美元。从这些数据可以看出，光谱市场发展前景较好。

伴随我国经济迅速发展，人民生活水平提高，不论是在工业还是生活方面，产品质量愈加受到关注，各类检测需求不断涌现，这就促使光谱仪器的市场逐渐扩大。中科院深圳先进院集成所精密工程中心副研究员林慧博士及其团队就一直致力于光谱仪器的核心器件、仪器的整机设计和应用解决方案的研发。在过去的7年里，他的团队研发的食品安全快速检测仪已经在贵州省食品药品监管部门推广应用；药物质量在线监控系统已在三九皮炎平生产线顺利运行。

林慧博士介绍，光谱仪的应用方向包括食品药品检测、生化检测、环境监测、照明检测、石油化工、航天军工等，关乎我们生活的方方面面。根据检测目标的要求，才能从技术上精准定义最适合的光谱仪器方案。比如有的场合适合用高精度的大中型光谱仪，有的场合适合用便携式或超微型光谱仪；有的样品对光谱分辨率要求高，有的样品对光谱重复性要求高。

光谱仪是如何帮助人们进行检测的呢？以市面上销售的橄榄油、核桃油等高端油品为例，由于这些油营养价值丰富，所以相应价格也较一般食用油更贵，所以有的不法分子在其中掺入其他便宜油种来欺骗消费者，从而赚取利润。如何不通过人的视觉、嗅觉、味觉等感官体验来检测油品是否掺假呢？通过近红外光谱方法有望建立起一套快速有效的评价标准。研究人员将主要的橄榄油品类进行光谱扫描，基于采集的数据建立起标准光谱数据库，在此基础上开发一套定性鉴别或定量检测的化学计量学分析算法和准则。有了这样一个准则，之后的油品检测都可以与此进行比较，鉴别真伪。

从光谱仪的发展趋势来看，实验室级大型光谱仪器的市场已趋于稳定，而工业和生活中的光谱检测应用不断扩大，因此，林慧博士和团队将重点放在适合于现场快速检测的光谱仪器，尤其是便携式光谱仪的研发上。如团队历时一年多开发的多功能食品快速检测仪，其内嵌了便携式光谱仪模块，利用不同化学物质的特征光谱吸收峰，可以在一台机器上实现农药残留、化学添加剂、重金属等多个项目的定量快速检测，从而大大提高了食品监管部门的效率。该产品已经获得广东省计量院校准证书，并在市场上推广应用。再如前文提到的已在三九皮炎平生产线中使用的近红外药物质量在线检测系统，通过对皮炎平乳膏混匀过程中的光谱信号的实时采集和分析，能够监控醋酸地塞米松、樟脑、薄荷脑等三种主药的成分是否在合格范围，从而判断药物是否进行了充分混合。该系统已在华润三九制膏生产线顺利运行，提高了三九皮炎平的生产质量控制水平。
 

图：林慧团队研发的基于便携式光谱模块的食品安全检测仪

最近，林慧博士和团队关注便携式光谱仪在健康检测中的应用，正在研发面向心脑血管疾病监测的血小板功能检测仪。心脑血管疾病已成为目前全球死亡率最高的疾病，且有越来越年轻化的趋势。服用抗血小板聚集药物如阿司匹林、氯吡格雷等是临床上预防、治疗血栓性疾病的普遍措施，但目前的抗栓药物治疗基本上采用普适原则，从而会引发两个不同方向的问题。一方面，对于约10%的患者而言，抗血小板药物剂量过大，在缺血事件得到控制的同时，出血事件概率增加。另一方面，约有30%的患者会出现用药抵抗，血栓概率增加5倍！通过研发基于散射光谱技术的血小板功能检测仪，可以监测患者的血小板聚集情况，将为个性化科学用药提供依据，也有利于提前发现隐患并进行干预。

随着光谱应用外延的不断扩大，便携式光谱仪也许还不够，能够被更多人使用的超微型光谱仪已经成为产业界与学术界关注的焦点。超微型光谱仪实际上就相当于一个传感器，被誉为“口袋中的实验室”，具有体积小（U盘大小）、价格低廉的优势。只有超微型光谱仪能成功并推广，光谱仪器才有可能跳出仪器的范畴，走进千家万户。目前，只有日本滨松公司在2015年推出了超微型光谱仪模块产品，而我国尚属空白。林慧博士及其团队已经将未来的目标瞄准了超微型光谱仪这一前沿课题，以应用为导向，以微纳技术为核心，力求帮助人们实现日常检测的愿望。比如对一些高端的酒类产品的快速鉴别，由于造假技术越来越“出神入化”，单凭嗅觉和视觉去判断真假已经很困难，但如果只有通过饮用才能判断真伪又“为时晚矣”，超微型光谱仪技术有望为类似场景提供参考依据。此外对于爱美的女士和妈妈，美容类产品和母婴类产品的检测需求也越来越多，超微型光谱仪可以快速检测相关产品的有害成分、也可以测定皮肤健康度等等。

超微型光谱仪本身就是一个高度集成的模块，从技术和成本上都不可能复制购买核心器件再集成的方式，需要从设计、工艺上一气呵成。目前，我国与国际先进水平的差距主要是在基础零部件，因此必须掌握器件技术，包括衍射光栅和微纳工艺，才能建立核心竞争力，为产业化奠定基础。
 

图：林慧团队自主研发的凹面光栅器件以及与手机适配的微型光谱仪模组

可以想见，未来，人们携带着超微型光谱仪，能够对食品的营养成分和品质进行快速分析，能够对健康指标进行快速监测，人们的健康就有了科技手段做保障。林慧博士说：“光谱仪器体积越来越小，价格越来越低，应用越来越广，光谱仪器微小型化后，价格会变得非常低廉，总有一天可以走向普罗大众。”

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