1666年，23歲的牛頓在幽暗房間的護(hù)窗板上開了一個小孔，一束太陽光進(jìn)入并從放置好的玻璃棱鏡上傳過，誕生了科學(xué)史上有名的“人造彩虹”——那束折射到墻上的光不僅是變寬的光點，更是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫排列的彩色光帶。牛頓又將這條“人造彩虹”通過反向放置的第二個棱鏡重新結(jié)合，又變成了白色的光。
一直以來遵循著“日出而作，日落而息”的人們，第一次認(rèn)識到了習(xí)以為常的“光”也是一個神秘的復(fù)雜體。
隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步與教育的廣泛普及，現(xiàn)代的人們早在孩提時代就知道了下雨過后的彩虹并不是天上神仙的“拱橋”，而是由于光線照射到空氣中的水滴形成反射和折射后產(chǎn)生的。
人們?nèi)粘Ｉ钪兴姷墓?，是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過棱鏡，或者類似棱鏡功能的水滴等分光后顯現(xiàn)的就變成了顏色各異的單色光。這些單色光按不同波長(或頻率)大小依次排列形成的圖案，就是光譜。
光譜分析是人類借助光認(rèn)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獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說肉眼能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息，幫助我們看清事物的本質(zhì)。
光譜儀又叫分光儀，是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器，由棱鏡或衍射光柵等構(gòu)成。通過光譜儀分析不同物質(zhì)的光譜，可以探查出許多重要信息，比如未知星球的表體信息、鋼材和寶石的品質(zhì)、爆炸物特性等等。
前段時間火爆的紀(jì)錄片《我在故宮修文物》中就有這樣一個例子：描繪乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八十大壽時現(xiàn)場祝壽實景的《崇慶皇太后八旬萬壽圖》，歷經(jīng)250多年之后非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復(fù)原作風(fēng)貌，修復(fù)時就要了解當(dāng)時所用的顏料。
科研人員利用光譜掃描儀對古畫顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫顏料信息，由此推算出當(dāng)初繪畫所用礦物原料的種類。根據(jù)不同顏料產(chǎn)地光譜曲線的差異，科技人員甚至還能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復(fù)選用精準(zhǔn)顏料提供了依據(jù)。
其實，光譜儀的應(yīng)用不止于此，光譜儀的研發(fā)離我們也并不遙遠(yuǎn)。有專業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)預(yù)測，在2015至2021期間，整個光譜儀器市場年增長率為7%，而小型/微型光譜儀的復(fù)合年增長率將達(dá)11%，2021年市場將達(dá)3億美元。從這些數(shù)據(jù)可以看出，光譜市場發(fā)展前景較好。
伴隨我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平提高，不論是在工業(yè)還是生活方面，產(chǎn)品質(zhì)量愈加受到關(guān)注，各類檢測需求不斷涌現(xiàn)，這就促使光譜儀器的市場逐漸擴(kuò)大。中科院深圳先進(jìn)院集成所精密工程中心副研究員林慧博士及其團(tuán)隊就一直致力于光譜儀器的核心器件、儀器的整機(jī)設(shè)計和應(yīng)用解決方案的研發(fā)。在過去的7年里，他的團(tuán)隊研發(fā)的食品安全快速檢測儀已經(jīng)在貴州省食品藥品監(jiān)管部門推廣應(yīng)用；藥物質(zhì)量在線監(jiān)控系統(tǒng)已在三九皮炎平生產(chǎn)線順利運(yùn)行。
林慧博士介紹，光譜儀的應(yīng)用方向包括食品藥品檢測、生化檢測、環(huán)境監(jiān)測、照明檢測、石油化工、航天軍工等，關(guān)乎我們生活的方方面面。根據(jù)檢測目標(biāo)的要求，才能從技術(shù)上精準(zhǔn)定義最適合的光譜儀器方案。比如有的場合適合用高精度的大中型光譜儀，有的場合適合用便攜式或超微型光譜儀；有的樣品對光譜分辨率要求高，有的樣品對光譜重復(fù)性要求高。
光譜儀是如何幫助人們進(jìn)行檢測的呢？以市面上銷售的橄欖油、核桃油等高端油品為例，由于這些油營養(yǎng)價值豐富，所以相應(yīng)價格也較一般食用油更貴，所以有的不法分子在其中摻入其他便宜油種來欺騙消費者，從而賺取利潤。如何不通過人的視覺、嗅覺、味覺等感官體驗來檢測油品是否摻假呢？通過近紅外光譜方法有望建立起一套快速有效的評價標(biāo)準(zhǔn)。研究人員將主要的橄欖油品類進(jìn)行光譜掃描，基于采集的數(shù)據(jù)建立起標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開發(fā)一套定性鑒別或定量檢測的化學(xué)計量學(xué)分析算法和準(zhǔn)則。有了這樣一個準(zhǔn)則，之后的油品檢測都可以與此進(jìn)行比較，鑒別真?zhèn)巍?br />
從光譜儀的發(fā)展趨勢來看，實驗室級大型光譜儀器的市場已趨于穩(wěn)定，而工業(yè)和生活中的光譜檢測應(yīng)用不斷擴(kuò)大，因此，林慧博士和團(tuán)隊將重點放在適合于現(xiàn)場快速檢測的光譜儀器，尤其是便攜式光譜儀的研發(fā)上。如團(tuán)隊歷時一年多開發(fā)的多功能食品快速檢測儀，其內(nèi)嵌了便攜式光譜儀模塊，利用不同化學(xué)物質(zhì)的特征光譜吸收峰，可以在一臺機(jī)器上實現(xiàn)農(nóng)藥殘留、化學(xué)添加劑、重金屬等多個項目的定量快速檢測，從而大大提高了食品監(jiān)管部門的效率。該產(chǎn)品已經(jīng)獲得廣東省計量院校準(zhǔn)證書，并在市場上推廣應(yīng)用。再如前文提到的已在三九皮炎平生產(chǎn)線中使用的近紅外藥物質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，通過對皮炎平乳膏混勻過程中的光譜信號的實時采集和分析，能夠監(jiān)控醋酸地塞米松、樟腦、薄荷腦等三種主藥的成分是否在合格范圍，從而判斷藥物是否進(jìn)行了充分混合。該系統(tǒng)已在華潤三九制膏生產(chǎn)線順利運(yùn)行，提高了三九皮炎平的生產(chǎn)質(zhì)量控制水平。
最近，林慧博士和團(tuán)隊關(guān)注便攜式光譜儀在健康檢測中的應(yīng)用，正在研發(fā)面向心腦血管疾病監(jiān)測的血小板功能檢測儀。心腦血管疾病已成為目前全球死亡率最高的疾病，且有越來越年輕化的趨勢。服用抗血小板聚集藥物如阿司匹林、氯吡格雷等是臨床上預(yù)防、治療血栓性疾病的普遍措施，但目前的抗栓藥物治療基本上采用普適原則，從而會引發(fā)兩個不同方向的問題。一方面，對于約10%的患者而言，抗血小板藥物劑量過大，在缺血事件得到控制的同時，出血事件概率增加。另一方面，約有30%的患者會出現(xiàn)用藥抵抗，血栓概率增加5倍！通過研發(fā)基于散射光譜技術(shù)的血小板功能檢測儀，可以監(jiān)測患者的血小板聚集情況，將為個性化科學(xué)用藥提供依據(jù)，也有利于提前發(fā)現(xiàn)隱患并進(jìn)行干預(yù)。
隨著光譜應(yīng)用外延的不斷擴(kuò)大，便攜式光譜儀也許還不夠，能夠被更多人使用的超微型光譜儀已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點。超微型光譜儀實際上就相當(dāng)于一個傳感器，被譽(yù)為“口袋中的實驗室”，具有體積小(U盤大小)、價格低廉的優(yōu)勢。只有超微型光譜儀能成功并推廣，光譜儀器才有可能跳出儀器的范疇，走進(jìn)千家萬戶。目前，只有日本濱松公司在2015年推出了超微型光譜儀模塊產(chǎn)品，而我國尚屬空白。林慧博士及其團(tuán)隊已經(jīng)將未來的目標(biāo)瞄準(zhǔn)了超微型光譜儀這一前沿課題，以應(yīng)用為導(dǎo)向，以微納技術(shù)為核心，力求幫助人們實現(xiàn)日常檢測的愿望。比如對一些高端的酒類產(chǎn)品的快速鑒別，由于造假技術(shù)越來越“出神入化”，單憑嗅覺和視覺去判斷真假已經(jīng)很困難，但如果只有通過飲用才能判斷真?zhèn)斡帧盀闀r晚矣”，超微型光譜儀技術(shù)有望為類似場景提供參考依據(jù)。此外對于愛美的女士和媽媽，美容類產(chǎn)品和母嬰類產(chǎn)品的檢測需求也越來越多，超微型光譜儀可以快速檢測相關(guān)產(chǎn)品的有害成分、也可以測定皮膚健康度等等。
微型光譜分析儀器
超微型光譜儀本身就是一個高度集成的模塊，從技術(shù)和成本上都不可能復(fù)制購買核心器件再集成的方式，需要從設(shè)計、工藝上一氣呵成。目前，我國與國際先進(jìn)水平的差距主要是在基礎(chǔ)零部件，因此必須掌握器件技術(shù)，包括衍射光柵和微納工藝，才能建立核心競爭力，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
可以想見，未來，人們攜帶著超微型光譜儀，能夠?qū)κ称返臓I養(yǎng)成分和品質(zhì)進(jìn)行快速分析，能夠?qū)】抵笜?biāo)進(jìn)行快速監(jiān)測，人們的健康就有了科技手段做保障。林慧博士說：“光譜儀器體積越來越小，價格越來越低，應(yīng)用越來越廣，光譜儀器微小型化后，價格會變得非常低廉，總有一天可以走向普羅大眾?！?br />
