1666年，23歲的牛頓在幽暗房間的護窗板上開了一個小孔，一束太陽光進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、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)原作風貌，修復(fù)時就要了解當時所用的顏料。
科研人員利用光譜掃描儀對古畫顏料進行了掃描，提取了古畫顏料信息，由此推算出當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。有專業(yè)調(diào)查機構(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11%，2021年市場將達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大。中科院深圳先進院集成所精密工程中心副研究員林慧博士及其團隊就一直致力于光譜儀器的核心器件、儀器的整機設(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)檢測目標的要求，才能從技術(shù)上精準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準。研究人員將主要的橄欖油品類進行光譜掃描，基于采集的數(shù)據(jù)建立起標準光譜數(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)分析算法和準則。有了這樣一個準則，之后的油品檢測都可以與此進行比較，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)用不斷擴大，因此，林慧博士和團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)隱患并進行干預(yù)。
隨著光譜應(yīng)用外延的不斷擴大，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于一個傳感器，被譽為“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。林慧博士及其團隊已經(jīng)將未來的目標瞄準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)進行快速分析，能夠?qū)】抵笜诉M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。”
