从“彩虹”到光谱仪 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。

基于 便携式光谱模块的食品安全检测仪

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。

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。

我在故宫修文物》

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。

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。

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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