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什么颜色是光？

1666年，23岁的牛顿在一间暗室的百叶窗上开了一个小洞，一束阳光射入并穿过安放的玻璃棱镜，诞生了科学史上著名的“人造彩虹”——太阳光的光束折射到墙上不仅是一个加宽的光斑，而且是一条按红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带。 他通过倒置的第二个棱镜将这条“人造彩虹”重新组合，又变成了白光。 （点击文末“阅读原文”查看阅读创作APP专题解读）

一向奉行“日出而作，日落而息”的人们，第一次意识到，他们习以为常的“光”也是一种神秘的情结。

随着科学的不断进步和教育的广泛普及，现代人从小就知道雨后彩虹并不是天上的神仙“拱桥”，而是水滴的反射和折射当光照在空气中时。 后生成。

人们在日常生活中看到的光是由多种颜色组成的多色光。 经过一个棱镜或具有类似棱镜作用的水滴后，变成具有不同颜色的单色光。 这些单色光按不同的波长（或频率）依次排列，形成一种图案，这就是光谱。

△可见光谱

人眼看不见的光怎么能“看见”呢？

光谱分析是人类借助光来感知世界的重要方式。 地球上不同的元素及其化合物都有其独特的光谱特征，光谱因此被视为识别物质的“指纹”。 如果说肉眼可以看到物质的形状、大小等信息，那么光谱分析就可以获得物质的成分信息，帮助我们看清事物的本质。

△ 不同频率的光对于同一介质折射率不同

光谱仪，又称光谱仪，是一种将复杂的光分解成光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅组成。 通过用光谱仪分析不同物质的光谱，可以检测到很多重要信息，比如未知行星的表面信息、钢铁和宝石的质量、炸药的特性等等。

前段时间热播的纪录片《我在故宫修文物》中就有这样一个例子：《重庆太后八十年图》，描绘了太后八十寿辰的真实场景乾隆皇帝的母亲重庆，在经历了250多年之后，已经非常破败，绢面破损破碎，甚至出现霉斑。 为了恢复原样，在修复时需要了解当时使用的颜料。

研究人员使用光谱扫描仪对古画颜料进行扫描，提取出古画颜料的信息，推导出原画所用矿物原料的种类。 根据不同色素产地的光谱曲线差异，科技人员甚至可以推断出色素的产地——这为选择准确的色素进行修复提供了依据。

其实光谱仪的应用并不仅限于此，光谱仪的研发离我们并不遥远。 专业调查机构预测，2015年至2021年，整个光谱仪器市场年增长率为7%，而小型/微型光谱仪的年复合增长率将达到11%，市场规模将达到3亿美元。美元在2021年。从这些数据可以看出，频谱市场具有良好的发展前景。

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，产品质量越来越受到人们的重视，无论是在工业上还是在生活中，各种检测需求应运而生，促使光谱仪器市场逐渐扩大. 高等集成研究院精密工程中心副研究员林辉博士及其团队一直致力于光谱仪器的核心部件、整机的设计、应用方案的研发。 7年来，其团队研制的食品安全快速检测仪在贵州省食品药品监管部门推广应用； 在线药品质量监控系统已在三九皮炎平生产线成功运行。

据林辉博士介绍，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，与我们生活的方方面面都息息相关。 根据检测目标的要求，从技术上精确定义最合适的光谱仪器方案。 例如，有的场合适用于高精度大中型光谱仪，有的场合适用于便携式或超微型光谱仪； 有些样品要求高光谱分辨率，有些样品要求高光谱重复性。

光谱仪如何帮助人们进行检测？

以市面上的橄榄油、核桃油等高档油为例。 因为这些油具有丰富的营养价值，相应的价格也比普通食用油要贵一些。 因此，一些不法分子将其他廉价油品混入其中，欺骗消费者以牟取暴利。 不借助人的视觉、嗅觉、味觉等感官经验，如何检测油品是否掺假？ 近红外光谱有望建立一套快速有效的评价标准。 研究人员扫描了主要橄榄油类别的光谱，根据收集到的数据建立了标准光谱数据库，并开发了一套用于定性鉴定或定量检测的化学计量学分析算法和指南。 有了这样的标准，后续的油品检测就可以与此进行对比，鉴别真伪。

从光谱仪的发展趋势来看，实验室大型光谱仪器市场趋于稳定，而光谱检测在工业和生活中的应用不断扩大。 因此，林辉博士及其团队将目光投向了快速检测领域。 光谱仪器，特别是便携式光谱仪的研发。

例如，团队历时一年多研发的多功能食品快速检测仪，内置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，可实现一机多用检测农药残留、化学添加剂、重金属等。 该项目的定量快速检测大大提高了食品监管部门的工作效率。 本产品已获得广东省计量院校准证书，并在市场上推广应用。

又如前文提到的三九皮炎平生产线所采用的近红外药品质量在线检测系统。 通过对皮炎平乳膏配制过程中光谱信号的实时采集分析，可以监测醋酸地塞米松、樟脑、薄荷醇等三种主要药物的成分是否在合格范围内，从而判断其是否符合要求。药物充分混合。 该系统已在华润三九软膏生产线顺利运行，提升了三九皮炎平的生产质量控制水平。

△林辉团队研发的基于便携式光谱模块的食品安全检测仪

近期可见光纤光谱仪，林辉博士及其团队专注于便携式光谱仪在健康检测中的应用，正在研发一款用于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全球死亡率最高的疾病，且有​​年轻化趋势。 服用阿司匹林、氯吡格雷等抗血小板聚集药物是临床上预防和治疗血栓性疾病的常用措施，但目前的抗血栓药物治疗基本采用普适性原则，这会造成两个不同方向的问题。 一方面，约10%的患者抗血小板药物剂量过高，在控制缺血事件的同时，出血事件的概率增加。 另一方面，大约30%的患者会产生耐药性，血栓形成的概率会增加5倍！ 通过开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，为个性化科学用药提供依据，也有利于早期发现隐患和干预。

未来的超微型光谱仪

随着光谱应用延伸的不断扩大，便携式光谱仪可能已经不够用，能够被更多人使用的超微型光谱仪成为工业界和学术界关注的焦点。 超微型光谱仪实际上相当于一个传感器。 被誉为“口袋里的实验室”，具有体积小（U盘大小）、价格低廉等优点。 只有超微型光谱仪能够成功普及，光谱仪器才能突破仪器的范畴，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。

林辉博士及其团队将未来的目标定在超微型光谱仪这一前沿课题上，以应用为导向，以微纳技术为核心，努力帮助人们实现日常检测的愿望。 比如对于一些高档酒类产品的快速鉴别，由于防伪技术越来越“高超”，单靠嗅觉和视觉已经很难辨别真伪，但如果只能靠喝来辨别真伪的话，“为时已晚”，超微型光谱仪技术有望为类似场景提供参考。此外，对于爱美的女性和妈妈们来说，美妆产品和母婴产品的检测需求越来越多超微型光谱仪可以快速检测相关产品中的有害成分，还可以测量皮肤健康等。

超微型光谱仪本身就是一个高度集成的模块。 复制购买核心部件然后集成的方式在技术和成本上是不可能的。 从设计到工艺都需要一次性完成。 目前我国与国际先进水平的差距主要在基础元器件上，因此需要掌握器件技术，包括衍射光栅和微纳技术，以建立核心竞争力，为产业化打下基础.

△林辉团队自主研发的凹面光栅器件及适配手机的微型光谱仪模块

可以想象，未来人们将携带超微型光谱仪，可以快速分析食物的营养成分和品质，可以快速监测健康指标。 科技手段保障人民健康。 林辉博士说：“光谱仪器的体积越来越小可见光纤光谱仪，价格越来越低，应用越来越广。光谱仪器小型化后，价格会变得很低，一台那天他们将向公众开放。”

如果您对以上项目感兴趣，欢迎留言联系我们，或致电冯先生0755-86392046。 如果您想在我们的微信平台上展示您的研究团队的成果，请提交至siat_news@siat.ac.cn

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读书记者袁思茹

文字及部分图片来自高等研究院

编辑春儿

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