從牛頓的“人造彩虹”到光譜儀,檢測新“利器”應用更廣!

2017-08-16
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      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,第一次認識到了習以為常的“光”也是一個神秘的復雜體。隨著科學的不斷進步與教育的廣泛普及,現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生的。

  人們日常生活中所見的光,是由多種顏色構成的復色光,通過棱鏡,或者類似棱鏡功能的水滴等分光后顯現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。


圖1:可見光譜


 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的“指紋”。如果說肉眼能看到物質的形狀、尺寸等信息,光譜分析則能獲取物質的成分信息,幫助我們看清事物的本質。光譜儀又叫分光儀,是將成分復雜的光分解為光譜線的科學儀器,由棱鏡或衍射光柵等構成。通過光譜儀分析不同物質的光譜,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、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場祝壽實景的《崇慶皇太后八旬萬壽圖》,歷經250多年之后非常殘破,絹面有缺損斷裂,甚至還有霉跡。要想恢復原作風貌,修復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。根據不同顏料產地光譜曲線的差異,科技人員甚至還能反推出顏料的產地——這就為修復選用**顏料提供了依據。  其實,光譜儀的應用不止于此,光譜儀的研發離我們也并不遙遠。有專業調查機構預測,在20152021期間,整個光譜儀器市場年增長率為7%,而小型/微型光譜儀的復合年增長率將達11%,2021年市場將達3億美元。從這些數據可以看出,光譜市場發展前景較好。

  

  伴隨我國經濟迅速發展,人民生活水平提高,不論是在工業還是生活方面,產品質量愈加受到關注,各類檢測需求不斷涌現,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、儀器的整機設計和應用解決方案的研發。在過去的7年里,他的團隊研發的食品安全快速檢測儀已經在貴州省食品藥品監管部門推廣應用;藥物質量在線監控系統已在三九皮炎平生產線順利運行。


  林慧博士介紹,光譜儀的應用方向包括食品藥品檢測、生化檢測、環境監測、照明檢測、石油化工、航天軍工等,關乎我們生活的方方面面。根據檢測目標的要求,才能從技術上**定義*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,由于這些油營養價值豐富,所以相應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,基于采集的數據建立起標準光譜數據庫,在此基礎上開發一套定性鑒別或定量檢測的化學計量學分析算法和準則。有了這樣一個準則,之后的油品檢測都可以與此進行比較,鑒別真偽。

  

  從光譜儀的發展趨勢來看,實驗室級大型光譜儀器的市場已趨于穩定,而工業和生活中的光譜檢測應用不斷擴大,因此,林慧博士和團隊將重點放在適合于現場快速檢測的光譜儀器,尤其是便攜式光譜儀的研發上。如團隊歷時一年多開發的多功能食品快速檢測儀,其內嵌了便攜式光譜儀模塊,利用不同化學物質的特征光譜吸收峰,可以在一臺機器上實現農藥殘留、化學添加劑、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管部門的效率。該產品已經獲得廣東省計量院校準證書,并在市場上推廣應用。再如前文提到的已在三九皮炎平生產線中使用的近紅外藥物質量在線檢測系統,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。該系統已在華潤三九制膏生產線順利運行,提高了三九皮炎平的生產質量控制水平。

  

圖:林慧團隊研發的基于便攜式光譜模塊的食品安全檢測儀


        *近,林慧博士和團隊關注便攜式光譜儀在健康檢測中的應用,正在研發面向心腦血管疾病監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**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%的患者會出現用藥抵抗,血栓概率增加5倍!通過研發基于散射光譜技術的血小板功能檢測儀,可以監測患者的血小板聚集情況,將為個性化科學用藥提供依據,也有利于提前發現隱患并進行干預。

  

  隨著光譜應用外延的不斷擴大,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成為產業界與學術界關注的焦點。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?。║盤大?。?、價格低廉的優勢。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品,而我國尚屬空白。林慧博士及其團隊已經將未來的目標瞄準了超微型光譜儀這一前沿課題,以應用為導向,以微納技術為核心,力求幫助人們實現日常檢測的愿望。比如對一些高端的酒類產品的快速鑒別,由于造假技術越來越“出神入化”,單憑嗅覺和視覺去判斷真假已經很困難,但如果只有通過飲用才能判斷真偽又“為時晚矣”,超微型光譜儀技術有望為類似場景提供參考依據。此外對于愛美的女士和媽媽,美容類產品和母嬰類產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產品的有害成分、也可以測定皮膚健康度等等。

  

  超微型光譜儀本身就是一個高度集成的模塊,從技術和成本上都不可能復制購買核心器件再集成的方式,需要從設計、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零部件,因此必須掌握器件技術,包括衍射光柵和微納工藝,才能建立核心競爭力,為產業化奠定基礎。


圖:林慧團隊自主研發的凹面光柵器件以及與手機適配的微型光譜儀模組


 可以想見,未來,人們攜帶著超微型光譜儀,能夠對食品的營養成分和品質進行快速分析,能夠對健康指標進行快速監測,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?!?/span>

  

  光譜儀是將成分復雜的光分解為光譜線的科學儀器,由棱鏡或衍射光柵等構成,利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。陽光中的七色光是肉眼能分的部分(可見光),但若通過光譜儀將陽光分解,按波長排列,可見光只占光譜中很小的范圍,其余都是肉眼無法分辨的光譜。通過光譜儀對光信息的抓取、以照相底片顯影,或電腦化自動顯示數值儀器顯示和分析,從而測知物品中含有何種元素。這種技術被廣泛地應用于空氣污染、水污染、食品衛生、金屬工業等的檢測中。

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