光谱仪应用和发展趋势详细说明

一、光谱及光谱分析　

　　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。

二、光谱仪及其应用　　

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。　　

1、光谱仪在文物研究方面的应用

　　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。　　

2、光谱仪其他应用

其实，光谱仪的应用不止于此，光谱仪的应用方向还包括食品药品检测、生化检测、环境监测、照明检测、石油化工、航天军工等。

光谱仪在食品检测方面的应用举例。光谱仪是如何帮助人们进行检测的呢？以市面上销售的橄榄油、核桃油等高端油品为例，由于这些油营养价值丰富，所以相应价格也较一般食用油更贵，所以有的不法分子在其中掺入其他便宜油种来欺骗消费者，从而赚取利润。如何不通过人的视觉、嗅觉、味觉等感官体验来检测油品是否掺假呢？通过近红外光谱方法有望建立起一套快速有效的评价标准。研究人员将主要的橄榄油品类进行光谱扫描，基于采集的数据建立起标准光谱数据库，在此基础上开发一套定性鉴别或定量检测的化学计量学分析算法和准则。有了这样一个准则，之后的油品检测都可以与此进行比较，鉴别真伪。

三、光谱仪的发展及其趋势　　

  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。　

从光谱仪的发展趋势来看，实验室级大型光谱仪器的市场已趋于稳定，而工业和生活中的光谱检测应用不断扩大，因此，光谱仪研发重点应放在适合于现场快速检测的光谱仪器，尤其是便携式光谱仪的研发上。

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。超微型光谱仪可以快速检测美容类产品和母婴类产品的有害成分、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。　　

（内容参考中国科学院深圳先进技术研究院）

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