你相信光吗？光谱仪微型化原来如此重要

　　■ Jeff

　　微观检测的“火眼金睛”

　　在知名的牛顿色散实验中，他用三棱镜将看起来是纯白色的太阳光分解成了一条由各种颜色组成的光谱，又将这些不同颜色的光用第二块三棱镜重新合成了纯白色的太阳光，由此便证明了太阳光是由各种不同颜色的光混合而成的。事实上，我们熟悉的七色光只是太阳光里肉眼能够分辨的部分，若通过光谱仪将阳光分解后按波长排列，你会发现可见光只占太阳光谱中很小的部分，其余如红外线、微波、紫外线、X 射线等等都是肉眼无法分辨的光谱。而每一种元素都有自己独特的光谱，就像指纹一样，科学家可以通过分析物质发出的光谱来研究其组成细节，所以，通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，就能在不破坏甚至不接触物体的情况下，测得其中含有何种元素。

　　因此，从牛顿发现光的色散分解开始，光谱在人类生产生活、科学研究中的作用就越来越大，远到测量遥远恒星的状态，近到研究某些物质组成成分，光谱检测在很多时候都发挥着无可替代的作用，在更加日常的场景中，光谱仪也可以用于分析物质成分和结构，比如分析食物的新鲜度、食品药品的成分等等。

　　也就是从牛顿那个最简单的三棱镜开始，物理学家和工程师开始制造越来越精密的仪器来研究物质发出的光谱，那时候的光谱仪核心部件是三棱镜，而现在大多数光谱仪会用衍射光栅作为核心部件来执行分光的任务，这些被分开的光会进一步被探测器接收和测量。不过问题在于，这些光谱仪的工作原理其实归根到底都跟牛顿的三棱镜是相似的，都要依赖于体积较大的光学元件来分光，因此很难做到真正意义上的微型化。

　　光谱仪微型化，人类健康生活的又一次突破

　　光谱仪在质量检测、食品安全乃至医疗领域的作用都十分重要， 以无创血糖检测为例，传统血糖检测方式是通过采血，精准检测人体血液中葡萄糖含量，而此前就已经有手持式红外光谱仪，利用检测指甲角蛋白的方式来检测血糖，几秒钟内就能得出结果。但这依然是一个独立的设备，价格也非常昂贵，而2023 阿里巴巴达摩院青橙奖获得者杨宗银博士的研究成果就有可能开发出集成在诸如手机、无人机和各种可穿戴设备中的微型光谱仪，实现小巧方便的无创血糖检测。

　　不同于传统光谱仪使用光学材料分光的思路， 杨宗银博士团队用带隙渐变半导体纳米线来得到渐变的光响应谱， 替代了大部分传统光谱仪中用到的光栅、探测器阵列和准直光路等体积较大的元件， 从单色光、双色光、连续光谱和多个单色光的光谱的计算重构结果来看， 与商用光谱仪的结果相差不大， 基本实现了功能替代， 而且大大缩小了光谱仪的体积， 器件尺寸仅几十微米， 功能上不仅可用于单细胞高光谱成像、光谱监测和筛选， 也可以通过替换材料来将微型光谱仪的工作波段从可见光延伸到中红外光，从而适用于更多的应用场景。

　　虽然说起来似乎很简单，但这项研究的成功并不是信手拈来那么轻而易举，这里面包含了杨宗银博士8 年内150 次的辗转尝试，《Science》杂志编辑对这项研究的评论是“世界上最先进的材料合成，最高超的实验技巧，最巧妙的算法”，因此，杨宗银博士能够借此成果拿下2023 阿里巴巴达摩院青橙奖，确实是实至名归！

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