光譜儀應用和發展趨勢詳細說明

一、光譜及光譜分析　

　　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。

　　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。

二、光譜儀及其應用　　

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。　　

1、光譜儀在文物研究方面的應用

　　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，這就為修復選用精準顏料提供了依據。　　

2、光譜儀其他應用

其實，光譜儀的應用不止于此，光譜儀的應用方向還包括食品藥品檢測、生化檢測、環境監測、照明檢測、石油化工、航天軍工等。

光譜儀在食品檢測方面的應用舉例。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。

三、光譜儀的發展及其趨勢　　

  光譜儀的研發離我們也并不遙遠。有專業調查機構預測，在2015至2021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。　

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，光譜儀研發重點應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。

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”，具有體積小（U盤大小）、價格低廉的優勢。超微型光譜儀可以快速檢測美容類產品和母嬰類產品的有害成分、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。

　　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。　　

（內容參考中國科學院深圳先進技術研究院）

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