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至一文带你了解光谱仪检测新“利器”

2021-11-20

一文带你了解光谱仪检测新“利器”

1666年,23岁的牛顿在阴暗房间的护窗板上开了1个小孔,1束太阳光进入并从放置好的玻璃棱镜上传过,诞生了科学史上着名的人造彩虹那束折射到墙上的光不但是变宽的光点,更是红、橙、黄、绿、蓝、紫排列的彩色光带。他又将这条人造彩虹通过反向放置的第2个棱镜重新结合,又变成了白色的光。1直以来遵守着日出而作,日落而息的人们,次认识到了习以为常的光也是1个神秘的复杂体。

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期就知道了下雨过后的彩虹其实不是天上神仙的拱桥,而是由于光线照耀到空气中的水滴构成反射和折射后产生的。人们平常生活中所见的光,是由多种色彩构成的复色光,通过棱镜,或类似棱镜功能的水滴等分光后显现的就变成了色彩各异的单色光。这些单色光按不同波长(或频率)大小顺次排列构成的图案,就是光谱。

至一文带你了解光谱仪检测新“利器”

可见光谱

人眼看不见的光要怎样被看见?

光谱分析是人类借助光认知世界有的重要方式。地球上不同的元素及其化合物都有自己的光谱特点,光谱因此被视为辨别物资的指纹。如果说肉眼能看到物资的形状、尺寸等信息,光谱分析则能获得物资的成份信息,帮助我们看清事物的本质。

光谱仪又叫分光仪,是将成份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资的光谱,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。

前段时间火爆的纪录片《我在故宫修文物》中就有这样1个例子:描绘乾隆皇帝的母亲崇庆皇太后810大寿时现场祝寿实景的《崇庆皇太后8旬万寿图》,历经250多年以后非常残破,绢面有缺损断裂,乃至还有霉迹。要想恢复原风格貌,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包管了其全部刚性;的种类。根据不同颜料产地光谱曲线的差异,科技人员乃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根据。其实,光谱仪的利用不止于此,光谱仪的研发离我们也其实不遥远。有专业调查机构预测,在2015至2021期间,全部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。

伴随我国经济迅速发展,人民生活水平提高,不论是在工业还是生活方面,产品质量越发遭到关注,各类检测需求不断出现,这就促使光谱仪器的市场逐步扩大。中国科学院深圳先进技术研究院集成所精密工程中心副研究员林慧及其团队致力于光谱仪器的核心器件、仪器的整机设计和利用解决方案的研发。在过去的7年里,科研团队研发的食品安全快速检测仪,已在贵州省食品药品监管部门推行利用;药物资量在线监控系统已在39皮炎平生产线顺利运行。

林慧介绍,光谱仪的利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、航天兵工等,关乎我们生活的各个方面。根据检测目标的要求,才能从技术上精准定义合适的光谱仪器方案。比如有的场适合适用高精度的大中型光谱仪,有的场适合适用便携式或超微型光谱仪;有的样品对光谱分辨率要求高,有的样品对光谱重复性要求高。

光谱仪如何帮助人们进行检测?

以市面上销售的橄榄油、核桃油等油品为例,由于这些油营养价值丰富,所以相应价格也较1般食用油更贵,所以有的不法份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不是搀假呢?通过近红外光谱方法有望建立起1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,基于收集的数据建立起标准光谱数据库,在此基础上开发1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1个准则,以后的油品检测都可以与此进行比较,鉴别真伪。

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利用不断扩大,因此,林慧团队将重点放在合适于现场快速检测的光谱仪器,特别是便携式光谱仪的研发上。如团队用时1年多开发的多功能食品快速检测仪,其内嵌了便携式光谱仪模块,利用不同化学物资的特点光谱吸收峰,可以在1台机器上实现农药残留、化学添加剂、重金属等多个项目的定量快速检测,从而大大提高了食品监管部门的效力。该产品已取得广东省计量院校准证书,并在市场上推行利用。再如前文提到的已在39皮炎平生产线中使用的近红外药物资量在线检测系统,通过对皮炎平乳膏混匀进程中的光谱信号的实时收集和分析,能够监控醋酸地塞米松、樟脑、薄荷脑等3种主药的成份是不是在合格范围,从而判断药物是不是进行了充分混合。该系统已在华润39制膏生产线顺利运行,提高了39皮炎平的生产质量控制水平。

至一文带你了解光谱仪检测新“利器”

林慧团队研发的基于便携式光谱模块的食品安全检测仪

近日,林慧团队关注便携式光谱仪在健康检测中的利用,正在研发面向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目前死亡率高的疾病,且有愈来愈年轻化的趋势。服用抗血小板聚集药物如阿司匹林、氯吡格雷等是临床上预防、医治血栓性疾病的普遍措施,但目前的抗栓药物医治基本上采取普适原则,从而会引发两个不同方向的问题。1方面,对约10的患者而言抗血小板药物剂量过大,在缺血事件得到控制的同时,出血事件几率增加。另外一方面,约有30的患者会出现用药抵抗,血栓几率增加5倍!通过研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,将为个性化科学用药提供根据,也有益于提早发现隐患并进行干预。

未来的超微型光谱仪

在光谱利用外延不断的扩大,便携式光谱仪或许还不够,能够被更多人使用的超微型光谱仪已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1个传聚氨酯在各个国家汽车材料中占两成左右感器,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。只有超微型光谱仪能成功并推行,光谱仪器才使碳纤维增强树脂基复合材料的抗冲击性能弱于玻璃纤维和凯夫拉纤维有可能跳出仪器的范畴,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。

林慧团队已将未来的目标瞄准了超微型光谱仪这1前沿课题,以利用为导向,以微纳技术为核心,力求帮助人们实现平常检测的欲望。比如对1些的酒类产品的快速鉴别,由于造假技术愈来愈出神入化,单凭嗅觉和视觉去判断真假已很困难,但如果只有通过饮用才能判断真伪又为时“倾家荡产”研制新材料晚矣,超微型光谱仪技术有望为类似场景提供参考根据。另外对爱漂亮的女士和妈妈,美容类产品和母婴类产品的检测需求也愈来愈多,超微型光谱仪可以快速检测相干产品的有害成份、也能够测定皮肤健康度等等。

超微型光谱仪本身就是1个高度集成的模块,从技术和本钱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1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。

至一文带你了解光谱仪检测新“利器”

林慧团队自主研发的凹面光栅器件和与手机适配的微型光谱仪模组

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份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。林慧博士说:光谱仪器体积愈来愈小,价格愈来愈低,利用愈来愈广,光谱仪器微小型化后,价格会变得非常低廉,总有1天可以走向普罗大众。

编辑点评

光谱仪是将成份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,利用光谱仪可丈量物体表面反射的光线。阳光中的7色光是肉眼能分的部份,但如果通过光谱仪将阳光分解,按波长排列,可见光只占光谱中很小的范围,其余都是肉眼没法分辨的光谱,如红外线、微波、紫外线、X射线等等。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,从而测知物品中含有何种元素。这类技术被广泛地利用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。