利用光谱仪技术，可以迅速知道水果糖分、粮食中的蛋白质含量、珠宝的真伪、毒 品和爆 炸品的鉴定，甚至我们的嫦娥1号也带上了光谱仪，在尚未登陆月球的情况下，通过月球表面太阳光的反射来辨别月球表面的物质和矿石分布情况。

光谱仪看上去神通广大，那什么是光谱仪？工作原理是什么？

说到光谱仪，我们很多人都会觉得比较陌生，其实光谱仪就是一种通过利用设备反射的光束，然后光谱仪对这些光谱信息进行抓取，采集，利用光学色散原理以及现代先进的光电转换技术，从而判断出这些物品中含有的元素。

一个光谱仪，简单来说包含三个系统：光源、分光及采集。

光源发出光，照射在物品上。如果物体是相对透明液体，那么采用透射的形式，让光源的光透过透明液体产生样品光。如果物体是固态或者粉末状，那么采用漫反射的形式，通过物体表面的反射得到样品光。这种样品光由于经过透射和反射，已经包含了物质的特性。

样品光经过分光系统，可以得到各个波长的光的能量大小，有点类似于我们都熟悉的彩虹，或者初中课本的棱镜。

最后通过一个光电传感器，把光的能量转变成电，形成一个信号记录下来，由此可以产生不同物质的光谱，根据物质对光的吸收特性，就可以快速判断物质是什么！

光谱仪的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散(分光)原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。

光谱仪应用范围非常广，几乎各行各业都有需求。质量好的光谱仪检测产品中各种元素的含量精度可达到0.001ppm。一般企业都有这个需求，可以为企业节约成本，提高产品质量。

光谱仪广泛应用于物质样品的研究、分析和检测工作中。例如检测污染物、味道鉴定、颜色鉴定、医学诊断、食品生产等领域。其中最广泛应用的是光谱图谱法，在药物、生物、环境、食品等领域得到了广泛的应用。

光谱图谱法可以用于分析样品中的元素、组成和结构等，通过其具有强大的检测和分析功能，可以快速定位、诊断和鉴定有毒有害物质。光谱仪还可以联合其他型号的仪器一起使用，开发出更加精准的分析方法和工艺，为现代科研和工业生产提供了有力支持。

随着新技术的不断涌现，光谱仪产业也在不断革新和发展。近年来，光谱仪的小型化、智能化及大数据化成为行业重点发展方向。采用微小芯片和纳米级元器件改善光学结构、进一步提高检测速度和精度；大数据云计算、人工智能等新技术催生了光谱分析数据可视化的新模式等等。同时，新型材料的发展和生物医学、环境科学等前沿研究的需求推动了发射、荧光、拉曼等光谱仪的进一步创新。

世界上最小的光谱仪

浙江大学百人计划研究员杨宗银因发明世界上最小的光谱仪和超宽波长可调谐纳米激光器入选“科技创新 35 人”。他开创了基于带隙渐变半导体材料的全光谱发光与探测的一系列理论、方法和工艺的研究，实现了多个“世界之最”。同时，他也从微型光谱仪、波长可调谐光源以及新型发光材料合成等方面突破了光谱检测设备微型化的核心技术瓶颈，并进行产业化研究。

传统的光谱检测设备由于体积庞大、价格昂贵，导致其难以大规模在化学分析、食品检测、生物检测等领域发挥重要作用。然而，减小其内部光学和电学元件的尺寸，将导致其性能显著下降从而无法应用。因此，光谱检测设备的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。杨宗银首次提出集分光和探测于一体的光谱仪微型化技术方案，开创性地将计算光谱技术与半导体纳米材料结合开发出世界上最小的光谱仪。

该光谱仪器件尺寸仅几十微米，仅为传统光谱仪的 1/1000。解决了在微米尺度上实现大光谱范围色散的科学难题，突破了传统光谱仪小尺寸与高性能无法兼具的挑战。

Science 审稿人对该研究评价：“该研究是集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的杰作。”

微型光谱仪技术壁垒较高，目前市场上尚未有成熟的产品。计算光谱的重构速度是技术壁垒，这需要在算法上做大量创新来解决。据介绍，目前的算法可达到 0.1 秒的速度，可满足单点测量的光谱仪来要求，但对于成像光谱还不够。

手机传感器目前处于“瓶颈”的发展状态，微型光谱仪从长远看是“黄金赛道”，但是短期内还有很多的技术和应用问题尚未解决。“技术一直在进步，我相信近几年，随着进入该行业的人才越来越多，光谱分辨率和稳定性的问题会被很好地解决。”杨宗银说。

世界首台断层光谱仪

近年来，随着市场规模不断扩大，半导体行业对材料的检测标准日益标高。然而，由于当前市面上的检测手段无法准确把握薄膜材料的结构性能，芯片行业发展陷入了瓶颈。

经历近10年潜心研究，麻省大学Amherst分校博士后、国家级海外青年学者、西安交通大学前沿院教授鲁广昊终于在2020年带领团队实现技术突破，研发出有机薄膜断层吸收光谱分析技术，在西安交通大学实验室里搭建成功世界上第一台原位断层光谱分析仪，并在配套的软件及算法方面取得了系列成果。

该团队突破性地使用了软等离子体源刻蚀技术，通过实现对有机半导体薄膜断层的精准检测，将“卡脖子”变成“杀 手锏”。该项技术在填补半导体市场空白的同时，为我国突破西方技术封锁铸就了突围重器。

断层光谱分析仪将传统的“一维光谱”展开成“二维光谱”，可表征薄膜不同深度处的组分分布、凝聚态结构、光学分布、电荷局域态密度的空间和能量分布等，为器件中电荷分布及电荷输运提供了直接的实验证据，可用作企业和研究机构实验室等的分析仪器。

该产品主要对标的企业为美国Thermo Fisher、安捷伦、日本岛津等光谱仪企业，但这些公司只有一维光谱仪，没有断层光谱仪销售。因此，鲁广昊教授团队研发的断层光谱仪和相应的半导体分析软件具有唯一性，构建起技术壁垒。

目前，鲁广昊教授已成立起陕西谱光微视科技有限公司，并于2021年6月获得秦创原春种基金的初创资金支持。公司围绕着空间和时间分辨光谱技术，开发了PGWS PU-100、PGWS PU-200、PGWS DU-100、PGWS DU-200等系列产品，已完成了包括中国科学院大学、北京大学等知名高校数百万元设备销售订单，其数据用户已超过100多家。

同时，陕西谱光微视科技有限公司成功入选陕西省2022年第7批科技型中小企业名单，成功晋级进入第十一届中国创新创业大赛陕西赛区决赛。凭借其成熟的机型、配套的分析计算软件、专利群布局、西安交大科研和创业平台及秦创原春种基金团队的持续赋能，谱光微视定能在光谱仪市场创造属于自己的一番天地，为“中国智造”贡献力量！

我国的光谱仪行业从20世纪50年代起步，经过短短这么多年的深耕发展，目前已成为全球领先的光谱仪制造国家。未来，光谱仪制造企业需要不断提高自身在研发和制造方面的技术水平、保持在国际市场的竞争力，为我国光谱仪行业的发展助力。

文章来源： 机器人攻城狮，东方闪光，DeepTech深科技，创新西安