光谱仪颠覆性技术：核心部件成本从几万美元降到几美元

张琼+运怡冰

光谱仪作为一种分析仪器，应用非常广泛，几乎在每个科学领域都会用到，尤其在物理、化学和生物学研究中必不可少。但是，这类设备通常体积过大以致于难以移动，使用极其不便。为此，科学家们长期致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它们的使用范围。可是一直以来，相关努力都不是很成功。

清华大学电子工程系的国家青年千人计划入选者鲍捷，于2015年7月在《自然》杂志以第一作者及通讯作者身份发表论文《基于胶体量子点纳米材料的光谱仪》，提出了一种光谱仪微型化的新方法，这是国际上首次报道将胶体量子点纳米材料应用于微型光谱仪制作的研究。论文的另一作者是麻省理工学院化学系教授莫吉·巴旺迪（MoungiBawendi）。

此项研究成果为产业界制造更高性能的光谱仪铺平了道路，而这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。鲍捷在接受记者采访时介绍，未来，该种光谱仪的核心部件成本缩减到以前的万分之一，能将原本几万美元的成本降至几美元，甚至控制在1美元以内。

光谱仪制造技术亟待创新突破

光谱仪（Spectrometer），顾名思义，是将复杂的光线分解为光谱的科学仪器，是现代光学理论与制造技术的结合产物。通过光谱仪不仅可以测量物体表面反射的可见光，而且可以测量到眼睛无法分辨的红外线、微波、紫外线、X射线等不可见光。光谱仪能够给光“拍照片”，并经过电脑自动显示与精确分析，全面测知被检物品中的各种元素成分。

正是由于这项技术具有普遍的重要性与适用性，因此它被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等检测中，涉及范围涵盖农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等各领域。

一直以來，几乎所有的光谱仪均是基于光栅而制成，但光栅存在易损、体积大、加工复杂、成本高等缺点，而且要达到好的分光效果所需的光程也较长，这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大、成本昂贵。另外，光栅的许多重要性能之间存在相互矛盾的关系，如体积、光谱分辨率、光谱范围等，提高一个方面通常会意味着牺牲另外一方面。

光谱仪用途广泛，为此科学家们一直在寻求将光谱仪小型化、经济化和创新化的技术，以此来突破仪器技术、成本以及庞大体积带来的种种束缚。但是，多年来科学家们设计出的大多数微型光谱仪仍是利用光的干涉原理，用光栅将复杂的光分解为光谱线，这限制了光谱仪的效率、分辨率和光谱范围，使得小型化的工作收效甚微。

颠覆性技术得到权威杂志关注

不过，光谱仪制造技术停滞不前的这种局面，在2015年7月被打破。7月2日出版的英国《自然》杂志中刊登了一篇名为《量子点光谱仪》（AColloidalQuantumDot Spectrometer）的文章，文中报道了一种基于胶体量子点纳米材料制作的微型光谱仪，这种光谱仪是由清华大学电子工程系鲍捷研究小组首次利用量子点纳米材料阵列制成，它比目前的手机照相机镜头的图像传感器还要小。这种光谱仪不仅革新了光谱仪的制作原理，还拓展了光谱仪的应用前景，成果有望贯通创新链和产业链。

《自然》杂志发表鲍捷文章的同期，专题编辑部作出这样的评论：“光谱仪已成为不可或缺的分析仪器。但是光谱仪通常又是昂贵而复杂的仪器，更高性能的光谱仪还会比较庞大，使其很难实地进行现场分析测量……科学家们描述了一个小巧且功能强大的光谱仪，并且可能以低廉的造价进入消费者电子产品市场，比如用于无损的红酒品质鉴定等，推进了光谱仪的进一步发展。”

鲍捷介绍说，量子点又称为“纳米晶”，是一种非常微小的纳米材料，它只有人头发丝的万分之一到十万分之一大小。通常当一个宏观材料的体积和大小被改变时，其颜色并不会发生变化，因为颜色是它的本征状态。但是当一个材料的尺寸是头发丝的万分之一到十万分之一时，该材料的颜色会随着它的大小变化而变化，变化过程精细到每增加一个原子或减少一个原子都会令颜色发生改变。因为光谱本身是非常细分的颜色，科学家能够用量子点材料所提供的一个庞大的颜色体系库对光谱进行颜色解读。

另外，量子点可以在液态时被加工、成型、集成。基于这个特点，可以将很多种不同尺寸的量子点材料集成为一类大家所熟悉的硬件形式，例如手机摄像头，从而实现了将大型的光谱仪器转化为手机摄像头中的传感器。这样的量子点光谱传感器可以缩小至针孔大小，在保证光谱仪众多性能不变的前提下，成本却大大降低。

基于量子点的诸多优点，鲍捷等人用量子点替代光栅作为新光谱仪的光谱分析器件，能够检测小到1nm的光谱位移。基于波长复用原理的胶体量子点光谱仪不再单独测量不同波长的光谱，而是用量子点滤光器和检测器同时测量多个光谱波段。这也是国际上首次将胶体量子点纳米材料用于制作微型光谱仪的报道。

文章中，鲍捷所展示的量子点光谱仪是将195种量子点集中在一张薄膜上，在300nm的光谱范围内其分辨率可达1nm；由于进入仪器的光不需要通过狭缝，光的通量大，光利用率可以达到50%。如果使用更多不同种类的量子点，量子点光谱仪理论上可以覆盖更广的范围（目前量子点可覆盖从200nm到约5?m的光谱范围），可以达到的分辨率也将会远远超过文章中所展示的量子点光谱仪的水平。

同期《自然》杂志还刊登了美国西北太平洋国家实验室科学家的专题评论文章，文章称，“这种优雅的将纳米技术与数码相机影像传感器集成的方法克服了多种现有技术所面临的困难”，“将来，我们可能会看到微小的、高分辨率的量子点光谱仪在太空任务、家居智能传感器和物联网中被应用。”

贯通产业链的创新成果前景广阔

目前，鲍捷的创新技术已经开始了产业化进程—突破光谱信息依托传统的仪器手段难以实时获取的技术瓶颈，将新型纳米晶材料—量子点与成像感光元件结合，开发出芯片大小的低成本、便携式量子点光谱传感器，从而实现用手机等便携设备进行物质成分分析和检测的功能。

鲍捷介绍道，在制作量子点光谱仪的过程中，首先把量子点溶液进行特殊处理，然后利用它体积微小的特点，使它可以像打印机里的墨水一样，被打印到基底上，形成一个阵列薄膜，最后把这个量子点薄膜与手机摄像头里面用的检测器阵列附和在一起，概念上就构成了一个光谱议。通过对光谱仪的结构和算法的重新定义和设计，一部微型光谱仪就诞生了。在现有条件下，这种微型光谱仪最小尺寸可达约1mm。

对于产业实践的优势，鲍捷解释说，量子点是一种无机材料，本身稳定性高，量子点光谱仪又利用的是其对光的吸收性能，可以说是量子点最稳定的性质，加以各种保护机制，综合以上三点量子点光谱仪的稳定性非常好。经过初步验证，鲍捷等人发明的量子点光谱仪灵敏度、检测限、信噪比及光谱获取速度等都与现有的微型光谱仪相当。另一方面，量子点阵列可以加工到几毫米见方甚至更小，由于不需要线性检测器，配置的二维检测器的阵列也可以达到这个量级，这些都使得量子点光谱仪体积可以做到几立方毫米甚至更小。

相对于行业中采用光栅技术的光谱仪，量子点技术有得天独厚的优势。鲍捷称，量子点本身对光具有吸收性能，不同大小的量子点可以吸收不同波长的光，在光谱仪中用量子点来代替光栅，可以实现多波长测量同时进行；将不同种类的量子点集中在一张薄膜上做成的光谱仪，可以实现对多组份同时进行测量，提高光利用率。由于在很宽的光谱范围内可以得到多种量子点，所以量子点光谱仪的分辨率和光谱范围理论上可以同时提高，不会相互矛盾。

从产业的角度而言，成本是一个核心要素，制约着产业成果能否拥有广阔的前景。在这一点上，量子点光谱仪与现有微型光谱仪相比也有很大的优势。一台量子点光谱仪内所含量子点的量远不到1mg，而现有实验室量子点材料的合成水平已经达到几克、十几克，工业上甚至可以达到千克甚至吨的水平，一台量子点光谱仪所需量子点的成本可低至几元钱，具有较高的成本优势。

成本低廉，为该创新成果的产业前景带来巨大的优势。再加上光谱仪用途广泛，所以从长远的发展来看，量子点光谱仪技术产业化的发展是非常值得期待的。鲍捷称，从用途上看，当量子点微型传感器植入智能手机后，用户可以通过摄像头进行食品、药品、个人健康等检测，传感器甚至能够植入人体，进行各项健康指标的检测。另外，光谱的传感功能还可以应用于农田中污染物与水质量的检测，以及食品生产、加工、运输等环节过程的监控，这些监控过程在消费者终端就可以实现。结合互联网与大数据，便可以将看似孤立、遥远甚至毫无类比性的事件中必然的因果关系挖掘出来，这些过程能够减少生产、生活中的损失。正如科学家所预测：“光谱传感器应用领域广泛，将成为人类智慧金字塔的坚实基础。”

感谢成果背后的执着与汗水

基于其颠覆性的技术和自带发展基因的产业路径，业界有理由相信，量子点光谱仪在未来将大有可为。尤其在“中国制造”向“中国智造”迈进的过程中，任何一项创新技术都弥足珍贵，更何况鲍捷及其团队所掌握的技术和所进行的产业實践，是如此的引入瞩目。

技术瞩目的背后，是鲍捷多年来勤奋积淀和不断历练的艰辛和汗水，对此鲍捷称，感谢这几年来的付出和坚持，如果没有这些丰富的淬炼就没有今天的收获。2002年，鲍捷进入清华大学化学系攻读学士学位，在本科阶段尝试过很多新的事情，从社工到军乐，再到射击，在一次次的自我突破和挑战中完善对大学生活的认知。大二的时候，他在射击课上还被教练选中，后来和团队代表清华参加全国的大学生射击比赛，获得了冠军。鲍捷讲到，探索是大学里非常值得去做的事情，但在研究生阶段、博士生阶段，就要以一种专注的状态去做一件事情。

喜欢尝试、勇于挑战的鲍捷刚开始博士阶段的研究工作的时候，选择了一个本科阶段完全没有接触过的方向，那时候他甚至连这个领域里最基本的一些定义都不知道，当时也面临很多的迷茫和痛苦。但当意识到，一个领域只有极少的人能走到它的最前沿，真正去做别人没有做过的事情时，他知道，这正是他需要挑战和坚持的事情。挑战一个完全陌生的领域，是最让他兴奋的事情。因为，他希望人生多一点“疯狂”。

为此，鲍捷2010年博士毕业后，进入麻省理工学院（MIT）进行博士后阶段的研究工作。这期间，他所在的课题组是国际上最早做量子点的课题组之一，而他最初也是做量子点在太阳能电池、光检测器领域的应用工作。“随着基础研究的深入，我逐渐希望能够做一些对人类社会产生更直接的影响和作用的研究成果。”

鲍捷介绍道，太阳是我们地球上人类最常见的光源，人类在阳光的照射下进化，人类的眼睛在进化过程中实际上受到太阳温度的影响。太阳的温度决定了发射出来的太阳光的主要波长在500nm左右，因此人类能看到的可见光的波长也在500nm附近（人眼的可见光范围为400nm-700nm）。比400nm波长更短的光，一般被称为紫外线，对人类的皮肤有破坏作用，长时间在紫外线下照射会诱发皮肤癌。

出于对紫外线的研究，鲍捷发现美国人非常喜欢晒太阳，而美国白人因为本身就缺乏黑色素的保护，所以更容易得皮肤癌。“紫外线是一个波长的区域，同样强度的短波长和长波长的紫外光对皮肤造成伤害的差别非常大，但是通常人们对紫外线的检测并不能将其区分开来，因而也无法对人们防患皮肤癌起到有效的预警和保护作用。”鲍捷发现，可以通过他所研究的量子点来帮助人们随时随地检测不同波长的紫外线成分。也正是从这里开始，鲍捷从基础研究逐渐转向应用研究。

从2012年起，鲍捷开始尝试研发基于量子点的新型光谱仪。2013年，他毅然决定放弃在美国的优厚待遇和职位，回到中国，回到母校清华大学任教，并建立量子光谱集成器件实验室，继续进行相关的研究。

因为坚持和执着，也因为勇于挑战和不断奋进，归国后的鲍捷依旧保持着学术的好奇和不断前行的动力。付出终有回报，三年后，随着《自然》杂志这篇文章的刊出，鲍捷的创新成果及量子点光谱仪震惊了整个业界。对于未来，鲍捷和团队仍旧精勤不倦，积极探寻和拓展更多新型光谱仪的广泛用途，并希望能尽自己所能，在科研和产业领域奉献更多的智慧，为“中国智造”、创新强国梦做出自己的贡献。