光譜儀顛覆性技術(shù)：核心部件成本從幾萬美元降到幾美元

張瓊+運怡冰

光譜儀作為一種分析儀器，應(yīng)用非常廣泛，幾乎在每個科學(xué)領(lǐng)域都會用到，尤其在物理、化學(xué)和生物學(xué)研究中必不可少。但是，這類設(shè)備通常體積過大以致于難以移動，使用極其不便。為此，科學(xué)家們長期致力于讓光譜儀小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它們的使用范圍?？墒且恢币詠?，相關(guān)努力都不是很成功。

清華大學(xué)電子工程系的國家青年千人計劃入選者鮑捷，于2015年7月在《自然》雜志以第一作者及通訊作者身份發(fā)表論文《基于膠體量子點納米材料的光譜儀》，提出了一種光譜儀微型化的新方法，這是國際上首次報道將膠體量子點納米材料應(yīng)用于微型光譜儀制作的研究。論文的另一作者是麻省理工學(xué)院化學(xué)系教授莫吉·巴旺迪（MoungiBawendi）。

此項研究成果為產(chǎn)業(yè)界制造更高性能的光譜儀鋪平了道路，而這種光譜儀將比手機照相機鏡頭的圖像傳感器還要微型。鮑捷在接受記者采訪時介紹，未來，該種光譜儀的核心部件成本縮減到以前的萬分之一，能將原本幾萬美元的成本降至幾美元，甚至控制在1美元以內(nèi)。

光譜儀制造技術(shù)亟待創(chuàng)新突破

光譜儀（Spectrometer），顧名思義，是將復(fù)雜的光線分解為光譜的科學(xué)儀器，是現(xiàn)代光學(xué)理論與制造技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。通過光譜儀不僅可以測量物體表面反射的可見光，而且可以測量到眼睛無法分辨的紅外線、微波、紫外線、X射線等不可見光。光譜儀能夠給光“拍照片”，并經(jīng)過電腦自動顯示與精確分析，全面測知被檢物品中的各種元素成分。

正是由于這項技術(shù)具有普遍的重要性與適用性，因此它被廣泛地應(yīng)用于空氣污染、水污染、食品衛(wèi)生、金屬工業(yè)等檢測中，涉及范圍涵蓋農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計量、環(huán)境檢測、薄膜工業(yè)、食品、印刷、造紙、喇曼光譜、半導(dǎo)體工業(yè)、成分檢測、顏色混合及匹配、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監(jiān)控、薄膜厚度測量、LED測量、發(fā)射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顏色測量等各領(lǐng)域。

一直以來，幾乎所有的光譜儀均是基于光柵而制成，但光柵存在易損、體積大、加工復(fù)雜、成本高等缺點，而且要達(dá)到好的分光效果所需的光程也較長，這些因素都使得基于光柵的光譜儀體積巨大、成本昂貴。另外，光柵的許多重要性能之間存在相互矛盾的關(guān)系，如體積、光譜分辨率、光譜范圍等，提高一個方面通常會意味著犧牲另外一方面。

光譜儀用途廣泛，為此科學(xué)家們一直在尋求將光譜儀小型化、經(jīng)濟化和創(chuàng)新化的技術(shù)，以此來突破儀器技術(shù)、成本以及龐大體積帶來的種種束縛。但是，多年來科學(xué)家們設(shè)計出的大多數(shù)微型光譜儀仍是利用光的干涉原理，用光柵將復(fù)雜的光分解為光譜線，這限制了光譜儀的效率、分辨率和光譜范圍，使得小型化的工作收效甚微。

顛覆性技術(shù)得到權(quán)威雜志關(guān)注

不過，光譜儀制造技術(shù)停滯不前的這種局面，在2015年7月被打破。7月2日出版的英國《自然》雜志中刊登了一篇名為《量子點光譜儀》（AColloidalQuantumDot Spectrometer）的文章，文中報道了一種基于膠體量子點納米材料制作的微型光譜儀，這種光譜儀是由清華大學(xué)電子工程系鮑捷研究小組首次利用量子點納米材料陣列制成，它比目前的手機照相機鏡頭的圖像傳感器還要小。這種光譜儀不僅革新了光譜儀的制作原理，還拓展了光譜儀的應(yīng)用前景，成果有望貫通創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。

《自然》雜志發(fā)表鮑捷文章的同期，專題編輯部作出這樣的評論：“光譜儀已成為不可或缺的分析儀器。但是光譜儀通常又是昂貴而復(fù)雜的儀器，更高性能的光譜儀還會比較龐大，使其很難實地進(jìn)行現(xiàn)場分析測量……科學(xué)家們描述了一個小巧且功能強大的光譜儀，并且可能以低廉的造價進(jìn)入消費者電子產(chǎn)品市場，比如用于無損的紅酒品質(zhì)鑒定等，推進(jìn)了光譜儀的進(jìn)一步發(fā)展?！?/p>

鮑捷介紹說，量子點又稱為“納米晶”，是一種非常微小的納米材料，它只有人頭發(fā)絲的萬分之一到十萬分之一大小。通常當(dāng)一個宏觀材料的體積和大小被改變時，其顏色并不會發(fā)生變化，因為顏色是它的本征狀態(tài)。但是當(dāng)一個材料的尺寸是頭發(fā)絲的萬分之一到十萬分之一時，該材料的顏色會隨著它的大小變化而變化，變化過程精細(xì)到每增加一個原子或減少一個原子都會令顏色發(fā)生改變。因為光譜本身是非常細(xì)分的顏色，科學(xué)家能夠用量子點材料所提供的一個龐大的顏色體系庫對光譜進(jìn)行顏色解讀。

另外，量子點可以在液態(tài)時被加工、成型、集成?；谶@個特點，可以將很多種不同尺寸的量子點材料集成為一類大家所熟悉的硬件形式，例如手機攝像頭，從而實現(xiàn)了將大型的光譜儀器轉(zhuǎn)化為手機攝像頭中的傳感器。這樣的量子點光譜傳感器可以縮小至針孔大小，在保證光譜儀眾多性能不變的前提下，成本卻大大降低。

基于量子點的諸多優(yōu)點，鮑捷等人用量子點替代光柵作為新光譜儀的光譜分析器件，能夠檢測小到1nm的光譜位移?；诓ㄩL復(fù)用原理的膠體量子點光譜儀不再單獨測量不同波長的光譜，而是用量子點濾光器和檢測器同時測量多個光譜波段。這也是國際上首次將膠體量子點納米材料用于制作微型光譜儀的報道。

文章中，鮑捷所展示的量子點光譜儀是將195種量子點集中在一張薄膜上，在300nm的光譜范圍內(nèi)其分辨率可達(dá)1nm；由于進(jìn)入儀器的光不需要通過狹縫，光的通量大，光利用率可以達(dá)到50%。如果使用更多不同種類的量子點，量子點光譜儀理論上可以覆蓋更廣的范圍（目前量子點可覆蓋從200nm到約5?m的光譜范圍），可以達(dá)到的分辨率也將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過文章中所展示的量子點光譜儀的水平。

同期《自然》雜志還刊登了美國西北太平洋國家實驗室科學(xué)家的專題評論文章，文章稱，“這種優(yōu)雅的將納米技術(shù)與數(shù)碼相機影像傳感器集成的方法克服了多種現(xiàn)有技術(shù)所面臨的困難”，“將來，我們可能會看到微小的、高分辨率的量子點光譜儀在太空任務(wù)、家居智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)中被應(yīng)用?！?/p>

貫通產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新成果前景廣闊

目前，鮑捷的創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)開始了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程—突破光譜信息依托傳統(tǒng)的儀器手段難以實時獲取的技術(shù)瓶頸，將新型納米晶材料—量子點與成像感光元件結(jié)合，開發(fā)出芯片大小的低成本、便攜式量子點光譜傳感器，從而實現(xiàn)用手機等便攜設(shè)備進(jìn)行物質(zhì)成分分析和檢測的功能。

鮑捷介紹道，在制作量子點光譜儀的過程中，首先把量子點溶液進(jìn)行特殊處理，然后利用它體積微小的特點，使它可以像打印機里的墨水一樣，被打印到基底上，形成一個陣列薄膜，最后把這個量子點薄膜與手機攝像頭里面用的檢測器陣列附和在一起，概念上就構(gòu)成了一個光譜議。通過對光譜儀的結(jié)構(gòu)和算法的重新定義和設(shè)計，一部微型光譜儀就誕生了。在現(xiàn)有條件下，這種微型光譜儀最小尺寸可達(dá)約1mm。

對于產(chǎn)業(yè)實踐的優(yōu)勢，鮑捷解釋說，量子點是一種無機材料，本身穩(wěn)定性高，量子點光譜儀又利用的是其對光的吸收性能，可以說是量子點最穩(wěn)定的性質(zhì)，加以各種保護(hù)機制，綜合以上三點量子點光譜儀的穩(wěn)定性非常好。經(jīng)過初步驗證，鮑捷等人發(fā)明的量子點光譜儀靈敏度、檢測限、信噪比及光譜獲取速度等都與現(xiàn)有的微型光譜儀相當(dāng)。另一方面，量子點陣列可以加工到幾毫米見方甚至更小，由于不需要線性檢測器，配置的二維檢測器的陣列也可以達(dá)到這個量級，這些都使得量子點光譜儀體積可以做到幾立方毫米甚至更小。

相對于行業(yè)中采用光柵技術(shù)的光譜儀，量子點技術(shù)有得天獨厚的優(yōu)勢。鮑捷稱，量子點本身對光具有吸收性能，不同大小的量子點可以吸收不同波長的光，在光譜儀中用量子點來代替光柵，可以實現(xiàn)多波長測量同時進(jìn)行；將不同種類的量子點集中在一張薄膜上做成的光譜儀，可以實現(xiàn)對多組份同時進(jìn)行測量，提高光利用率。由于在很寬的光譜范圍內(nèi)可以得到多種量子點，所以量子點光譜儀的分辨率和光譜范圍理論上可以同時提高，不會相互矛盾。

從產(chǎn)業(yè)的角度而言，成本是一個核心要素，制約著產(chǎn)業(yè)成果能否擁有廣闊的前景。在這一點上，量子點光譜儀與現(xiàn)有微型光譜儀相比也有很大的優(yōu)勢。一臺量子點光譜儀內(nèi)所含量子點的量遠(yuǎn)不到1mg，而現(xiàn)有實驗室量子點材料的合成水平已經(jīng)達(dá)到幾克、十幾克，工業(yè)上甚至可以達(dá)到千克甚至噸的水平，一臺量子點光譜儀所需量子點的成本可低至幾元錢，具有較高的成本優(yōu)勢。

成本低廉，為該創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)前景帶來巨大的優(yōu)勢。再加上光譜儀用途廣泛，所以從長遠(yuǎn)的發(fā)展來看，量子點光譜儀技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展是非常值得期待的。鮑捷稱，從用途上看，當(dāng)量子點微型傳感器植入智能手機后，用戶可以通過攝像頭進(jìn)行食品、藥品、個人健康等檢測，傳感器甚至能夠植入人體，進(jìn)行各項健康指標(biāo)的檢測。另外，光譜的傳感功能還可以應(yīng)用于農(nóng)田中污染物與水質(zhì)量的檢測，以及食品生產(chǎn)、加工、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)過程的監(jiān)控，這些監(jiān)控過程在消費者終端就可以實現(xiàn)。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)，便可以將看似孤立、遙遠(yuǎn)甚至毫無類比性的事件中必然的因果關(guān)系挖掘出來，這些過程能夠減少生產(chǎn)、生活中的損失。正如科學(xué)家所預(yù)測：“光譜傳感器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，將成為人類智慧金字塔的堅實基礎(chǔ)?！?/p>

感謝成果背后的執(zhí)著與汗水

基于其顛覆性的技術(shù)和自帶發(fā)展基因的產(chǎn)業(yè)路徑，業(yè)界有理由相信，量子點光譜儀在未來將大有可為。尤其在“中國制造”向“中國智造”邁進(jìn)的過程中，任何一項創(chuàng)新技術(shù)都彌足珍貴，更何況鮑捷及其團隊所掌握的技術(shù)和所進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)實踐，是如此的引入矚目。

技術(shù)矚目的背后，是鮑捷多年來勤奮積淀和不斷歷練的艱辛和汗水，對此鮑捷稱，感謝這幾年來的付出和堅持，如果沒有這些豐富的淬煉就沒有今天的收獲。2002年，鮑捷進(jìn)入清華大學(xué)化學(xué)系攻讀學(xué)士學(xué)位，在本科階段嘗試過很多新的事情，從社工到軍樂，再到射擊，在一次次的自我突破和挑戰(zhàn)中完善對大學(xué)生活的認(rèn)知。大二的時候，他在射擊課上還被教練選中，后來和團隊代表清華參加全國的大學(xué)生射擊比賽，獲得了冠軍。鮑捷講到，探索是大學(xué)里非常值得去做的事情，但在研究生階段、博士生階段，就要以一種專注的狀態(tài)去做一件事情。

喜歡嘗試、勇于挑戰(zhàn)的鮑捷剛開始博士階段的研究工作的時候，選擇了一個本科階段完全沒有接觸過的方向，那時候他甚至連這個領(lǐng)域里最基本的一些定義都不知道，當(dāng)時也面臨很多的迷茫和痛苦。但當(dāng)意識到，一個領(lǐng)域只有極少的人能走到它的最前沿，真正去做別人沒有做過的事情時，他知道，這正是他需要挑戰(zhàn)和堅持的事情。挑戰(zhàn)一個完全陌生的領(lǐng)域，是最讓他興奮的事情。因為，他希望人生多一點“瘋狂”。

為此，鮑捷2010年博士畢業(yè)后，進(jìn)入麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行博士后階段的研究工作。這期間，他所在的課題組是國際上最早做量子點的課題組之一，而他最初也是做量子點在太陽能電池、光檢測器領(lǐng)域的應(yīng)用工作?！半S著基礎(chǔ)研究的深入，我逐漸希望能夠做一些對人類社會產(chǎn)生更直接的影響和作用的研究成果。”

鮑捷介紹道，太陽是我們地球上人類最常見的光源，人類在陽光的照射下進(jìn)化，人類的眼睛在進(jìn)化過程中實際上受到太陽溫度的影響。太陽的溫度決定了發(fā)射出來的太陽光的主要波長在500nm左右，因此人類能看到的可見光的波長也在500nm附近（人眼的可見光范圍為400nm-700nm）。比400nm波長更短的光，一般被稱為紫外線，對人類的皮膚有破壞作用，長時間在紫外線下照射會誘發(fā)皮膚癌。

出于對紫外線的研究，鮑捷發(fā)現(xiàn)美國人非常喜歡曬太陽，而美國白人因為本身就缺乏黑色素的保護(hù)，所以更容易得皮膚癌?！白贤饩€是一個波長的區(qū)域，同樣強度的短波長和長波長的紫外光對皮膚造成傷害的差別非常大，但是通常人們對紫外線的檢測并不能將其區(qū)分開來，因而也無法對人們防患皮膚癌起到有效的預(yù)警和保護(hù)作用?！滨U捷發(fā)現(xiàn)，可以通過他所研究的量子點來幫助人們隨時隨地檢測不同波長的紫外線成分。也正是從這里開始，鮑捷從基礎(chǔ)研究逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究。

從2012年起，鮑捷開始嘗試研發(fā)基于量子點的新型光譜儀。2013年，他毅然決定放棄在美國的優(yōu)厚待遇和職位，回到中國，回到母校清華大學(xué)任教，并建立量子光譜集成器件實驗室，繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)的研究。

因為堅持和執(zhí)著，也因為勇于挑戰(zhàn)和不斷奮進(jìn)，歸國后的鮑捷依舊保持著學(xué)術(shù)的好奇和不斷前行的動力。付出終有回報，三年后，隨著《自然》雜志這篇文章的刊出，鮑捷的創(chuàng)新成果及量子點光譜儀震驚了整個業(yè)界。對于未來，鮑捷和團隊仍舊精勤不倦，積極探尋和拓展更多新型光譜儀的廣泛用途，并希望能盡自己所能，在科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域奉獻(xiàn)更多的智慧，為“中國智造”、創(chuàng)新強國夢做出自己的貢獻(xiàn)。