小型光譜儀揭開癌癥診斷的線索

時(shí)至今日，我們已在銀河系中發(fā)現(xiàn)了成千上萬顆不同類型、不同大小的行星，這讓我們很難回想起20世紀(jì)90年代的情況，那時(shí)系外行星探測(cè)領(lǐng)域還處于起步階段，用于尋找系外行星的工具也尚不成熟。目前，這種最初設(shè)想用于尋找遙遠(yuǎn)世界的工具又開發(fā)出了新的用途，這在很大程度上要?dú)w功于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的資助。

這就是阿森·哈吉安研制的一種功能強(qiáng)大的小型光譜儀。據(jù)阿森介紹，其公司制造的這種高光譜成像儀的分辨率約為其他光譜儀的30倍，而售價(jià)卻僅為其他光譜儀的10%。雖然阿森在2015年才成立了新公司，但是他從事光譜儀研究的工作時(shí)間已超過20年。

“在阿森剛開始研究光譜儀的時(shí)候，系外行星的確算得上是一個(gè)全新的領(lǐng)域”，戈達(dá)德太空飛行中心天體物理學(xué)家斯蒂芬·萊因哈特回憶道。“人們過去利用視向速度光譜分析技術(shù)來尋找系外行星。”該技術(shù)通過測(cè)量一顆恒星的擺動(dòng)，可以推斷出是否有一顆拖拽該恒星的行星存在。雖然光譜分析技術(shù)自19世紀(jì)初期就已出現(xiàn)，但已有的工具還不夠精密，尚不能獲得天文學(xué)家想要的結(jié)果。哈吉安當(dāng)時(shí)與其他工程師一起，致力于開發(fā)更好的探測(cè)工具。

自哈吉安和萊因哈特兩人一起進(jìn)入研究生院以來，萊因哈特就斷斷續(xù)續(xù)地與哈吉安進(jìn)行非正式的合作.現(xiàn)在，他正在為NASA觀測(cè)宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究?jī)x器設(shè)備并表示：“我關(guān)注的是，對(duì)于將來的科學(xué)領(lǐng)域，我們需要執(zhí)行什么樣的任務(wù)，或采用什么樣的工具，即確定工具的設(shè)計(jì)、功能，然后再進(jìn)行構(gòu)建?！?/p>

▲NASA很早就利用光譜儀探索外星世界。光譜儀能夠探測(cè)到恒星的擺動(dòng)，從而推斷是否存在一顆拖拽該恒星的行星。在未來的工作中，可能會(huì)將光譜儀與有關(guān)探測(cè)行星在其恒星和觀察者之間運(yùn)行的技術(shù)結(jié)合起來，幫助收集有關(guān)研究系外行星大氣層的線索

他所擁有的專業(yè)知識(shí)也同時(shí)給他帶來了機(jī)遇，使他有機(jī)會(huì)從事從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡到最近凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）的一系列研究任務(wù)，并在他考慮研究下一代大型太空望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，將相關(guān)技術(shù)帶回到哈吉安光譜儀的研究上。

近年來，天文學(xué)家已不再使用視向速度光譜分析技術(shù)，而是傾向于采用凌日光度測(cè)定技術(shù)。當(dāng)一顆行星在恒星與觀察者之間經(jīng)過時(shí)，可以探測(cè)到恒星微弱變暗。但是萊因哈特認(rèn)為，下一代望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，得到凌日光譜分析技術(shù)，幫助天文學(xué)家獲取有關(guān)系外行星大氣層的一些線索。如果NASA決定走這條路線，他表示：“我們希望建造盡可能大的望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)光譜儀要盡可能小，而阿森制造的工具此時(shí)就將派上用場(chǎng)?！?/p>

雖然哈吉安的公司（Hindsight Imaging Inc.）還很年輕，但是其技術(shù)吸收了美國(guó)海軍天文臺(tái)物理學(xué)家們近幾十年來所取得的重大研究成果，同時(shí)也得到了NASA的資助。哈吉安表示，許多科學(xué)家會(huì)通過美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獲得政府撥款；但是作為一名政府公務(wù)人員，他不能申請(qǐng)這類撥款。因此，他轉(zhuǎn)向NASA提供的融資機(jī)制，其中包括“先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃（ATI）”和“太空與地球科學(xué)研究機(jī)會(huì)（ROSES）”。

“我在海軍天文臺(tái)13年的所有研究資金基本上都來源于美國(guó)海軍、NASA或一些企業(yè)”，哈吉安回憶道。這些資金幫助他為海軍和NASA同時(shí)感興趣的恒星編目和系外行星探測(cè)領(lǐng)域制造更好的光譜儀。但是，他能夠取得重大的突破，主要是因?yàn)樗芯康耐耆橇硗庖粋€(gè)領(lǐng)域。他提到：“我學(xué)的是射電天文學(xué)，光學(xué)是我自學(xué)的。”

大多數(shù)光譜儀要么尺寸小但分辨率低，要么功能強(qiáng)大但尺寸大，其原因正如哈吉安所說：“光學(xué)的一個(gè)基本規(guī)律是長(zhǎng)焦鏡頭（通常長(zhǎng)而笨重）會(huì)放大圖像，而魚眼鏡頭（通常要小得多）會(huì)縮小圖像。”

但是由于射電天文學(xué)并不需要權(quán)衡這種問題，因此哈吉安開始尋找不同的方法。他找到了一種方法，就是在不改變焦距比的情況下，在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)額外的反射面，從而改變進(jìn)入光線的形狀，即從一個(gè)圓點(diǎn)變成瘦長(zhǎng)的橢圓形。結(jié)果如何呢？“我們規(guī)避了這一規(guī)律?，F(xiàn)在，我們能夠建造長(zhǎng)寬高不到常規(guī)儀器三分之一的光譜儀，這樣體積大約縮小了30倍?！?/p>

哈吉安的這一技術(shù)突破已經(jīng)取得了專利。這一突破并不是一蹴而就，他之前利用NASA所資助的在海軍天文臺(tái)所開展的研究，為他后來的工作奠定了重要基礎(chǔ)?！爸攸c(diǎn)是學(xué)習(xí)如何制造光譜儀并明確需要解決的問題”，哈吉安說道。 “我很多時(shí)候有種頭撞南墻的感覺，我需要考慮光譜儀有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？與其他所有重要問題存在怎樣的聯(lián)系？我花了很長(zhǎng)時(shí)間才弄明白，而弄清楚如何建造光譜儀并沒有花費(fèi)我太多的時(shí)間?！蹦壳?，Hindsight波士頓公司主要銷售作為更大型儀器部件的光譜儀，并且公司已迅速積累了“多個(gè)光譜分析市場(chǎng)的大量客戶”，哈吉安提到。

▲Hindsight公司研制的光譜儀在分辨率相近的情況下，其大小約為常規(guī)儀器的1/30

哈吉安還說，在規(guī)模較小但不斷發(fā)展的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)中，光譜分析技術(shù)可用于檢測(cè)入侵物種或植物病害跡象，也可幫助農(nóng)民準(zhǔn)確了解之前已經(jīng)施肥和沒有施肥的地方。Hindsight光譜儀還應(yīng)用在化學(xué)炸藥的探測(cè)裝置和藥物含量的監(jiān)測(cè)裝置上。這兩種裝置可測(cè)量樣品的吸收、反射和發(fā)射光譜，并將其與已知物質(zhì)的光譜進(jìn)行比較，但采用的是不同的封裝方法和軟件。

2017年年中，公司首先發(fā)布了兩套光譜測(cè)量系統(tǒng)，一套用于短距離檢測(cè)藥物和炸藥，另一套用于皮膚癌診斷?！耙?yàn)橛泻芏嗫蛻舾信d趣，所以我們制造了這兩種裝置”，哈吉安說道。他還提到，不管哪種裝置，Hindsight都收到了訂單。在未來的發(fā)展過程中，他設(shè)想利用光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)顛覆性的醫(yī)學(xué)進(jìn)步，包括采用黑素瘤檢測(cè)裝置之類的光譜儀來診斷皮膚下的腫瘤，從而減少甚至消除對(duì)活檢的需求。他還正在研究可以取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室血液檢驗(yàn)的設(shè)備，“我們要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是利用我們的產(chǎn)品，可以通過觀察一滴血或皮膚，就能發(fā)現(xiàn)血液里有什么”，他解釋道。

他還提到，這些裝置沒有任何應(yīng)用的限制?！皩?duì)于中型產(chǎn)品，我們的價(jià)格已經(jīng)降到了常規(guī)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的水平。這帶來了許多機(jī)遇。如果你的產(chǎn)品便宜、輕巧又便于使用，自然會(huì)非常暢銷。”萊因哈特提到。事實(shí)上，其產(chǎn)品在NASA的應(yīng)用也沒有限制。除了在未來太空望遠(yuǎn)鏡上安裝光譜儀以外，他正在思考將小型光譜儀（如Hindsight制造的光譜儀）放置在高空氣球上，在近太空范圍尋找系外行星并了解它們的大氣組成。萊因哈特提到，新的儀器可以檢測(cè)到99%以上的大氣組成，雖然還達(dá)不到100%，但這種方法不僅成本要低很多，還可以達(dá)到“事半功倍”的效果。

如果沒有高性能的小型光譜儀，就無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！斑@一直是哈吉安的研究方向。20多年來，他一直在研究基本概念，其目的是找到更好的解決辦法”。