食物的营养成分，就由光反射原理告诉你

01

—光是什么颜色的？—

1666年，23岁的牛顿把自己的房间弄得漆黑，只在窗户上开了一个小孔，让适量的阳光照射进来。这束阳光经过房间里三菱镜的折射，形成了一道“人造彩虹”。

这就是著名的“光的色散”实验。

两个世纪之后，1864年，苏格兰物理学家詹姆士·麦克斯韦提出，光本身是一种电磁干扰，这些电磁场会制造出一种波，从日出的光辉、落日的红焰、彩虹的绚丽到闪烁的星光，都可以用写在一页纸上的波来描述。

这一伟大发现，让光的奥秘终于被揭开——光是电磁波的一种，可见光，以及紫外线、红外线、X射线等不可见光，都在电磁波谱中。而可见光就是电磁波谱中人眼可以看到的那部分，一般人眼可以感知的电磁波的波长在400~760nm之间，只占电磁波谱的很小一部分。

▽波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉也不同。

牛顿的“人造彩虹”实验，说明了光具有波动性，光的色散是因为不同色光的折射率不同引起的，折射率由波的频率决定。将阳光经过三棱镜分光后，被色散开的单色光按波长大小依次排列，就形成了光谱。

△不同频率的光对同一介质的折射率并不相同

02

—人眼看不见的光要怎么被“看见”—

由于地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。如果说肉眼能看到物质的形状、尺寸等“表面信息”，光谱分析就能获取物质的成分信息，帮助我们看清事物的“本质”。

在牛顿的实验中，“人造彩虹”也只是阳光中能被人眼看见的极小一部分，而光谱仪能帮助读取我们肉眼看不见的那一部分光的光谱，比如红外线、微波、紫外线、X射线等。

用光谱仪测量物体表面的光线，将复杂成分的光分解为光谱线，然后以照相底片显影，或通过电脑化自动显示数值仪器显示和分析，可以知道物品中含有什么元素。

网红纪录片《我在故宫修文物》中，就提到了光谱仪的运用。

描绘乾隆皇帝母亲崇庆皇太后八十大寿现场的《崇庆皇太后八旬万寿图》，历经250多年之后已非常残破，颜料褪色，绢面有缺损断裂，甚至还有霉迹。要想恢复原作风貌，首先要了解当时作画所用的颜料。

为了更准确地还原，科研人员利用光谱仪对古画的颜料进行了扫描，提取了古画颜料信息，由此推算出当初绘画所用矿物原料的种类。根据不同颜料产地光谱曲线的差异，科研人员甚至还能反推出当时所用颜料的产地。

此外，光谱仪还被广泛应用于空气污染、水污染、食品药品卫生、金属工业、石油化工、航天军工、照明等检测中。其中食品药品的质量检测，尤其和我们的生活息息相关。

中科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博士及其团队就一直致力于光谱仪器的核心器件、仪器的整机设计和应用解决方案的研发。在过去的7年里，他的团队研发的食品安全快速检测仪已经在贵州省食品药品监管部门推广应用；药物质量在线监控系统已经在三九皮炎平生产线顺利运行。

△林慧团队研发的基于便携式光谱模块的食品安全检测仪

03

—光谱仪是如何帮助人们进行检测的？—

以市面上销售的橄榄油、核桃油等高端油品为例，由于这些油营养价值丰富，所以相应价格也较一般食用油更贵。有的无良商家会在其中掺入其他便宜油种企图混淆视听，从而赚取利润。

光谱仪发挥作用的时候到了。

研究人员将主要的橄榄油品类进行光谱扫描，基于采集的数据建立起标准光谱数据库，在此基础上开发一套定性鉴别或定量检测的化学计量学分析算法和准则。有了这样一个准则，之后的油品检测出和标准光谱差距太大的，多半就是不合格的。

据林慧博士介绍，根据检测目标的要求，能从技术上精准定义最适合的光谱仪器方案。比如有的场合适合用高精度的大中型光谱仪，有的场合适合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。

林慧和团队的研究重点放在适合现场快速检测的光谱仪器，尤其是便携式光谱仪的研发上。

团队历时一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，利用不同化学物质的特征光谱吸收峰，可以在一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。该产品已经获得广东省计量院校准证书，并在市场上推广应用。

再如前文提到的已在三九皮炎平生产线中使用的近红外药物质量在线检测系统，通过对皮炎平乳膏混匀过程中的光谱信号的实时采集和分析，能够监控醋酸地塞米松、樟脑、薄荷脑等三种主药的成分是否在合格范围，从而判断药物是否进行了充分混合。该系统已在华润三九制膏生产线顺利运行。

最近，林慧博士和团队关注便携式光谱仪在健康检测中的应用，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全球死亡率最高的疾病，且有越来越年轻化的趋势。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、治疗血栓性疾病的普遍措施，但目前的抗栓药物治疗基本上采用普适原则，从而会引发两个不同方向的问题。一方面，对于约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，出血事件概率增加。另一方面，约有30%的患者会出现用药抵抗，血栓概率增加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依据，也有利于提前发现隐患并进行干预。

04

—也许将来会人手一个超微型光谱仪—

在光谱应用外延不断的扩大，便携式光谱仪也许还不够，能够被更多人使用的超微型光谱仪已经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一个传感器，被誉为“口袋中的实验室”，只有U盘大小，并且价格低廉，有望成为人手一个的“神器”。

超微型光谱仪通过自身放射出检测光线，分析物品分子反射的光线波长，再根据每种原子的特征线谱比对，就能判定物品成分。

以后去买护肤品、烟酒什么的，任凭卖家拍胸脯保证是正品、成分纯天然，只要拿着超微型光谱仪稍微检测一下，就能当场验证真假。

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。林慧博士及其团队已经将未来的目标瞄准了这一前沿课题。

△林慧团队自主研发的凹面光栅器件以及与手机适配的微型光谱仪模组

可以想见，随着光谱仪器体积越来越小，价格越来越低，应用越来越广，以后，人手一个超微型光谱仪，广告文案天马行空天花乱坠自由发挥的日子可能一去不返了……

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