光譜儀顛覆性技術(shù)：核心部件成本從幾萬(wàn)美元降到幾美元

張瓊+運(yùn)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(gè)科學(xué)領(lǐng)域都會(huì)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(guò)大以致于難以移動(dòng)，使用極其不便。為此，科學(xué)家們長(zhǎng)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。可是一直以來(lái)，相關(guān)努力都不是很成功。

清華大學(xué)電子工程系的國(guó)家青年千人計(jì)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(diǎn)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(guó)際上首次報(bào)道將膠體量子點(diǎn)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(xiàng)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(jī)照相機(jī)鏡頭的圖像傳感器還要微型。鮑捷在接受記者采訪時(shí)介紹，未來(lái)，該種光譜儀的核心部件成本縮減到以前的萬(wàn)分之一，能將原本幾萬(wàn)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(guò)光譜儀不僅可以測(cè)量物體表面反射的可見光，而且可以測(cè)量到眼睛無(wú)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(guò)電腦自動(dòng)顯示與精確分析，全面測(cè)知被檢物品中的各種元素成分。

正是由于這項(xiàng)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(cè)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(jì)量、環(huán)境檢測(cè)、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(cè)、顏色混合及匹配、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熒光測(cè)量、寶石成分檢測(cè)、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過(guò)程監(jiān)控、薄膜厚度測(cè)量、LED測(cè)量、發(fā)射光譜測(cè)量、紫外/可見吸收光譜測(cè)量、顏色測(cè)量等各領(lǐng)域。

一直以來(lái)，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(diǎn)，而且要達(dá)到好的分光效果所需的光程也較長(zhǎng)，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(gè)方面通常會(huì)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(jì)化和創(chuàng)新化的技術(shù)，以此來(lái)突破儀器技術(shù)、成本以及龐大體積帶來(lái)的種種束縛。但是，多年來(lái)科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)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(guò)，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(guó)《自然》雜志中刊登了一篇名為《量子點(diǎn)光譜儀》（AColloidalQuantumDot Spectrometer）的文章，文中報(bào)道了一種基于膠體量子點(diǎn)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(diǎn)納米材料陣列制成，它比目前的手機(jī)照相機(jī)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(píng)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(huì)比較龐大，使其很難實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析測(cè)量……科學(xué)家們描述了一個(gè)小巧且功能強(qiáng)大的光譜儀，并且可能以低廉的造價(jià)進(jìn)入消費(fèi)者電子產(chǎn)品市場(chǎng)，比如用于無(wú)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。”

鮑捷介紹說(shuō)，量子點(diǎn)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(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一大小。通常當(dāng)一個(gè)宏觀材料的體積和大小被改變時(shí)，其顏色并不會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)轭伾撬谋菊鳡顟B(tài)。但是當(dāng)一個(gè)材料的尺寸是頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一時(shí)，該材料的顏色會(huì)隨著它的大小變化而變化，變化過(guò)程精細(xì)到每增加一個(gè)原子或減少一個(gè)原子都會(huì)令顏色發(fā)生改變。因?yàn)楣庾V本身是非常細(xì)分的顏色，科學(xué)家能夠用量子點(diǎn)材料所提供的一個(gè)龐大的顏色體系庫(kù)對(duì)光譜進(jìn)行顏色解讀。

另外，量子點(diǎn)可以在液態(tài)時(shí)被加工、成型、集成。基于這個(gè)特點(diǎn)，可以將很多種不同尺寸的量子點(diǎn)材料集成為一類大家所熟悉的硬件形式，例如手機(jī)攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)了將大型的光譜儀器轉(zhuǎn)化為手機(jī)攝像頭中的傳感器。這樣的量子點(diǎn)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(diǎn)的諸多優(yōu)點(diǎn)，鮑捷等人用量子點(diǎn)替代光柵作為新光譜儀的光譜分析器件，能夠檢測(cè)小到1nm的光譜位移。基于波長(zhǎng)復(fù)用原理的膠體量子點(diǎn)光譜儀不再單獨(dú)測(cè)量不同波長(zhǎng)的光譜，而是用量子點(diǎn)濾光器和檢測(cè)器同時(shí)測(cè)量多個(gè)光譜波段。這也是國(guó)際上首次將膠體量子點(diǎn)納米材料用于制作微型光譜儀的報(bào)道。

文章中，鮑捷所展示的量子點(diǎn)光譜儀是將195種量子點(diǎn)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(guò)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(diǎn)，量子點(diǎn)光譜儀理論上可以覆蓋更廣的范圍（目前量子點(diǎn)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(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)文章中所展示的量子點(diǎn)光譜儀的水平。

同期《自然》雜志還刊登了美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家的專題評(píng)論文章，文章稱，“這種優(yōu)雅的將納米技術(shù)與數(shù)碼相機(jī)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(lái)，我們可能會(huì)看到微小的、高分辨率的量子點(diǎn)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。”

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(shí)時(shí)獲取的技術(shù)瓶頸，將新型納米晶材料—量子點(diǎn)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(diǎn)光譜傳感器，從而實(shí)現(xiàn)用手機(jī)等便攜設(shè)備進(jìn)行物質(zhì)成分分析和檢測(cè)的功能。

鮑捷介紹道，在制作量子點(diǎn)光譜儀的過(guò)程中，首先把量子點(diǎn)溶液進(jìn)行特殊處理，然后利用它體積微小的特點(diǎn)，使它可以像打印機(jī)里的墨水一樣，被打印到基底上，形成一個(gè)陣列薄膜，最后把這個(gè)量子點(diǎn)薄膜與手機(jī)攝像頭里面用的檢測(cè)器陣列附和在一起，概念上就構(gòu)成了一個(gè)光譜議。通過(guò)對(duì)光譜儀的結(jié)構(gòu)和算法的重新定義和設(shè)計(jì)，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(duì)于產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的優(yōu)勢(shì)，鮑捷解釋說(shuō)，量子點(diǎn)是一種無(wú)機(jī)材料，本身穩(wěn)定性高，量子點(diǎn)光譜儀又利用的是其對(duì)光的吸收性能，可以說(shuō)是量子點(diǎn)最穩(wěn)定的性質(zhì)，加以各種保護(hù)機(jī)制，綜合以上三點(diǎn)量子點(diǎn)光譜儀的穩(wěn)定性非常好。經(jīng)過(guò)初步驗(yàn)證，鮑捷等人發(fā)明的量子點(diǎn)光譜儀靈敏度、檢測(cè)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(diǎn)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(cè)器，配置的二維檢測(cè)器的陣列也可以達(dá)到這個(gè)量級(jí)，這些都使得量子點(diǎn)光譜儀體積可以做到幾立方毫米甚至更小。

相對(duì)于行業(yè)中采用光柵技術(shù)的光譜儀，量子點(diǎn)技術(shù)有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。鮑捷稱，量子點(diǎn)本身對(duì)光具有吸收性能，不同大小的量子點(diǎn)可以吸收不同波長(zhǎng)的光，在光譜儀中用量子點(diǎn)來(lái)代替光柵，可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)測(cè)量同時(shí)進(jìn)行；將不同種類的量子點(diǎn)集中在一張薄膜上做成的光譜儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多組份同時(shí)進(jìn)行測(cè)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(diǎn)，所以量子點(diǎn)光譜儀的分辨率和光譜范圍理論上可以同時(shí)提高，不會(huì)相互矛盾。

從產(chǎn)業(yè)的角度而言，成本是一個(gè)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(diǎn)上，量子點(diǎn)光譜儀與現(xiàn)有微型光譜儀相比也有很大的優(yōu)勢(shì)。一臺(tái)量子點(diǎn)光譜儀內(nèi)所含量子點(diǎn)的量遠(yuǎn)不到1mg，而現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室量子點(diǎn)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(tái)量子點(diǎn)光譜儀所需量子點(diǎn)的成本可低至幾元錢，具有較高的成本優(yōu)勢(shì)。

成本低廉，為該創(chuàng)新成果的產(chǎn)業(yè)前景帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)。再加上光譜儀用途廣泛，所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看，量子點(diǎn)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(diǎn)微型傳感器植入智能手機(jī)后，用戶可以通過(guò)攝像頭進(jìn)行食品、藥品、個(gè)人健康等檢測(cè)，傳感器甚至能夠植入人體，進(jìn)行各項(xiàng)健康指標(biāo)的檢測(cè)。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(cè)，以及食品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)過(guò)程的監(jiān)控，這些監(jiān)控過(guò)程在消費(fèi)者終端就可以實(shí)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(wú)類比性的事件中必然的因果關(guān)系挖掘出來(lái)，這些過(guò)程能夠減少生產(chǎn)、生活中的損失。正如科學(xué)家所預(yù)測(cè)：“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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”

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(diǎn)光譜儀在未來(lái)將大有可為。尤其在“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”邁進(jìn)的過(guò)程中，任何一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)都彌足珍貴，更何況鮑捷及其團(tuán)隊(duì)所掌握的技術(shù)和所進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，是如此的引入矚目。

技術(shù)矚目的背后，是鮑捷多年來(lái)勤奮積淀和不斷歷練的艱辛和汗水，對(duì)此鮑捷稱，感謝這幾年來(lái)的付出和堅(jiān)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(guò)很多新的事情，從社工到軍樂(lè)，再到射擊，在一次次的自我突破和挑戰(zhàn)中完善對(duì)大學(xué)生活的認(rèn)知。大二的時(shí)候，他在射擊課上還被教練選中，后來(lái)和團(tuán)隊(duì)代表清華參加全國(guó)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(shí)候，選擇了一個(gè)本科階段完全沒有接觸過(guò)的方向，那時(shí)候他甚至連這個(gè)領(lǐng)域里最基本的一些定義都不知道，當(dāng)時(shí)也面臨很多的迷茫和痛苦。但當(dāng)意識(shí)到，一個(gè)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(guò)的事情時(shí)，他知道，這正是他需要挑戰(zhàn)和堅(jiān)持的事情。挑戰(zhàn)一個(gè)完全陌生的領(lǐng)域，是最讓他興奮的事情。因?yàn)椋Ｍ松嘁稽c(diǎn)“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(guó)際上最早做量子點(diǎn)的課題組之一，而他最初也是做量子點(diǎn)在太陽(yáng)能電池、光檢測(cè)器領(lǐng)域的應(yīng)用工作。“隨著基礎(chǔ)研究的深入，我逐漸希望能夠做一些對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生更直接的影響和作用的研究成果。”

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

出于對(duì)紫外線的研究，鮑捷發(fā)現(xiàn)美國(guó)人非常喜歡曬太陽(yáng)，而美國(guó)白人因?yàn)楸旧砭腿狈谏氐谋Ｗo(hù)，所以更容易得皮膚癌。“紫外線是一個(gè)波長(zhǎng)的區(qū)域，同樣強(qiáng)度的短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)的紫外光對(duì)皮膚造成傷害的差別非常大，但是通常人們對(duì)紫外線的檢測(cè)并不能將其區(qū)分開來(lái)，因而也無(wú)法對(duì)人們防患皮膚癌起到有效的預(yù)警和保護(hù)作用。”鮑捷發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)他所研究的量子點(diǎn)來(lái)幫助人們隨時(shí)隨地檢測(cè)不同波長(zhǎng)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(diǎn)的新型光譜儀。2013年，他毅然決定放棄在美國(guó)的優(yōu)厚待遇和職位，回到中國(guó)，回到母校清華大學(xué)任教，并建立量子光譜集成器件實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)的研究。

因?yàn)閳?jiān)持和執(zhí)著，也因?yàn)橛掠谔魬?zhàn)和不斷奮進(jìn)，歸國(guó)后的鮑捷依舊保持著學(xué)術(shù)的好奇和不斷前行的動(dòng)力。付出終有回報(bào)，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(diǎn)光譜儀震驚了整個(gè)業(yè)界。對(duì)于未來(lái)，鮑捷和團(tuán)隊(duì)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(guó)智造”、創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)夢(mèng)做出自己的貢獻(xiàn)。