小型光譜儀揭開癌癥診斷的線索

時至今日，我們已在銀河系中發現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90年代的情況，那時系外行星探測領域還處于起步階段，用于尋找系外行星的工具也尚不成熟。目前，這種最初設想用于尋找遙遠世界的工具又開發出了新的用途，這在很大程度上要歸功于美國國家航空航天局（NASA）的資助。

這就是阿森·哈吉安研制的一種功能強大的小型光譜儀。據阿森介紹，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間已超過20年。

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

自哈吉安和萊因哈特兩人一起進入研究生院以來，萊因哈特就斷斷續續地與哈吉安進行非正式的合作.現在，他正在為NASA觀測宇宙學實驗室研究儀器設備并表示：“我關注的是，對于將來的科學領域，我們需要執行什么樣的任務，或采用什么樣的工具，即確定工具的設計、功能，然后再進行構建。”

▲NASA很早就利用光譜儀探索外星世界。光譜儀能夠探測到恒星的擺動，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，可能會將光譜儀與有關探測行星在其恒星和觀察者之間運行的技術結合起來，幫助收集有關研究系外行星大氣層的線索

他所擁有的專業知識也同時給他帶來了機遇，使他有機會從事從哈勃太空望遠鏡到最近凌日系外行星巡天衛星（TESS）的一系列研究任務，并在他考慮研究下一代大型太空望遠鏡的時候，將相關技術帶回到哈吉安光譜儀的研究上。

近年來，天文學家已不再使用視向速度光譜分析技術，而是傾向于采用凌日光度測定技術。當一顆行星在恒星與觀察者之間經過時，可以探測到恒星微弱變暗。但是萊因哈特認為，下一代望遠鏡可能會將這兩種技術結合起來，得到凌日光譜分析技術，幫助天文學家獲取有關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鏡，同時光譜儀要盡可能小，而阿森制造的工具此時就將派上用場。”

雖然哈吉安的公司（Hindsight Imaging Inc.）還很年輕，但是其技術吸收了美國海軍天文臺物理學家們近幾十年來所取得的重大研究成果，同時也得到了NASA的資助。哈吉安表示，許多科學家會通過美國國家科學基金會獲得政府撥款；但是作為一名政府公務人員，他不能申請這類撥款。因此，他轉向NASA提供的融資機制，其中包括“先進技術計劃（ATI）”和“太空與地球科學研究機會（ROSES）”。

“我在海軍天文臺13年的所有研究資金基本上都來源于美國海軍、NASA或一些企業”，哈吉安回憶道。這些資金幫助他為海軍和NASA同時感興趣的恒星編目和系外行星探測領域制造更好的光譜儀。但是，他能夠取得重大的突破，主要是因為他研究的完全是另外一個領域。他提到：“我學的是射電天文學，光學是我自學的。”

大多數光譜儀要么尺寸小但分辨率低，要么功能強大但尺寸大，其原因正如哈吉安所說：“光學的一個基本規律是長焦鏡頭（通常長而笨重）會放大圖像，而魚眼鏡頭（通常要小得多）會縮小圖像。”

但是由于射電天文學并不需要權衡這種問題，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，在標準光學設計的基礎上增加兩個額外的反射面，從而改變進入光線的形狀，即從一個圓點變成瘦長的橢圓形。結果如何呢？“我們規避了這一規律。現在，我們能夠建造長寬高不到常規儀器三分之一的光譜儀，這樣體積大約縮小了30倍。”

哈吉安的這一技術突破已經取得了專利。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所開展的研究，為他后來的工作奠定了重要基礎。“重點是學習如何制造光譜儀并明確需要解決的問題”，哈吉安說道。 “我很多時候有種頭撞南墻的感覺，我需要考慮光譜儀有哪些優缺點？與其他所有重要問題存在怎樣的聯系？我花了很長時間才弄明白，而弄清楚如何建造光譜儀并沒有花費我太多的時間。”目前，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“多個光譜分析市場的大量客戶”，哈吉安提到。

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

哈吉安還說，在規模較小但不斷發展的精準農業市場中，光譜分析技術可用于檢測入侵物種或植物病害跡象，也可幫助農民準確了解之前已經施肥和沒有施肥的地方。Hindsight光譜儀還應用在化學炸藥的探測裝置和藥物含量的監測裝置上。這兩種裝置可測量樣品的吸收、反射和發射光譜，并將其與已知物質的光譜進行比較，但采用的是不同的封裝方法和軟件。

2017年年中，公司首先發布了兩套光譜測量系統，一套用于短距離檢測藥物和炸藥，另一套用于皮膚癌診斷。“因為有很多客戶感興趣，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。在未來的發展過程中，他設想利用光譜技術實現顛覆性的醫學進步，包括采用黑素瘤檢測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活檢的需求。他還正在研究可以取代傳統實驗室血液檢驗的設備，“我們要實現的目標是利用我們的產品，可以通過觀察一滴血或皮膚，就能發現血液里有什么”，他解釋道。

他還提到，這些裝置沒有任何應用的限制。“對于中型產品，我們的價格已經降到了常規技術無法實現的水平。這帶來了許多機遇。如果你的產品便宜、輕巧又便于使用，自然會非常暢銷。”萊因哈特提到。事實上，其產品在NASA的應用也沒有限制。除了在未來太空望遠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，新的儀器可以檢測到99%以上的大氣組成，雖然還達不到100%，但這種方法不僅成本要低很多，還可以達到“事半功倍”的效果。

如果沒有高性能的小型光譜儀，就無法實現這一目標。“這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”。