正如每個人的指紋都獨(dú)一無二，不同物質(zhì)對光的“反應(yīng)”也各不相同——它們會獨(dú)特的方式吸收或反射不同波長的光線，形成自己專屬的“光學(xué)指紋”。而光譜儀，就是能夠讀取這些光學(xué)指紋的“偵探工具”。

傳統(tǒng)的光譜儀往往體積大、價格高，通常只能用于實驗室分析。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院的孫海定教授iGaN實驗室，聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊，成功研制出微型紫外光譜儀芯片，并實現(xiàn)了片上光譜成像，將原本“笨重”的光譜儀壓縮至芯片級別，在顯著縮小體積、降低生產(chǎn)成本的同時，賦予其更高的便攜性和靈活性，為紫外光譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、工業(yè)質(zhì)檢等場景的多元應(yīng)用開辟了廣闊空間。

本期（上篇）將回溯光譜學(xué)的誕生，揭開光與物質(zhì)相互作用的神秘面紗，看科學(xué)家如何利用這一利器，在科研、醫(yī)療與工業(yè)的廣闊天地中，讀懂光與物質(zhì)的“對話密碼”。

臺式光譜儀

（Wikipedia）

光譜：物質(zhì)的光學(xué)指紋

光的本質(zhì)是電磁波，其波長和頻率直接決定了光的顏色和能量，單一波長（或頻率）的光便是單色光。在日常生活中，我們所接觸到大部分光都是由不同頻率的單色光波組成的復(fù)色光。當(dāng)一束光通過棱鏡、光柵等光學(xué)系統(tǒng)分光后，不同波長的單色光會相互分離，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小依次排列形成的圖譜就叫做“光譜”。

早在1666年，物理課本上的老熟人，英國物理學(xué)家牛頓就利用三棱鏡將太陽光分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的光，這些光分散在不同位置上，形成了世界上第一個光譜。

三棱鏡分光示意圖

（Wikipedia）

人眼能看到的可見光只是電磁波大家族中的一小部分，事實上，還存在紫外光、X射線、太赫茲波、γ射線，以及紅外光、太赫茲波、微波、無線電波等我們看不見的電磁波。因此，光譜的內(nèi)涵并不局限于“七色光”的范疇，而是一幅更廣闊的“電磁波全景圖”。光譜不僅是人類認(rèn)知光的基礎(chǔ)，更是探索物質(zhì)世界、推動技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵工具。人類對光譜的研究與利用，本質(zhì)就是不斷解鎖這幅“全景圖”的過程——每一段不可見的光譜，都是拓展認(rèn)知邊界、推動技術(shù)革新的鑰匙，也讓“光”的價值，滲透到科學(xué)、生活與產(chǎn)業(yè)的每一個角落。

電磁波分布示意圖

（Wikipedia）

根據(jù)光與物質(zhì)相互作用的方式，光譜主要分為發(fā)射光譜、吸收光譜和散射光譜三大類。

發(fā)射光譜研究的是物質(zhì)自身發(fā)射的光，例如熒光/磷光光譜（光致發(fā)光）、火焰發(fā)射光譜（熱致發(fā)光）、電弧發(fā)射光譜（電致發(fā)光）、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（激光能量激發(fā)）。當(dāng)物質(zhì)吸收外界能量（如光能、熱能、電能），使內(nèi)部電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，當(dāng)電子回落至基態(tài)時，能量會以“光”的形式釋放出來。釋放的能量越大，發(fā)射光的頻率就越高、波長就越短。

原子的玻爾模型示意圖

（Wikipedia）

由于不同原子、分子等微觀粒子的物理結(jié)構(gòu)和能級結(jié)構(gòu)存在本質(zhì)差異，因此電子在不同能級間躍遷時，發(fā)射光的波長也不盡相同。每種微觀粒子都會形成一套獨(dú)特的發(fā)射譜線，這些譜線的波長由粒子的能級結(jié)構(gòu)嚴(yán)格決定，具有“唯一性”與“特異性”（即不會與其他粒子完全重合），這種特性使光譜成為微觀粒子的“光學(xué)指紋”，是科學(xué)研究與工業(yè)檢測中識別元素種類、分析物質(zhì)成分的核心判斷依據(jù)。

前十種元素的原子譜線對比

（Wikipedia）

以氫原子譜線為例，按躍遷能級的不同，其發(fā)射譜線清晰分布在紫外、可見光、紅外等多個波段，每一條譜線都具有明確且唯一的波長。其中656.3nm（紅光）、486.1nm（藍(lán)綠光）、121.6nm（紫外光）等幾條譜線強(qiáng)度較大，通常是光譜研究中識別氫元素的直接依據(jù)和核心觀測對象。

氫原子譜線（紫外-紅外波段）在對數(shù)刻度下的視覺對比圖

（Wikipedia）

與發(fā)射光譜相反，吸收光譜研究的是物質(zhì)吸收了哪些光，例如紅外吸收光譜、紫外-可見吸收光譜、X射線吸收光譜等。當(dāng)連續(xù)波長的光穿過某種物質(zhì)時，物質(zhì)會選擇性吸收與其內(nèi)部電子能級躍遷匹配的波長的光（即“共振吸收”），導(dǎo)致這些波長的光強(qiáng)度減弱。通過研究入射光與出射光的強(qiáng)度差異，我們就能推斷出物質(zhì)對不同波長光的吸收能力（或透射能力），也能通過與已知物質(zhì)的吸收譜線一一比對，反推出待研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與成分組成。

吸收光譜的產(chǎn)生示意圖

（Wikipedia）

在光譜圖中，發(fā)射譜是一組亮線，吸收譜則是一組暗線。從能量轉(zhuǎn)移的角度來看，吸收光譜是入射光的能量轉(zhuǎn)移到微觀粒子上，使其從能量較低的能級基態(tài)或較低能級遷至較高能級；而發(fā)射光譜則正好相反,它是先將微觀粒子激發(fā)至任意高能級，待粒子回落至低能級時向外發(fā)射出光子而產(chǎn)生。

在兩個能級間，粒子受激躍遷時吸收的能量與回落時釋放的能量完全相等，對應(yīng)光子的能量和波長也完全一致，因此在同一物質(zhì)的吸收光譜與發(fā)射光譜中，譜線的位置會精確對應(yīng)。不過，由于發(fā)射譜涵蓋了粒子從所有高能級向任意低能級回落的全部躍遷行為，因此通常會比吸收譜更豐富一些。

發(fā)射光譜相與吸收光譜的產(chǎn)生原理和譜線示意圖

（Wikipedia）

此外還有一種散射光譜，主要研究光通過物質(zhì)時發(fā)生的散射現(xiàn)象，如拉曼光譜、瑞利散射光譜、布里淵散射光譜。當(dāng)光線穿過物質(zhì)時，部分會與物質(zhì)中的分子、原子發(fā)生碰撞。有些碰撞只改變光的傳播方向而不交換能量，這被稱為彈性散射；有些碰撞則會交換能量，導(dǎo)致光的波長發(fā)生變化，這被稱為非彈性散射。通過觀察物質(zhì)的散射光譜，科學(xué)家可以分析物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、分子振動等特性。從廣義上說，散射光譜也可以視為一種特殊的發(fā)射光譜。

光散射的幾種可能：瑞利散射（不交換能量）、斯托克斯拉曼散射（粒子吸收能量，散射光子能量減少）和反斯托克斯拉曼散射散射（粒子失去能量，散射光子能量增加）

（Wikipedia）

光譜學(xué)的誕生：太陽光與三棱鏡的邂逅

1666年，牛頓完成了著名的“棱鏡分光實驗”，這是人類歷史上首次對“光譜”的系統(tǒng)觀測。1802年，英國化學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光的光譜并非完全連續(xù)，而是存在多條暗線，這是人類首次觀測到“吸收光譜”。1814年，德國物理學(xué)家夫瑯禾費(fèi)在觀測太陽光譜時，再度獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這些譜線，他不僅清晰記錄了其中570余條暗線，還測量了每條暗線對應(yīng)的波長，后來這組譜線被命名為“夫瑯禾費(fèi)線”。

在可見光范圍內(nèi)的夫瑯禾費(fèi)線及部分譜線與元素的對應(yīng)關(guān)系

（Wikipedia）

1859年，德國化學(xué)家本生和物理學(xué)家基爾霍夫（就是提出基爾霍夫電路定律的基爾霍夫）合作，利用本生燈產(chǎn)生高溫的無色火焰來灼燒不同金屬鹽，并研究其發(fā)光譜線。二人發(fā)現(xiàn)金屬鹽的發(fā)射光譜并不連續(xù)，而是分立的亮線，且每種金屬元素的發(fā)射光譜都是獨(dú)一無二的。更有趣的是，這些金屬元素的特征發(fā)射亮線與夫瑯禾費(fèi)暗線完全重合，例如鈉鹽發(fā)射光譜中的黃線與太陽光譜中的鈉-D雙暗線位置一致。

基于實驗，基爾霍夫提出了基爾霍夫光譜三大定律：

1.熾熱的固體/液體產(chǎn)生連續(xù)光譜。例如熾熱的太陽內(nèi)核、燒紅的煤炭、通電發(fā)光的鎢絲、高溫熔融的鐵水。

2.熱的稀薄氣體會產(chǎn)生離散波長的光譜線，它與氣體原子的能級有關(guān)。例如霓虹燈（稀有氣體通電發(fā)光）、鈉蒸氣燈（黃色光）和汞燈（紫外光）。

不同稀有氣體通電發(fā)光的顏色

（Wikipedia）

3.熱的固態(tài)物體周圍分布著溫度較低的稀薄氣體時，產(chǎn)生的光譜幾乎是連續(xù)光譜，其中離散的光譜間隙與氣體原子的能級有關(guān)。即當(dāng)連續(xù)光穿過較冷的稀薄氣體時，會產(chǎn)生吸收光譜，因此太陽內(nèi)核發(fā)出的光被在穿過太陽大氣和地球大氣層后，會產(chǎn)生夫瑯禾費(fèi)線。

這一系列發(fā)現(xiàn)和結(jié)論不但解釋了夫瑯禾費(fèi)線的成因，更是開創(chuàng)了光譜分析學(xué)的先河，光譜學(xué)正式成為一門兼具理論與應(yīng)用價值的獨(dú)立學(xué)科。

光譜學(xué)的應(yīng)用：科研、醫(yī)療與工業(yè)

1860年，本生和基爾霍夫利用火焰光譜法研究礦泉水時，發(fā)現(xiàn)了一組從未見過的藍(lán)色譜線，這些譜線表明樣品中存在一種未知的化學(xué)元素，他們將這種新元素命名為“銫”，詞源來自拉丁文“天藍(lán)色”。這是人類歷史上首個通過光譜分析法發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素。次年，二人發(fā)現(xiàn)鋰云母礦提取物的發(fā)射光譜中存在一組從未見過的紅色譜線，根據(jù)這一特征譜線，二人將新元素命名為“銣”，詞源來自拉丁文“深紅色”。1868年，法國和英國的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽光譜中有一條波長為587.49nm的黃色譜線，與當(dāng)時已知元素的譜線均不相同，由此他們將黃線對應(yīng)的元素命名為“氦”，取自希臘語中的“太陽”，這是人類首次利用吸收光譜發(fā)現(xiàn)新的元素。

氦元素在可見光波段的發(fā)射光譜

（Wikipedia）

隨著光譜技術(shù)的成熟與發(fā)展，光譜分析法已逐步滲透到材料、化學(xué)、環(huán)境、生物、醫(yī)療、考古、天體物理等多個領(lǐng)域，成為分析物質(zhì)成分、解析微觀結(jié)構(gòu)的利器。

在材料分析領(lǐng)域，實驗室中常用的各種光譜儀器，如X射線熒光光譜儀（XRF）、X射線光電子能譜（XPS）、X線能量色散譜（EDS）、光致發(fā)光光譜（PL）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、核磁共振波譜儀（NMR）、電子順磁共振譜儀（EPR）等，能夠從材料組成成分、界面特性、晶格結(jié)構(gòu)等角度，全方位解析材料的核心信息，為材料研發(fā)、性能優(yōu)化與質(zhì)量控制提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

其中X射線光電子能譜（XPS）利用過分析X射線激發(fā)物質(zhì)表面電子，使其脫離原子束縛形成“光電子”，隨后通過分析光電子能量分布，獲取物質(zhì)的元素組成、化學(xué)價態(tài)及表面結(jié)構(gòu)信息。XPS是一種光電子能譜技術(shù)，雖不直接檢測電磁波，但仍屬于廣義上的光譜儀。

XPS系統(tǒng)示意圖

（Wikipedia）

在化學(xué)合成領(lǐng)域，特別是在有機(jī)合成中，光譜儀能夠通過監(jiān)測特定波段光線的強(qiáng)度變化，實時捕捉反應(yīng)過程中官能團(tuán)的生成與消失、溶液顏色或透明度的變化等信息，間接監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程、反應(yīng)速率和產(chǎn)物種類，并且還可以助力復(fù)雜產(chǎn)物的分離、痕量雜質(zhì)的鑒定、催化劑的篩選等。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光譜儀可用于蛋白質(zhì)等生物大分子的三維結(jié)構(gòu)解析、確定抗體或藥物的作用點位、判斷核酸堿基的配對方式、研究藥物的作用和代謝速度，還可以和核磁共振成像（MRI）技術(shù)結(jié)合，由MRI尋找異常位置，由光譜儀分析異常類型，實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。并且隨著醫(yī)療技術(shù)發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)有些疾病會影響呼出氣體的組分，例如肺癌（苯甲醛濃度較高）、糖尿病酮癥酸中毒（丙酮濃度較高）、心力衰竭（乳酸濃度較高）等，因此可以利用光譜儀對某些疾病進(jìn)行無痛式、無創(chuàng)式、非接觸式的早期快速篩查。

某種蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)示意圖

（Wikipedia）

在天體物理研究中，光譜儀幾乎成了人類研究天體的“唯一工具”，天文學(xué)家需要從光譜中提取天體的化學(xué)成分、溫度、密度、速度、距離等關(guān)鍵信息。這些信息不僅能還原恒星從誕生到消亡的演化軌跡、追溯星系的形成與合并歷史，更能為驗證宇宙起源理論、探尋暗物質(zhì)與暗能量的蹤跡提供無可替代的觀測依據(jù)，讓人類在遙遠(yuǎn)的地球上便能觸摸宇宙運(yùn)行的底層規(guī)律。我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡就配備了16臺光譜儀，能夠同時觀測4000個天體，是世界上光譜獲取能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡之一。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡照片

（Wikipedia）

除了基礎(chǔ)科研領(lǐng)域，光譜技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在重工業(yè)中，光譜儀可以用來檢測鋼水的錳、硅、鉻等元素含量，確保鋼材牌號符合標(biāo)準(zhǔn)；在食品工業(yè)中，光譜儀可以快速識別三聚氰胺、地溝油等有害物質(zhì)含量，也可以分析糧食的蛋白質(zhì)、水分含量，實現(xiàn)無損質(zhì)檢；在半導(dǎo)體工業(yè)中，光譜儀更是貫穿晶圓生長到器件封裝的全流程，保障每一顆芯片的性能與良率。

在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，光譜儀可快速檢測出空氣、水中的污染物成分及濃度，并且還可用于大氣可見度、污染物分布、風(fēng)速的測量；在考古與文物鑒定領(lǐng)域，光譜儀能夠在不損壞文物的前提下分析文物的材質(zhì)成分、制作工藝、歷史年代，是破解文物歷史信息、鑒別真?zhèn)蔚闹匾侄沃唬辉谥閷毷罪楄b定領(lǐng)域，光譜儀不僅可以準(zhǔn)確識別各種珠寶的種類，還能排查珠寶是否經(jīng)過染色、注膠等優(yōu)化處理。

從牛頓分解陽光，到基爾霍夫和本生破解太陽暗線之謎，再到發(fā)現(xiàn)新元素、解析物質(zhì)結(jié)構(gòu)、探尋宇宙奧秘，光譜學(xué)已經(jīng)從一個純粹的物理現(xiàn)象，發(fā)展成為支撐現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的基石之一。然而，傳統(tǒng)光譜儀“笨重”的身軀和昂貴的價格，將其主要限制在實驗室的方寸之間。如何才能讓這位“萬能偵探”在更廣闊的舞臺上施展才華呢？答案，就藏在下一場即將到來的技術(shù)革命——微型化與芯片化之中。敬請期待下篇，我們將揭示中國科學(xué)家如何將光譜儀“裝進(jìn)”一枚小小的芯片，并用其重塑我們對世界的感知方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yu, H., Memon, M.H., Yao, M.et al.A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager.Nat. Photon.(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6

出品：科普中國

作者：梁坤（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

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