超微型仪

台湾超微光学参加了于2012年10月16-18日召开的2012北京国际光电产业博览会暨第十七届北京国际激光、光电子及光显示产品展览会（ILOPE 2012）。在此次展会上，超微光学展出了超微型光谱模组及微型光谱仪系列产品。 超微光学的系列超微型光谱模组有着微小的体积及相当低的设置成本，微型光谱仪同样具有此方面的优势，并具有宽光谱范围、高解析度及可编程微控制器，使用USB接口，无需外接电源，可同时连接多台光谱仪。

微型激光测振仪在超声领域的应用最近几年，超声技术在各个领域的应用越来越多，比如利用超声波原理进行医学治疗的设备也在临床实践中被广泛应用。医学超声设备主要是基于高频振动波（超声波）传入人体组织，并在局部产生热效应、机械效应和空化效应，引起目标组织的改变，从而达到治疗的目的。昊量光电全新推出的微型激光测振仪是一种非接触式的振动测量仪器，能够精确测试医学超声设备的超声振动特性和模态，在产品的研发、质检和性能优化过程中起到了至关重要的作用。激光测振仪在医学超声领域的应用具有如下优势：1、激光聚焦光斑小、空间分辨率高，能够快速定位并测量超声手术刀、洁牙器等小尺寸超声器件；2、采用非接触式的测量方法，高效便捷，可以快速检测产线上的超声设备性能，确保产品一致性，甚至可以检测超声设备在工作状态下的超声波输出特性，更加真实地反映设备的实际使用性能；3、超声检测带宽大，最高可检测5MHz左右的高频超声，同时能满足20pm以下的微弱振动分辨率要求，检测精度极高；4、集成式光学自研芯片，无需额外控制器，体积小巧使得安装测试变得更加便捷，提高测量精准性！一、 超声换能器测振超声换能器是一种将电磁能转化为机械能（声能）的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成，常见的超声波清洗器、超声雾化器、B超探头等都是超声换能器的应用实例。针对超声领域应用需求，昊量光电全新推出了一套完整的台架式超声振动测量仪。作为这款测量仪核心部件的激光传感器，利用了集成光学技术将原有复杂光学元器件集成于微小芯片中，结合具有自主知识产权的调频连续波（FMCW）相干光检测原理，以小型集成化的设计模式，实现了传统复杂大型设备的测量能力。测试：20kHz 频率功率换能器，工作距离：375px振动图谱：在换能器在各个位置的测量结果。当换能器频率在 Mhz 附近时，幅度测量对测量精度的要求大大提高。结果显示，昊量测振传感器能很好的分辨振幅的实时波形，得到 nm 级的测量精度。二、 超声手术刀超声手术刀是一种通过激发20 kHz~60 kHz 超声振动的金属探头（刀头），对生物组织进行切割、消融、止血、破碎或去除的外科手术仪器。超声手术刀的工作性能一般与刀头的超声输出功率、频率直接相关，因此对刀头的超声特性探测至关重要。超声手术刀的刀头尺寸一般为5-10 mm，这种小尺寸结构很难采用接触式传感器测量其超声特性，而激光测振仪则可以轻松将激光聚焦到刀头位置，精确测量超声振幅与频率。三、 超声洁牙器 超声洁牙器主要工作原理是：将高频振荡信号作用于超声换能器，利用逆压电效应（或磁致伸缩效应）产生超声振动并传递至工作尖，工作尖受到激励产生共振，利用工作尖的超声波共振可以将牙齿表面的菌斑、结石或牙周表面的细菌等清除。依据我国医药行业标准（YY 0460-2009）和国际电工委员会标准（IEC 61205：1993）,超声洁牙器工作尖的超声输出特性是重要的检测指标。常规超声洁牙器工作尖振动频率主要设计范围在18 kHz~60 kHz，其中以42 kHz工作频率最为常见。同时工作尖尺寸往往较小（＜1mm），无法采用传统的接触式振动传感器进行检测。因此，对于超声洁牙器振动性能的检测，通常采用激光测振仪完成，其非接触式的检测方式便于开展产线上产品的逐个检测，是产品良率和一致性的有力保障。某品牌的洁牙器尖端测振四、 超声焊接 超声波焊接是通过超声波发生器将50/60赫兹电流转换成15、20、30或40 KHz 电能。被转换的高频电能通过换能器再次被转换成为同等频率的机械运动，随后机械运动通过一套可以改变振幅的变幅杆装置传递到焊头。焊头将接收到的振动能量传到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将塑料化。超声波不仅可以被用来焊接硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜。五．技术参数介绍昊量光电全新推出的微型超声测振仪光学元件集成化可以实现更加复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件，包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器等。相对于传统基于分立器件的多普勒测振仪，MV-H以其低功耗、高性能、小型化的优势，为客户带来了低成本、便于集成的解决方案，也为激光振动传感器的广泛应用奠定了基础。1.产品参数指标2.软件功能完善3.丰富的配件可选上海昊量光电作为这款微型超声测振传感器在中国大陆地区蕞大的代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

p　　电 铁匠用砧台来锻造金属，美国科学家搭建出一个超微型“砧台”，能够在上面“锻造”分子，造成化学键断裂和电子转移。据介绍，这是首次仅通过机械压缩触发化学反应，可望带来更高效、精确和环保的化工合成技术。/pp　　化学反应的本质是化学键的形成和断裂，通常需要热、光或电触发，用纯机械手段来触发是个较新的研究领域。此前人们曾通过拉伸分子触发化学反应，但压缩方式尚未取得成功。/pp　　美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学研究人员在新一期英国《自然》杂志上发表报告说，他们利用金刚石产生巨大压强，再用结构牢固的碳硼烷分子作为“砧台”，把压强传递给比较“松软”的分子，使后者的化学键断裂。/pp　　实验中，研究人员让两块金刚石相互靠近，使其对放在中间的样本产生高达500吉帕斯卡的压强，约是地心压强的1.5倍。/pp　　被“锻造”的对象是铜硫团簇，实验显示，碳硼烷“砧台”能把金刚石装置产生的压强传递给铜硫团簇，致其变形。压缩过程中不仅发生化学键断裂，还使电子从硫原子移动到铜原子，产生纯铜晶体。/pp　　研究人员说，这项成果有助于研究压强对材料性质的影响，进而开发新型材料。如果能用机械压缩的方式简化一些重要的化学反应，也将为化工合成开辟新路，如降低合成氮肥的成本等。/ppbr//p

p　　12月21日来自美国弗吉尼亚州汉普顿的消息称，一种用于行星探索的紧凑型光谱仪器已经开发出来。该系统被称为定位超小微型拉曼(SUCR)仪，能够以10微米的分辨率在几厘米(2-20厘米)范围内检测和鉴定矿物质、有机物和生物材料。该主动遥感系统由一个532纳米激光器和一个微型光谱仪构成。/pp　　SUCR仪器结构紧凑，比其他微型拉曼仪器快得多，采用之前在夏威夷大学开发的直接耦合拉曼系统设计，可在日光下对距离仪器100米远的样品进行远程化学检测(SpectrochimActaA2005)。夏威夷大学的紧凑型仪器将所有光学元件直接连接到光谱仪上，与光纤耦合拉曼系统相比，由于信号损失较少，系统的性能得到了显著的提高。/pp　　为了研发SUCR仪器，NASALangley研究中心和夏威夷大学的研究人员修改了之前开发系统的采集光学系统，以获取距离该仪器更近的样品的光谱。研究人员还通过使用长16.5厘米，宽11.4厘米，高12.7厘米的微型光谱仪，减少了系统的占地面积。/pp　　美国宇航局兰利研究中心和夏威夷大学的研究人员开发了一种新的微型拉曼光谱仪器可以搜寻其他行星上的生命。图为来自OldDominion大学的学生DerekDavis研究该仪器时的照片。由NASA兰利研究中心的M.NurulAbedin提供。/pp　　美国宇航局研究人员M.NurulAbedin表示：“我们必须确保仪器非常小巧轻便，以便它能够搭载一个小型、节省燃料的太空船，实现九个月的火星旅程或六年的欧洲之旅。该仪器还必须可以和搭载在流动站或着陆器上的其他仪器配合使用，并且不受其他行星上恶劣辐射条件的影响。”/pp　　在室内光照条件下，研究人员使用SUCR分析了可能与其他行星(包括硫磺、萘、混合样品、大理石、水、方解石矿物质和氨基酸)的生命有关的矿物质和有机化合物。/pp　　研究人员采用将紧凑型脉冲激光通过焦距为100毫米的柱面透镜的方式，成功测量了距离仪器10厘米的样品的拉曼光谱，分析面积为17.3微米x5毫米。采用60毫米焦距的柱面透镜，在距离6厘米的样品处实现了10-微米的分辨率。/pp　　Abedin说：“我们现在正在试图通过扫描来扩大分析区域。由于系统具有较高的速度，我们认为能够在一分钟内创建5x5mm区域的拉曼光谱图。若采用传统的微型拉曼系统做这件事则需要几天的时间。”/pp　　研究小组报道说，相较于以前的微型拉曼光谱仪器新仪器进行了一些改进，需要在分析和测量之前收集样品，以便在黑暗中进行。传统的微拉曼仪器也容易受到天然矿物质荧光的干扰。/pp　　Abedin说：“现有系统的局限性在于从火星飞行任务中获得的样本数量和信息量会显著降低。我们精心设计了我们系统的光学系统，以便在日光条件下进行快速分析，并生成高强度的拉曼信号，从而不像传统系统那样容易受到干扰。”/pp　　Abedin表示，SUCR系统未来可用于生物医学、食品分析以及其他无需将样品送至实验室即可从快速化学分析中受益的应用。/pp　　下一步，研究人员计划在模拟火星和其他行星上发现的环境中测试SUCR仪器。然后他们将开始验证过程，以证明该设备可以在目前发现的太空条件下准确运行。/pp　　该研究发表在AppliedOptics，OSA出版物，光学学会出版(doi：10.1364/AO.57.000062)。/pp/p

2023年2月23日，北京大学程和平-王爱民团队在 Nature Methods 在线发表题为 Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection 的文章。 文中报道了重量仅为2.17克的微型化三光子显微镜（图1），首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 图1 小鼠佩戴微型化三光子显微镜实景图 解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，为此需要打造自由运动动物佩戴式显微成像类研究工具。2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代 2.2 克微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。 微型化三光子显微镜突破成像深度极限 海马体位于皮层和胼胝体下面，在短期记忆到长期记忆的巩固、空间记忆和情绪编码等方面起重要作用。在啮齿类动物研究模型中，海马距离脑表面深度大于一个毫米。由于大脑组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性，所以突破成像深度极限是长期以来困扰神经科学家的一个极大的挑战。此前的微型化单光子及微型化多光子显微镜均无法实现穿透全皮层直接对海马区进行无损成像。此次，北京大学最新研发的微型化三光子显微镜一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限：1、显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区的直接观测记录（图2）。神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。2、在光毒性方面，全皮层钙信号成像仅需要几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要20至50毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，该款微型化三光子显微镜可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，且不产生明显的光漂白与光损伤。图2 微型三光子显微成像记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。 全新的光学构型设计 北京大学微型化三光子显微镜成像深度的突破得益于全新的光学构型设计。（图3）图3 微型化三光子显微镜光学构型 通过对皮层、白质和海马体建立分层散射模型进行仿真，发现荧光信号从深层组织到达脑表面时已经处于随机散射的状态，使得显微物镜荧光收集效率降低，从而极大限制了成像深度。针对这一问题，经典阿贝聚光镜结构被引入构型设计中：微型阿贝聚光镜与简化的无限远物镜密接可以提高散射光的通透效率；阿贝聚光镜与激发光路中的微型管镜部分复用，可以进一步简化结构，降低损耗。总体上，新微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升。 生物应用 同时，利用微型化三光子显微镜，作者研究了小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆这一感觉运动过程中的编码机制：发现大约37%的神经元在抓取动作之前就开始活跃且在抓取时最活跃，大约5.6%的神经元在抓取动作之后开始活跃，说明不同神经元参与了不同阶段的编码。（图4）这一结果初步展示了微型化三光子显微镜在脑科学研究中的应用潜力。 图4 小鼠顶叶皮层第六层神经元在抓取糖豆任务中的不同反应类型北京大学未来技术学院博士后赵春竹、北京大学前沿交叉学科研究院博士研究生陈诗源、北京大学分子医学南京转化研究院研究员张立风为该论文的共同第一作者，北京大学程和平、王爱民、赵春竹为论文的共同通讯作者，北京超维景生物科技有限公司胡炎辉、李谊军、陈燕川、付强、高玉倩、江文茂、张颖也参与了此项工作的开发。该项目得到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、中国医学科学院医学与健康科技创新工程—脑疾病的线粒体机制研究创新单元、国家自然科学基金委、国家重大科研仪器研制专项、科技部重点研发计划等经费支持。超维景一直致力于前沿生物医学成像技术的产业转化，为推动生命科学的研究与发展提供优质的、系统化的解决方案。 经过多年的沉淀 我们即将推出自主研发的最新一代微型化三光子显微成像系统敬 请 期 待 ！Nature Methods 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01777-3

「纳境科技」成立于2020年，是一家专注于超表面光学器件设计与制造的科技企业。公司以超表面光学与半导体工艺相结合为基础，为光学行业提供轻、薄、高效的新一代光学元件。目前产品主要有超透镜和光谱仪两类，应用于机器人、智能手机、XR、自动驾驶、安防监控等领域。超表面光学能够将微观结构的精密设计与光学性质的精细调控结合在一起，操控光的传播，从而实现各种各样的光学功能。「纳境科技」CEO龚永兴介绍，以超透镜为例，随着消费电子的升级，对于产品的重量、厚度、平整度、效率、温漂等方面都提出更高的要求。超透镜就是基于超表面技术，利用微纳工艺和介质材料研发而成的透镜。它颠覆了传统光学器件中繁琐的透镜组，以微米级的厚度实现了原来几毫米甚至厘米级的透镜功能，并且集多个光学元件功能于一身，大幅减小成像系统的体积、重量，使结构简化、性能优化。“在光谱仪方面，行业最大的痛点就是形态大，产品贵，一台好的光谱仪要数万到数十万不等”，而「纳境科技」利用超表面阵列对光的调制作用研制了新形态的微型光谱仪。相较于传统光谱仪，超表面光谱仪具有体积极小、成本极低、台间差小等优势，可广泛应用于手机、环保、机器人传感等领域。微型光谱仪在智能手机上的应用，意味着消费者在日常生活中凭借手机可以实现简单的测量和检测，比如检验食品和药物的成分是否安全，检测皮肤状况，判断食物的成分组成以及环境污染等等。此外，「纳境科技」为大量客户提供设计方案，积累了大量的微结构设计数据，用于支持光学器件设计，现已具备大视场衍射器件设计技术、近红外消色差设计技术以及多波段成像光谱方案设计技术。「纳境科技」团队现有40余人，研发人员占比75%。核心创始团队来自浙江大学、麻省理工学院等科研院所，平均拥有10年以上微纳光子器件和光学芯片的设计、制备经验。创始人林宏焘是麻省理工学院博士后，主攻产品战略、设计与工艺集成。首席科学家马耀光在北大、加州大学、科罗拉多大学从事博士后研究。CEO龚永兴曾任上市公司副总经理，拥有丰富的运营管理和战略设计经验。目前，「纳境科技」超透镜产品主要包括成像、DOE、光束整形等产品，目标应用于机器人、手机、XR等领域。公司透露称，其超透镜相关产品已经拿到订单并处于样品测试阶段，预计二季度可以实现量产；微型光谱仪产品预计在明年可以实现量产。龚永兴表示，当前「纳境科技」有多款应用于不同场景的产品处于在研状态，未来超透镜所在波段也会从现在的近红外向可见光拓展。公司现已启动新一轮融资，资金计划用于产品研发与产能建设。

光谱是物质的基本属性之一，被视为物质的指纹。光谱成像通过记录不同空间位置的光谱来捕捉物质的空间和光谱信息，不仅可以感知物质的客观存在，还可以了解物质的组分。光谱成像技术已被广泛用于食品安全、生物医学、环境监测和卫星遥感等领域。光谱成像系统通常由光谱器件（色散元件或滤色片）和CMOS图像传感器组成。由于这些光谱器件的体积和质量普遍较大，导致成像系统的结构复杂、体积庞大且成像速度较慢。这与实际应用中小型化、轻量化和集成化的需求相矛盾。 　　为解决上述问题，中科院苏州医工所李辉团队与中科院光电所郭迎辉团队合作，研发了一种基于超构表面的微型高光谱成像器件。科研人员首先提出并验证了准随机超级单元构成的计算型高光谱超构表面设计方法。准随机超级单元具有严格的对称性，光谱器件的偏振敏感性较低，因此由准随机超级单元构成的光谱器件可以更好地应用于复杂的工作环境。而超级单元的周期打破了亚波长尺度的限制，设计自由度得到显著提升，极大丰富了单元结构的种类，使选择的单元结构对应的透射光谱满足了压缩感知算法的需求，同时也降低了超构表面的加工难度，缩减了器件加工的成本和周期。 　　超构表面每个超级单元采用遗传算法和压缩感知来实现高光谱重构。考虑到重构图像质量和空间分辨率，科研人员针对窄带光谱信号和宽带光谱信号设计了两款不同的高光谱器件（CHDNS和CHDBS）。在窄带光谱信号入射时，CHDNS的光谱分辨率为6nm，其重构的复杂窄带光谱的峰值波长误差为0.05nm，线宽误差为0.6nm。在宽带光谱信号输入时，CHDBS重构的高光谱图像的平均信号保真度高达92%。CHDBS阵列可与CMOS芯片集成，用于单次高光谱成像，有望应用于生物制药、病理分析等方面。这种计算型高光谱器件的设计为小型化和便携式高光谱设备和系统的研发开辟了新的可能。 　　该研究成果以“Computational hyperspectral devices based on quasi-random metasurface supercells”为题发表于Nanoscale(IF:8.307)，其中论文第一作者为苏州医工所博士生陈聪和中科院光电所助理研究员李晓银，通讯作者为苏州医工所李辉研究员和中科院光电所郭迎辉研究员。 　　该项工作获得了中国科学院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20200074），国家自然科学基金（61805272, 61875253, 62141506），中国科学院C类战略性先导科技专项（XDC07040200）的资助与支持。 　　论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/nr/d3nr00884c/unauth 图1 超构表面超级单元的设计 图2 CHDNS重构窄带光谱信号的实验结果 图3 CHDBS重构宽带光谱信号的实验结果 图4 CHDBS光谱成像的模拟结果

近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。为帮助广大用户及时了解小动物活体成像前沿技术、产品与整体解决方案，仪器信息网特别制作【小动物活体成像技术创新突破进行时】专题，并策划“小动物活体成像技术”主题征稿活动，以期进一步帮助广大用户从多维度深入了解小动物活体成像技术应用、主流品牌、市场动态以及相关内容。本期约稿特别邀请超维景生物科技有限公司研发总监胡炎辉，就小动物活体成像技术发展、市场规模及未来趋势进行分享，并就超维景生物科技在面对小动物自由运动活体成像瓶颈取得的突破性进展。 本期嘉宾：胡炎辉，超维景生物科技有限公司 研发总监 胡炎辉，超维景生物科技有限公司研发总监。2018年毕业于北京大学，电路与系统专业，曾参加基金委国家重大仪器专项，负责逻辑控制、微弱信号探测及系统设计，在激光扫描显微成像、微弱信号探测及高速信号处理等技术方向有着多年的积累。2017年至今，作为超维景核心创始团队成员之一，参与公司技术专利20余项，开发了新一代双光子成像处理平台，推出了科研、医疗等多款多光子产品，具有丰富的产学研融合开发及落地经验。——01—— 从单光子到多光子成像，推动活体成像技术发展在医学和生命科学研究的领域内，不断的革新和突破在成像技术方面是推进科学发展的关键，同时也是推动新的生物学发现和进步的重要引擎。其中，多光子成像技术通过激光与生物样本内的分子和原子相互作用产生荧光反应，以荧光显微的形式，允许我们以无损害的方式直接观察到组织的内部结构。尽管生物样本本身对光有较好的透光性，它们也具有强烈的散射特性。通常，细胞水平的高分辨成像技术在生物组织中的穿透深度“软极限”大约为1mm。不过，使用更长波长的激光可以减小对光的散射，并且增强穿透力。多光子吸收提供了一种非线性的荧光激活方法，其中双光子和三光子吸收的波长分别是单光子激发的两倍和三倍。与单光子相比，多光子成像可以实现几乎10倍的成像深度增强。这种非线性激发方法也带来了更高的信号-背景比及更优秀的层析成像能力。所有这些成像上的优势使得多光子成像特别适合用于复杂条件下的活体成像研究，成为一种在这些应用中非常重要的工具。Winfried Denk于1990年在康奈尔大学发明了世界上第一台双光子激光扫描显微镜。而自21世纪初以来，随着超快激光技术的突破及商业化，双光子显微成像技术迅速成为最广泛使用的活体动物成像方法。特别值得提及的，超维景的创始人程和平院士早在1992年就开始涉足双光子显微技术，成为最早的技术参与者之一，并致力于推广这一技术。历经近三十年的发展，双光子显微成像技术已变得在脑科学研究中不可或缺。尽管传统的台式双光子显微镜分辨率高，但它们体积庞大且重量重，需将实验动物固定或麻醉以完成成像，因此无法适用于自由活动的动物。微型单光子成像技术可以实现对自由活动的小鼠进行成像，但它在分辨率和对比度方面相对较低，难以达到亚细胞级别的分辨率和三维成像效果。——02——直面脑科学研究自主研发工具挑战，2.2克微型化双光子显微镜“轻装上阵”打造用于全景式解析脑连接和功能动态图谱的研究工具是当代脑科学的一个核心方向。针对如何在自由行为动物上绘制大脑神经元功能图谱的难题，超维景团队研发出了头戴式2.2克微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠大脑神经元和突触水平钙信号功能成像，为脑科学研究提供了革命性的新工具。这项技术解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术，入选“2017年度中国科学十大进展”，并被评为Nature Methods“2018年度方法”。依托此技术建成“南京脑观象台”，为中国脑计划提供了“人无我有”的支撑平台；专利技术的产业转化实现高端显微成像装备自主创制的突破，完成对欧美国家的整机出口，累计实现销售额过亿元。通过技术拓展，研发了应用于人体的手持式双光子显微镜，在临床医学与航天医学中具有巨大的应用前景。为病理诊断技术带来一种全新的手段，成为临床疾病精准检查的重要工具。这项技术成果属于国家基金委重大仪器专项转化的科技成果，是国家在高端装备研发方向投入的典型产出代表。除了在脑科学、医疗应用领域的技术贡献之外，同时彰显了中国也可利用具有自主知识产权的国际领先的技术，实现在高端仪器方向的突破，提振了中国科学家在高端仪器装备方向的研究信心，并以此为核心技术来推动国内以及国际的科学研究大计划，对国内的脑科学研究领域也起到积极引领作用。——03——深耕小动物自由运动活体成像，持续提升核心竞争力超维景公司始创于2016年，公司核心力量来自北京大学院士创建和领导的多学科交叉团队，是一家专注于高端生物医学成像设备研发、生产和销售的国家高新技术企业。2017年，超维景核心团队成功研制仅2.2g的超高时空分辨微型化双光子显微镜，在国际上首次获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像，被评为“2017年度中国科学十大进展”和《Nature Methods》“2018年度方法”（无限制行为动物成像），开启自由活动动物成像新范式，研究成果可应用于脑认知基本原理研究、脑重大疾病机理研究和脑疾病的药物研究，本技术进一步可应用于临床实时在体无创细胞级检测。部分获奖照片“微型化”是指将显微镜做到拇指大小，可以佩戴在小鼠头上，同时不影响小鼠的自由活动，进而观察小鼠在觅食、社交、睡觉等自主行为时大脑神经元的真实活动和功能连接。超维景的微型化显微镜体积微小，让小鼠能够“戴着跑”，实现了自由行为动物的清晰稳定成像，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，观察神经突触、神经元、神经网络等的动态变化，从而获取小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动的动态图像。2.2g微型双光子荧光显微镜2021年，团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力，原始论文发表于《Nature Methods》。2023年2月，团队将微型化探头与三光子成像技术结合，成功研制微型化三光子显微镜，重量仅为2.17克，并在 《Nature Methods》 发表文章。一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 《Nature Methods》发表相关技术成果2023年2月，神州十五号航天员乘组使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨实验任务并取得成功，是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮千层的三维图像，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。图为神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜2023年12月，由超维景公司自主研发的在体双光子显微成像系统获批上市，是中国首个基于双光子显微成像原理的医疗器械。本次研发是首次实现脑科学技术跨学科助力皮肤检测的技术应用，将最前沿的双光子显微成像技术引入现代皮肤医学检测领域，实现“实时、无创、在体、原位、无标记”的高分辨率皮肤细胞及胞外组织三维成像，为患者和医生带来便利。——04——布局微型化多光子产品体系，开启自由行为动物显微成像新范式解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，但传统的多光子显微镜进行常规脑成像通常需要将动物的头部固定在台式显微镜上，这严重限制了模式动物的自由生理状态。为此需要打造自由行为动物佩戴式显微成像类研究工具。基于团队及技术发明，超维景已布局微型化多光子成像产品体系，并成功实现多款产品的产业化，包括SUPERNOVA-100一体式微型化双光子显微镜、SUPERNOVA-600集成式微型化双光子显微镜与SUPERNOVA-3000微型化三光子显微镜等，解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术。超维景微型化多光子显微成像系列产品，可以在微观尺度上、不干扰自由运动动物行为的前提下，对大脑神经元和神经突触进行无创性观察和实时、动态成像，为研究神经科学、行为学、认知科学等多个领域提供了新的视角和手段，从而为脑健康研究开辟新的道路。树突棘成像 单树突棘级分辨率 神经元轴突与亚细胞结构成像 ——05——持续加码小动物自由运动活体成像系统“科研+临床”的广阔应用脑科学机理研究。大脑是一个极度复杂的器官，目前，各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中，如何打破尺度壁垒，融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息，是领域内亟待解决的一个关键挑战。要想实现动物在体脑功能实时成像的研究，能够观察到整个皮层甚至更为深入的其他脑区，涉及到仪器开发、手术技术、生物研究等等不同的方面领域，技术挑战非常大。为了真正解密大脑的工作原理和流程，人们需要在对大脑神经元高分辨成像的同时，被观察者能够自由的正常活动，也就是最理想的脑功能成像需要被观察者在自由运动状态下进行脑功能观测。脑疾病机理研究。目前一些重要的脑疾病，如自闭症、精神类疾病、老年痴呆症等都是全世界的难题。以老年痴呆症为例，根据得病率统计，85岁以上老人中的 50%患有老年痴呆。预计到2050年，中国将有近1亿患者的生活需要照顾、需要医疗系统的救助，这是严重的社会负担。通过本技术对脑科学疾病研究，如果有新发现，对于老年痴呆症，就可能找到早期诊断的方法，早发现、早干预，把严重症状出现期从85岁延缓到95岁，社会负担就可以大大减轻，提高国民生活质量。神经药物筛选。微型化双光子显微镜不仅可以“看得见”大脑工作的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。而此类疾病的药物开发，由于缺少快速直接的药效反馈手段，而大大受阻。微型化双光子技术的应用将极大的推动此类神经疾病药物的开发进程，为人类脑疾病的诊断和治疗提供新的手段。携手全球合作伙伴，携手共谋发展。微型化多光子成像系统已获得国内的上亿元订单，以及国外的数千万元订单。其中，国内用户包括北京大学、中科院上海神经所、中科院深圳先进技术研究院、复旦大学、上海交通大学、西湖大学、中山大学、华南理工大学、南京脑观象台等。国外用户包括加州理工、纽约大学、德国马普神经所、德国波恩大学、德国马普鸟类研究所等。未来，超维景将在多光子显微成像技术继续深挖“科研+临床”的广阔应用，这将作为神经探索领域的引路明灯，照见更多未知的领域。参考文献：• Zhao, C., et al. (2023). Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection. Nat Methods, 2023 Apr 20(4):617-622.• Zong, W., et al., Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods, 2021. 18(1): p. 46-49.• Zong, W., et al., Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods, 2017. 14(7): p. 713-719.

近年来，由于全球制造业迎来“工业4.0“时代，经济快速发展以及环境监测、医疗和生命科学、半导体等领域的现代化进程加快，用户对光谱仪的需求量增多（据报告显示，2020 - 2026年医疗行业对微型光谱仪的需求复合年增长率预计超过11%），同时对光谱仪的性能、体积等提出了更高的要求。此外，随着对工业生产环境的要求日益严苛，检测设备的准确度、适用性、智能化和集成性就显得尤为重要了。作为微型光纤光谱仪的发明者，海洋光学致力于帮助客户解决棘手的困难与挑战，投入了大量的资源用于新一代光纤光谱仪的研发。近日，海洋光学推出新一代微型光纤光谱仪Ocean ST。Ocean ST——业界超小尺寸的微型光纤光谱仪，以超紧凑的机身设计和强大的性能，为客户提供超高性价比的体验，为行业赋能。超小的体积，出色的性能Ocean ST体积仅有45cm³，是海洋光学USB系列的约1/4；重量仅有70.4g，是USB系列的约1/3；整体设计紧凑、小巧，价格便宜，但在性能上却可与市场上大尺寸、更昂贵的光谱仪相媲美，提供优质的全光谱分析数据，高速光谱采集、高信噪比以及高分辨率。此外，Ocean ST在紫外波段响应实现了重大突破。相比于海洋光学上一代超小体积的微型光谱仪，Ocean ST在紫外波段灵敏度提高了233倍，检测限更低，可以监测到更弱的紫外信号。名副其实的“掌中宝”应用灵活，便于集成Ocean ST微型光谱仪有紫外、可见光和近红外波段三个配置，并与海洋光学的光源、光纤、采样附件和OceanView软件兼容，用户可根据不同的应用和场景优化配置。可选配狭缝的设计使用户能够更加灵活地调整光学分辨率和光通量。当光信号较强，且光谱仪分辨率较为重要时，选择宽度较小的狭缝。反之，则选择更宽的狭缝。同时， Ocean ST坚固耐用的结构，超小的体积，出色的热稳定性以及较小的台间差， 使其成为一个集成开发的理想选择，可轻松集成到生产线上进行在线检测，或对成品进行质量监测。为深陷“性能”与“尺寸”两难的工业客户提供了便于操作且性价比高的理想替代方案。配备软件二次开发包每台Ocean ST微型光谱仪都配有OceanDirect，这是一个强大的跨平台软件二次开发包（SDK），具有应用程序编程接口 （API）。OceanDirect的例程库为用户提供了调整光谱仪参数和访问关键数据并进行分析的能力。用户可通过OceanDirect连接光谱仪，设置积分时间等采集参数并采集光谱；同时，将OceanDirect集成至用户自身的软件应用程序中，即可全面控制光谱仪和设备。应用范围广Ocean ST是通用型的微型光谱仪，在多种应用场景中表现出色，是以下应用的不二之选：荧光测量紫外波段的吸光度和辐照度等离子体监测近红外反射测量塑料和其他固体表面反射率DNA/RNA样品吸光度与浓度检测颜色测量Ocean ST是海洋光学研发推出的超小体积微型光谱仪，未来将会有更多海洋光学新一代光谱仪问世，敬请期待！

p　　光谱仪作为重要的分析仪器，在诸多领域已取得应用。那么光谱仪技术未来的发展方向和潮流是什么?有哪些难点需要克服?/pp　　光谱仪技术已经到了发展的关键时刻，未来光谱仪将朝着以下三个方向发展：/pp　　第一，微型光谱仪标准化。在标准化方面，目前国家并没有针对光谱仪出台任何计量标准，在传感器标准方面也没有涉及。虽然海洋光学在这个方向做了很多工作，但是还没有上升到行业标准及国家标准。未来我们将致力于微型光谱仪市场的标准化，只有形成标准化市场之后，才会得到更多工业用户的认可，甚至走向民用市场。/pp　　第二，由微型光谱仪到迷你光谱仪。这涉及到光路设计、检测器筛选、生产工艺改善以及相关技术上的突破。随着光谱仪产品尺寸越来越小，检测灵敏度越来越高，对于制造工艺也提出了新要求，未来将会引入更多自动化技术，带来制造工艺的革新。/pp　　第三，光谱仪的功能化及系统化。现阶段光谱仪只能给出光谱数据，但对于一般使用者而言，无法把握光谱数据所传达的确切信息。因此，我们要把微型光谱仪功能化，做成子系统，能够输出客户真正关心的数据信息。/pp style="TEXT-ALIGN: right"　/p

紫外线敏感C16767微型光谱仪是市场上最小的紫外线光谱仪。非常适合用于环境应用的小型仪器和通过吸收分光光度法分析水污染物。 微型光谱仪 C16767MA指尖大小的超紧凑型光谱仪探头，支持实现高灵敏度和长波长范围 C16767MA 是一款高灵敏度、超紧凑（指尖大小）的光谱仪探头。C16767MA 支持紫外区域（190 至 440 nm）。该产品适合集成到各种紧凑型设备中。特点- 指尖大小：20.1 × 12.5 × 10.1 mm- 重量：5 g- 光谱响应范围：190 至 440 nm- 高灵敏度- 光谱分辨率：最大 8 nm- 支持同步积分（电子快门）- 用于集成到移动测量设备中- 检查成绩单中列出的波长换算系数。应用示例水质分析大气分析（NO、SO2 等）监测 UV-LED、UV-A、UV-B 和 UV-C半导体制程监测器（等离子体、气体等）特点C16767MA 是一款采用 CMOS 图像传感器的新型微型光谱仪，利用蚀刻技术整合狭缝，并通过纳米压印光刻技术制作反射凹面光栅。C16767MA 配备图像传感器，增强了抗紫外线性能，并且针对紫外线衍射优化了衍射光栅。此外还利用我们独特的光电半导体制造工艺，在图像传感器上形成杂散光截止滤波器，从而限制在衍射期间产生的杂散光进入图像传感器。结构入射光侧（芯片背面）测量示例左图显示了硝酸、亚硝酸和 BOD（生化需氧量）的测量示例，通常会在水分析中检查这些测量指标。可以理解为，使用 C16767MA 的演示模块执行测量可以获得有利结果。在测量蒽这种有机化合物时，得到了与台面规格分光光度计测量等同的结果，如中间和右侧图表所示。硝酸、亚硝酸、BOD（使用 C16767 MA 测量）蒽（使用 C16767 MA 测量）[对照样] 蒽（使用分光光度计测量）详细参数光谱响应范围190 至 440 nm光谱分辨率（FWHM）（典型值）5.5 nm最大光谱分辨率（FWHM）8 nm制冷非冷却型内置传感器带狭缝的 CMOS 线阵图像传感器像素总数288 像素测量条件典型值 Ta = 25°C，除非另有说明外形尺寸图（单位：mm）相关文档预防措施Disclaimer / Opto-semiconductors [36 KB/PDF] Precautions / Mini-spectrometers [435 KB/PDF] 目录/技术说明Selection guide / Mini-spectrometers [3.4 MB/PDF] Technical information / Mini-spectrometers [2.8 MB/PDF] The UV mini-spectrometer revolutionizing environmental analysis 文章来源：Hamamatsu Photonics，The UV mini-spectrometer revolutionizing environmental analysis，Wiley Analytical Science, Spectroscopy, 07 May 2024供稿：符 斌

大脑深部区域与基本生命功能密切相关，在各种神经疾病中均观察到深部大脑的结构和功能异常，例如帕金森病、阿尔茨海默症、抑郁症和强迫症等。但在啮齿类动物研究模型中，由于神经组织，特别是胼胝体，具有对光的高散射光学特性。如何突破成像深度极限，在自由活动动物上对距离脑表层深度＞1 mm的结构进行成像存在极大的挑战。三光子成像技术的出现将成像深度大大扩展至1500 μm，为非侵入式深脑成像带来了曙光。北京大学研发团队最新发文Nature Methods图1.文章截图Zhao, et al. (2023). Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection. Nat Methods. 10.1038/s41592-023-01777-3.[1]解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，但传统的多光子显微镜进行常规脑成像通常需要将动物的头部固定在台式显微镜上，这严重限制了模式动物的自由生理状态。为此需要打造自由行为动物佩戴式显微成像类研究工具。※ 2017年，北京大学程和平院士团队成功研制第一代 2.2g微型化双光子显微镜，获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像。※ 2021年，该团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了 7.8 倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力。※ 2023年2月，北京大学程和平-王爱民团队再一次实现技术突破，将微型化探头与三光子成像技术结合，并在 Nature Methods 发表文章 “Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection ”。文章报道了仅2.17g的微型化三光子显微镜，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。图2. 小鼠佩戴微型化三光子显微镜探头SUPERNOVA-3000应运而生依托专业的研发团队和深厚的技术积淀，SUPERNOVA-3000应运而生。SUPERNOVA-3000通过高度集成化、系统化、工业化设计将微型化探头的重量控制在2.2g。搭配独有的光学设计突破微型化显微镜的成像深度极限，在全球范围内开创性构建自由行为动物深脑成像“新范式”。自由行为动物非侵入式深脑成像解决方案Go deeper利用五阶非线性效应以及穿透力更强的激发荧光（1300 nm），一举突破此前微型化多光子显微镜的成像深度极限。图3. 荧光激发示意图图4. 小鼠脑组织中散射长度的光谱分布[2]显微镜激发光路可以穿透整个小鼠大脑皮层和胼胝体，实现对小鼠海马CA1亚区形态及功能的直接观测记录。神经元钙信号最大成像深度可达1.2 mm，血管成像深度可达1.4 mm。图5. 微型三光子显微镜记录小鼠大脑皮层L1-L6和海马CA1的结构和功能动态。CC：胼胝体。绿色代表GCaMP6s标记的神经元荧光钙信号，洋红色代表硬脑膜、微血管和脑白质界面的三次谐波信号。More Freedom&bull 2.2g新型微型化探头微型化探头通过新型内嵌阿贝聚光镜复合式光学构型，体积仅2 × 1.6 × 0.9 cm3，实现飞秒激光脉冲无畸变传输、高质量激光汇聚、高效率荧光收集和激发。开创性的将三光子光学组件高度集成在一个微型化探头内。同时外壳使用超轻金属，重量仅2.2g既轻盈又坚固，搭配电动变焦模块、定制光纤、光屏蔽GaAsP PMT，保证了对自由运动小鼠深脑神经活动的高稳定性、高分辨成像。图6. 小鼠佩戴微型化三光子探头&bull 激光传导光纤--空芯光子带隙光纤系列光纤均具有准单模传输、低损耗、低非线性、低色散、高激光器损伤阈值的特点。高效率传输1300 nm飞秒脉冲激光，将空间光路转变为光纤传输，强抗弯折性能，使自由运动下观察成为可能。图7. 空芯光子带隙光纤截面和输出光斑示意图图8. 出口处激光脉冲时间剖面Less damage&bull 非侵入式手术◎ 深脑成像避免使用GRIN Lens，对小鼠大脑损伤更小，避免影响小鼠正常神经生理状态◎ 无GRIN Lens，成本更低◎ 手术便捷，成功率更高&bull 超低光毒性散射荧光增强收集系统——深脑超低功率成像SUPERNOVA-3000创新的使用微型阿贝聚光镜与无限远物镜密接提高散射光的收集效率，李斯特微型管镜复用简化结构，优化光路设计，提高荧光收集效率的同时，保证了大视场分辨率。总体上，散射荧光增强收集构型使微型化显微镜的散射荧光收集效率实现了成倍的提升，实现了在超低成像功率下对自由运动小鼠大脑深部脑区神经元活动进行实时监测。图9. 散射荧光增强收集构型基于散射荧光增强收集构型，实现全皮层钙信号成像仅需几个毫瓦，海马钙信号成像仅需要几十毫瓦，大大低于组织损伤的安全阈值。因此，SUPERNOVA-3000可以长时间、不间断连续观测神经元功能活动，且不产生明显的光漂白与光损伤。图10. AAV-hSyn-GCaMP6s病毒注射小鼠大脑不同深度脑区超低功率钙成像生物应用动物自由运动成像&bull 行为学实验下的小鼠顶叶后皮质 L6（PPC L6）的神经元钙活动（成像深度650 μm）微型化三光子显微镜可以搭配不同行为学实验的深部脑区进行单细胞级的稳定高时空分辨率成像，满足实时监测单个神经元的活动，结构变化以及不同功能神经元分类等实验需求。图11. 行为学实验下小鼠大脑PPC L6的神经元活动&bull 自由运动小鼠大脑海马CA1亚区的神经元钙活动（成像深度1.2 mm）安全激光功率下通过非侵入式手术对背侧海马CA1（深度达1.2 mm）的钙活动进行成像，监测神经元的钙活动轨迹，并与小鼠行为视频进行同步。图12. 自由运动小鼠大脑海马CA1亚区的神经元活动&bull 长时程监测自由运动小鼠大脑海马CA1亚区的神经元钙活动（成像深度978 μm）在8.35 Hz的成像速率下，进行100分钟不间断连续监测采集自由运动小鼠大脑海马CA1亚区神经元活动，钙信号瞬态特征无明显变化（平均振幅，衰减时间常数，SNR）图13. 100分钟不间断采集自由运动小鼠大脑海马CA1亚区神经元活动小鼠大脑组织3D重构国际影响--Nature Methods 发表社评图14. 文章部分截图Benjamin F. Grewe et al. Nat. Methods https://doi.org/10.1038/s41592-023-01808-z [3]3月，Nature Methods期刊邀请Benjamin F. Grewe等领域专家发表在线社评文章Deep brain imaging on the move ，特别指出微型化三光子显微镜对于深脑成像的重要意义。三光子成像则将可到达的成像深度大大扩展至1500 μm。因此，在小鼠中，微型化三光子显微镜将直接实现对整个大脑皮层及下方区域，例如海马CA1进行成像，同时保留完整的大脑皮层结构投影。随着微型化三光子显微镜SUPERNOVA-3000的出现，神经科学的研究人员将可实现对例如涉及纹状体结构的，大脑皮层及皮层下方脑区之间的神经网络进行深入研究图15. 微型化三光子显微镜SUPERNOVA-3000【参考文献】[1]Zhao, C., Chen, S., Zhang, L., Zhang, D., Wu, R., Hu, Y., Zeng, F., Li, Y., Wu, D., Yu, F., et al. (2023). Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection. Nat Methods. 10.1038/s41592-023-01777-3.[2] N. G. Horton, K. Wang, D. Kobat, C. G. Clark, F. W. Wise, C. B. Schaffer, and C. Xu, Nature Photonics 7, 205- 209 (2013)[3]Lecoq, J.A., Boehringer, R., and Grewe, B.F. (2023). Deep brain imaging on the move. Nat Methods. 10.1038/s41592-023-01808-z.

气相色谱是英国生物化学家MartinATP等人在研究液液分配色谱的基础上，创立的一种有效的分离检测方法，它可分离和检测复杂的多组分气体混合物。传统的气相色谱系统主要由五个部分组成：载气、进样器、色谱柱、检测器和数据处理系统。可广泛应用于环境监测、石油勘探、生物制药、物质提纯等领域。 色谱柱是气相色谱系统的关键部件，主要用于样品气体组分的分离。传统的气相色谱柱包括毛细管色谱柱和填充柱。当样品随载气流经色谱柱时，由于样品中组分在两相间的分配系数差异，使得各组分在两相间反复多次分配后，依次从色谱柱后流出，从而将气体的不同组分进行分离。分离后的组分再进入检测器中进行检测，最终由微型电脑进行计算和分析。 与传统气相色谱柱相比，基于微机电系统（MEMS）技术制作的微型气相色谱柱是平面二维结构，能大幅度减小柱温箱的体积，具有重量轻、体积小、功耗低、分离快速等优点，便于集成到便携式气相色谱仪中，满足目前对于气相色谱仪小型化、轻便化的需求。 目前，微型气相色谱系统朝着微型化和集成化的方向发展，将进样、预浓缩、分离、检测单元都集成在单个硅片上，大大减小了体积与重量，提高了气相色谱仪器的便携性。 PB-350作为一款微型、便携式气相色谱仪，主要由预浓缩单元、色谱分离单元和检测器单元构成，其用于样品的富集及分离的芯片式预浓缩及气相色谱柱基于MEMS微机电技术，体积小、重量轻、分离速度快、分离效率高，可用于空气、水、土壤中的挥发性有机物的现场测试。

今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　在南京脑观象台投入使用的微型化双光子显微镜成像系统。　　“第三次双光子显微镜测试顺利结束！”　　“无比完美！”　　“这一次的曲线如此丝滑！”　　……　　4月1日上午，中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授程和平的微信对话框，被同事们发来的这些评论不断刷新。而在中国航天员科研训练中心内，掌声此起彼伏。让大家欢欣鼓舞的，是中国空间站再次传来的好消息。　　当日，神舟十五号航天员乘组，使用空间站双光子显微镜进行成像测试。他们用探头轻轻掠过脸部和前臂，一旁的电子屏幕上立即显示出皮肤结构及细胞的三维分布影像。　　这不是显微镜第一次在轨成像测试。今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　　“如果能从这些图像中发现空间环境中人体变化规律，就更好了！”程和平捧着手机与记者分享这些科学图像时说。　　只有了解程和平团队十年来经历的艰难曲折，才能体会这些图像的来之不易。2013年，程和平带领团队开启微型化双光子显微镜研究时，“全世界都不看好”。　　历经10年，该团队完成了从科研仪器技术创新，到技术产品化，再到技术服务平台化的跃迁。他们将中国带到全球大脑成像研究的前沿，让微型化双光子显微镜在中国的高校院所、企业得到推广应用，为脑科学研究搭建起重要实验平台、提供了海量数据支持。　　程和平希望，用微型化双光子显微镜拓展人类对脑宇宙的认知疆域，为探索脑机接口原理、深化对大脑疾病机制的了解、推进药物研发开辟一片新天地。神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜（视频截图）　　一束光的启迪　　意识的生物学基础是什么，记忆是如何存储和恢复的……在世界各国的脑科学计划中，这些问题吸引着全球科学家们不断上下求索。　　在2021年国际权威学术期刊《科学》发布的125个最前沿的科学问题中，有22个问题与脑科学相关。　　双光子显微镜的出现，仿佛是照在生命科学研究领域的一束光。　　1992年，程和平用世界上第二台双光子显微镜，首次实现了心肌线粒体成像。　　“双光子显微镜，是用两个光子同时激发同一个荧光分子的光学成像技术。它具有天然的光学断层扫描效果，能看到的组织深度更深，成像的清晰度更高，像一个高性能的X光机。”程和平说，与单光子显微镜相比，双光子显微镜看得准、看得深、光损伤小。但传统的台式双光子显微镜非常笨重，足有房间那么大，所以只能观察头部固定的动物或者动物的脑切片。　　研究一款微型化双光子显微镜，观察自由行走的小动物脑袋中的一颗颗神经元的动态变化，成为程和平藏在心底的一个梦想。　　一个梦想的点燃，有时只需一个使命的召唤。　　2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目。程和平带队申请了“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目。　　那一年，美国启动“创新性神经技术推动的脑计划”，欧盟启动了旨在建立大型脑科学研究数据库和脑功能计算机模拟平台的“人脑计划”。　　而此前，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，已把“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。　　“中国科学家只有用自己研发的观测仪器，做出原创性的脑科学成果，国际科学界才会认可。我们希望研制一款成像仪，率先让中国科学家用起来。用国外的仪器做研究，都是在别人建设的四梁八柱上做文章。”程和平用使命必达的决心来筹备项目的启动。　　一场跨越山海的探索　　想实现双光子显微镜在自由活动的动物体上的高清成像，必须为它“瘦身”。　　然而，极大的技术难度，让团队一度面临质疑。程和平向科技日报记者坦言，7200万元的投入“相当于一吨百元大钞”，究竟能不能收获一个看得见的未来，大家当时心里很忐忑。“那时世界多国尝试微型化双光子显微镜的研制，但都没有实质性突破，尝试十几次都无疾而终。”他说。　　程和平所言非虚。2008年，瑞士有课题组公布了他们的微型双光子系统，仅重0.9克，并实现了大鼠在体钙成像信号。但其空间分辨率极低，也未实现真正的自由运动下的成像。　　2009年，德国有课题组展示了它们的微型双光子系统，其理论分辨率接近大型的双光子显微镜。但其探头较重，扫描速度很慢。　　程和平身后，有一支不同寻常的团队，团队中有人研究超快激光器，有人专攻高速电路，有人擅长图像处理，有人能做大数据分析……然而，研究起步阶段，团队中无人具备研制系统性科研设备的经验，技术路线也不确定。　　“怎么办？只有一点点地认真做。”程和平给团队立下军令状。　　在项目开始的前两年，大家争分夺秒地汲取多学科的营养。在北京大学分子医学研究所300平方米的大仪器联合实验室里，来自机械、光学、生物、电路等研究领域的师生汇聚在一起，交流切磋。每周六上午的集体学习，大家分享一周行业动态，介绍各自研究进展。同时，大量的国内外顶尖专家被邀请来作报告。　　引进来的同时，团队也频频走出去。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯、澳大利亚、西班牙。每去一个地方，大家都会在当天晚上写好总结，发给团队共同学习。空间站双光子显微镜对航天员皮肤表层成像。　　一场持续十年的攻关　　2017年，团队终于迎来了振奋人心的进展。　　在如今北京大学膜生物学国家重点实验室设备研发平台内，一个只有拇指大小、重约2.2克的显微镜探头，被珍藏在实验室深处——这是团队于2017年成功研制的第一台微型化双光子显微镜的核心部件。　　这台显微镜可以实现高时空分辨微型化成像，能实时记录数十个神经元、上千个神经突触动态信号。这些突破性的进展，使其入选2017年中国科学十大进展。　　4年后，该团队推出微型化双光子显微镜的2.0版本，其成像视野扩大到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像。　　今年2月，团队又发布了他们研制的微型化三光子显微镜。该显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。　　致广大而尽精微。10年，微型化双光子显微镜完成了从高清成像，向更广、更深成像的科研布局。然而，这在研制一款“大国重器”的探索之旅中，也许仅仅是开始。　　2016年，当第一代微型化双光子显微镜的研究即将“破土”时，一个声音再次在程和平脑海里回响，“如果投入‘一吨百元大钞’，只是交付3台显微镜，性价比太低了。应该先让中国科研院所、企业的实验室用起来，做出领先国际的研究，再向国际市场推广。”　　让程和平下定决心办公司的，还有3年来培养起来的一支团队。“国家投入这么大，让我们长了一身本事，项目结题后如果团队散了就太可惜了。”程和平说。　　办公司让研究成果产品化，成为程和平团队的共识。2016年，程和平团队创立了北京超维景生物科技有限公司（以下简称超维景）。　　一个新时代开启了。　　一场自立自强的产业突围　　当科学技术的光芒照进产业，不仅砥砺技术创新的成色，也可以点亮一片“暗夜”。要将高端精密科研仪器产品化，元器件的可靠性、稳定性必须过硬。　　微型物镜，是微型化双光子显微镜的关键核心零部件。团队核心成员、北京大学未来技术学院特聘副研究员吴润龙记得，最初做原理样机时，团队从国外一家公司进口微型物镜。　　但当团队进入显微镜产品化阶段后，对方的发展战略也发生变化。“对方要求我们购买他们合作伙伴的单光子显微镜系统，物镜不再单独售卖，而这个系统的价格要100多万元。代价太大，我们不能被‘卡脖子’。”吴润龙说，自此，团队开始自行设计高数值孔径的微型物镜，并联合国内企业加工，在超维景进行装配和测试。　　自胜者强。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博士后研究，为助力物镜的自主研发按下了快进键。　　“经过三代技术攻关，我们已经掌握了高端物镜的设计技术。但在自主设计、加工的基础上，还要形成高精度自主装配的流程和方法。微型物镜由多个镜片叠加而成，每片直径约3毫米，最初我们将所有的镜片一起装配完后，统一调试，但发现精度相差太大。后来，我们优化了装调工艺，每安装一片镜片，都用仪器检测光轴偏移量、焦距等参数。由于物镜直径太小，一开始，调整几微米的误差，都要耗时一两天。”赵春竹回忆，最艰难的时候，大家几乎绝望。但抱着不破楼兰终不还的信念，大家几微米几微米地死磕，想办法迭代技术，最终攻克了高端微型物镜装配技术。　　光纤是显微镜微型化的另一个瓶颈。团队成员、北大电子学院副教授王爱民设计了一款蜂窝状的空芯光子带隙光纤，让激光通过光纤传输到微型化探头的过程中，脉冲不发生畸变、能量几乎不损耗，以有效激发小动物体内的荧光分子。　　但让王爱民措手不及的是，设计方案有了，国内却没有厂家能生产这种光纤。“我们最初找了一家外国公司订制。但一年后，这家公司提出翻番的价格，每米光纤的价格接近万元，仅光纤的成本就增加了几百万元。”他回忆说，团队被“逼上梁山”，转而联袂上海光机所的一位青年学者一起摸索加工工艺，进行国产化。　　在北京大学未来技术学院教授陈良怡看来，科研仪器国产化过程中的突围，也将带动应用基础研究与产业发展“双向奔赴”。　　“我们的论文发表后，很多技术被公开了，但很多人做重复实验时无法再现，是因为加工中有很多细节问题难以解决，这些细节在学术论文中也难以呈现。”陈良怡说，如果想将这款显微镜尽快用起来，就要将科研成果产品化，带动产业的发展。而产品化的过程，也促使他们思考，如何用成像技术推动神经科学、脑科学乃至整个生命科学基础研究的发展。　　目前，超维景研制的微型化双光子显微镜已服务了150余家国内实验室，年平均销售额达5000万元。今年，公司还将拓展国际市场。　　一项世界首创的应用　　10年前项目启动时，程和平抱着“从幼儿园开始读一个博士学位”的心态，研制微型化双光子显微镜。　　时光浩荡向前，多年的厉兵秣马是否能支撑国家重大战略需求？团队将答卷写进宇宙苍穹。　　2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，程和平团队、中国航天员科研训练中心李英贤团队、北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所，组建了空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。　　“中国要发展载人航天、要研究生命科学，太空是一个难得的实验室。在失重环境下，人体细胞是如何完成新陈代谢的，大脑的神经元又将发生什么变化，都是很好的研究课题。双光子显微镜成像深度深，可以帮助我们逐层扫描、分析航天员的细胞结构和代谢成分信息。”程和平说。　　2022年9月，空间站双光子显微镜研制成功。当年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。　　今年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于开机。坐在中国航天员科研训练中心看到航天员操作画面传回，程和平松了一口气：“终于成功了。”　　消息传来，整个团队沸腾了。“这辈子能做这么一件事情，值了！”王爱民至今回忆起来仍激动不已。　　鲜为人知的是，为了达到航天应用的标准，显微镜经历了一次次蜕变。　　精密的显微镜，要能承受飞船发射时的剧烈振动，这要求它足够抗振。“最初，激光器的核心部件被振得粉碎。”北京大学未来技术学院助理研究员王俊杰记得，为了让显微镜“强健筋骨”，他们将激光器的核心部件设计为固态结构，以增强激光器的机械强度，同时在激光器外部增加了减震装置，相当于给其上了一层保险。　　超维景的团队也参与进来。超维景超快激光事业部经理陈燕川介绍，他们将激光器核心部件置于-40℃至80℃的温度下循环试验，使部件在短期内反复承受极端高低温变化应力以及极端温度交替突变的影响，以排查隐患。为了确保万无一失，团队还制作多组关键部件样品，进行加量级、破坏性的振动冲击试验，保证显微镜能满足航天发射环境各种极端条件的挑战。　　最终，团队实现了多项突破：首次在轨验证实验实现了世界上首次双光子显微镜在轨正常运行，国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行，国际上首次在轨、在体观测航天员细胞结构和代谢成分信息。　　一个梦想的启航　　从突破理论研究瓶颈，到试水产业蓝海，再到支撑国家重大战略需求，程和平团队将科技创新的底色写在从技术创新到产业应用的跃迁中。如今，一个更宏大的构想正在渐次舒展。　　在南京江北新区，成立近4年的北大分子医学南京转化研究院（以下简称转化院），已搭建起高端脑成像的公共技术服务平台“南京脑观象台”。后者可以提供微型化双光子显微镜、超灵敏结构光超分辨显微镜及高速三维扫描荧光成像系统等设备，帮助科研团队获得从大脑突触、神经元集群、神经环路，再到全脑水平的全景式脑功能成像。　　科研团队的身后，还有一群人与他们并肩作战。　　几乎每天，实验员陈雪莉都要为小鼠注入观测所需的荧光蛋白，对小鼠进行行为训练。　　当她为小鼠戴上显微镜探头后，一旁的屏幕上会立即呈现出小鼠大脑的钙活动影像。　　“脑观象台有一支技术团队。对于遴选通过的研究项目，技术团队会与科研团队一起制订实验计划，为学者们制备、训练小鼠，采集小鼠的脑活动成像数据，再将小鼠的行为学数据和脑活动数据匹配，供科研人员分析小鼠在表现出某种行为时，大脑发生了什么变化。”转化院副院长赵婷解释，脑观象台希望将学者们从繁琐高难的实验技术细节中解放出来，加速从理论设想到实验发现的进程。　　凭借南京脑观象台成像技术的支持，科学家们已经开始收获惊喜、成果迭出：小鼠有喜新厌旧的行为，而孤独症小鼠却存在这一行为缺陷；清醒状态下小鼠癫痫发作时，神经元异常放电……　　赵婷介绍，如今，脑观象台已经服务了100多家单位的180余个课题组，开机时间累计超过2万小时。脑观象台与江北新区联合发起的两期“探索计划”，也已累计支持48项课题研究。　　十年春华秋实。一颗在未名湖畔种下的种子，如今正在千里之外的扬子江畔落地生根、开枝散叶，荫泽全国的脑科学、神经科学等领域的研究。　　40多年前，少年程和平曾在他的笔记本上写下带有科幻色彩的理想——“做一款思维记录器”。　　跨越万水千山，如今，理想照进现实，中国脑科学研究风华正茂。

磁性软体机器人已有多种应用，特别是在与人体密切相关的生物医学领域。如自折叠式“折纸”机器人可以在肠道中爬行、修补伤口、将吞下的物体取出来；胶囊状的机器人可以沿着胃的内表面滚动，进行活组织检查并运送药物。此外，科学家们还研制出了尺寸从几百微米到几厘米不等的更薄的线型机器人，它们有可能在大脑血管中穿行，以治疗中风或动脉瘤。磁性软体机器人的进一步小型化可能带来新的应用，如在小的血管中进行操作甚至操纵单个细胞，但制备这样的微型机器人并非易事[1]。 2019年11月，瑞士联邦理工学院的Cui Jizhai（现任职复旦大学） 、Huang Tian-Yun 及其同事在Nature发表了名为“Nanomagnetic encoding of shape-morphing micromachines”的文章[2]，该工作使用电子束光刻技术，制造出了只有几微米大小的可磁重组机器人，通过对单个区域的纳米磁体进行设计，将形状变化指令通过编程的方式输入微型机器人，对纳米磁体施加特殊的磁场序列后，实现微型机器人的形状变化，如图一所示。图一 四片式变形微机械的设计 a.磁体磁态随尺寸增大的示意图：i.超顺磁性；ii.室温下稳定的单畴；iii.多畴态。b. 部，四个面板微机械，面板I上有520 nm×60 nm（I型）纳米磁体阵列，面板II上有398 nm×80 nm（II型）纳米磁体阵列；底部，纳米磁体阵列的相应SEM图像。c. 体积相同但长宽比不同的单畴纳米磁体的磁光克尔效应磁滞回线。d.根据矫顽力的不同选择两个磁场对微机械进行编码的示意图。e. 应用控制磁场B=15 mT时的磁性结构（I型和II型纳米磁体）和微机械折叠行为示意图，光学显微镜图像显示了所制造器件的四种不同结构。从左到右，上/下折叠的面板数为4/0、3/1、2/2（折叠方向不同的对面面板）和2/2（折叠方向相同的对面面板）。 这项工作构建了一个模块化单元的集合，这些模块化单元可以编程为字母表中的字母，此外还构建了一个微型的“鸟”，能够进行复杂的行为，包括“拍打”、“悬停”、“转弯”和“侧滑”，如图二所示。这为创造未来的智能微系统建立了一条路线，这些智能微系统可以重新配置和原位重新编程，可以适应复杂的情况。图二 折纸式的微型“鸟”与多种形状变形模式 文章中，作者使用了英国Durham Magneto Optics Ltd.公司的磁光克尔效应系统-NanoMOKE3对不同型的纳米磁体进行了磁滞回线测试，同时使用该设备的电磁铁产生的磁场对纳米磁体阵列进行了编程。NanoMOKE3可以进行微区的超高灵敏度测试，在本工作中，作者通过激光聚焦在不同的纳米磁体上获得对应的磁滞回线，如图一c所示，为微型机器人的磁学编码工作提供了帮助。图三 磁光克尔效应系统-NanoMOKE3 NanoMOKE3主要技术特点：超高灵敏度~10-12emu微区磁滞回线，激光光斑~2μm超快测试速度，1秒内可获得磁滞回线克尔角检测＜0.5 mdeg纵向/横向/向克尔磁畴成像扩展无液氦低温MOKE图四 与Montana S50超精细多功能无液氦低温光学恒温器联用的低温MOKE 温度范围4.2K~350K磁场纵向＞0.4T，向＞0.3T 参考文献：[1] X H,zhao. et al. Nature 575, 58-59 (2019)[2] Cui, J. et al. Nature 575, 164–168 (2019).

超疏水微型机器人可以在外界刺激下在水面上高效游动，围绕这一现象科学家展开研究，探索这一特性在相关领域的应用前景，例如细胞操作、净化水源等。然而，目前大部分对于超疏水微型机器人的研究均是围绕单一刺激的驱动模式，使得超疏水微型机器人的运动和功能在复杂的水环境中受到限制。 　　针对这一问题，中国科学院沈阳自动化研究所微纳米课题组科研团队开展了创新性研究，利用模板辅助法研发出多刺激响应超疏水微型机器人，其中超疏水的作用减少了水对微型机器人的阻碍。该微型机器人内部具有感知红外光和磁场的单元，可以储存化学试剂，使其可在光场、磁场等(即多场驱动)的控制下在水面快速游动。基于微型机器人的多刺激响应特性，在多场联合控制下，微型机器人实现了协同配合操作。相关研究成果以Multistimuli-Responsive Hydroplaning Superhydrophobic Microrobots with Programmable Motion and Multifunctional Applications为题，发表在ACS Nano上。 　　该研究对微型机器人的稳定性和环境适应性进行评估。结果表明，机器人在水面上可以实现预编程的轨迹运动，尤其是在化学试剂的作用和磁场的驱动下实现了不同轨迹的运动。科研人员进一步探索了在多场驱动下实现多个机器人运动控制的可能性。研究表明，在光场和磁场作用下，多个机器人实现了协同配合操作，可以夹取大于自身尺寸较多的结构块。随着制备工艺的提升，微型机器人的尺寸有望进一步缩小，在细胞操作、生物组织构建等领域颇具应用前景。 　　微纳米机器人课题组始终致力于小尺寸机器人研究，针对毫米级、微米级、纳米级机器人开展了系列研究，在磁驱动毫米机器人、光驱动毫米机器人、热驱动毫米机器人、气泡微米机器人、细胞微米机器人、混合驱动纳米机器人等方面取得了系列成果。 　　研究工作得到中科院“青年团队计划”、国家自然科学基金、机器人学国家重点实验室等的支持。多刺激响应超疏水微型机器人驱动与控制

大概5年前，拇指大小的小型光谱仪（MS系列）上市发售并显著拓宽了光谱仪的应用。滨松公司现在已经研发了比以前更小的低成本微型光谱仪。该微型光谱仪是一个只有5克重量的超小模型。尽管性能和我们现在的小型光谱仪（MS系列）大部分相同，但是微型光谱仪更加紧凑坚固，且价位低廉。应用包括仍存在巨大的未开发市场的消费电子领域。为了更多了解微型光谱仪的研制背景、潜在应用和未来发展前景，我们采访了参与研发产品的4名成员。滨松微型光谱仪C12666MA 世界上最小的光谱仪你们是如何着手把一个指尖大小微型光谱仪的想法转化为产品的？ Shibayama:光谱仪的通常形象是安装在实验室工作台上的一个大设备，但我们坚持研发的目的在于开发一种尽可能小的高度便携可移动产品。大约10年前，我们发布了掌上电脑大小的小型光谱仪（TG系列），大概5年前，发布了拇指大小的小型光谱仪（MS系列）。然而客户仍要求我们让它们尺寸更小价位更低。因此，我们着手工作并研发这种新的微型光谱仪。 Yokino:与宽度小于75px的小型光谱仪（MS系列）相比，微型光谱仪大概2厘米宽，在体积和重量上比MS系列的小型光谱仪小和轻约50%。这种新型微型光谱仪的封装用是金属制作的，而MS系列是塑料封装。具体来说，我们换了一个高度可靠和坚固的密封封装（见注）。这让我们在保持与MS系列相同性能的同时大幅的降低了成本和尺寸。注意：密封封装是金属-金属或者玻璃-金属焊接的气密性封装，能够保护内部组件并隔绝湿度。 客户尺寸更小的需求背后有什么背景吗？ Ito:考虑到尺寸和价格，传统光谱仪主要用于测量和工业应用，不用在个人或者私人层面。然而，市场上小型光谱仪（MS系列）的出现改变了这一概念，我们随之开始研究更小更便宜的光谱仪。但在尺寸和价位方面需要更进一步，以使它们在消费电子市场得到广泛应用。 Hikita:小型光谱仪可以内置在紧凑设备中。例如，我们将看到室内与智能手机或医疗设备相连接的新应用。 Yokion:考虑到室内和室外使用，我们决定采用高坚固、可靠的金属来制造密封封装，而不使用水分可以穿过的塑料封装。 市场上有类似产品吗？ Hikta:是的，只考虑尺寸，有类似产品。然而严格来说，它们并不相同，因为我们的微型光谱仪让光线从狭缝通过，而竞争产品使用光纤传导光。 Ito:所以如果你规定相似产品为允许直接输入光的光谱仪，那么我们的产品是世界上最小的，并且具有高性能。我们的产品很可能在市场上开拓了一个全新的领域。 采用MEMS和图像传感器制造技术实现紧凑尺寸和高性能相比目前的产品，你们如何能使其尺寸更小？ Shibayama:通过重新审视光学设计和组成部分，优化MEMS技术并简化结构，我们实现目标。此微型光谱仪包括三个部分，一个光线可以进入的狭缝，一个光谱衍射光栅和一个探测光的图像传感器。我们利用MEMS技术制造这些部分，因此MEMS技术是我们可以制作更小的微型光谱仪的主要因素。更具体地说，我们利用MEMS干法刻蚀技术形成让光通过到达图像传感器的狭缝，还使用了称为纳米压印的精细成型技术形成衍射光的光栅。 Yokino:在光谱仪尺寸和性能特点间有一种权衡关系。当尺寸变得更小，分辨率和性能都下降。我们的微型光谱仪采用光在光谱仪内部反射一次后再衍射的方法，并在尺寸和性能方面都具有尽可能好的表现。 降低成本过程中你们如何解决遇到的问题？ Shibayama:小型光谱仪（MS系列）使用一个玻璃透镜作为光传输的介质。如果玻璃本身的尺寸精度可以保持，玻璃能够提供为光谱仪所要求的精度。然而，玻璃透镜的成本高，所以我们不得不放弃玻璃镜片并找到满足要求的低成本替代品。 Yokino: MS系列的小型光谱仪通过纳米压印在玻璃上形成一个光栅。然而，如果纳米压印失败，玻璃透镜将无法使用，造成的问题成本更高。所以我们重新评估将光栅作为独立单元制造来代替在玻璃透镜上形成光栅的可能性。这将减少生产光栅的玻璃，在降低成本上也是有效的。 微型光谱仪中使用了何种型号的传感器？ Yokion:微型光谱仪使用一个集成了入射狭缝的图像传感器。此类型传感器可使光谱仪减小到指尖大小。入射光经光栅衍射后，短波长光到达入射狭缝位置很近。如果狭缝和传感器是分离的，需要极高精度的定位，否则会降低光谱性能。和传感器集成的狭缝不存在此定位问题。 Shibayama:我们还给集成了入射狭缝的图像传感器增加了截止滤波片（见注）。在生产小型光谱仪（MS系列）时，我们在金属接线的玻璃接线板上安装图像传感器，并在此玻璃接线板上制造截止滤波片。但是对于微型光谱仪，我们不用玻璃而是利用中空来传导光，所以用这种方式为图像传感器制造截止滤波片是不可或缺的工序。 Ito:除了接收光的基本功能，由于具有入射狭缝和截止滤波片，图像传感器还有其他价值。我们的独特优势是同时具有图像传感器技术和MEMS技术。注：截止滤波片是能够去除多重反射光和衍射光等杂散光分量的滤波片，却不影响被测光。 为客户应用开发提供理想性能参数你们预期此微型光谱仪具有何种应用？ Ito:我们目前收到有关颜色的应用需求，比如便携式色度计和打印材料的颜色检测等。从小型光谱仪（MS系列）到微型光谱仪也增加了与定点医护工作相关的手持医疗设备的咨询。使用小型、低价、高可靠性的防潮封装证明是成功的。 Hikita:我们的立场是帮助客户开发用于消费电子产品的光谱仪应用。因此我们认为我们的主要任务是为客户提所需性能参数以使光谱仪应用成为现实。 你们可以定制生产设计来满足客户需求吗？ Ito:我们首先验证客户所需性能参数和预计数量，如果需要大量产品，我们之后会提出符合要求的设计。当收到产品需求，初始阶段我们的工程师会讨论研究。 你们可以举一个和客户讨论的具体例子吗？ Hikita:比如针对糖尿病患者的葡萄糖监测仪的讨论。如果一个产品能够利用光来诊断葡萄糖水平，这将解除患者巨大负担。为了使这种产品成为现实，我们首先验证必须的特性参数，之后做必要协调和调整。 Yokino:我们在去年九月份举办的科技展览——2013光子展览上介绍了微型光谱仪，收到了来自参观者的积极反馈。我们准备了与智能手机相连接的概念模型来验证诸如颜色分析等应用，引发在光谱分析和其他应用中使用的特定讨论。通过向客户展示模型本身并引导他们联想实际中如何应用，我们获取了重要的结果。 Ito:光子展览上有很多对微型光谱仪与智能手机相耦合感兴趣的客户。也有一些特别的咨询，比如是否能够用于调整剧场照明或者在教学中是否能够教导孩子光波长。小型尺寸引发人们思考，它是否可以用于此处呢也同样激发人们关于新应用的想象。大多数情况下，是先有一个目标应用，再生产满足此应用的产品，但是微型光谱仪却更可能是创造新应用。你可以它称为反向工作的现象。不去管它究竟能完成什么，我认为它确实拓展了未来可能性。 从今年三月份官方发布后，反响如何？ Hikita:官方发布前，去年底我们已经能够提供样品，销售了大约100个样品，其中很多被国外购买。一些客户评价，尽管外形小巧，仍然可以保证精确测量。还有其他诸如此类的积极反响。 Ito:今年9月份，我们的新13号大楼将在主要工厂投入生产。我们将在那里做产品研发并建立车载装置和移动终端大规模生产系统，比如基于MEMS技术的微型光谱仪，同时提出解决日渐增加的客户需求。（工厂现已投产） 你们从这里预测到什么样的发展趋势？ Shibayama:尽管微型光谱仪现在已经做到可以放到指尖上的尺寸，我们仍接到来自客户做到更小更薄的需求。目前反射光束一次的方法已经达到此尺寸的极限，所以为了满足更多的需求，我们不断地把新的想法融入设计来开发更小的设备。 Hikita:直到现在我们都采取只提供硬件，把电路和软件开发留给客户。但是如果我们也为客户解决这些额外的请求，我们的产品将会更易使用。我是负责模块开发领域，所以我们现在准备提供包含必要电路的软件和模块产品，而不仅仅是设备级。 滨松微型光谱仪MS系列和新型微型光谱仪C12666MA比较规格MS系列光谱响应范围340 to 780 nm640 to 1050 nm340 to 750 nm光谱分辨率(FWHM, 最大值)15 nm20 nm14 nm总像素数256 pixels256 pixels256 pixels测量条件Ta=25 ℃典型值 Ta=25 ℃ (特殊说明除外)典型值 Ta=25 ℃ (特殊说明除外)重量5g9g9g大小20.1 × 12.5 × 10.1 mm27.6 × 16.8 × 13 mm27.6 × 16.8 × 13 mm 更多滨松微型光谱仪信息，敬请点击表格按钮。

p　　从石器时代原始部落的祭师对灵魂的崇拜，到中世纪后期哲人对大脑意识的产生溯源，到近代解刨学家发现井然有序的大脑功能分区，再到20世纪初Santiago Cajal得到了人类第一张清晰的大脑皮层神经元的照片，直至现在神经学家通过电生理，电子显微镜，光学显微镜等手段，在亚细胞，分子，基因水平对大脑的结构和功能进行研究，神经科学(neurosciences)这一门古老的学科，直至今日，仍然是全世界投入最大，最活跃的科学研究领域之一。/pp　　限制科学家去理解和探索大脑的最主要因素是技术。每一次神经领域的重大突破，都是以技术的一次次革命与飞跃作为基础随之而来。19世纪末高尔基染色和尼斯染色技术的发明，使得单个神经元的结构得意完整清晰的呈现，并由现代神经学之父圣地亚哥· 拉蒙· 卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal,1852-1934)总结并开创了神经元理论，至今仍是现代神经科学的基础。计算机体层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、经颅多普勒(TCD)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射断层扫描(PET)等无创性影像学技术的发展，使得人类对大脑整体水平结构和功能的认识不断提高，并且对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有利的参考工具。在实验神经科学领域，以模式动物作为研究对象，避免了把人作为研究对象在有创，改造等伦理方面的限制，使得更多的技术手段得以大显身手。其中包括电生理学方面，脑电图(EEG)，多电极记录(MER)，膜片钳技术(patch clamp)等技术的发明和有效使用，得以使科学家在亚微米空间尺度(单个神经突触连接)，亚毫秒时间尺度(单次神经冲动电位)对神经元的功能进行研究。而最令人激动人心的是，近几年来蓬勃发展的光学显微成像技术，给实验神经科学带来了很多前所未有的思路和成果。2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP，绿色荧光蛋白)的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(活体状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今最为重要的技术手段之一。而随着近些年来各种新型的显微技术的出现，共聚焦显微镜(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率显微技术(super-resolution microscopy)，光片显微技术(lightsheet microscopy)等使得荧光显微镜的分辨率，速度，成像深度等进一步提高。/pp　　对于荧光成像技术在神经科学中应用，离不开双光子荧光显微镜(Two-photon Microscopy，简称TPM)1。目前，大多数细胞生物学，生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。即使是小鼠的大脑皮层也有将近1mm的厚度，海马，丘脑等深脑区核团更是深达3-5mm2，而且并不透明，充满了数以亿计的神经元胞体和突触，此外还有丰富的血管，粘膜(脑膜)，最外层还有厚厚的颅骨和头皮包裹。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微镜，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度大大提高3，使得双光子显微镜成为神经科学家进行活体神经成像最理想的工具。神经动作电位(action potential)本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元Ca2+浓度的变化(钙内流现象)。科学家已经开发出多种Ca离子浓度的荧光探针，进而通过这种钙离子浓度的变化引起的荧光信号的变化来反映出神经活动。于是，双光子显微镜与在体的神经元Ca离子浓度指示剂标记技术相结合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动4。/pp　　大脑的最重要功能是对生物体的行为活动进行调控，而反过来，最能反应大脑工作状态的同样是生物体的行为活动。所以说，为了了解大脑，研究者不仅要求在体状态下对神经元进行高分辨率观测，而且也希望生物体在被观测的阶段里，能够进行正常的行为活动。所以，在成像技术不断地提高分辨率和速度等性能的同时，科学家们也在积极开改进和革这些成像技术手段，使其进行成像时尽可能小的限制被观测对象的行为活动，以求得到最接近生理状态下的数据。但是这一目标始终存在诸多的技术瓶颈: 以啮齿类动物(大鼠或小鼠)神经元的双光子钙成像为例。早些年由于动物身体运动产生的晃动剧烈，而当时双光子显微镜成像速度又很低，所以科学家只能在麻醉状态下对头部固定的动物进行成像。后来随着成像速度的提高，并且对开颅手术技术的很大改进，使得科学家可以在清醒状态下对动物的神经活动进行观察(仍然需要头部固定)。近些年来，随着基因改造技术的突飞猛进，通过病毒转染和转基因技术，在神经元内源性表达“基因编码类钙指示剂(genetically encoded calcium indicator, 简称GECI)”成为神经元钙成像的大趋势4。这种由神经元自身产生钙指示剂的方法与之前的钙染料技术相比有着巨大的优势: 信噪比提升了一个数量级 对神经元特异性好，可以区分不同的神经元类型 并且可以在大脑神经元内持续表达数月(病毒转染)甚至整个生命历程(转基因动物)。于是，大概10年前开始，科学家就开始利用双光子成像结合GECI技术对神经元的活动和结构变化进行长期的观测和追踪，从而对记忆的形成，神经元病变等问题有了更深入的认识。其中，现在性能最好，使用最为广泛的GECI为绿色荧光钙调蛋白Gcamp家族4。目前已经改进到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已经成为神经成像里最受欢迎的指示剂之一。目前科学家最流行的对小动物行为过程中大脑活动进行成像的方法，是将虚拟现实与双光子成像相结合，在动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在”真实“的环境之中5。通过小鼠四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动。以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用(如图1)。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/e167bfbc-be4e-4b26-aa38-6f15b1fdca08.jpg" title="1.png" width="600" height="429" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 429px "//pp style="text-align: center "图1 双光子成像结合虚拟现实场景，对头部固定，身体活动的动物进行研究。图片来自sup5/sup/pp　　然而，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。人们认为，头部固定的动物在实验期间一直处在物理约束和情绪压力下，因此无法证明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。/pp　　一个理想的解决方案是开发微型荧光显微镜直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微镜跑”6。这种尝试大概从20年前开始。起初，科学家只是将一根或几根光纤插到小鼠头上，用以激光导入和荧光信号采集。然而，这种方式而只是记录某个区域内信号的总和，不具有空间分辨率，算不上真正意义上的成像。在最近的十几年里，由于光学，电子，材料技术的发展，人们开始尝试研制真正意义上的微型显微镜。其中，微型单光子宽场显微镜(miniature wide-field microscope)，由于其原理与结构相对简单，是目前人们主要尝试研制的微型显微镜技术。例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，通过将小型LED光源，微型CCD和自聚焦透镜整合到一个小于25px3的框架之中，研制出了一个重量为1.9g的微型宽场显微镜。该技术被用于研究大脑海马区place cell等与记忆和本能相关的实验当中7。然而，宽场成像方式由于不能很好的对离焦区域的背景信号进行过滤，并且对光的散射敏感，所以其无法达到细胞分辨率。更难以对更精细的诸如树突，轴突，树突棘等结构进行观察。所以一直难以达到神经科学家满意。/pp　　于是，从大概15年前开始，世界上一些研究和开发双光子成像技术的研究组开始尝试将双光子显微镜这种在神经成像领域已经获得广泛应用的技术进行微型。然而，目前只有为数不多的几个课题组报道了他们在微型双光子显微镜研制方面的进展: 在2001年，Denk等的工作被认为是研制微型双光子显微镜的第一步8。然而，它仍然太过“巨大”(长7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度为2 Hz， 512x512的尺寸下为0.5 Hz，如图2a)。之后，其他一些课题组相继报道了不同的微型双光子系统。 Helmchen课题组在2008年报道了他们的微型双光子系统，仅重0.9克9。它实现了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用该系统实现的大鼠在体钙成像信号。然而，从展示的效果来看，其空间分辨率极低，而且并没有实现真正的自由运动下的成像(如图2b)。Mark Schnitzler课题组在2009年也发表了他们的微型双光子系统10。他们的系统首次使用了微机电扫描镜(MEMS)来进行扫描，并将Z聚焦模块集成在了探头之中(如图2c)。但是扫描频率仍然很低(400x135约为4Hz) 空间分辨率也远远达不到要求(横向1.29 μm，轴向10.3 μm)。这些方面限制了其在神经元细胞核亚细胞水平成像中的应用。 Kerr课题组在2009年展示了它们的系统11，跟之前的微型双光子显微镜相比较，由于应用了微型透镜组构成的微型物镜(NA达到了0.9)，这套系统的空间分辨率更高。然而，这套探头的重量也随之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振动光纤的方式来进行扫描，所以其成像速度仍然比较慢。(对于64x64为10.9Hz，对于理论上的512x512为1.25Hz)(如图2d)。此外，还有一个之前所有的微型双光子系统都没有解决的问题。由于微型双光子显微镜一般需要利用光纤将飞秒激光导入到探头之中，而光纤由于存在诸如色散、截至模式、导通带宽等一系列限制，所以某一款光纤一般只允许一定带宽(一般为几十纳米)和特定中心波长的光传播。那就需要在制作微型显微镜的时候，结合使用的荧光指示剂所需要的激光波长对光纤进行选择。但是，目前商业化的，可以用来进行飞秒光传输的空心光子晶体光纤(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)种类非常有限。例如，全球最大的光子晶体光纤生产商NKT公司仅提供中心波长为800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有现有的微型双光子显微成像系统都是基于这几款光纤所限定的中心波长进行开发的。但是很遗憾的是，本文上述所提到的目前最广泛使用的GcamP指示剂需要920 nm的激光进行激发。所以先前的所有微型双光子都不能对Gcamp进行有效的成像。这限制了微型双光子显微镜的发展。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/4c1d7c1d-53eb-4a41-96d0-98ecb5ebda8d.jpg" title="2.png"//pp style="text-align: center "图2 微型双光子发展史上的几个典型工作。a、b、c、d分别选自参考文献sup8、9、10/sup和sup11/sup/pp　　之所以这些早期的微型化双光子显微镜都无法得到真正的使用和推广，其原因在于，若要制造出具有实用价值的微型双光子显微镜，比研制单光子微型显微镜复杂和困难的多得多。微型双光子显微镜需要需要解决如下几个关键技术难题：/pp　　1 如何将飞秒激光有效的导入微型显微镜 /pp　　2 如何在微型显微镜内进行扫描/图像重建 /pp　　3 如何在微型显微镜中进行高质量的激光汇聚，高效激发双光子信号。/pp　　4 如何有效的对荧光信号进行收集 /pp　　5 如何使整个系统在动物剧烈运动时仍保持稳定/pp　　6 在满足前5项条件下，重量是否足够轻，以致尽量小地对动物的活动造成影响 /pp　　本文作者所在的课题组，是由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队。我们在程和平院士的带领下，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，历经三年多的协同奋战，成功研制了新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜，并将其取名为FHIRM-TPM。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在这项成果中，我们解决了上文所提及的早先微型化双光子显微镜研制中存在的问题，获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0418a0a6-f357-4e18-91b0-ef1c23d670bd.jpg" title="3.png" width="600" height="470" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 470px "//pp style="text-align: center "图3 FIRM-TPM示意图，来自sup12/sup/pp　　新一代微型双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小型动物头部，通过颅窗实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65μm，与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美 采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。最为重要的是，FHIRM-TPM克服了先前限微型双光子显微镜应用的两个障碍。首先，我们定制设计的HC-PCF为 920纳米飞秒激光脉冲提供了无畸变传输，这种改进让有效的激发例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂成为可能。第二，由于双光子点扫描显微镜的高空间分辨率和层切能力，安装到动物头上的微型双光子显微镜非常容易受到运动伪影的影响。为了解决这个问题，我们对整个系统进行了充分的优化：(a)使用柔软的新型光纤束SFB来使得动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率 (b)采用独立的可旋转连接器来连接光学探头上的光纤和电线，以使动物在自由探索期间线的扭曲和缠绕最小化 (c)使用高速成像以减少运动引起的帧内模糊。此外，我们在实验之前预先训练动物适应安装在其头骨上的微型显微镜，并滴加1.5%低熔点琼脂糖使其充满物镜和脑组织之间，这些措施都显著降低了探头与大脑之间的相对运动，进而改善了实验短期和长期的稳定性，于是实现了在动物进行包含大量身体和头部运动的行为学试验中中进行高分辨率成像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0d8849db-62d7-4fdd-b7e0-4e572b3a1b03.jpg" title="4.png" width="600" height="437" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 437px "//pp style="text-align: center "图4 FIRM-TPM实物图，来自sup12/sup/pp　　树突棘活动是神经元信息处理的基本事件，利用台式双光子显微镜在头固定的动物上的研究表明单个神经细胞的不同树突棘可以被不同朝向的视觉刺激或不同强度频率的声音刺激所激活。FHIRM-TPM实现了与传统的大型的台式双光子显微镜相同的分辨率和光学层切能力。与微型宽场显微镜相比，FIRM-TPM的高空间分辨率，固有的光学切片能力和组织穿透能力以及相当的机械稳定性都是极有优势的。所以虽然通过微型宽场显微镜可以获得数百个神经元在细胞水平上的活动，但是我们的 FHIRM-TPM无疑提供了一个更加强大的工具，即在自由活动的动物中对更加基本的神经编码单位——树突棘的时空特性进行观测。它能够在对小鼠依次进行的行为学试验(例如悬尾，跳台，以及社交行为)的过程中长时间观察位大脑中的神经元胞体、树突和树突棘的活动。这些功能的展示充分证明了FHIRM-TPM具有良好的性能和稳定性。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/90a13003-d9fd-404d-8df3-64926f598012.jpg" title="5.png" width="600" height="283" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 283px "//pp style="text-align: center "图5 三种模式在结构学成像中的成像质量对比，来自sup12/sup/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/44bc19d8-0a51-4583-8784-2f9240ac1cdd.jpg" title="6.png"//pp style="text-align: center "图6 FHIRM-TPM在三种不同的行为学范例对小鼠大脑皮层神经元活动进行成像，来自sup12/sup/pp　　从2001年Denk发表第一篇微型双光子显微镜的原型机以来，微型双光子显微镜的发展已经走过了15年的时间。15年的发展历程，微型双光子显微镜从最开始的25克笨重的身躯，只能在分离的组织中进行验证性的实验8到如今重量仅两点几克重，可以对自由活动的小鼠神经元进行树突棘级别的成像，可以说取得了一定的进步。然而，在看到这个领域取得的成就的同时，也应看到，至今为止，微型双光子显微镜还未像共聚焦显微镜或者是荧光光片显微镜一样被生物学家广泛认可和应用。而后者(光片显微镜)的发展时间更短(2008年Science的一篇文献一般被认为是现代荧光光片显微镜镜的开端13)。究其原因，除了技术本身的限制以外，整个研究领域的气氛和投入，也是重要的影响因素之一。/pp　　纵观这15年来微型双光子显微镜的发展道路，开疆拓土者有之 改革创新者有之 另辟蹊径者有之 浑水摸鱼、指鹿为马者亦有之。然而遗憾的是，愿意心无旁骛、全情投入者鲜有之 有意愿和能力建立为这个研究的领域建立范式者亦鲜有之。而中国，在不久前在这个领域基本上属于完全的空白。更不要说什么领先世界。/pp　　然而令人十分兴奋的是，中国国家基金委国家重大科研仪器设备研制专项在2014年正式将“超高时空分辨微型双光子在体显微成像系统”立项。以5年七千两百万人民币的研究经费对这一项“世界上做的还并不怎么好，中国基本没人做过”的技术进行攻关研发。这样的大力投入无疑为这一领域注入了新鲜血液和十足动力。而我也有幸在博士五年期间全程参与了这个项目的工作。从2012年来到该项目首席负责人程和平院士和陈良怡研究员的联合课题组至今，我见证了这个项目从无到有，团队从幼小稚嫩到壮大成熟的整个过程。如今，我们有了初步的成果，不仅让我们这样一支完全由中国本国科研工作者建立的团队在世界上处在了较为领先的位置，同时也把这个领域向前推动了一些，我感到无比激动和自豪。/pp　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道，“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测，从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”/pp　　1. Denk, W., Strickler, J. & Webb, W.Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science248, 73-76(1990)./pp　　2. Gewin, V. A goldenage of brain exploration. PLoS Biol3, e24 (2005)./pp　　3. Zipfel, W.R.,Williams, R.M. & Webb, W.W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in thebiosciences.Nat Biotechnol21, 1369-1377 (2003)./pp　　4. Chen, T.W. et al.Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature499, 295-300 (2013)./pp　　5. Minderer, M.,Harvey, C.D., Donato, F. & Moser, E.I. Neuroscience: Virtual realityexplored. Nature533, 324-325 (2016)./pp　　6. Hamel, E.J., Grewe,B.F., Parker, J.G. & Schnitzer, M.J. Cellular level brain imaging inbehaving mammals: an engineering approach. Neuron86, 140-159 (2015)./pp　　7. Ghosh, K.K. et al.Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nat Methods8, 871-878(2011)./pp　　8. Helmchen, F., Fee,M.S., Tank, D.W. & Denk, W. A Miniature Head-Mounted Two-Photon Microscope.Neuron31, 903-912 (2001)./pp　　9. Engelbrecht, C.J.,Johnston, R.S., Seibel, E.J. & Helmchen, F. Ultra-compact fiber-optictwo-photon microscope for functional fluorescence imaging in vivo. Optics Express16, 5556 (2008)./pp　　10. Piyawattanametha, W.et al. In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope basedon a microelectromechanical systems scanning mirror. Optics Letters34, 2309(2009)./pp　　11. Sawinski, J. et al.Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proceedings of the National Academy ofSciences106, 19557-19562(2009)./pp　　12. Zong, W. et al. Fasthigh-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freelybehaving mice. Nat Methods (2017)./pp　　13. Keller, P.J.,Schmidt, A.D., Wittbrodt, J. & Stelzer, E.H. Reconstruction of zebrafishearly embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science322, 1065-1069 (2008)./p

p style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/d524002c-f06f-4221-a09b-ea5520ae7810.jpg" title="QQ截图20170531163243.png" width="600" height="424" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 424px "//pp 进入新千年，脑科学研究成为热点。工欲善其事，必先利其器。若要更好的探索人类大脑，就必须有更好的仪器与工具。目前,各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。 其中,如何打破尺度壁垒,整合微观神经元和神经突触活动与大脑整 体的活动和个体行为信息，是领域内亟待解决的一个关键挑战。/pp　　近日，自然杂志子刊 Nature Methods 发布了来自于中国在这方面的研究进展。该论文主要展示了《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的研究成果——新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜成功研制，并获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。/pp　　该研究成果源自于国家自然科学基金委员会计划局组织的国家重大科研仪器设备研制专项，当时共有9个项目入选。北京大学程和平院士主导的《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》就是其中之一，当时也获得了7200万元的经费支持。/pp　　过去三年，北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院，联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队，完成了的这一研发工作。团对成功研制新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜,并获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。研究论文2016年12月提交，2017年5月29日正式在自然杂志子刊 Nature Methods 发布。/pp　　根据官方提供的信息，产品相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到 0.65μm，成像质量可达商品化大型台式双光子荧光显微镜水平，并优于美国所研发的微型化宽场显微镜。该显微镜采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频已达 40Hz(256*256 像 素),同时具备多区域随机扫描和每秒 1 万线的线扫描能力。/pp　　此外, 采用自主设计可传导 920nm 飞秒激光的光子晶体光纤,该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动 的荧光探针(如 GCaMP6)的有效利用。/pp　　同时采用柔性光纤束进行 荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而 受到干扰的难题。未来,与光遗传学技术的结合,可望在结构与功能 成像的同时,精准地操控神经元和神经回路的活动。/pp　　值得一提的是，该显微镜重仅 2.2 克，可在小动物头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号 在大型动物上，还有望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。/pp　　之所以说这一研究成果意义重大，主要是因为它为脑科学、人工智能学科的研究提供了重要的高端仪器。具体来说，微型双光子荧光显微成像技术改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、 睡眠等自然行为条件下,或者在学习前、学习中和学习后,长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp　　事实上，成像技术一直是推动生命科学进步的主要动力。历史上，X射线、全息照相法、CT计算机断层成像、电子显微镜、MRI核共振成像、超高分辨率显微成像技术都推动了科学技术的进步，也都获得了Nobel奖。/pp　　在今天的发布会之前，该成果在 2016 年底美国神经科学年会、2017 年 5 月冷泉 港亚洲脑科学专题会议上报告后,得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的认可。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、 美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的 Alcino J Silva 教授认为，“ 这款显微镜将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式??系统神经生物学正在进入一个新的时代,即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测,从而更加深刻地理解进化所 造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。”/pp　　这项技术研发成功的同时，团队也成立了一家叫做”超维景“的公司，并获得了来自协同创新基金、西科天使的融资，公司将会在符合北大政策的前提下，由北大支持进行商业化推广。团队接下来的重心仍是技术迭代、新产品研发。/ppbr//p

化学家们日前的一项成就，为制造更高性能的光谱仪铺平了道路，而这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。1日出版的英国《自然》杂志上的一篇论文，详细描述了一种微型量子点光谱仪，其未来应用包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等。　　光谱仪作为一种分析仪器，几乎在每个科学领域都会用到，尤其在物理、化学和生物学研究中必不可少。这类设备通常体积过大以致于难以移动。科学家长期致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用，以便增加它们的使用范围。但一直以来，相关努力都不是很成功。　　据美国麻省理工学院官方网站消息，此次，前麻省理工学院博士后、中国清华大学的鲍捷以及麻省理工学院化学教授莫吉· 巴旺迪提出，现有微型光谱仪的设计局限可以用胶体量子点克服，量子点是高度可调控的、微型的并且对光敏感的半导体晶体，使用量子点可以在减小光谱仪体积的同时不影响它的分辨率、使用范围和效率。　　研究人员展示了一个用195个不同的量子点做成的光谱仪，其每一个量子点都对特定光谱范围敏感，可以过滤各种波长的光并检测到非常小的光谱移位。美国加州大学伯克利分校物理学副教授王锋(音)认为，这个堪称&ldquo 美丽&rdquo 的方式，利用半导体量子点微型光谱仪来控制光吸收，该设备体积之小、性能之高，在以前还从未实现过。　　论文作者们表示，这一系统兼具了高性能和简洁性，容易制造并有进一步小型化的可能，所以将会在很大程度上有利于那些需要缩小尺寸、重量、成本和复杂性的应用。其与小型设备结合后，可用于诊断皮肤状况或分析尿液样本，甚至用于追踪生命体征诸如脉搏和血氧水平等。与此同时，这一研究也代表了量子点的新应用，这种纳米结构材料现主要适用于标记细胞和生物分子，在计算机及电视显示屏领域也大有用武之地。　　总编辑圈点　　量子点这种发现于上世纪80年代的纳米晶体，吸收性能众所周知并且非常稳定。现在利用量子点固有的性质打造出新型光谱仪的优点，甚至足够小到可以在智能手机中运行，使得一个以往笨重的实验设备轻松走入日常生活。受益的，不仅仅是科学家们研究原子能量水平、分析生物组织样品，更多的行业都可随时利用光谱仪，譬如检测环境污染、判断食品安全等等。

仪器信息网讯 2011年10月12-15日，第十四届北京分析测试学术报告会及展览会(BCEIA 2011)在北京展览馆隆重举行。为让广大网友及仪器用户深入了解BCEIA 2011仪器新品动态，仪器信息网特别开展了以“盘点行业新品 聚焦最新技术”为主题大型视频采访活动，力争将科学仪器行业最新创新产品、最新技术进展及最具有代表性应用解决方案直观地呈现给业内人士。以下是仪器信息网编辑采访海洋光学技术中心经理李宇先生的视频。　　在采访中，李宇先生介绍了适用于不同领域的光纤光谱仪的特点，以及海洋光学近红外光谱、过程控制实验室的应用，以及微型光纤光谱仪的市场发展前景等内容。　　李宇先生表示：“微型光纤光谱仪是一个非常朝阳的产品，它从发明到现在已经20多年了，但是真正应用推广是在近几年来。微型光纤光谱仪相对于传统的分光光度计，它的主要特点是一是微型，二是可以根据用户需求定制，三是它可以覆盖不同的检测范围，比如紫外可见、近红外波段等。再者用户可以将微型光纤光谱仪集成到不同的应用生产当中，如可以用拉曼模块去监测生产过程，在中药制药行业，用微型光纤光谱仪模块可以监控药物有效成分是否已经达到期望的浓度等，对于微型光纤光谱仪模块用于生产过程的监控我是非常有信心的。”　　具体产品展示、技术特点介绍、应用领域分析，请点击查看采访视频。　　　关于海洋光学　　海洋光学是全球领先的光传感解决方案提供商，提供光与物质相互作用过程中测量和机理分析的基础方法；提供的方案适合各类应用，涵盖生物医学研究、环境检测、生命科学、科学教育以及娱乐照明和显示等诸多方面；所涉及到的技术和产品线包括光谱仪、化学传感器、度量仪器、光纤、薄膜及光学元件。作为微型光纤光谱设备的发明者，自1989年来我们在全球共售出了超过150,000套光谱仪。海洋光学是英国豪迈(Halma)集团的分公司，豪迈集团主要经营用于探测潜伏危险和保护人们生命安全的产品，是专业性电子、安全和环境技术领域的领军企业。

由SPIE（国际光学工程学会）与美国Photonics Media共同主办的，素有“光学界奥斯卡”之称的“Prism Award”在经过重重严格的评选后，于11月出炉了2015年入围产品名单。滨松指尖尺寸的超微型光谱仪C12666MA在“探测器与传感器”类别产品中，被提名入围。滨松微型光谱仪C12666MA与滨松MS系列中的C10988MA-01 日本滨松公司研发的微型光谱仪C12666MA，拥有20.1*12.5*10.1mm的超小尺寸，相当于成人小拇指指尖大小，而重量也只有5g。兼具机身超紧凑、重量轻、成本低的优秀特性。在尺寸缩减了一半的同时，却有着与滨松MS系列小型光谱仪几乎一样的性能。新型的微型光谱仪可测量可见光波段光谱，可用于打印机中和LED照明的颜色传感、连接智能手机进行床边及时检测，以及其他多种轻便测量类应用。滨松微型光谱仪C12666MA可连接移动设备进行工作 “Prism Award”的设立是表彰为光学发展做出突破贡献，并通过光学技术解决现实问题、改善生活的新创新科学产品、程序、软件、装置、材料、系统、仪器等。本次奖项共分为九个类别：Additive Manufacturing、Biomedical Instrument、Detectors and Sensors、Imaging and Cameras、Industrial Laser、Materials and Coatings、Optics and Optical Components、Other Metrology Instrumentation、Scientific Lasers。其评委会由光学业界内的专家、企业家、杰出人士与远见者组成，权威性非常高。而在2009年，滨松公司的160kV微焦点X射线源L10711也曾提名入围“其他光源”类评选，并最终获捧“Prism Award”。Prism Award 2015相关产品：

pstrong　　1. 工业在线光谱分析技术/strong/pp　　目前在线光谱分析已经以惊人的速度应用于多个领域的企业生产的多个环节，并已使得过程分析仪器领域发生了深刻变革。这种变革与在线光谱分析的独特优点是分不开的，比如:/ppspan style="COLOR: #548dd4"strong　　在线光谱分析可以对多路多组分连续同时测量，且速度快，准确性高 /strong/span/ppspan style="COLOR: #548dd4"strong　　在线光谱分析仪器易损坏和消耗品少，维护量小 /strong/span/ppspan style="COLOR: #548dd4"strong　　在线光谱分析多采用光纤传输技术，适合环境恶劣的场合 /strong/span/ppspan style="COLOR: #548dd4"strong　　在线光谱分析仪器结构相对简单，并适合多种样品(如液体，涂层，粉末和固体等)/strong/span/pp　　这些优点对于企业原料和生产的中间环节进行快速质量控制、优化操作、稳定生产和节能降耗非常有价值。/pp　　与实验室环境不同，工业环境在要求光谱分析系统具有足够的灵敏度和探测限，同时对于性能稳定性，体积尺寸和抗干扰能力也都有严格要求。光谱仪是在线光谱分析的核心模块，它的性能好坏从根本上决定了系统性能。选择合适的光谱仪对于工业在线应用十分重要。/pp　　1992年美国海洋光学公司的Mike Morris博士发明了世界上第一台微型光纤光谱仪，他将光谱仪的大小缩小了几十倍，价格降低了十几倍。光纤光谱仪利用光纤把远离光谱仪器的样品光谱引到光谱仪器，以适应被测样品的复杂形状和位置。由光纤引入光信号还可使仪器内部与外界环境隔绝，可增强对恶劣环境(潮湿气候、强电场干扰、腐蚀性气体)的抵抗能力，保证了光谱仪的长期可靠运行，延长使用寿命。光纤光谱仪结构紧凑，组成包括入射狭缝、准直物镜、光栅、成像反射镜和阵列探测器，还包括数据采集系统和数据处理系统。光信号经入射狭缝投射到准直物镜上，将发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经成像反射镜将光谱呈在阵列接收器的接收面上，光信号被转换成电子信号后，经模拟数字转换，A/D放大后输出，最后由软件系统控制和采集信号，进而完成各种光谱信号测量分析。这些特点对于工业在线光谱应用是极其有利的。可以说，微型光谱仪是光谱测量技术从实验室走向工业应用的里程碑。/pp　　工业在线光谱分析系统核心为光谱仪，其配套部件一般还有采样附件，光源，控制软件和专用分析模型，它们对于系统整体性能也有重要影响。一般在线光谱分析系统构成如下图所示。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QQ截图20161227100735.jpg" style="HEIGHT: 294px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/37c32cc6-4188-46d5-bfe9-fef2d6bda031.jpg" width="300" height="294"//pp style="TEXT-ALIGN: center"图1 在线光谱分析系统组成/pp　strong　2. 应用案例-工业在线反射率与颜色测量/strong/pp　　下面以一个典型案例说明在线光谱系统设计需要考虑的因素。某特种印刷用户需要快速测量薄膜材料颜色，用于产品质量控制。用户主要需求为：/pp　　strongspan style="COLOR: #548dd4"系统需满足最快180米/分钟的检测速度，且具有足够精确性。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统能够进行非接触非破坏性采样测量。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统能直接输出最终结果给上位机。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统能直接输出颜色值，并能与用户自己的上位机系统集成。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统要能反映被测样品的峰值波长、光谱等特性。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统具备自检和异常报警功能。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统要能适应工厂持续噪声，细颗粒粉尘，电磁干扰以及不稳定供电环境。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统要能7*24连续工作，且维护方便。/span/strong/ppstrongspan style="COLOR: #548dd4"　　系统尺寸要能兼容于空间狭小的产线。/span/strong/pp　　这些需求涵盖了性能，尺寸和环境安全性多个方面，在工业在线光谱分析应用中具有典型性。/pp　　为满足检测速度要求，系统单次测量周期不得大于4毫秒。为此整个系统将采用流水线并行作业方式，确保测量速度和分辨率能够满足要求。如样品移动速度小于180米/分钟，则将得到更高的检测分辨率，即小于12毫米。所采用的工业定制型光谱仪的最小积分时间可达到1毫秒，可以充分满足速度要求。/pp　　为满足用户上位机数据接口要求，在线光谱分析系统应集成数据处理算法功能，且保证运算快速，结果准确。为此，在线光谱分析系统里搭载了高性能处理器，并且为了进一步提高速度，运算处理器直接与光谱仪模块集成。从而能够在CCD探测器进行下一周期积分时并行计算反射率数据。在前后两个计算周期之间，没有等待的延迟时间。在完成计算后，光谱仪将颜色数据提交给服务器，交由服务器判断是否需要触发停机信号。由于本系统的规模仅需要至多两层交换机就能连接，因此网络的延迟时间将小于1毫秒。而经过测算，进行50万次(相当于6000米长的薄膜)100个通道的组合逻辑判断在普通的计算机上每次平均耗时仅0.02毫秒，单次最大耗时为2毫秒。按此测算，完成单次测量和判断所需时间为12毫秒，即瑕疵点在经过探头3.6厘米后系统会给出报警或停机信号。瑕疵点在经过数米的减速区之后，足以被减速，并停留在质量观察板上。报警采用光谱仪与声光报警器协同工作实现。/pp　　对于颜色测量，必须有参考光谱和背景光谱，即对反射测量的校准操作。经常校准能有助于使计算的颜色结果更接近于实际结果，消除光源、环境以及其他因素对测量的影响。当进行校准操作时，需将已知颜色的标准板置于探头下方，与探头所呈角度与样品一致。此时打开光源，确保光源强度不会使光谱仪饱和，并保存参考光谱(即各波长上的强度)。然后关闭光源，此时光谱将反映暗噪声和环境光，将该光谱作为背景光谱也保存下来。在完成校准操作后，即可对样品进行颜色的测量和计算了。颜色实际上是样品在特定波长上的光谱强度与标准板在特定波长上的光谱强度的比值。为消除环境光和暗噪声的影响，需要背景光谱也参与计算。/pp　　根据上述分析结果，系统使用了对颜色测量进行特殊优化的工业定制型光谱仪。其搭载的高性能处理器和以太网接口能在测量光谱的同时直接将颜色信息提交给服务器，并由服务器根据用户预先设置的判定规则进行报警或触发停机，确保了整个系统的实时性和可靠性。/pp　　系统的探头支架可安装在用户指定滚轮位置的样品切线垂直方向上，并在滚轴上安装速度编码器，以获取当前检测样品的所在位置。反射式探头为Y型分岔光纤，其两头将连接到机柜内的光谱仪和光源上。在探头支架上还将安装可自动旋转的机电装置和标准板，供定期获取参考光谱。/pp　　系统板载处理器为定制高性能FPGA模块，实现光谱数据到LCH颜色值的计算，并将结果上传至上位机(主控机)。/pp　　系统的重要部件均安装在工业级机柜内，包括光谱仪、光源、供电电源、以太网交换机、系统服务器等。光纤和各种线缆则通过上进线或侧进线方式接入机柜。/pp　　最终的人机接口将安装在操作员使用的盘台上，该工作站主机将安装在盘台内部，并通过屏蔽双绞线与机柜内的系统服务器连接。系统服务器和操作员工作站上会分别安装系统软件的服务器端和客户端，以呈现整卷或整批薄膜产品的质量情况。/pp　　系统组成示意图如下所示。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QQ截图20161227101131.jpg" style="HEIGHT: 250px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/27ed627d-b20b-4735-b0d4-39858b1574a5.jpg" width="400" height="250"//pp style="TEXT-ALIGN: center"strong图2 系统组成示意图/strong/pp　　在软件模块上，系统提供的定制软件功能模块均运行于主控机的Windows系统上，主要功能模块如下图所示：/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QQ截图20161227101230.jpg" style="HEIGHT: 300px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/0754d649-1732-41c5-87ed-8a50be0c9ef5.jpg" width="300" height="300"//pp style="TEXT-ALIGN: center"strong图3 软件功能模块/strong/pp　　strong调度模块：/strong为主程序核心，主要负责承担各模块之间的管理及任务调度 /pp　　strong通讯模块：/strong主要负责与工业现场总线的通讯，解析通讯命令，并通过调度模块完成相关任务，如启动测量过程，读取测量数据等 /pp　　strong计算模块：/strong计算光谱数据，得到LCH颜色值 /pp　　strong底层驱动：/strong主要控制光谱仪、光源、电子快门、传动模块等硬件设备 /pp　　strong测量模块：/strong根据测量时序、流程完成一个完整的测量流程 /pp　　strong数据库：/strong主要用于保留系统参数、测量历史数据等信息 /pp　　strong用户界面/strong：完成用户交互功能，主要包括系统参数配置，测量数据显示，历史数据浏览，系统功能测试等。/pp　　在故障维修与运行维护方面，光源和光谱仪都采用模块化方式安装布置，且均对通道号进行标识，方便找到故障的光源。并且配套的通过交换机及光谱仪上的状态指示灯可了解是否存在网络线缆故障。软件也能够识别光源故障。/pp　　该案例充分体现了在线光谱分析与实验室应用的巨大差异。工业环境下，在线光谱分析系统必须充分考虑应用环境的特殊性，各种影响因素都必须仔细评估。除了光谱仪，测量附件的选择在相当大程度上取决于光谱仪厂家的行业应用经验和水平，这一点在专用的在线分析系统开发方面体现的更为明显。/ppstrong　　三、更多工业在线应用案例/strong/ppstrong　　（1）LED芯片测试机/strong/pp　　由于制作工艺存在尚未解决的技术困难，所以对于生产过程中同一块外延片不同位置的光电特性是有细微差别的，呈现出不均匀性。在完成电极和引脚的过程中也会存在一定的瑕疵。这些缺陷会导致在LED产品的发光强度和颜色，在生产过程中如果残次芯片继续进行加工，会导致生产过程中不必要的浪费。所以LED芯片测试机是LED生产过程中不可或缺的一个环节。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="LED芯片检测过程.jpg" style="HEIGHT: 252px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/19f4c15e-6033-4f19-8821-6c1b7452a872.jpg" width="400" height="252"//pp style="TEXT-ALIGN: center"LED芯片检测过程/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="LED芯片测试结果.jpg" style="HEIGHT: 323px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/46d98eb1-7886-4300-91fe-7c950a8fb913.jpg" width="400" height="323"//pp style="TEXT-ALIGN: center"LED芯片测试结果/pp　　微型光纤光谱仪主要将辐射光谱、发光强度、色坐标x，y和峰值波长作为测量指标。/pp　　一般检测设备只能对电气特性不合格进行筛选，微型光纤光谱仪被引入到LED芯片检测后，发光检测方面问题得到了很好地解决。由于微型光纤光谱仪测量每颗晶粒的时间是5-6ms，快于一般测试机探针机械移动时间，因此测量速度提到提高。由于微型光纤光谱仪体积小，因此不会占用机台的使用空间，不需要对原有机台的机械结构做出较大调整。同步触发功能保证了在检测过程中，能够保证每个晶粒在点亮后的相同时间进行测量。/ppstrong　　（2）LED分光机/strong/pp　　LED制造流程是复杂、漫长的一个过程，想要生产出性能一致，功能完整的LED产品，LED分光机作为LED制造流程中靠后的工序，需要对封装后的器件根据光、色、电三方面参数进行筛选，然后才能将其包装为产品，最终流入市场。/pp　　LED分光机的测量指标是发射光谱、发光强度、色坐标x，y、峰值波长。/pp　　LED分光机工作流程一般包括：待分选的LED器件会在震动盘上排列进料，依次进入电测和光测的工位 进入电测工位后，LED会被通电进行电学指标测试 当被移动到光测工位时，LED芯片会被点亮，继而使用积分球和光谱仪测量其辐射光谱 通过计算光度学和色度学参数，并联合电学指标，一起进行数据分析 随后将数据转换为指令，传输到指令模块，将不同LED进行分选。基于微型光纤光谱仪的第一台LED分光机，可以完成分选5000颗/小时，使得LED检测从抽检进入到全检的时代。随着微型光纤光谱仪性能的提升以及与配套LED分光机兼容度提高，现在的LED分光机检测已经可以完成55000颗/小时，甚至更高。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="LED分光机.jpg" style="HEIGHT: 338px WIDTH: 450px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/3a28ae58-6315-466f-86d5-06cd09c39ad7.jpg" width="450" height="338"//pp style="TEXT-ALIGN: center"LED分光机/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="LED器件进料.jpg" style="HEIGHT: 188px WIDTH: 250px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/6b21148a-276f-4227-a12a-1b2bc65ae312.jpg" width="250" height="188"/ img title="排列进入检测位置.jpg" style="HEIGHT: 188px WIDTH: 250px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/b89bc6db-320c-4f95-b46b-83ab7df07248.jpg" width="250" height="188"//pp style="TEXT-ALIGN: center"LED器件进料、排列进入检测位置/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="检测电学和发光特性.jpg" style="HEIGHT: 188px WIDTH: 250px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/8b14cb67-e6f3-42b1-a4c2-b122c600272a.jpg" width="250" height="188"/ img title="进行分选归类.jpg" style="HEIGHT: 188px WIDTH: 250px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/72c530e3-ff6e-46f1-9483-33f6ae9dec81.jpg" width="250" height="188"//pp style="TEXT-ALIGN: center"检测电学和发光特性、进行分选归类/pp　strong　（3）污染气体排放监测/strong/pp　　微型光纤光谱仪在污染气体排放监测指标是不同气体浓度，包括氮氧化物、二氧化硫、臭氧、丙酮和氨气等。不同气体所表现出的吸收光谱具有特异性，但也有一定相同性，大部分气体的吸收峰都位于紫外区域，所以采用在紫外区域的激发光或在紫外区域有响应的光谱仪对气体进行浓度的测试。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="污染气体排放.jpg" style="HEIGHT: 261px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/6b0a2621-b070-4789-ab04-9bb0cf9afa88.jpg" width="400" height="261"//pp　　通常使用微型光纤光谱仪对气体进行检测，会将所有检测设备放置于一辆移动检测车中，到达目标检测位时，将设备架设在相应位置。检测设备包括摄像机、激光器触发装置、激发光、光谱仪和反射镜。检测过程是通过光源发出一束激发光，照射到马路另一边的反射镜，通过反射镜反射使光谱仪能够检测到气体光谱。当一辆汽车经过检测系统时，汽车排放的尾气会和光路进行相互的作用，尾气中的物体由于浓度的不同，光谱仪可以测量光穿过气体的强度，就可以检测出汽车排放的尾气是否超标。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="监测系统示意图1.jpg" style="HEIGHT: 240px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/bddce1df-323a-45ad-a394-2c6bc379d0e3.jpg" width="400" height="240"//pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="监测系统示意图2.jpg" style="HEIGHT: 235px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/1bac5528-d221-4646-b16d-1321a1b27542.jpg" width="400" height="235"//pp style="TEXT-ALIGN: center"监测系统示意图/pp　　这种尾气排放监测方法之所以能够得到广泛应用，首先得益于微型光纤光谱仪测量速度快，若被测汽车匀速通过检测系统，检测系统就能快速检测出吸收光谱，并且迅速处输入电脑进行分析和储存。微型光纤光谱仪的体积优势，使其能够与气体检测系统更好的集成到一起，方便检测车辆进行运输与架设。/ppstrong　　（4）水果分选机/strong/pp　　吸收光谱在工业领域应用案例不仅仅局限于气体应用，微型光纤光谱仪也被应用于水果流通的分选环节，将水果的糖分和水分作为测量指标，结合其他物理探头对水果进行分选。相对于水果的大小，对于特殊人群，如糖尿病患者，其糖分对于消费者而言意义更为重要，使用近红外光谱仪可以对糖分和水分的含量进行判定。/pp　　基于微型光纤光谱仪的水果分选机一般由两部分组成，一个是发射的光源，一个是用来检测的光谱仪。一般在检测中会采用高功率的卤钨灯，提供近红外段宽光谱的能量，由于光源的高功率也就能提升了检测时穿透水果果皮的能力，在水果另一侧的光谱仪才能够获得更多更强的信号，提高信息的准确性。在水果分选过程中，水果数量巨大，微型光纤光谱仪检测的高效性正好满足了水果分选机的工作特点。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="水果分选机示意图.jpg" style="HEIGHT: 225px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/bf2f6dfa-79a1-4ca1-9671-cdc594f97c04.jpg" width="400" height="225"//pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="水果分选机示意图2.jpg" style="HEIGHT: 188px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/insimg/82a91140-60f2-402f-a77a-68eb2038a124.jpg" width="400" height="188"//pp style="TEXT-ALIGN: center"水果分选机示意图/pp　　strong（5）节能玻璃镀膜工艺在线监控/strong/pp　　由于现在玻璃工艺技术的发展，很多高楼选择使用玻璃作为外墙的建筑材料，但与传统建筑材料相比，玻璃的隔热性能有所欠缺。如果想使室内温度维持在一个稳定值，就需要对玻璃进行处理，最常见的手段是将玻璃进行镀膜工艺，使得玻璃能够尽可能的透过可见光，而同时增强隔热性能。所以镀膜过程的质量保证，成为了玻璃隔热性能优良与否的重要因素。/pp　　将多个微型光纤光谱仪与玻璃生产线相集成，对镀膜的效果进行实时测量。微型光纤光谱仪所采集到测量指标，如镀膜玻璃的反射率，透过率，膜厚数据，反馈给镀膜机，使其在下一次镀膜过程中对镀膜工艺进行调整。在检测过程中，氘灯和卤钨灯混合光源照射到被测样品上，会反射一部分光，被光源同侧的光谱仪接收，而另一侧放置的光谱仪对透射光谱进行测量。所以整个检测系统能对反射光谱和透射光谱进行测量。由于检测的玻璃尺寸较大，所以为了对玻璃镀膜的均匀性进行全面的测量，探头采取平移方法扫描整块玻璃。由于微型光纤光谱仪的体积小巧，内部结构紧密，无移动部件，可以适应较高加速度和震动的环境，使得微型光纤光谱仪和探头可以进行在检测过程中进行往复运动。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="微型光纤光谱仪检测示意图.jpg" style="HEIGHT: 303px WIDTH: 300px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/db4108c9-dd18-411e-a72b-22c214e334a1.jpg" width="300" height="303"//pp style="TEXT-ALIGN: center"微型光纤光谱仪检测示意图/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="QQ截图20161227102542.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/4f9ed63a-2184-4b8c-b7a5-bf34940b80f5.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center"玻璃镀膜工艺监控系统/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="微型光纤光谱仪与平移台集成.jpg" style="HEIGHT: 301px WIDTH: 400px" border="0" hspace="0" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/233a6763-fd1d-4dc3-91e6-23e90370af1f.jpg" width="400" height="301"//pp style="TEXT-ALIGN: center"微型光纤光谱仪与平移台集成/ppstrong　　（6）印刷机的在线颜色监控/strong/pp　　颜色准确性是印刷行业重点关注的技术指标，由于不同纸张材料的吸水性差异于油墨的批次差异会导致印刷品之间存在色差，将微型光纤光谱仪与印刷实时颜色监控系统相集成就显得尤为的重要。/pp　　在印刷机上集成一个反射光谱的测量系统，对印刷品的校准色块进行反射测量，并通过相应算法将光谱数据换算为行业内能够接受的颜色指标。由于印刷中的纸张具有快速移动的特性，所以在运用中往往会采用积分球或环形的反射镜对光源进行匀化，从而减小检测样品在印刷过程中的振动与倾斜。光谱仪所得光谱数据反馈到印刷设备对颜色的品控进行调整。/pp style="TEXT-ALIGN: center"img title="印刷机颜色监控示意图.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201612/noimg/bf5b28d3-6d21-4722-b1a1-17761d368c5b.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center"印刷机颜色监控示意图/pp　　光谱仪自带可编程逻辑电路，可将复杂的逻辑关系写入微型光纤光谱仪中，可以使光谱仪直接与印刷设备油料控制器对接，产生在线的闭环系统。/pp style="TEXT-ALIGN: right"（内容来源：海洋光学）/p

西安电子科技大学光电工程学院红外物理与工程团队利用光化学重塑技术，对金纳米棒及薄膜光谱透过率进行原位调节，设计出一种微型低成本便携式重建型光谱仪。相关科研成果题为“Miniature Spectrometer Based on Gold Nanorod-Polyvinylpyrrolidone Film”近日在线发表于国际期刊《Acs光子学》。该研究首次提出了基于金纳米棒-聚乙烯吡咯烷酮薄膜的重建型光谱仪，在满足光谱仪微型化发展需求的基础上，实现了简化的器件加工工艺、降低了制造成本，对微型光谱仪的普及具有重要意义。光谱被称为物质的“指纹”。通过对物质的透射、反射、吸收或发光光谱的分析，便可得知物质的光学特征、温度、元素成分等信息。近年来，光谱仪的微型化发展十分迅速，相关研究成果使光谱分析得以应用于现场检测、芯片实验室等领域。光谱仪是获取光谱信息的重要工具，相比于实验室中笨重且昂贵的传统台式光谱仪，微型化、便携化的光谱仪可适用于更多场景。其中重建型光谱仪作为一种新型的光谱仪微型化策略受到广泛关注，这类光谱仪不使用复杂的机械结构以及较长的光学路径，因此可以实现超紧凑的系统设计。但是，重建型光谱仪所使用的色散、滤光器件通常需要较为复杂和昂贵的微纳制造工艺流程，这在一定程度上限制了重建型光谱仪的研究和广泛应用。金是一种贵金属材料，物理化学性质非常稳定。而金纳米颗粒根据尺寸和形状，可以表现出独特的光学特性，其光谱吸收特征可以随着金纳米棒长度和直径比例的变化而改变。在成像传感器表面的聚合物薄膜内，嵌着一种被称为金纳米棒的棒状金纳米颗粒。该团队引入光化学重塑技术，利用金纳米棒的光热效应和再成型化学反应，在原位改变金纳米棒的长径比，从而达到改变薄膜的光谱透射率的目的。“针对金属纳米颗粒的光热与光化学重塑现象已被广泛研究。我们发现该效应可应用于重建型光谱仪滤光器件的加工。”西安电子科技大学光电工程学院博士研究生叶云龙说，“我们将光化学重塑技术应用于金纳米棒—聚乙烯吡咯烷酮薄膜，获得了具有丰富光谱透射特征的滤光器件。”“目前，重建型光谱仪使用的色散元件或滤波器，大多采用复杂且昂贵的微纳加工制造工艺。相比之下，利用光化学重塑金纳米棒聚合物薄膜的技术，可以实现滤光结构的低成本快速制造和灵活设计，而且这种技术并不限于金纳米棒这种材料。”团队指导教师王昱程说。据介绍，实验验证了重建型光谱仪设计思路的可行性，所加工的样机可对600纳米至700纳米范围内的光谱具有较好的窄带和宽带光谱重建效果。

光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术。光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域。　　在上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器(例如CCD，光电二极管阵列)制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。美国海洋光学公司的微型光纤光谱仪使用了同样的CCD(CCD光谱仪)和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。　　微型光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。其优势在于测量系统的模块化和灵活性，且测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价。　　微型光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。那么微型光纤光谱仪在选型时有哪些必须要注意的呢？　　① 光学分辨率　　光学分辨率是配置微型光纤光谱仪时经常被考虑的主要因素之一。当用户为了追求微型光纤光谱仪的高分辨率时，在选型时会选择具有尽可能多像元数探测器的微型光谱仪。而实际上光学分辨率不仅仅由探测器的像元数决定，还与狭缝宽度和光栅的刻线密度有关。所以当讨论分辨率时，通常用色散或用波长范围除以像元数。　　半高全宽值(FWHM)，即最大峰值光强一半处所对应的谱线宽度是一种表述分辨率更好的方法(见上图)。用FWHM可以对不同光谱仪的实际光学性能进行直接对比。用这种表示方法可以避免一些缺陷，例如：有的光栅并没有用到全部像元 采用交叉式Czerny-Turner光路设计的光谱仪中，光学系统不能把狭缝清晰地成像在探测器上，这是由于光路中过大的反射角和固有的系统放大倍率造成的。 　　② 灵敏度　　灵敏度是配置光谱仪时所需要考虑的另一个因素。现在的主流微型光纤光谱仪都采用线阵探测器，所以灵敏度跟像素数没有任何关系。但面阵探测器例外，因为面阵探测器在垂直方向的每个像素都会被累积，在某种意义上垂直方向上的所有像素的累积可以被看成一个更大的像素。因此，在考虑某种应用对灵敏度的要求时，更重要的是看探测器的响应曲线。下图中给出了海洋光学微型光纤光谱仪采用的两种典型探测器的灵敏度响应曲线。　　③信噪比　　信噪比也是选配微型光纤光谱仪的一个因素。对于CCD光谱仪，较高的灵敏度导致了较低的信噪比。在一定范围内，可以通过对光谱进行多次平均来提高信噪比。平均次数的平方根恰好是信噪比提高的倍数。例如，光谱平均100次，信噪比能提高10倍。有些应用需要较高的信噪比，此时用户应当比较在光谱仪中的光学平台和探测器的综合信噪比。需要强调的是，用户一定要搞清楚厂家给出的信噪比是不是整个光谱仪系统的信噪比，因为只有整个光谱仪系统的信噪比才是最重要的。一个信噪比高的探测器配一个性能不高的光路，那么它的高信噪比就没有实际意义。比较不同探测器和微型光纤光谱仪间的信噪比的比较好的方法是：测量100次，然后对每个像元计算平均值和标准偏差，信噪比等于平均值除以标准偏差。测量信噪比时，信号强度应当接近饱和，并设置正确的平滑值(如果需要的话)。　　④ 光栅选择　　光栅选择是最比较复杂的。通常有两个因素决定了光栅的选择：波长范围和光学分辨率。波长范围受限于所选择的探测器或光栅，或二者都有。光学分辨率不仅受限于光栅，还受限于狭缝宽度和探测器的像元数和像元尺寸。还要考虑第三个因素，即光栅还会影响系统的灵敏度，这是因为不同的光栅的闪耀波长(即最高效率)位置各不相同。当对系统进行最优化配置时，最好查看一下光栅的效率曲线。下图中是海洋光学微型光纤光谱仪采用的几种典型的600线/mm光栅的效率曲线，效率最高点从紫外区到近红外区。　　⑤ 狭缝　　狭缝了也是选配微型光纤光谱仪的一个因素。微型光纤光谱仪有多种狭缝尺寸供您选择，狭缝安装在光纤接头处(见图)，并且被永久的固定在光谱仪上。有两点需要记住，狭缝越小，光学分辨率越高 狭缝越大，进入光学平台的光通量越多，即灵敏度越高。从本质上说，需要折中兼顾光谱仪的分辨率和灵敏度。　　　　⑥ 其他　　选择微型光纤光谱仪的其他选项会相对容易一些。例如可以选择升级UV4探测器后，探测器上的标准BK7窗片将会被石英窗片替代，用来增强海洋光学微型光纤光谱仪在波长340nm以下紫外区的响应能力。而其它探测器，比如薄型背照式CCD或CMOS则不需要这个选项。而为了避免二、三级衍射效应的影响，可以通过在位于狭缝与消包层模式孔之间的SMA905连接器中安装长通滤光片或在探测器的窗口处安装OFLV消除高阶衍射滤光片。　　正如上面介绍的几个因素所表明的，通过一些简单的步骤就就可以配置好满足您应用的微型光纤光谱仪。除了光谱仪，我们可能还需要考虑种类纷杂的光源和采样附件。

微型光谱仪是一种紧凑型光谱仪，其光学系统、图像传感器和电路浓缩在一个小盒子中。本报告包括模块式和芯片式光谱仪。微型光谱仪行业目前现状分析芯片型光谱仪还处于初级阶段芯片型光谱仪是新型光谱仪产品，处于初级阶段，并在近几年快速发展，受到越来越多的关注。北美、欧洲、亚太是主要消费地区北美、欧洲、亚太是微型光谱仪的主要消费地区，北美是最大的消费地区，占全球销量市场的36%。中国是全球增长最快的地区预测全球微型光谱仪市场在2027年将达到5.88亿美元，2021年到2027年的年复合增长率达到9.95%。中国是增长最快的地区，2021年到2027年的年复合增长率达到15.52%。微型光谱仪发展趋势消费市场进一步扩大随着对生产环境要求的不断苛刻，设备检测的准确度、使用范围即适用性就显得尤为重要了，在国家政策的引导和支持下，国内微型光谱仪行业有望进一步扩大。品牌化发展成必然趋势在竞争激烈的竞争中，预计更多的国内厂家将从纯粹的生产制造走向品牌化经营之路，这也是国内制造厂家在产业价值链中追求更高附加值的必然选择。各地政策均明确提出将“实施品牌战略，打造一批具有国际竞争力的知名企业和国际影响力的自主品牌”。全球微型光谱仪总体规模分析全球微型光谱仪产业过去五年增长迅速，规模从 2016年的 1.96亿美元增长到 2020年的2.93亿美元。2021年全球微型光谱仪市场增长到3.33亿美元。预计至 2027年，全球微型光谱仪产业规模将增长至5.88亿美元，年复合增长率高达9.95%。市场上的主要微型光谱仪生产商包括Hamamatsu Photonics、Ocean Insight、Viavi、Horiba、Si-Ware Systems等，全球领先厂商以出色的产品性能和满意的服务在行业中享有盛誉。但市场竞争日趋激烈，越来越多的厂商进入微型光谱仪市场；尤其是几家中国制造商，如复享光学、晶飞科技、奥谱天成等，它们具有成本优势。微型光谱仪的主要消费地区为北美、欧洲、中国、日本等具有工业发展体系的国家和地区。这些地区占据全球超过大部分的市场，其中北美是最大的消费地区。同时，中国等地区国家近些年经济发展很快，具有较大的市场潜力。在下游市场中，微型光谱仪主要应用在农业、智能建筑、环境、医疗、汽车、穿戴、相机、智能手机等领域，其中智能手机是最大的消费市场，2020年占有约32%的销量市场份额。微型光谱仪的消费与整体经济发展和地区环保有较大联系，消费集中在人口聚集，工业生产较为发达的地区，国内主要消费地区包括华东，华南等地区。

体积只比手机大一点点，几分钟就能测出食品有无安全问题　　投入批量生产后市民都能买得起使用简单　　想知道饮用水里有没有有害物质吗?想知道食品中是否有添加剂吗?想弄明白水果表皮是否有农药吗?在目前，这些都需要去专门的科研机构才能查到。但是未来，你在家里就能做到。事实上，这个未来并不远，重庆大学教授温志渝及其团队已掌握微型光谱仪技术，而微型光谱仪正式可以简便快速检测物质的机器。今年教师节，温教授被评选为全国模范教师。　　几分钟就能测出食物中的物质　　光谱仪，目前科研方面用于物质检测等用途，价格数万元，体积大小超过一台台式机。温教授设计出的微型光谱仪却只比手机大一点点，价格也会便宜很多。　　据重大微系统研究中心主任温志渝介绍，将被检测的物质放入该机器，检测速度非常快，只需要几分钟就可以出检测结果。在食品检测方面，如果发现问题食品，现场就能直接进行检测，迅速得出结果，不用再经历抽样、带回检测中心、检测、出结果的漫长过程。　　这项技术获得重庆市2011年科技奖励技术发明一等奖。但目前暂未投入生产。在采访中，温教授告诉重庆晚报记者，一项技术成熟到投入批量生产要经过一定阶段。今年6月份，还有生产商找到他希望能合作生产微型光谱仪，但温志渝拒绝了。　　微型光谱仪还可用于地震、火灾救援　　温志渝告诉重庆晚报记者，光谱仪是将成分复杂的光，分解为光谱线的科学仪器，它可以定性定量的检测各种物质主要成分和元素，被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。　　微型光谱仪同样具有这些功能，而且携带方便，并且可以像CPU一样嵌入其他仪器中，进行多种检测。　　除了可以用于食品安全检测，微型光谱仪还可以装入监测设备中，实时对环境、水质等污染情况进行检测 在医疗上，可以制成微型生化快速检测仪，在发生地震、火灾等急救情况下，可以一次做7个生命体征检测，为患者抢救提供及时可靠的数据。

p　　日前，Research and Markets发布最新研究报告，报告内容显示，与整个分子光谱系统的市场增长状况相比，小型化光谱仪器的增长速度更高。预计，2015-2021年之间，整个分子光谱市场年增长率为7%，而小型/微型光谱仪的复合年增长率将达11%，2021年市场将达3亿美元。/pp　　小型/微型光谱仪，主要用于实验室之外的环境，比如工业在线、农业或环境现场应用，医疗应用时的即时检测，甚至是消费类产品等设任何领域。随着尺寸的减小，紧凑型光谱仪的使用更加方便，成本更低，响应时间也更短。/pp　　然而，为了达到工业和消费市场的需求，开发面向应用的产品是至关重要的。其中，硬件并不是系统中唯一重要的部分，数据处理、数据解析、人机交互界面、产品设计等方面的要求也很高，尤其是这些产品的用户并非光谱专家。/pp　　报告中，预计将呈现高增长的市场包括：医药QA/QC、食品和饮料、农业、环境检测、医疗POC和消费者应用(智能手机光谱、食品测试等)。/pp　　要很好的满足这些领域的应用，一些技术上的突破是必要的，最近的研究就利用了MEMS(微机电系统)、MOEMS(微光机电系统)、微镜阵列、线性渐变滤光片、集成光子等新的技术，从而降低光谱分析仪的成本和尺寸，同时提高了性能，增强抗造性和产量。/pp　　该报告中提到的小型/微型光谱仪的厂家包括Avantes、B& W Tek、、Buchi、Horiba、Ocean Optics、Stellarnet、ThermoFisher、Zeiss等。/p

自1992年发明世界上第一台微型光纤光谱仪以来，经过20多年的发展，它已经被广泛应用在包括环保，食品安全，国土安全，新能源，军事，半导体，化工，医药，航天，农业，在内的几乎所有的行业。这是由光和物质的相互作用的普遍性所决定的。　　详细应用案例请见：微型光纤光谱仪可以应用于哪些领域?　　这些案列也反映出了市场需要解决什么问题，以及为什么微型光谱仪能够解决这个问题？　　总体来说，微型光纤光谱仪应用的难点在以下两个环节，这是应用研究所需要解决的问题。　　采样：对于每一个特定的实际应用场景都有其具体的困难需要解决，如何从组分复杂的样品中，萃取，分离，富集微量待测物，如何排除气泡，杂质，颗粒物对测试的干扰。　　算法和数据库：如何从光谱数据中提取出有用的信息，特别是当实验所得到的光谱是由样品中各种组分与光作用的综合结果时，化学计量学算法，建立数据库是极端重要的，而且又花钱，又耗时。　　此外，急需跨行业，跨领域的合作：正是由于光和物质作用的普遍性，决定了光谱应用领域的分散性，许多应用都需要跨领域的知识。熟悉光学的人对基因，核酸非常陌生 熟悉分子生物学的人则害怕看仪器结构的方框图。不同领域专家的交流和合作才能知道其它行业存在什么问题，才能找到解决问题的方法。

光谱仪究其实质是一个“分光”仪器，现在有几种方式来实现分光功能。主流的方式是用光栅作为色散部件，将不同波长的光在空间上分开，用阵列探测器接收并输出光谱。另一种方式是用干涉仪调制入射光，用单元探测器接收被调制了的光，并输出光强随时间变化的曲线，再用傅里叶变换还原光谱，这就是傅里叶光谱仪。　　由于在UV-VIS-NIR波段，硅CCD, CMOS阵列的工艺成熟，性价比好，再加上无移动部件，可靠性好，因此，几乎无一例外地使用光栅色散，阵列探测器检测的方式。只是在波长大于900nm的近红外波段，硅材料实在无法胜任，才采用InGaAs线列探测器，但是，至少在现阶段InGaAs线列探测器还是太贵，于是才有人尝试采用傅里叶光谱技术，转动光栅技术，美国德州仪器公司的DLP(Digital Light Procession)技术，其核心是用MEMS技术制造一个微镜陈列，可以用集成电路芯片组驱动每一个微镜的方向，这样就可以用单元InGaAs探测器，使近红外波段的微型光谱仪成本下降。另一种思路是怎么把光谱仪做得更小，更便宜，干脆不用光栅分光，虽然性能不一定那么好，但是对于有些应用也许就足够了，这基本上就是用滤光片加线列探测器的方法。　　就采用光栅分光技术的微型光谱仪而言，其性能主要决定于三个方面，光学设计，光栅的选择，探测器的选用。　　光学设计又与采用的光栅种类有关，现用的光栅有反射光栅和透射全息光栅两大类，采用不同光栅的光谱仪光学设计方案有所不同。现在的主流是反射光栅，这是由于制造工艺相对成熟，因此价格也相对低一些的原因，采用反射光栅，又要做得体积小，采用折叠光路的设计就很自然了，因此，交叉光路Czerny-Turner 结构(Crossed Czerny-Turner)成为市场最流行的设计 另一类是透射全息光栅，它的主要优点是光栅效率高，导致光学系统的光通量大，对于一些测量比较微弱的光的应用，或者快速动态过程分析，不允许长的积分时间，就倾向于选择透射光栅，当然，价格相对会贵一些。　　以下我们就分析典型的交叉光路的Czerny-Turner 结构光谱仪(如图所示)。图 典型的交叉光路Czerny-Turner光谱仪结构。1为SMA 905接头，2为入射狭缝，3为长通滤光片(可选)，4为准直反射镜，5为反射光栅，6为汇聚反射镜，7为柱形汇聚透镜(可选)，8阵列探测器，9为线性可变滤光片阻挡高阶衍射光进入探测器，10为探测器的石英玻璃窗口，取代普通BK7玻璃窗口，用于工作在小于340nm的紫外波段光谱仪(可选)　　-用光纤将待测光束通过标准的SMA905接头接入光谱仪。　　-待测光束通过狭缝进入光谱仪，狭缝就是成像系统中的“物”，通常为矩形，根据应用的要求，狭缝的宽度可选，较宽的狭缝允许更多的光子进入光学系统，即系统的光通量较大，但这是以损失分辨率为代价。典型的狭缝宽度在5um-200um之间，高度为1mm。　　-从狭缝出射的光是发散的，我们希望入射光束的传播方向是可控的，不要散射到不该去的地方，导致杂散光太大，通过准直光学部件，通常是反射镜，将其变为平行光束。　　-光栅作为色散元件：这是对光谱仪性能有决定性影响的元件，不同波长的光被衍射到空间不同的方向。光栅的参数包括刻线密度，闪耀角度等，都会影响到光谱仪的性能指标，包括分辨率，波长范围，光栅效率曲线等。　　-反射镜作为光束汇聚器件，将光栅分光后不同波长狭缝的“像”汇聚到阵列探测器不同的像元上。每个像元会接收到波长范围很窄的光子(15 nm to 0.02 nm，取决于光谱仪的结构)　　众所周知，狭缝的宽度会影响到光谱仪的分辨率和响应率，　　-探测器阵列：探测器是实现光电转换的重要器件。线阵探测器上的每一个象元的读出数据对应于一个特定的波长范围，在紫外，可见光，短波近红外波段，硅CCD是目前使用最多的探测器，其性价比最好，探测器本身的噪声对光谱仪信噪比的影响。只有在900nm-2500nm的近红外波段才使用InGaAs线列探测器。　　-模-数转换电路ADC (Analog-to-Digital Converter):探测器读出电路给出的是电压模拟信号，通过ADC把模拟信号转换为数字信号，将每个像元输出的电压转换为一个特定的数字，这个读数被称为“counts”　　ADC器件性能的重要指标是它输出的数字是用多少位二进制数字来表示。一个12位的模数转换电路可以将满量程光强度用0-4096(212)个counts来表示。相应的，同样的满量程光强度，如果用16位的模数转换电路其输出则是用0-65535(216)个counts来表示。由此可见ADC器件的位数反映了光谱仪在垂直方向的“分辨率“。(如图xxx所示)ADC的位数越高其输出的读数就可以越”准确“地描述光谱的强度。　　因此，对于一个采用2048个像元的线列探测器和12位模数转换器件的光谱仪，每条光谱曲线会输出2048个波长和对应光强的数据对，每个光强的数据用一个12位数字表示。这些数据是光谱的原始数据。图 ADC的位数和垂直方向“分辨率“的关系示意图　　-光谱仪内还包括以微处理器为中心的一些电路，主要包含两部分功能。一方面，产生光谱仪CCD或CMOS探测器所需的控制时序，使探测器按用户设定的工作模式工作 另一方面，实现与PC机的通信，如从探测器中读出数据并传送到PC端。这些电路的性能，譬如，模拟电路的噪声水平、处理器的主频、缓存的大小和通信接口的速度，都会对光谱仪的整体性能有重要影响。