光频梳

成果名称基于光纤激光器的可见光频率梳、20GHz可见光波段天文光学频率梳单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度□研发阶段 □原理样机 &radic 通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。利用频率梳测量频率时，需要频率梳的频率间隔在200MHz以上，以便波长计数器计量波数。特别地，类地行星观测需要20GHz以上频率间隔的频率梳来定标光谱仪，这个频率间隔一般的光纤激光器无法达到，目前只能依靠法布里-珀罗（FP）滤波装置进行频率倍增。由于FP透射光谱的有限线宽会导致边模泄露，从而影响天文光谱仪的定标精度，因此需要源激光频率梳本身的频率间隔尽量大，以抑制边模。可见，研制高重复频率（大频率间隔）的频率梳已经成为国际激光器和频率梳领域研究的热点和难点。目前该产品的国内市场基本上被德国Menlo System公司生产的基于掺镱光纤激光器的可见光域频率梳垄断，我国亟需研制出具有自主知识产权的光梳设备。2011年，北京大学信息学院张志刚教授申请的&ldquo 基于光纤激光器的可见光频率梳&rdquo 得到第三期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在基金经费支持下，通过关键配件的购置和加工，该项研究得以顺利开展。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作，包括：（1）搭建高重复频率、1um波长的锁模光纤激光器，作为频率梳&ldquo 种子源&rdquo ；（2）研究初始频率和腔内色散的关系，以得到更高信噪比的初始频率信号；（3）利用合适的色散补偿元件对种子源输出的脉冲进行色散补偿，并进行多级反向放大，使其输出功率满足频率梳要求；（4）试验多种光子晶体光纤，以获得更宽的、覆盖可见光域的光谱。通过以上工作的开展，课题组成功研制出了国际首创的500MHz光学频率梳样机，而Menlo公司同类产品重复频率仅为250M。这一技术的产品化将打破外国公司在国内市场的垄断，填补国内外市场的空白。在第三期项目工作的基础上，张志刚课题组的王爱民副教授申请的&ldquo 20GHz可见光波段天文光学频率梳的研制&rdquo 项目在2012年得到了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持。在第四期基金的支持下，项目组发展了前期500MHz高重复频率的光学频率梳的研究成果，开展了更加深入的工作，包括：（1）利用FP技术对500MHz重复频率的稳定光梳进行倍频，获得20GHz、1m波段的稳定光学频率梳；（2）对20GHz光学频率梳进行功率放大、脉冲压缩和倍频，实现515nm波段的蓝光飞秒光梳源；（3）利用拉锥光子晶体光纤对飞秒蓝光光梳进行可见光扩谱，达到400-750nm的光谱覆盖。通过这些工作，课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。这两期项目目前已经结题，其成果已进入产品化阶段，科技转化前景良好。相关成果受到了北京市科委的高度重视。课题组瞄准研制稳定的、可供频率测量的、基于飞秒光纤激光器的可见光域激光频率梳这一目标，开展了一系列富有成效的工作。课题组成功研制出了一套可直接与天文望远镜对接的20G天文光梳频率标准系统，其工作达到该领域国际前沿水平。应用前景：光学频率梳是很多高端研究的基础科学仪器，例如原子跃迁频率的精密测量、光钟的频率的测量、引力波的测量、微重力的测量、系外类地行星的探测等。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在微腔光学频率梳的研究方面取得重要进展。该团队董春华教授及合作者邹长铃等人提出一种普适的微腔色散调控机制，实现了光频梳中心频率和重复频率的实时独立调控，并应用于光学波长的精密测量，将波长的测量精度提升到kHz量级。相关研究成果1月12日发表在Nature Communications上。近年来，基于光学微腔的孤子微梳在精密光谱学、光钟、微波光子学、天文学等领域引起了极大的研究兴趣。然而，由于环境和激光噪声以及微腔中额外非线性效应的影响，孤子微梳的稳定性受到了很大的限制，这成为微光梳在实际应用中的一个主要障碍。在之前的工作中，科学家们通过控制材料的折射率或者微腔的几何尺寸以实现实时反馈，从而稳定并调控光频梳，这种方法会引起微腔内所有共振模式同时近乎均匀的变化，缺乏独立调控梳齿频率和重复频率的能力，这大大限制了微光梳在精密光谱、微波光子、光学测距等实际场景中的应用。针对这一难题，研究团队提出了一种新的物理机制实现了对于光频梳中心频率和重复频率的独立实时调控。通过引入两种不同的微腔色散调控手段，该团队能够对微腔不同阶次的色散进行独立控制，从而实现光频梳不同梳齿频率的全部控制。这种色散调控机制对于目前广泛研究的氮化硅、铌酸锂等不同的集成光子平台都是普适的。在实验中，该团队利用泵浦激光和辅助激光分别独立控制微腔不同阶次的空间模式实现了泵浦模式频率的自适应稳定和频梳重复频率的独立调控。基于该光频梳，研究团队演示了对于任意梳齿频率的快速、可编程的调控，并将其应用于波长的精密测量中，展示了具有kHz量级测量精度和多波长同时测量能力的波长计。相比于之前的研究成果，研究团队实现的测量精度达到了三个量级的提高。本研究成果所展示的可重构的孤子微梳为实现低成本、芯片集成的光学频率标准奠定了基础，将在精密测量、光钟、光谱学及通信等领域得到应用。 (a-c)可重构微腔光频梳原理示意图。 (d)波长计的性能演示。中科院量子信息重点实验室博士后牛睿、特任副研究员李明为论文共同第一作者，董春华教授、邹长铃教授为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中科院、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等的支持。

p style="text-indent: 2em text-align: justify "strong仪器信息网讯/strong 2019年5月31日，由仪器信息网主办，为期4天的“第八届光谱网络会议(iCS 2019)”圆满结束! /pp style="margin-top: 10px text-align: justify text-indent: 2em "2012年，仪器信息网主办了首届“年度光谱网络会议(iConference on Spectroscopy，简称iCS)”，直至今天，光谱网络会议已成功举办7届，160余位光谱大咖在这里分享了最新、最前沿的光谱技术及应用，参会人数累计近2万人次。/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "5月31日，为期4天的“第八届光谱网络会议(iCS 2019)”圆满结束! 光谱新技术与应用进展、国产光谱仪器技术成果展、光谱在食品领域的应用、光谱在环境领域的应用、光谱在制药领域的应用、光谱在材料领域的应用、光谱在生命科学领域的应用七大分会场的报告已全部完成。此次大会的多项数据均创历史新高。此次光谱网络会议报告数量达34个，报名人数7000余人，参会人数近2400人，网友共提问问题240余个。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/52e2bb00-e0a0-4b99-8149-1e64927e52a2.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg"//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "作为科研和生产的工具，光谱分析技术及仪器在食品、环境、制药、生命科学、材料等各领域发挥着巨大的作用，属应用广泛和市场需求巨大的一类科学仪器。5月29—31日，大会设置了五个分会场，邀请了21位报告嘉宾，分别分享了光谱在各个领域中的新应用，为各个领域的光谱工作者开发新思路。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/9fdfc337-a171-47bb-b01d-3ddb922cd25a.jpg" title="2.jpg" alt="2.jpg"//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "华中农业大学韩鹤友教授受知了翅膀、壁虎脚等天然生物表面纳米结构的启发，以三维银离子创制了仿壁虎脚、仿知了翅膀等三维纳米SERS基底。与传统基底相比，仿生SERS基底的灵敏度更高、稳定性和重现性更好，仿壁虎脚SERS传感器用于苹果、葡萄、黄瓜表面的甲基对硫磷、福美双、孔雀石绿等农药残留的高效检测，检测限达到了1.6 ng/cm2。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105214.html" target="_blank"span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong报告视频精彩回放：《三维仿生SERS基底的构建及其在食品安全检测中的应用》。span style="text-indent: 2em " /span/strong/span/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "北京市疾病预防控制中心的刘丽萍教授主要介绍了食品安全及食品营养中涉及的微量元素、有害元素的国家标准限量和相关的检测方法，涉及到GB5009.12-2017、GB5009.11-2014、GB5009.267-2016等多项国家标准。此外，刘丽萍教授还介绍了食品安全风险监测中多元素及有害元素形态的标准操作规程。strong报告视频精彩回放：《食品中涉及的有害元素限量及光谱分析方法》。/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "针对水产品中抗生素检测的拉曼分析方法，厦门普识纳米的陈启振博士介绍了其公司表面增强拉曼光谱技术原理及优势。据悉，相关的行业及国家标准正在申报中。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105221.html" target="_blank"span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong报告视频精彩回放：《表面增强拉曼光谱技术在水产品抗生素检测中的应用》。/strong/span/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "中国农业科学院油料作物研究所的张良晓研究员在报告中介绍说：粮油作物产品是人们赖以生存的基本生活物质基础，粮油质量安全检测技术是实施粮油产品质量安全最严格监管的重要保障。本次报告，张良晓研究员综述了近红外光谱分析技术在我国粮油作物产品质量安全检测中应用研究进展，对粮油作物产品检测的需求和近红外光谱技术在粮油作物产品检测中的应用前景进行了探讨与展望。strong报告视频精彩回放：《光学技术在大气异味污染监测中的应用》。/strong/pp style="margin-top: 10px "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/e3027a7e-e540-45a8-9820-d12494eb36e4.jpg" title="3.jpg" alt="3.jpg" style="text-align: center max-width: 100% max-height: 100% "//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "在环境监测手工分析方法中，原子光谱（原子荧光、原子吸收、ICP-OES、XRF等）广泛应用于水、土壤、大气颗粒物等环境介质中无机元素的测定。在报告中，中国环境监测总站的张霖琳博士从不同介质分别介绍了目前环境监测领域涉及的原子光谱的标准方法、测试的项目及方法的适用性等。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105223.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《原子光谱在环境监测中的应用》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "拉曼光谱系统因为其无损，快速，准确等优异的性能，越来越受到各个领域科研人员的广泛关注，但是环境领域的应用并不多见。雷尼绍的李兆芬工程师结合拉曼光谱在国内外环境污染分析中的一些典型应用，揭示了拉曼技术在环境保护检测中拥有巨大的应用潜能，为使用拉曼技术进行环境保护工作提供参考。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105224.html" target="_blank"span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong报告视频精彩回放：《Renishaw拉曼光谱仪在环境领域的应用》。/strong/span/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "德国耶拿的崔贺工程师就当下中国环境问题，介绍了德国耶拿公司在无机元素分析领域的全套光谱检测技术，可以实现无机金属元素从主量到痕量全范围分析。在报告中，她还着重介绍了耶拿独有的连续光源原子吸收技术和全自动固体样品直接进样技术。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105225.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《环境污染监测方案及技术趋势剖析》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "上海市环境监测中心的李跃武工程师采用应用光学技术，对三个重点产业园区异味污染进行在线连续监测和区域走航观测。其结果显示，开放式FTIR实现对甲醇、乙酸乙酯、丙酸、二甲醚、光气等约15种异味特征污染物在线监测；采用开放式DOAS监测，发现园区NH3平均浓度水平为7.3ug/m3，浓度特征冬季高于夏季，NH3浓度小时浓度的日变化呈单峰规律，浓度变化与温度相关性达0.87；应用抽气式红外/紫外进行填埋场NH3走航监测，发现夏季浓度水平30~50ppb，约为冬季的2倍，区域最高浓度可达4ppm以上，总体浓度渗滤液池 污泥填埋 填埋区。strong报告视频精彩回放：《光学技术在大气异味污染监测中的应用》。/strong/pp style="margin-top: 10px "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/ee706b09-ecb3-4545-aa61-46d0dddc6cb6.jpg" title="4.jpg" alt="4.jpg" style="text-indent: 2em text-align: center max-width: 100% max-height: 100% "//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "我国制药行业中，仿制药所占比例已超过95%，但我国仿制药的质量水平低，药品质量一致性差。山东大学的臧恒昌教授在报告中指出，近红外光谱分析技术具有快速、无损、操作简单等特点，可以在制药领域广泛应用，可以运用近红外光谱分析技术对药物疗效物质基础正确性进行快速评价，建立投料前快速放行机制，提高药品质量一致性。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105228.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《近红外光谱在药物疗效物质基础正确方面的研究》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "瑞士万通的李晓云解读了GMP对制药行业原辅料检测环节的法规，并称手持拉曼光谱仪如何符合FDA 21 CFR Part 11。在报告中，李晓云还对瑞士万通手持拉曼光谱仪在制药行业的典型应用进行了分享。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105229.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《瑞士万通手持拉曼在制药行业的典型应用分享》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "在受法规监管的制药行业中，分析测试过程中数据的完整性和可靠性对于需要遵守美国FDA 21 CFR Part 11法规的实验室至关重要。在本次网络研讨会中，珀金埃尔默的孙明经理介绍了数据完整性与21 CFR Part 11，以及在分子光谱分析实验过程中PerkinElmer ES软件的独特优势与21 CFR Part 11的实施。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105230.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《ES系统对于数据完整性的意义》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "江苏省食品药品监督检验研究院的王玉教授在报告中简述了拉曼光谱的原理、特点，并介绍了拉曼光谱在中国药典中的历史沿革、拉曼光谱法在药品检验中的适用性、拉曼光谱在药物分析中的应用，以及最新技术及其进展。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105231.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《拉曼光谱法及其在药品检验中应用》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/1cda5179-6c49-4815-a454-9f6aa92a7077.jpg" title="5.jpg" alt="5.jpg" style="text-align: center max-width: 100% max-height: 100% "//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "叶坚教授主要的研究方向是表面等离激元纳米材料和拉曼光谱的生物医学应用。本次报告中，他主要介绍了一种新型的缝隙增强拉曼探针的合成，及其在癌症成像和治疗中的应用。据悉，叶坚教授称已证明，GERTs作为纳米探针可以有效地用于前哨淋巴结的精确术中成像，以消除显微和残留肿瘤。strong报告视频精彩回放：《Gap-enhanced Raman tags for intraoperative cancer imaging and therapy》。/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "对于光谱实验而言，无论是红外光谱实验还是拉曼光谱实验，光谱分析都是决定一个实验成功与否的关键步骤。伯乐生命医学产品(上海)有限公司销售经理孙程博通过与传统的单一光谱分析方法的对比，介绍了其公司的KnowitAll软件。据介绍，KnowitAll软件采用多技术对不同的光谱实验数据进行同步分析，从不同的角度多管齐下，从而让实验者更加深刻的了解样品。报告中，孙程博还提到，除了传统分析方式，KnowItAll还增加了专门的气相红外分析，官能团分析等等功能。a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105236.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《Bio-Rad KnowItAll 系统》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "多荧光探针是一种比例型荧光传感，为多目标识别和防伪等化学检测应用奠定了基础。金属有机骨架（MOFs）是由金属节点与有机配体结合而成的有序多孔材料，配体和金属节点的多选择性以及MOFs的空腔结构为构建多荧光探针，实现化学测量应用提供了便利。南开大学的尹学博教授利用硼酸功能化配体及Eu3+的天线效应构建了蓝-红双荧光MOFs，利用苯硼酸对氟离子的特异性识别作用，实现了氟离子的比例型荧光检测。通过MOFs孔腔包埋荧光染料，将氨基修饰的大孔道MIL-101(Al)-NH2与水稳定的三联吡啶钌结合制备了具有蓝-红双发射荧光探针Ru@MIL-NH2。此外，他还设计并提出了基于MOFs荧光墨水的防伪新策略；实现了多色荧光MOFs凝胶，为LED应用提供了新的手段。strong报告视频精彩回放：《多荧光MOFs的设计及化学测量应用》。/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "单细胞分析是近年来一个重要的研究领域，电感耦合等离子体质谱由于其出色的痕量元素分析能力，在单细胞检测方面起到关键性作用。东北大学的陈明丽教授从单细胞中金属形态分布及药物代谢、高精度高通量单细胞进样ICPMS分析细胞内纳米粒子、DNA杂交腹肌纳米粒子-ICPMS检测miRNA、惯性排列-微流控分离-ICPMS法用于单细胞元素分析几部分，介绍了分析单细胞中元素及金属纳米粒子定量可行性的方法。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105237.html" target="_blank"span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong报告视频精彩回放：《ICPMS用于单细胞中元素分析》。/strong/span/a/pp style="margin-top: 10px "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/38abe982-9b27-40ac-8bd5-f43a2db547d4.jpg" title="6.jpg" alt="6.jpg" style="text-align: center max-width: 100% max-height: 100% "//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "二维材料因其优异的光学、电学和光电性能，在探测、发光、调制等光电器件中有较好的应用前景。报告中，东南大学倪振华教授介绍了课题组近年来在二维材料缺陷表征及调控等方面的研究进展，包括利用拉曼、荧光、超快光谱等手段表征二维材料中的微量缺陷，通过激光辐照、等离子体处理、表面修饰等手段对二维材料进行缺陷工程调控等。strong报告视频精彩回放：《二维材料的光谱学表征与缺陷工程》。/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "报告中，岛津公司的覃冰深度解析了岛津公司的分光光度计在新能源新材料领域的应用。从紫外可见到近红外光谱区域，从透过率、反射率测试到雾度、色度等的表征，从固定角度入射到入射光角度连续可调，展示了岛津大紫外系列全面的解决方案。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105241.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《岛津紫外可见近红外光谱仪助力新能源新材料的研究》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "HORIBA拉曼光谱仪已广泛应用于材料、生物、化学、物理、考古、刑侦等领域。HORIBA显微拉曼可实现亚微米级别的空间分辨率，而纳米拉曼可以在纳米尺寸上探索物质的结构变化。本次报告中，HORIBA科学仪器事业部应用经理胡恩萍博士主要介绍了HORIBA显微及纳米拉曼技术在材料领域的应用，包括碳材料、二维材料、催化材料、光电材料等。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105240.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《HORIBA显微及纳米拉曼技术在材料表征中的应用》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "随着材料技术的发展，对测试的要求越来越高，需要使用紫外、红外手段对材料进行更准确地分析。珀金埃尔默产品专员陈辰在本次网络研讨会中介绍了PerkinElmer 紫外、红外在材料表征应用中的新进展。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105239.html" target="_blank"span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong报告视频精彩回放：《PerkinElmer 紫外、红外在材料表征应用中的新进展》。/strong/span/a/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em text-align: justify "激光诱导击穿光谱（LIBS）技术被誉为在线分析领域一颗未来巨星，在工业智能制造变革中具有非常广泛的应用前景。在报告中，中国科学院沈阳自动化研究所的孙兰香研究员介绍了LIBS技术的原理、关键科学问题、一些研究方法、以及面向冶金、选矿等领域的装备开发和应用进展。据悉，其中一些在实际工业生产中的应用尝试和成果获得了巨大的成功。a href="https://www.instrument.com.cn//webinar/video_105242.html" target="_blank"strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "报告视频精彩回放：《激光诱导击穿光谱技术及几个典型的工业在线分析应用》。/span/strong/a/pp style="margin-top: 10px " /pp style="margin-top: 10px text-align: justify text-indent: 2em "仪器信息网已经将部分报告老师的现场讲座视频上传到仪器信息网网络讲堂，想要重复学习或者没机会参与会议直播的网友，可以点击报告视频精彩回放进行学习与分享。/pp style="margin-top: 10px text-align: justify text-indent: 2em "这次大会，仪器信息网特别建立了“光谱交流群”。扫描下方二维码，添加主持人微信，加入到“光谱交流群”中，我们会将部分大会报告视频在群中分享。同时，群中还有多位报告专家，您也可以与他们进行直接的学术交流。/pp style="margin-top: 10px text-align: justify text-indent: 2em " /pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/2baa6bf3-8795-4364-9150-e1d95d9a3225.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg"//ppbr//pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em "strongspan style="text-indent: 2em "相关新闻：/span/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20190529/486133.shtml" target="_blank"iCS2019第二天：光谱仪器技术吸引关注(含“国产光谱仪器成果展”报告视频)/a/span/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20190528/486035.shtml" target="_blank"第八届光谱网络会盛大开幕 报名人数突破6300人次(含“光谱新技术与应用进展”视频)/a/span/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em "strongspan style="color: rgb(255, 0, 0) "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20190515/485271.shtml" target="_blank"第八届光谱网络会议(iCS 2019)不容错过的N个理由/a/span/strong/pp style="margin-top: 10px text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/news/20190527/485959.shtml" target="_blank" style="text-decoration: underline "strong第八届光谱网络会议来袭 10位专家分享拉曼最新进展/strong/a/ppbr//p

作者：文军▼作为一个历史悠久的文明古国，中国古代壁画、彩塑、陶瓷、漆器、雕刻、字画等艺术品文物数不胜数，这些流传下来艺术品文物中使用了大量不同色彩、不同成分的颜料。由于颜料的使用具有鲜明的时代特征和显著的地域特点，因此对不同时期和地域出土的艺术品进行分析，其结果能为艺术品文物的鉴定、辨伪、断代、产地、价值评估、加工工艺以及时间演化提供科学依据，可以为预防颜料变色及对文物进行保护提供相应的科学依据，为其保护和修复提供重要建议。▲一幅画中多种色彩的颜料其中拉曼光谱技术就是一种相对而言较为成熟的分析技术。与其它分析技术相比，拉曼测量是一种非接触无损检测，这种检测对样品的形态没有任何要求，也不需要特殊制备，检测过程中需要的样品量也很少，并且对样品没有任何破坏作用；还可以进行在位测量。目前已经有大量已知样品的拉曼光谱数据可供比对、参考。这些优势使得拉曼光谱成为颜料分析中不可替代的“利器”。拉曼光谱检测颜料小案例1北魏墓彩绘陶俑颜料的拉曼光谱分析▲ 北魏墓葬出土彩绘陶俑在对洛阳北魏吕达、吕仁父子墓葬的考古发掘中，共出土了69件彩绘陶俑。研究人员利用HORIBA HR 800型显微拉曼光谱仪,对彩绘陶俑的颜料进行了分析，在彩绘陶俑上发现了青金石颜料（资料显示，青金石是通过“丝绸之路”从阿富汗传入中国），这对于研究北魏迁都洛阳后，以洛阳为中心、经由丝绸之路的东西方贸易和文化交流，具有很重要的考古价值。研究人员使用514.5 nm及785 nm激发光源，同时选择适当的实验参数，在得到了全部颜料的拉曼光谱后，与标准颜料样品拉曼光谱进行比较分析，识别出了其颜料的成分。红色颜料为赤铁矿，黑色颜料为碳黑，白色颜料为白垩，蓝色颜料为青金石。2明代墓葬壁画颜料的拉曼光谱分析 ▲ 济源明代古墓葬出土壁画在济源市明代古墓葬的考古发掘中，研究人员发现了大量的精美壁画。根据保护方案，需要对壁画进行清理和修复。研究人员通过使用HORIBA HR 800型显微拉曼光谱仪对壁画的颜料以及壁画表面结晶物质进行分析(激发光源使用了325 nm、514.5 nm以及785 nm波长激光器)，成功识别出壁画所使用的红色、绿色、黑色和黄色颜料的显色成分（红色颜料为赤铁矿和朱砂两种，绿色颜料为石绿，黑色颜料为碳黑，黄色颜料为黄赭石）。其中出现在壁画表面的结晶物为石灰质地仗层中的碳酸钙在地下水作用下，透过颜料层在壁画表面重新结晶而形成的。这些结果对于研究中国古代美术史以及下一步对壁画进行修复和保护具有重要的意义。壁画上红色颜料以及标准朱砂和赤铁矿的拉曼光谱, 785nm激光激发壁画上绿色颜料以及标准孔雀石的拉曼光谱,514.5 nm激光激发壁画上黑色颜料的拉曼光谱, 325 nm激光激壁画上黄色颜料以及标准黄赭石的拉曼光谱, 785nm激光激发壁画表面结晶物以及地仗层的拉曼光谱, 785nm激光激发实验测量颜料的拉曼光谱时要注意什么？在对颜料进行拉曼光谱分析时，考虑到绘画艺术品的珍贵性，首先要保证是“无损”的，这就要求在选择激发激光的功率是要尽量小，避免因激光造成的光破坏，光分解以及样品的结构改变。实验中通常使用一组不同透过率的中性滤光片以调节照射到样品上的激光功率，一般情况下，显微镜下样品上功率小于1 mW是一个安全临界值。某些场合，退焦是一种避免光破坏的有效方法。同时，为了得到足以识别颜料的光谱结果，在测量时可以通过延长积分时间和多次累积平均来提高光谱信噪比。正确选择拉曼测量的激发激光波长，也是实验成功的重要因素。一方面拉曼散射的强度与激发波长成反比，因此短波长激光效率更高但容易出现荧光，损坏样品；长波长激光虽然能回避荧光，却存在样品加热效应。另一方面颜料样品都是有色的，这意味着它们大都存在着特定的光吸收效应，如果波长选择不当，拉曼信号就会被荧光信号所掩没，为了避免荧光，拥有多种激发波长是必不可少的。图1所示为某种颜料在不同波长激光激发下的拉曼光谱对比，可以看出，波长对实验结果至关重要。不同波长激发的孔雀石绿的拉曼光谱：红色：785nm，蓝色：633nm绿色：514nm.目前，显微拉曼测量可供选择的激发激光波长涵盖了从近紫外到近红外的光谱范围（可供选择的有244nm, 325nm, 488nm, 514nm, 532nm, 633nm, 785nm, 1064nm等波长的激光）。根据研究人员大量的实验探索，对于有色颜料样品，激发波长选择原则是：使用比样品显色波长更长的激发光。例如，对红、黄、白色颜料，推荐使用633 nm，785 nm激发；而对绿、蓝色颜料，推荐使用514 nm，532 nm激发。由于实际中颜料样品都不是化学上纯净的物质，为保证获得颜料显色物相的光谱，通常需要在显微镜下选择多个测量点采集光谱，通过比较分析排除来自杂质的信号。再者，开放式显微镜适合测量体积较大的样品，利用光纤可以对不便移动的样品开展现场在位测量。中国古代艺术品与中国传统文化、传统艺术以及历史上不同的各个时期的科学技术发展状况密不可分，通过研究这些艺术品，人们可以看到中国文化中富有生机的精华，以及蕴涵的生生不息的民族精神。显微拉曼光谱分析技术非常适合对古代艺术品文物的颜料以及相关物种进行鉴别分析，这些结果对古代艺术品文物的鉴定、辨伪、断代、产地、价值评估、加工工艺以及时间演化提供科学依据，可以为预防颜料变色及对文物进行保护提供相应的科学依据，为其保护和修复提供重要建议。HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 多年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

2014年3月26日14:00至16:30，Labthink兰光包装安全检测中心主办的首期“包装安全网络研讨会——乳制品行业包材知识及应用案例”圆满结束，共有百余人次参加了在线视频会议，教学有序，反响热烈，取得了满意的效果。　　本次网络研讨会，Labthink兰光包装安全检测中心首次采用QQ群视频教育模式进行远程教学活动。Labthink兰光包材高级研究员通过“分享屏幕”、“演示PPT”、“播放视频”等功能，逐一讲解了乳制品常用包材知识、包材关键检测项目和检测标准，围绕当前阶段乳制品行业频发的典型问题，如复合奶粉袋层间分离现象、奶粉结块变质、液态奶保质期内出现絮状物、包装泄漏破袋等，做了全面分析，并现场演示了关键检测项目的试验视频。之后的研讨环节气氛热烈，来自乳制品、包材行业的参与者根据实际情况提出了更多的包材应用问题，均获得了主讲老师的详细解答。　　会后，众多参与者纷纷留言认为此次活动正中所需，不仅对国家标准和包材检测手段有了深入、形象的理解，更能获得针对包装中实际问题的指导性建议，受益颇深。基于参与者的热烈反馈，Labthink兰光包装安全检测中心将会定期回放此次研讨会视频，以满足更多客户的观看需求。2014年5月，第二期“包装安全网络研讨会——肉制品行业包材知识及应用案例”将会如期举行，如欲参加网络研讨会或观看首期会议视频，可通过下方两种方式联系我们：　　电话咨询：0531-85061676　　研讨会QQ群：368288229　　Labthink兰光欢迎您的加入！

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室在高重频飞秒光学频率梳光源方向取得重要进展。该团队首次报道了一种基于腔内谐振滤波技术的GHz低噪声九字腔掺铒光频梳。相关研究成果以GHz figure-9 Er-doped optical frequency comb based on nested fiber ring resonators为题，发表在《激光与光子学评论》(Laser Photonics Reviews)上。 　　九字腔光纤光频梳是目前技术成熟度最高的光频梳技术之一，广泛应用于车载、星载、外场等非实验室环境，推动了光频梳相关应用的发展。重复频率近GHz的光频梳在双梳测距、光谱检测以及天文频标等领域有着重要应用。然而，目前九字腔光纤光频梳的重频一般小于250MHz，其重频的提升仍然面临技术挑战。由于非线性放大环镜(NALM)锁模技术需要一定长度的光纤来积累足够的非线性相移差以启动锁模，传统的短谐振腔方案难以适用于九字腔的结构。 　　针对上述问题，该团队采用嵌套腔结构(图1)，由两个光纤耦合器熔接构成的Fabry–Pérot(F-P)腔对外部NALM谐振腔进行模式滤波。当内、外腔的自由光谱范围精确匹配时，可将九字腔光纤光频梳的重频倍增至GHz。实验结果表明，该激光器具备优异的脉冲自启动性能和长期稳定性(图2)。区别于高次谐波锁模，嵌套腔方案可通过合理的内腔参数设计，配合增益竞争机制，来有效抑制超模噪声，实现高相干、低噪声的GHz重频光频梳。实验通过对该光频梳的载波包络相位偏移频率的测量，验证了其频率梳齿分量间的高相干性(图3)。该GHz重频九字腔光纤光频梳在激光雷达、双梳测距、光谱检测等领域颇具应用前景。 　　研究工作得到中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。图1. 基于嵌套光纤环形谐振腔的9字腔光频梳装置图图2. 单孤子状态连续运行90分钟的稳定性：(a)测量光谱的时间演变，色条表示光功率谱密度；(b)重复频率的变化；(c)典型光谱和(d)80分钟时的射频频谱；(e)输出脉冲的典型自相关信号。图3. (a)基于f-to-2f的载波包络偏移频率检测；(b)在10 kHz RBW下自由运行ceo拍频信号。

香港中文大学工程研究团队展示全球首个双光梳光热光谱仪(DC-PTS)，这项光谱学研究证实相关技术能在一毫秒(千分之一秒)内完成多种气体测量，并有极高灵敏度，可检测低浓度气体。研究有助开辟更多气体传感技术的应用，包括有毒气体测量、连同新冠病毒生物标志物在内的呼气成分分析等。研究成果已刊登在学术期刊《自然通讯》。当两个具有相干性的频率梳(左上角)发出的光束同时通过载有气体样本的空心光纤时，每一对频率梳齿会在光纤中产生拍频信号，气体吸收会引起光热效应，改变气体折射率。图片来源：香港中文大学中大机械与自动化工程学系副教授任伟团队及其合作单位中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，共同提出新型气体测量技术─双光梳光热光谱，将气体传感提升到新的层次。他们利用两组频率梳同时发射相近但不同频率的光束，当光束同时通过载有气体样本的空心光纤时，会造成一种名为“外差干涉”的光学现象，产生拍频信号，气体吸收会引起光热效应，从而改变气体折射率。团队利用仪器测量不同频率的折射率调变，藉此获得精确的光谱信息及得知气体样本的成分。目前， DC-PTS能同时检测多种气体，包括阿摩尼亚(氨)、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等。研究团队利用工业中常见的无色、易燃气体乙炔为例，显示DC-PTS于载有仅0.17微升气体样本的空心光纤中检测到浓度只有8.7ppm的乙炔，实现ppm级的气体探测灵敏度。相反，传统激光光谱仪通常只配备单频激光，所以每次只能测量一种气体，并需要大约 100000微升(100毫升)的气体样本及更长的测试时间以达到相约的检测灵敏度。人体呼气成分分析是DC-PTS技术其中一项极具潜力的应用例子，例如检测呼吸样本中与病毒感染相关的化合物。传统的光谱仪或质谱仪往往需要额外进行气体采样步骤，其分析时间亦较长；对比之下，DC-PTS可在宽光谱波段范围内提供更灵敏和更快的化学分析，能有助得出更精确的测试结果。任伟表示，这是全球首个DC-PTS研究，这项崭新的高精密光谱技术有助日后实现多达数十到数百种的气体测量，正积极研发DC-PTS在呼气成分分析的应用，特别是开发新冠病毒呼吸测试和化学分析仪，帮助解决当前的疫情和未来的公共卫生紧急情况。他补充指相关技术在其他范畴的气体检测亦具相当应用潜力，包括能源、环境和安全管理等领域。

科技12月，虹科数智化展厅惊喜开放！今年受疫情影响，响应国家政策，虹科开设线上云展厅——虹科数智化展厅，展示工业各类场景下的虹科各类解决方案。展期长达2周（12月8日-12月17日），欢迎大家来虹科数智化展厅“云逛展",与虹科工程师们"面对面云交流“！本次展厅共设有工业通讯、工业控制、工业物联网、固态光源、工业传感器、智能感知以及AR解决方案共7大主题展览，为您提供全面而优质的定制化解决方案！明日精彩预告工业物联网专题12月8日（明天），欢迎来虹科数智化展厅观看精彩方案视频，参与答题活动领取惊喜红包！提前关注“虹科云课堂”公众号，获取虹科数智化展厅最新活动动态！虹科云课堂广州虹科电子科技有限公司服务号，为您提供虹科最新技术资讯与产品信息。公众号其他精彩专题工业通讯专题后续会有精彩视频与直播活动，敬请期待....工业控制专题后续会有精彩视频与其他活动，敬请期待....智能感知专题后续会有精彩视频与直播活动，敬请期待....固态光源专题后续会有精彩视频与其他活动，敬请期待....工业传感器专题后续会有精彩视频与其他活动，敬请期待....AR解决方案后续会有精彩视频与直播活动，敬请期待....注：各专题视频观看通道会从12月8日起陆续开启，欢迎关注虹科，届时欢迎大家前来观看了解并答题迎娶惊喜好礼！直播预告参展答题得红包虹科数智化展厅，云观展，观看解决方案视频，答题，赢取惊喜好礼！福利一：答题80分以上，即可领取3-10元现金红包。福利二：7场专题，答题累计分数排名前50观展嘉宾，可领取精美礼品一份！1-2名：100元京东卡1张3-6名：虹科限定精美背包1个7-20名：虹科限定精品马克杯1个21-50名：10元现金红包注：1.答题通道会与视频通道同步开启，敬请期待！2.福利二获奖名单会在所有专题展示结束后公布。3.活动最终解释权归虹科所有。

激光光谱气体传感技术在气候变暖、火星探测、海洋勘探、生物医疗等诸多领域具有举足轻重的地位，全球环境、生态以及能源问题的不断恶化，对光学气体传感的多物质、甚至未知成分的分析能力提出了更高要求。然而，由于缺少理想的相干光源，难以在宽光谱波段范围内快速准确地获取精细光谱信息。光学频率梳（Optical Frequency Comb，OFC）提供了一把测量频率和时间的标尺，从根本上解决了光频计量问题，极大促进了前沿基础物理研究领域的发展。OFC 在频域上表现为一系列相等频率间隔的梳状频谱线，与气体分子作用后进行频域解析，在获得宽光谱覆盖范围的同时亦可获得极高的光谱分辨率，为高精度光谱测量提供了新的技术手段。然而，这种技术往往依赖于高带宽光电探测器和复杂光谱解析技术，而且需要相当长的激光与气体相互作用路径来提高检测灵敏度，严重限制了光频梳光谱在气体传感领域的广泛应用。双光梳光热光谱为了突破该技术瓶颈，来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的王强研究员团队和香港中文大学的任伟教授团队创造性地提出了双光梳光热光谱方法（DC-PTS），首次实现了基于光频梳的气体分子光热光谱测量。研究成果以 Dual-comb Photothermal Spectroscopy 为题发表在国际权威期刊 Nature Communications。其中，中科院长光所的王强研究员与香港中文大学的王震博士为该论文的共同第一作者，香港理工大学靳伟教授团队和暨南大学汪滢莹教授团队提供了关键的反谐振空芯光纤器件。图1：双光梳光热光谱方法概念图DC-PTS 的原理如图1所示，采用双光梳光源作为泵浦光源，用其中一列光脉冲在另一列光脉冲的持续时间内等时长移动，周期性调制光脉冲。在频域内，双光梳光源的每一对梳齿的外差拍频可对气体分子吸收实现特定频率的强度调制。由于强度调制引起的光热效应会周期性调制介质折射率，因此当双光梳通过气体介质并被吸收时，介质折射率携有一系列的调制频率。采用光学干涉测量折射率调制并进行傅里叶变换，即可得到对应的宽波段范围内的光谱信息。图2：乙炔气体宽波段双光梳光热光谱在原理验证实验中，研究人员采用电光调制器产生了具有天然内禀互相干的双光梳泵浦激光，用一根 7 cm 的反谐振空芯光纤构建了全光纤 Fabry–Pérot 干涉仪，仅用 mW 量级的激光便可实现 kWcm⁻² 量级的泵浦光强。在空芯光纤 28 μm 的空间尺度内，该光梳可同时以上百个不同频率对气体折射率进行调制，对 0.17 μL 采样体积的气体实现了 ppm 级的探测灵敏度和超过 1 THz 谱宽的光热光谱测量（如图2所示）。研究人员所提出的双光梳光热光谱方法不仅具备单波长激光光谱测量的高选择性和快速响应特点，同时光频梳和光热光谱技术的融合使得同时具备宽光谱、高分辨率、极低耗气量和高灵敏度成为可能，为分子探测提供丰富的光谱信息，针对大气监测、深空探测、海洋科学、呼气诊断等不同领域对精密气体探测的需求提供多功能的光谱气体传感技术。前景展望随着光学微腔、量子级联激光器等先进光梳光源和中红外空芯光纤技术的迅速发展，双光梳光热光谱方法有望进一步拓展到气体分子的中红外指纹光谱带，同时结合光学腔增强、高性能相位解析技术，可以实现更强的气体分子探测能力和更小的集成尺寸，为基于激光光谱的前沿科学探索和工程应用研究提供前所未有的可能性。文章信息Wang, Q., Wang, Z., Zhang, H. et al. Dual-comb photothermal spectroscopy. Nat Commun 13, 2181 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29865-6 该研究得到了国家自然科学基金委项目（62005267、51776179）等的支持。

科学家们希望未来用树木作为街灯照明　　科学家们正在试图通过改造树木基因令其能够发出光亮，如果能够成功，这些树木就能作为不需要电源的自然街灯。　　据国外媒体报道，一组研究人员希望借助基因的研究，将诸如萤火虫发出的生物荧光(Bioluminescence)移植到各种不同的生物中去，以使得这些生物能够产生光亮。生物发光植物将有助于作为传统街灯取代品，即便需要更多的光亮，也可以通过这些植物的生长而实现。　　剑桥大学的科学家尝试将萤火虫基因与一种发光海洋细菌创造出一个“生物积木(Biobricks 也称生物砖块、生物零件)”来插入至目标的基因组，从而产生名为氧化荧光素(oxyluciferin)的物质，产生发光效果。届时，科学家们可以通过插入改良后的基因来控制诸如发光的颜色等特征。　　“生物积木”的概念最早由美国麻省理工学院人工智能实验室汤姆奈特教授提出。据科学网(kexue.com)了解，所谓的“标准生物积木”，是一些简单拼装好了的，具有特定功能的DNA小片段——也可以看成具备某种性状的积木单元。　　研究队伍成员之一的遗传学家西奥-桑德森(Theo Sanderson)表示，这是个绝妙的设想，目前并没有做出最终的“发光树”，但会做出一套“零件”，来让未来研究者更方便的进行研发。研究团队表示这个项目未来有着巨大的商业潜力，可以用于取代目前传统的街道照明系统，并且这种方式不需用电，非常环保。　　之前有科学家们尝试过利用人类的废弃物来作为燃料，此外还有研究团队发现，利用金纳米粒子可以诱导植物叶子发光，使树叶发出红色的光芒。也许就在不远的将来，电影《阿凡达》中那些给人留下印象深刻的发光树木，即将在人们的生活中实现。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员曹俊诚、黎华团队与华东师范大学教授曾和平团队合作，在高稳定自参考太赫兹双光梳方面取得研究进展。研究团队提出自参考方法，完全消除了THz双光梳共有载波噪声，同时抑制了重复频率噪声，将THz双光梳梳齿线宽由未稳频的2-3 MHz量级压缩至14.8 kHz，大幅提升了THz双光梳光源的稳定度。相关成果以Terahertz Semiconductor Dual-comb Source with Relative Offset Frequency Cancellation为题发表在《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上，并被遴选为封面论文。双光梳由两个重复频率略有不同的光频梳组成，通过多外差采样将光谱信息直接映射在微波波段，这种不依赖机械扫描的时间延迟结构令双光梳天然具有高速、高分辨等优势，在高精度光谱、成像、测距以及大容量高速通信方面具有重要应用。在THz波段，基于电泵浦的半导体量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）是实现THz光频梳与双光梳的理想载体。当前，THz QCL双光梳通常工作于自由运行模式，具有较高的相位噪声，限制其高精度应用。提高双光梳频率稳定性的主要思路是分别控制两个光频梳基础频率分量，即载波包络偏移频率和重复频率。要完全锁定THz QCL双光梳需要同时锁定四个不同频率，即两个载波包络偏移频率和两个重复频率。尽管研究团队在前期工作中将THz双光梳一根梳齿通过锁相环实现了锁定，提升了双光梳的稳定性，但是还未实现THz双光梳的完全硬件锁定，而要在实验室实现四个频率的完全锁定，将涉及复杂的硬件系统。该工作中，研究人员提出了自参考“软锁定”方法，不采用任何硬件锁模模块，对双光梳整体信号进行操控，实现了高稳定自参考THz QCL双光梳光源。双光梳梳齿噪声来源于两个未锁定的光频梳的载波包络偏移频率和重复频率噪声，通过多外差拍频产生的双光梳的每根梳齿都享有相同的载波包络频率及噪声。通过消除共有的载波包络频率噪声，则可以显著提高每根双光梳梳齿的稳定性。研究通过窄带滤波器将双光梳的一根梳齿滤出并将其与整个双光梳信号进行混频，从而彻底消除双光梳梳齿的共有载波噪声，同时还可以抑制重复频率噪声，构造出无载波包络偏移频率的零偏双光梳，显著提高双光梳信号的长期稳定性【图1（a）】。未稳频THz双光梳光谱在15 s的测试时间内，测得的梳齿“最大保持”线宽为2 MHz【图1（b）】。施加自参考稳频之后测得的THz双光梳光谱，在60 s内，测得的“最大保持”线宽为14.8 kHz，比未稳频的THz双光梳梳齿线宽提升了130倍以上【图1（c）】。研究工作提出的自参考稳频方法，不依赖任何锁定元件，同时可方便移植于其他激光系统中，为提高光谱、成像等各种应用的稳定性提供一种简单有效的稳频方法。 相关研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家优秀青年科学基金项目、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中科院“从0到1”原始创新项目、中科院科研仪器设备研制项目、上海市优秀学术带头人计划等的支持。 　图1（a）自参考稳频原理。其中frep1和frep2分别是两个光频梳的重复频率，其中frep2通过微波注入锁定到fRF。“彩虹”频谱表示MHz范围内的下转换双光梳信号，通过带通滤波器将其中一根梳齿滤出（虚线框），从而采用混频实现零偏自参考双光梳。（b）未稳频THz双光梳“最大保持”频谱，测量时间为15 s。（c）自参考双光梳“最大保持”频谱，测量时间为60 s。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚、黎华研究员领衔的太赫兹（THz）光子学研究团队与华东师范大学曾和平教授团队合作，在高稳定自参考太赫兹双光梳方面取得重要研究进展。项目团队提出自参考方法，完全消除了THz双光梳共有载波噪声，同时抑制了重复频率噪声，将THz双光梳梳齿线宽由未稳频的2-3 MHz量级压缩至14.8 kHz，大幅提升了THz双光梳光源的稳定度。相关成果于2023年2月3日以“Terahertz Semiconductor Dual-comb Source with Relative Offset Frequency Cancellation”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊，并被遴选为封面论文。双光梳由两个重复频率略有不同的光频梳组成，通过多外差采样将光谱信息直接映射在微波波段，这种不依赖机械扫描的时间延迟结构令双光梳天然地具有高速、高分辨等优势，在高精度光谱、成像、测距以及大容量高速通信方面具有重要应用。在THz波段，基于电泵浦的半导体量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）是现实THz光频梳与双光梳的理想载体。当前，THz QCL双光梳通常工作于自由运行模式，具有较高的相位噪声，限制其高精度应用。提高双光梳频率稳定性的主要思路是分别控制两个光频梳基础频率分量，载波包络偏移频率和重复频率。因此，要完全锁定THz QCL双光梳需要同时锁定四个不同频率，即两个载波包络偏移频率和两个重复频率。四个不同频率的复杂系统。尽管项目团队在前期工作中将THz双光梳一根梳齿通过锁相环实现了锁定，并提升了双光梳的稳定性，但是还未实现THz双光梳的完全硬件锁定。而要在实验室实现四个频率的完全锁定，将涉及非常复杂的硬件系统。在本工作中，研究人员提出了自参考“软锁定”方法，不采用任何硬件锁模模块，对双光梳整体信号进行操控，实现了高稳定自参考THz QCL双光梳光源。双光梳梳齿噪声来源于两个未锁定的光频梳的载波包络偏移频率和重复频率噪声，通过多外差拍频过程，双光梳的每根梳齿都共享相同的载波包络频率及噪声。通过消除共有的载波包络频率噪声，则可以显著提高每根双光梳梳齿的稳定性。如图1（a）所示，通过窄带滤波器将双光梳的一根梳齿滤出并将其与整个双光梳信号进行混频，从而彻底消除双光梳梳齿的共有载波噪声，同时还可以抑制重复频率噪声，构造出无载波包络偏移频率的零偏双光梳，显著提高双光梳信号的长期稳定性。图1（b）为未稳频THz双光梳光谱，在15 s的测试时间内，测得的梳齿“最大保持”线宽为2 MHz。图1（c）为施加自参考稳频之后测得的THz双光梳光谱。在60 s内，测得的“最大保持”线宽为14.8 kHz，比未稳频的THz双光梳梳齿线宽提升了130倍以上。本工作提出的自参考稳频方法，不依赖任何锁定元件，同时可方便移植于其它激光系统中，为提高光谱、成像等各种应用的稳定性提供一种简单有效的稳频方法。本论文共同第一作者为中科院上海微系统所副研究员李子平、博士生马旭红，黎华研究员、曹俊诚研究员、曾和平教授为论文共同通讯作者。同时，上海理工大学李敏副教授和华东师范大学闫明研究员为该工作也做出了重要贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（62235019）、国家优秀青年科学基金项目（62022084）、中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-069）、中科院“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20200032）、上海市优秀学术带头人计划（20XD1424700）等支持。图1（a）自参考稳频原理。其中frep1和frep2分别是两个光频梳的重复频率，其中frep2通过微波注入锁定到fRF。“彩虹”频谱表示MHz范围内的下转换双光梳信号，通过带通滤波器将其中一根梳齿滤出（虚线框），从而采用混频实现零偏自参考双光梳。（b）未稳频THz双光梳“最大保持”频谱，测量时间为15 s。（c）自参考双光梳“最大保持”频谱，测量时间为60 s。图2 论文封面论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202200418封面链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202370016

光学频率梳（Optical frequency comb，简称“光梳”）由大范围、等间隔的梳齿分量构成，每根梳齿均对应绝对频率，如同在光频上的一把梳子（或标尺）。得益于飞秒激光器和非线性光学的发展，1999年美国标准局和德国马普所的研究团队分别在实验上实现了光梳，解决了绝对光频率计量问题，J. L. Hall和T. W. Hänsch因此贡献而分享了2005年诺贝尔物理学奖。光梳的诞生同样给光谱测量领域带来了革命性突破，分辨率提高到皮米量级，光梳光谱学的新技术和新应用也在不断涌现。双光梳光谱学可以充分利用光梳在频率准确度、频率分辨率、光谱范围和脉冲宽度等方面的优势，在诸多基于光梳的测量技术中脱颖而出。在频域上，双光梳光谱学表现为两个有微小重复频率差异光梳的多外差探测，可以将探测光梳记录的待测谱线，如分子吸收谱，从光频转移到射频。双光梳光谱学可以利用光谱交织技术进一步将分辨率提高至几十飞米量级。然而现有方案测量时间大幅增加，使用温度或驱动电流调节时无法提供绝对频率参考，且分辨率仍有进一步提高至光梳梳齿线宽的较大空间。电光调制光频梳（简称“电光梳”）由对连续种子光的电光调制产生，用于构建双光梳系统时其具有天然的互相干性，无需复杂的锁定电路或相位校正算法，可以大幅降低系统复杂度。此外，由于电光梳具有不受谐振腔腔长限制的重复频率以及可自由调节的中心波长，由其构建的更具应用前景的双电光梳系统受到研究人员的广泛关注。上海交通大学何祖源、樊昕昱教授团队提出了一种新型双电光梳光谱测量方案，将光谱测量分辨率进一步提高到亚飞米量级，相较于现有方案提高了两个数量级。该方案利用外调制的稳频光作为扫频电光梳的种子光，可以在实现低频率误差快速光谱交织的同时，提供绝对光频率参考。图1 亚飞米分辨率双电光梳绝对频率光谱测量技术原理示意图研究团队在分析各性能指标的理论限制和相互制约关系的基础上，将光谱测量技术关注的综合性能指标（光谱分辨率、测量带宽以及测量时间）提高至奈奎斯特极限，并且可以通过多次平均提高测量信噪比。该方案用于测量分子吸收谱线和高Q值光纤法布里珀罗腔谐振谱线的实验结果，充分展示了该方案灵活实现超高光谱分辨率、高信噪比和高刷新率的能力。图2 氰化氢（HCN）气体吸收谱线的光谱测量结果图3 光纤法布里珀罗谐振腔反射谱的光谱测量结果该研究成果将推动超精细光梳光谱学的进一步发展，并在温室气体监测、精密光器件测试、生物化学传感，以及诸如电磁诱导透明等物理现象观测中具有非常重要的应用价值。

近日，中科院上海微系统所曹俊诚、黎华领衔的太赫兹（THz）光子学团队基于电泵浦THz量子级联激光器（QCL）双光梳，突破激光自探测，利用锁相环技术，国际上率先实现THz QCL双光梳锁相。研究结果以“Active Stabilization of Terahertz Semiconductor Dual‐Comb Laser Sources Employing a Phase Locking Technique”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊，并被遴选为封面论文。光频梳与双光梳在高精度光谱检测、成像、通信等领域具有重要应用。在近红外波段，光频梳与双光梳技术相对较成熟。而在远红外尤其是THz波段，由于缺乏高效辐射源，光频梳与双光梳还处于实验室研究阶段。THz QCL具有电泵浦、大功率输出、高远场光束质量、宽频谱覆盖等特点，是实现THz光频梳和双光梳的理想载体。另外，THz QCL光频梳具有小的SWAP（尺寸、重量和功率消耗），在未来工业应用中具有优势。在前期工作中，中科院上海微系统所THz光子学团队在THz QCL光频梳与双光梳方面具有一定的积累，如实现了主/被动稳频THz QCL光频梳、THz片上双光梳、双光梳THz实时光谱检测等。而在THz QCL双光梳方面，目前国际上均采用的是自由运行THz QCL光频梳，其频率稳定性和相位噪声相对较差。到目前为止，提高THz QCL双光梳的频率稳定性是一个尚未解决的关键难题。图片来源于网络图1：THz QCL双光梳锁相工作原理及实验结果。上图：双光梳锁相工作原理。将THz QCL双光梳中的一根梳齿（蓝色圆圈）下转换到90 MHz附近，然后利用带通滤波器将其选出进行锁相。通过动态调控THz QCL的驱动电流对双光梳信号进行稳频锁相。左下图：锁相之后的测量得到的THz QCL双光梳频谱，其双光梳光学带宽为165 GHz。右下图：锁相之后的实验测量得到的THz QCL双光梳时域脉冲信号一个光频梳中的每根梳齿频率可以由两个频率完全定义，其一为载波漂移频率（fCEO），其二为重复频率（fREP）。对一个光频梳的锁定需要同时锁定fCEO和fREP。而对于双光梳的完全锁定，需要同时锁定四个不同的频率（两个fCEO和两个fREP），难度巨大。在本工作中，研究团队并非分别对两个THz QCL光频梳的fCEO和fREP进行控制，而是利用激光自探测，将THz QCL双光梳中的一根频率线进行下转换，然后利用锁相环进行锁定，最终提高整个THz QCL双光梳的频率稳定性并大幅降低其相位噪声。进一步，研究团队在锁相的条件下，对THz QCL双光梳成功进行了时域脉冲信号测量。由于该锁相技术并没有直接对单个光频梳的fCEO和fREP进行锁定，所以测量得到的双光梳时域脉冲信号可以证明单个THz QCL光频梳在没有锁相的条件可以产生时域脉冲。本工作为THz双光梳稳频提供了一项简单有效的方案，为THz光谱高分辨、成像和宽带THz通信等奠定重要基础。该论文的共同第一作者为中科院上海微系统所博士生赵逸然、博士后李子平、和博士生周康，通讯作者为黎华研究员。新微半导体许东研究员、法国微电子与纳米技术研究所（IEMN）Stefano Barbieri教授也为该工作做出了重要贡献。该项工作得到了中科院“从0到1”原始创新项目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院仪器研制项目（YJKYYQ20200032）、国家优秀青年科学基金（62022084）、上海市优秀学术带头人计划（20XD1424700）、上海市青年拔尖人才开发计划等经费支持。关于黎华黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。2009年毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，获工学博士学位；2009至2015年，先后在德国慕尼黑工业大学肖特基研究所（洪堡学者）、日本东京大学生产技术研究所（日本学术振兴会JSPS特别研究员）、法国巴黎七大材料与量子现象实验室（博士后）开展合作研究；于2014年底加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所，任研究员。黎华博士从事太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）与光频梳研究，在Advanced Science、Nature Communications、Optica、ACS Photonics、Advanced Optical Materials、Physical Review Applied等期刊发表SCI论文60余篇，在国际会议做邀请报告20余次，获授权中国发明专利15件。曾获得国家优青、入选上海市优秀学术带头人、上海市青年拔尖人才开发计划、中国科学院高层次人才计划、德国洪堡学者等。获得上海市自然科学奖二等奖（排名第三）、中国电子学会“优秀科技工作者”、国家人社部留学人员择优资助、中科院“从0到1”原始创新项目、中国科学院院长优秀奖等。

2009年下半年，宁波市工商局抽检了11家超市销售的330个批次的食品，合格率为97.9%，不合格项目主要为菌落总数、大肠杆菌超标。　　工商部门同时还对各超市商品的商品标识、进货查验与记录制度、商品明示信息、下柜退市制度、食品贮存规范等情况进行检查，对于销售不合格商品、涉嫌假冒伪劣商品等违法行为，工商部门将按照属地管辖原则，由辖区工商机关立案查处，对涉案不合格商品则立即下柜退市，依法采取扣留、封存等强制措施，并对其来龙去脉进行调查。2009年下半年公开评价商品质量抽样检验不合格名单　　序号 受检单位　　　　　　　　　　 产品名称　　　 标称生产单位　　　 不合格项　　 　生产日期　　1　　农工商超市集团宁波有限公司　 麻辣烫味粉丝　 南阳光友薯业有限公司　　　菌落总数超标　2009年10月4日　　2　　锦江麦德龙现购自运有限公司宁波鄞州商场　 燕麦片　　　　 上海早早麦食品有限公司　　大肠菌群超标　2009年9月15日　　3　　三江购物俱乐部股份有限公司鄞州四明分公司　 一品金桔　　　 杭州余杭益民食品有限公司塘栖分公司　大肠菌群超标　2009年9月28日　　4　　沃尔玛华东百货有限公司宁波四明中路分公司　　　美丹润白苏打饼干(鲜葱味)　　　　嘉兴美丹食品有限公司　　大肠菌群超标　2009年7月28日　　5　　宁波新一佳超市有限公司　　　西梅　　　　　　莆田市兴华食品有限公司　　大肠菌群超标　2009年8月10日　　6　　宁波欧尚超市有限公司江东店　休闲肉松饼　　　东莞市金富士食品有限公司　大肠菌群超标　2009年3月23日　　7　　宁波华润万家有限公司明楼店　三辉麦风莲珑包　上海三辉麦风食品有限公司　大肠菌群超标　2009年8月14日

近三年光谱结合化学计量学分析技术综述文献的评述（一）Commentary on the review articles of spectroscopy technology combined with chemometrics in the last three years褚小立（中石化石油化工科学研究院有限公司，北京，100083）摘要：近些年，现代光谱分析技术得到了迅猛发展，该技术的一个关键特征是采用化学计量学方法对光谱数据进行处理，从而尽可能多地获得有用信息，并且，该技术可直接对不同形态的复杂混合物进行定性和定量分析，在检测速度、成本、效率、通用性、自动化和便携性等方面表现出优于多数传统方法的特殊优势，在农业、食品、制药、石油、化工、烟草、环保和医学等各个领域得到了广泛的应用。因此，现代光谱分析技术也日益得到关注和重视。本文对近三年（2020-2022年）发表的涉及光谱结合化学计量学为主题的综述论文进行评述，主要论述了这类技术的发展现状、存在的挑战以及未来的发展方向，引用文献351篇。1引言现代光谱分析技术，如紫外可见光谱（UV-vis）、中红外（MIR）、近红外（NIR）、拉曼光谱（Raman）、三维荧光光谱（EEM）、太赫兹（THz）光谱、核磁共振（NMR）光谱、激光诱导击穿光谱（LIBS）等，可直接对不同形态的复杂混合物进行定性和定量分析，具有速度快，效率高，可无损和在线分析等优势，在农业、食品、制药、石油、化工、烟草、环保和医学等各个领域得到了广泛的应用（图1）。该技术的一个显著特点是借助化学计量学方法从光谱数据中尽可能多的提取详细的有价值的化学信息，其目的是为了显著提高分析结果的稳健性和准确性，使传统光谱技术不可实现的应用成为现实。图1 光谱结合化学计量学方法的分析技术框架图近年来，随着人工智能、大数据、云计算等，尤其是深度学习的快速发展，为化学计量学注入了新思路、新途径和新方法，用于光谱分析的新型化学计量学方法如雨后春笋般涌现出来，成为国内外本领域专家学者的重点和热点研究方向。借助材料学、MEMS制造技术、计算机技术等的进步，光谱类仪器及其应用也得到了长足发展。近三年（2020-2022年），光谱结合化学计量学的综述论文也如井喷式般的出现，涉及到光谱学、光谱仪器、化学计量学（机器学习）方法、以及在诸多领域的应用研究等方方面面。本文以“化学计量学（chemometric）” 或“机器学习（machine learning）”，“光谱（spectroscopy）”或“光谱技术（spectroscopic technology）”或“光谱仪（spectrometer）”，以及“综述（review或overview）”为关键词，以2020年至今为时间段，在Science Direct、Scopus、Web of Science、Google Scholar和知网（CNKI）上进行检索，对检索到的351篇综述类论文进行了整理、归纳和评述。2 光谱学与光谱技术2.1近/中红外光谱Beć等综述了量子计算化学在近红外光谱解析方面的进展，指出振动光谱学与计算化学形成的显著的协同作用，随着理论方法和计算机技术的进步，将大大提高振动光谱，特别是近红外光谱的应用潜力[1]。在另一篇综述中，他们论述了明确且详细的谱带归属研究对深入认识和理解近红外光谱的重要意义，解释了不同微型光谱仪所提供的化学信息贡献的差异的原因[2]。水光谱组学是一门研究水和水系统分子间氢键组成形态的新兴科学，它通过观察近红外光对水的作用所表征特征峰的变化来分析水系统中溶剂与溶质间的作用关系，具有非侵入性、分析速度快和定性定量等特点。孙岩等总结了用于温控近红外光谱分析的化学计量学方法，以及利用温控近红外光谱技术研究小分子的结构和蛋白质、温敏聚合物结构转变过程等方面的研究工作，利用随温度变化的水光谱信息，可实现对含水混合物的定性和定量分析[3]。陈定芳等梳理了水光谱组学的历史沿革、研究方法及其应用现状，阐明了水光谱组学用于测定人体经络脏腑的超分子结构特征的可行性[4]。褚小立等从振动光谱基础理论、光谱仪器硬件和化学计量学3个方面对近红外光谱分析技术的最新进展进行了综述，认为以近红外光谱为核心的商业产品将在不同应用领域进一步提供深化和细化的服务，近红外光谱有望成为与时代发展特征（如人工智能、大数据、云计算和物联网等）最相关的一项分析技术[5]。王家俊等探讨了在网络化应用环境中，近红外光谱仪器设备存在的硬件差异以及传统化学计量学方法在建模、数据处理存在的不足对近红外光谱的深度应用产生的影响，提出了云计算应用的解决思路，并对大数据时代近红外光谱分析网络化模式的应用前景进行了展望[6]。Fakayode等介绍了近红外光谱、傅里叶变换红外光谱仪器和拉曼光谱的最新技术创新进展，对2015-2018年期间近红外光谱、傅里叶变换红外光谱仪器和拉曼光谱在药品、食品等质量控制和保证等方面的应用现状进行了探究[7]。霍学松等综述了近些年新型的商品化微小型（便携式、手持式和袖珍式）近红外光谱仪器及其应用进展，指出物联网技术在智能农业、智能工厂、智能医疗和智慧城市等众多领域的兴起，成为推动近红外光谱传感器向着微型化方向发展的主要力量[8]。Zhu等综述了商品化便携式近红外光谱仪的主要类型，总结并比较了它们的性能指标，还介绍了促进小型化的新技术，对仪器未来发展的前景进行了展望[9]。表面增强红外吸收（SEIRA）是一种超灵敏的红外光谱技术，能够实现亚单层膜水平的表面选择性探测。Zhou等对SEIRA传感机制和理论模型的进展进行了综述，从结构设计、材料选择到结合机器学习算法等方面讨论了优化SEIRA性能的方法[10]。2.2拉曼光谱Pan等综述了人工智能方法结合拉曼光谱用于分析复杂混合物的进展，包括化学品、食品、药品和医学诊断等，指出拉曼光谱如SERS可以与红外光谱相结合，以增强物质识别能力[11]。Orlando等综述了拉曼光谱在先进材料科学表征中的应用进展，认为随着现场拉曼分析的推广应用，该技术在未来有望成为材料表征的常规分析技术[12]。Löbenberg等系统比较了不同拉曼分析技术的特点，介绍了拉曼光谱作为过程分析技术（PAT）工具在医药产品和工艺开发中的应用进展[13]。图2 用于体内上皮组织诊断的快速光纤共焦拉曼光谱系统Heng等综述了现代拉曼仪器、微型光纤拉曼探针设计和制造的最新进展（图2），论述了实时光纤拉曼光谱在临床内窥镜检查期间改善体内癌前病变和癌症早期诊断等方面具备的潜力[14]。Barik等概述了用于体内测量的不同光纤探针，重点介绍了用于生物医学的拉曼光谱探头，并对影响探针提取最佳光谱特征的各种方面，如光纤探头、辐射源、探测器和光谱仪等进行了探究[15]。 图3 基于SERS的传感器在农业应用示意图表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高度灵敏的技术，可增强由某些纳米结构材料支撑的分子的拉曼散射。Han等概述了SERS设备、SERS活性材料制备和SERS测量的详细信息，重点介绍了SERS与化学计量学结合在多个研究领域的最新应用，包括探测表面反应和界面电荷转移、结构表征和化学/生物传感。此外，还讨论了SERS光谱再现性、技术局限性和可能的优化方法[16]。Liu等对目前SERS农业传感器现状和发展进行了总结，较全面地阐述了SERS在农产品质量安全控制中，对农药残留等有害物质检测的发展和应用（图3），介绍了SERS 传感器/基底在不同应用场景中的优势和价值[17]。空间偏移拉曼光谱（SORS）技术可在一定程度上克服通过包装对材料进行定性或定量分析的问题。Arroyo-Cerezo等综述了SORS结合化学计量学方法在食品和农业领域的应用，比较了商业和工业分析仪以及实验室规模的食品和饮料SORS实施情况，讨论了未来在农业食品供应链中的部署途径[18]。低频拉曼光谱（LFR）探测与长程有序（即结晶度）相关的振动模式，该模式可提供固态结构特征和其他特性的独特信息。Bērziņš等详细讨论了LFR的基础理论、仪器和数据分析（包括化学计量学和计算技术的应用）的各个方面，并总结了LFR在药物分析中的新应用[19]。2.3太赫兹光谱随着光源和探测器组件的迅猛发展，太赫兹（THz）谱技术最近在医学、材料、生物传感和制药工业等多个领域都得到了较快发展。Feng综述了太赫兹光谱与化学计量学结合的最新进展，以及太赫兹谱在评估食品质量和确保食品安全方面中的应用，并讨论了太赫兹谱的优势和一些固有的局限性[20]。Rawson等讨论了太赫兹光谱的原理和仪器，重点介绍了太赫兹技术在水分监测、土壤传感、种子分类、品种来源鉴别、残留检测、微生物、毒素和食品腐败检测、食品掺假鉴定、食品或农产品中的异物检测等方面的应用[21]。2.4 LIBS光谱激光诱导击穿光谱法（LIBS）是一种简单、直观、多用途的原子发射光谱法，它将快速脉冲激光束聚焦到样品上，形成含有其组成元素的等离子体，然后使用发射光的光谱分析检测存在的元素。激光诱导击穿光谱技术具有多元素同时检测、结构简单、检测速度快、不受样品形态影响等特点，在诸多领域展现出广阔的应用前景。Andrade等综述了近些年LIBS样品制备、定性分析、校正策略以及提高LIBS分析灵敏度方法的进展，指出现场应用、在线应用、以及与化学计量学方法的深度融合是未来LIBS技术的主要发展趋势[22]。李祥友等综述了激光诱导击穿光谱技术的机理、装置类型、基础研究进展（信号增强方法、定性定量分析方法），以及在深空探测、地质勘探、环境污染、食品安全、工业冶金和生物医疗等领域的应用进展，指出为了实现海量材料的快速、高灵敏度检测，在线 LIBS 装置的研制将是未来的发展趋势[23]。Harmon等论述了实验室和现场LIBS分析技术，综述了LIBS在大气、天然水、矿物、岩石、沉积物和土壤等地球科学领域中的应用研究进展[24]。Wang等总结了LIBS定量分析技术的最新进展，包括不确定性和误差产生机制、硬件改进和定量校正方法（包括基于物理原理的校正模型、基于数据驱动的校正模型和混合模型），解释了信号不确定性和矩阵效应对LIB定量分析性能的影响，提出了LIBS定量分析的改进策略框架[25]。Chen等综述了激光诱导击穿光谱（LIBS）与机器学习相结合在地球化学和环境资源勘探中的最新进展，提出了LIBS在未来发展中的潜在应用，包括现场快速筛选和极端环境下的远程探测等。由于LIBS可同时分析轻元素和重元素含量，在工业中，特别是在钢铁、汽车和飞机制造业中变得非常流行[26]。Velásquez-Ferrín 论述了LIBS在分析食品微量营养素、基本成分和有毒物质的应用进展，包括谷物、蔬菜、盐、酒精饮料、烟草、糖、肉、鱼、咖啡、茶和水等[27]。Legnaioli等综述了激光诱导击穿光谱（LIBS）在工业应用中的进展，包括能源工业、制药业、金属工业、建筑业、食品和饲料工业、资源回收工业等[28]。图4 激光诱导击穿光谱成像技术的应用示意图曾庆栋等综述了便携式LIBS的发展历程，对各种激光光源（小型 Nd:YAG固体激光器、二极管泵浦固体激光器、微片激光器、光纤激光器以及光纤传能的方案）应用于便携式LIBS系统的最新研究进展进行了综述和分类讨论，提出在应用领域应当从“专机专用”的角度着手，即一个样机只针对某个领域的某几种元素，甚至是某几个谱线来设计[29]。Limbeck等综述了LIBS成像仪器和相关化学计量学方法的最近进展，总结了LIBS成像在生命科学、地质学和材料科学领域的应用实例（图4），展示了LIBS在空间分辨分析中的优势，还讨论了该技术的未来前景和潜在应用[30]。2.6微型光谱仪光学、半导体、智能手机和许多其他制造技术的最新进展促进了光谱仪器的小型化和微型化。从未来的角度来看，这些传感器的小型化和性能改进将导致广泛的传感网络与物联网相结合，提供前所未有的现场诊断，从而为医疗保健和环境监测等许多其他应用提供实时分析。Yang等对光谱仪微型化的技术路线、技术突破及其后续应用进行了系统的分析，总结了过去三十年中所发展的四种微型光谱仪（图5），即色散型（dispersive optics）、窄带滤光型（narrowband filters）、傅里叶变换型（Fourier transform）和计算光谱（reconstructive）。论文指出了微型光谱仪发展历程中的重要技术突破，认为微型光谱仪的发展主要依赖于加工技术的进步和计算能力的提升[31]。图5 超小型微型光谱仪的四种策略示意图Biswas等概述了智能手机光谱仪的最新发展，重点是光收集、色散、检测和光谱校准，这些光谱仪可以利用实时物联网将边缘数据传输到云端，在未来，该仪器或将为使用者提供前所未有的现场诊断[32]。Zhi等总结了国内外微型光谱仪的发展现状，重点介绍了微型光谱仪在精准农业中的应用研究进展，指出随着新原理、新工艺和新材料的发展，微型光谱仪在提高特异性的同时，正朝着高性能、高集成度和单芯片方向发展[33]。荧光传感器有着高灵敏度和特异性的优点，Shin等论述了便携式不同类型荧光传感器的特点，并讨论了其在水质监测、生物医学等领域的应用进展[34]。Zhang等从理论、实现和性能指标方面系统地回顾了芯片傅里叶变换光谱仪（FTS）的进展，尤其是芯片静态FTS，包括空间调制、时间调制和空时共调制FTS，指出芯片FTS的应用将会逐渐扩展到食品安全、健康分析和大气探测等领域[35]。Ravindran评述了用于微光谱仪的光栅技术的新研究趋势，探究了评估光栅性能的主要参数，发现光栅效率、凹槽密度、自由光谱范围和分辨率对光栅性能有重要影响[36]。王飞等论述了片上光谱成像系统的分光原理、集成方式，展望了片上光谱成像系统在生物医疗、环境监测、军事装备和智能消费电子等领域的应用前景，指出未来基于片上光谱成像系统的各种光谱成像设备将真正进入掌上时代，深度融入个人日常生活，在食品安全、移动健康等方面展现出其独特的魅力[37]。3 化学计量学算法与策略3.1概述Wang等从实用性的角度综述了近十年来在现代光谱分析中应用的各种化学计量学方法，包括光谱预处理、波长（变量）选择、数据降维、定量校正、模式识别、模型传递、模型维护和多光谱数据融合等[38]。Houhou等重点介绍了化学计量学、机器学习和深度学习等人工智能方法用于光谱和成像分析的最新研究和趋势，包括核磁共振、质谱、振动光谱、X射线、原子力显微镜、电子显微镜和二维色谱等，他们认为深度学习在生物医学中的应用，以及数据融合方法，是未来研究的主题之一[39]。Zhang等汇总了用于LIBS多元定量和定性分析的机器学习方法（图6），讨论了模型可解释性、数据集大小、过拟合以及噪声、干扰等问题和挑战[40]。Costa等也综述了用于LIBS的化学计量学方法，比较了多种定量校正方法的优缺点[41]。图6 人工智能、机器学习、化学计量学之间的关系示意图图7 用于电化学、光谱学和联用质谱学中的化学计量学方法框架图Peris-Díaz等引用300多篇文献回顾了2018～2020期间化学计量学方法在电化学、光谱学和联用质谱学中的应用研究和发展趋势（图7），并论述了使用这些方法时要避免的潜在陷阱[42]。图8 光谱分析中常用的化学计量学方法工具箱Meza Ramirez等介绍了应用于光谱分析的机器学习和人工智能背景、概念和方法，及其在生命科学和医疗领域的最新研究进展，并给出了光谱分析中常用的机器学习和人工智能工具箱（图8）[43]。Oliveira等综述了各种分析技术与化学计量学方法结合用于石油泄漏研究中的应用和研究进展，讨论了化学计量学方法的一些概念性和不当使用等问题[44]。Aleixandre-Tudo等对化学计量学在食品科学和技术研究领域的应用进行了文献计量学评估，结果表明，化学计量学是一个内容丰富且发展快速的领域，广泛应用于食品领域[45]。Rocha等综述了2008-2018年期间非线性方法（人工神经网络、支持向量机、自组织映射等）在食品（蔬菜、水果、食用油和奶制品等）分类和预测分析中的应用，讨论了非线性方法相对于传统多元分析方法的优缺点[46]。Carolien等用实例对用于食品质量评估的多种化学计量学方法进行了探究，指出食品科学家和统计学家之间需要跨学科合作，以便正确使用数据分析方法并合理解释结果[47]。Ma等全面综述了神经网络在食品分析（如食品识别、食品供应链安全和组学分析等）中的应用进展，提出友好界面软件包的空白、难以解释的模型行为、多源异质数据等是阻碍神经网络广泛推广应用的主要挑战[48]。3.2光谱预处理与波长选择由于测量模式、样品状态和其他外部物理、化学和环境因素，光谱仪等分析仪器产生的数据可能包含不必要的变化。数据预处理的总体目标是从信号中去除不必要的变化或影响，以便与感兴趣属性相关的有用信息可用于有效建模。基线漂移是拉曼、中红外、近红外以及激光诱导击穿光谱等光谱仪器测量过程中经常出现的问题，会对光谱的定量和定性分析产生不利影响。王海朋等系统评述了光谱基线校正的基本算法、改进算法和新型算法及其应用研究进展，认为目前的基线校正算法大都没有从机理或光谱本质方面对基线漂移做出解释，在具体应用时应根据具体的对象加以选择和改进[49]。Mishra等系统介绍了用于光谱预处理的方法，重点论述了新出现的集成融合预处理方法，并归纳出了三种基于集成融合的预处理策略[50]。波长（变量）选择是近红外光谱（NIR）多元校准的重要步骤，也是近红外光谱研究的一个热点。现如今，已经开发了大量的变量选择方法，由于其原理和应用范围的不同，它们具有不同的优点和缺点。Fu等归纳了基于联合策略开发的变量选择方法，联合方法的目的是应用两种或多种变量选择算法，利用它们各自的优势，从高维NIR数据集中更有效地选择特征波长[51]。de Araújo Gomes等则概述了用于食品光谱数据分析中的波长变量筛选方法，并通过定量校正和分类识别实例论述了变量选择的重要性[52]。3.2多维高阶算法化学多维校正方法具有突出的“二阶或更高阶优势”，被视为借助绿色智能的“数学分离”来替代或增强传统的“物理/化学分离”，这避免或显著简化了样品预处理过程，减少了分析时间。此外，可以消除背景基体和干扰信号的影响，即使在存在未知干扰的情况下，也可以实现对感兴趣的多个分量的同时、快速和准确的定量分析。Wu等综述了基于各种高阶分析数据的多维校正的理论和分析应用的最新进展，重点讨论了多线性模型及其扩展、具有二阶或高阶优势的多维校正算法以及其他基本问题，并着重介绍了它们对绿色分析化学的贡献，例如在环境样品定量分析中的应用[53, 54]。在另一篇综述中，吴海龙等则系统综述了近5年来二阶、三阶、四阶校正方法与不同高阶分析仪器相结合的代表性应用，强调了多维校正方法对绿色分析化学的贡献[55]。图10 近红外光谱成像与高阶化学计量学算法用于药物杂质测定和有效期估计的分析流程图Sun对用于化学和生物制造过程中张量数据分析的方法进行了综述，指出张量数据分析是一种有前景的过程理解和优化工具，为提取有用的过程信息开辟了新的可能性[56]。Vignaduzzo等讨论了高阶化学计量学与多种仪器技术（如紫外-可见光谱、荧光、色谱、电化学等）相结合解决药学定性和定量问题的研究进展，是解决包括降解研究、杂质和原料药测定（溶解试验、均匀性试验等）等问题的有力工具（图10），还讨论了该策略在药物鉴定、PAT和QbD中的应用潜力[57]。Yu等综述了多维校正算法与近红外光谱结合在食品工业过程控制、质量评价、欺诈识别和分类、以及图像分析等方面的应用进展，作者认为，多维算法与光谱数据的结合可以将食品加工数据信息转化为操作知识，能进一步提高对食品系统和食品过程的理解[58]。Mazivila等论述了如何利用多维分辨方法从基于分析物触发的半导体量子点（QD）荧光调制（猝灭/增强）的传感平台中体现激发发射荧光矩阵（EEFM）的二阶优势，包括平行因子分析（PARAFAC）、多元曲线分辨交替最小二乘（MCR-ALS）和基于残差双线性的未展开偏最小二乘（U-PLS/RBL）[59]。de Juan等系统论述了多元曲线分辨（MCR）方法50年的发展历程，重点介绍了MCR在组学、成像或多维色谱等领域的新应用[60]。Mazivila 等则重点论述了MCR-ALS结合光谱和色谱技术在过程分析化学（PAC）和过程分析技术（PAT）中用于实时过程监测和控制的进展[61]。Park等系统综述了二维相关光谱在概念、实验方法和应用研究等方面的进展，强调了二维相关光谱与多元分辨和多元校正方法的结合[62]。Yang等重点综述了二维相关光谱结合多维化学计量学方法在乳制品、酒精饮料、食用油等食品质量检测中的应用[63]。Liu等综述了二维相关光谱在水环境、土壤环境和大气环境检测和分析中的应用，特别是在研究环境中有机物的分子特性以及与金属离子的相互作用机理等方面的进展[64]。Rutherford等讨论了应用于生物流体红外光谱分析的机器学习分类算法，强调了二维红外光谱的多维性及其具有的丰富信息，其与分类算法结合具有令人鼓舞的潜力[65]。3.3多数据融合多光谱融合技术是将不同类型的光谱进行优化和整合，实现单光谱优势互补，以获得更全面、更可靠、更丰富的特征数据，达到提高模型预测准确性和稳定性的目的。戴嘉伟等对近年出现的多光谱数据融合技术的新策略和新方法进行了综述，作者认为将多光谱仪器硬件与多光谱数据融合算法结合是未来的发展趋势，通过云平台可将多光谱数据的采集和数据的融合处理进行集成，进一步节约人力物力，提高分析效率[66]。图11 低级、中级和高级数据融合的建模策略（包括深度学习）示意图Calvin等综述了用于评估食品质量的电子鼻（ENs）、电子舌（ET）和电子眼（EEs）组合系统开发的最新进展，特别讨论了不同数据融合策略的应用（图11）[67]。Azcarate等系统论述了数据融合的不同策略，强调数据结构对选择融合策略的重要性，以及如何将它们合并到不同的数据分析场景中[68]。Mishra等概述了多块数据分析的概念、可执行的各种任务（包括探索性数据分析、预测建模、变量选择、预处理优化和模型转移）以及不同方法的优缺点[69]。3.4深度学习图12 人工神经网络家族的Venn图深度学习是近年来非常活跃的一支人工神经网络方法（图12），主要包括CNN、ResNets、自动编码器、GAN、RNN等，在光谱分析中主要有四种应用场景：光谱预处理、分类、回归和光谱特征提取。Debus等综述了深度学习方法及其在分析化学中的应用，包括定量分析、混合物中特定化合物的识别、光谱重建、图像分析和样品分类等[70]。数据规模的增长和计算能力的提高促进了深度学习在光谱及医学影像分析中的应用，但深度学习模型可解释性的不足是阻碍其应用的关键因素。刘煦阳等从算法角度介绍了深度学习及三类可解释性方法的原理，综述了深度学习及可解释性方法在光谱及医学影像分析，提出基于小规模数据的训练策略、增强模型可解释性的方法及可解释模型的构建仍是未来的发展趋势[71]。光谱数据的深度学习建模中的一个主要主题是选择和优化适用于光谱建模特定任务的深度神经网络架构。Passos等基于实现和优化光谱回归和分类两个实例，介绍了一套旨在优化深度学习模型超参数的方法[72]。图13 传统人工神经网络与深度神经网络的区别Mishra等就深度学习在近红外光谱数据建模中的主要优点和潜在缺陷进行了批判性和全面的论述（图13），介绍了深度学习在回归、分类、模型更新、模型转移和光谱图像处理等方面的应用，作者认为具有广泛变异性的大光谱数据集是训练更复杂、准确和稳健模型的关键。尽管该文是针对近红外光谱评述的，但许多观点也可扩展适用于其他光谱技术[73]。Nikzad-Langerodi等从化学计量学和分析化学角度概述了迁移学习的理论、概念和应用，并将其与校正模型更新/适应和模型转移向联系，提出了未来的应用前景[74]。Luo等在综述中讨论了深度学习算法在拉曼光谱分析中的最新发展以及这些算法存在的挑战[75]。Mozaffari等综述了一维卷积神经网络在便携式拉曼光谱仪中识别未知物质的研究进展，指出缺乏可用于深度学习的大型拉曼光谱数据库是当前面临的最大挑战[76]。Lussier等论述了应用于拉曼和SERS的深度学习和人工智能方法，涉及食品和饮料，病毒和细菌，刑侦、医疗等领域的定性和定量分析[77]。Cobas等论述了机器学习（ML）和深度学习（DL）方法在核磁共振信号处理和小分子分析领域的各种应用，包括结构自动验证和溶液中NMR观测值的预测等[78]。Chen等总结了深度学习方法在核磁共振（NMR）光谱学中的应用，认为深度学习方法有可能将NMR光谱学转化为化学和生命科学中更高效和强大的技术[79]。图14 用于LIBS的ANN方法Li等综述了用于激光诱导击穿光谱（LIBS）分析的人工神经网络（ANN）方法（图14），包括反向传播神经网络（BPNN）、径向基函数神经网络（RBFNN）、自组织映射（SOM）和卷积神经网络（CNN）等，比较了这些有代表性人工神经网络方法的网络结构原理及其特点，以及它们在LIBS分析中的应用，深入讨论了变量选择、网络构建、数据集利用、网络训练、模型评估等具体实施时的策略性问题，指出了ANN方法在过拟合和可解释性等方面的局限性，展望了多光谱融合、全谱建模、广义谱、多算法组合等方面的发展[80]。赵文雅等总结了LIBS结合ANN模型在地质、合金、有机聚合物、煤炭、土壤及生物等领域的具体应用，展望了ANN在LIBS光谱深度信息挖掘、便携式专用型设备开发、技术联用等方面的发展前景[81]。Cui等讨论了卷积神经网络（CNN）和递归神经网络（RNN）等深度学习方法在电化学生物传感器、可穿戴电子器件、SERS和基于其他光谱的生物传感器、荧光生物传感器和比色生物传感器中的应用，提出在这些应用程序中，所建模型必须是可解释的（而不是黑匣子）。医疗专业人员和决策者必须能够理解机器决策。同时，人类的知识和推理规则需要以透明的方式纳入深度学习系统，以强制和规范其学习和决策过程。此外，将人类知识和推理规则纳入机器学习过程可以显著减少训练模型所需的样本量[82]。Pradhan等讨论了深度学习在生物光子领域的可能性，包括图像分类、分割、配准、伪染色和分辨率增强，以及深度学习在光谱数据中的潜在用途，如光谱数据预处理和光谱分类，并对深度学习在振动光谱应用面临一些挑战进行了讨论，例如数据的缺乏、光谱的复杂性、光谱内的类间和类内差异以及深度学习模型的可解释性[83]。Nayak等论述了从人工神经网络到深度学习在智能食品加工中的应用进展，包括了该领域从浅层学习到深度学习的详细过程[84]。Liang等论述了近红外光谱和红外光谱与人工神经网络（浅层神经网络和深层神经网络）相结合用于食品质量和安全认证以及品种和产地的可追溯性的研究进展，指出不应盲目追求复杂的神经网络结构，应根据测量数据集的复杂性设计网络，并应专注于研究神经网络轻量级结构和算法[85]。Zhang等的综述侧重于深入学习算法在食品和农产品质量评估中的应用、当前研究的经验教训和未来展望，深度学习方法能够平滑光谱数据并提取信息特征，所以其主要优点之一是通过端到端分析可在很大程度上减少对领域知识的依赖[86]。Mishra等综述了用于高光谱图像特征提取和分类的4种深度学习方法，并归纳了它们在常用数据集中获得的对比结果[87]。Ozdemir等综述了用于高光谱图像特征提取和分类的深度学习算法[88]。Kassem等系统综述了用于图像视觉诊断皮肤病变的机器学习和深度学习方法，认为小数据集、特殊图像选择和种族偏见是当前面临的主要挑战[89]。Zhu等则综述了应用于食品加工领域机器视觉技术的传统机器学习和深度学习方法，应用领域包括食品安全检测、食品加工监控和异物检测等[90]。Jaiswal等综述了高光谱成像结合深度学习在多领域的应用进展，包括生物医学、食品质量、农业、生态、采矿、林业和国防等领域，提出应在高光谱解混合、异常检测、模式识别和数据融合等方面进行深入研究，以有效利用高光谱数据立方体[91]。Wang等从深度学习模型和特征网络两个方面综述了高光谱图像分析在农业中的应用，包括品种分类、成熟度和成分预测、遥感图像分类和植物病害检测，提出了迁移学习、生成对抗网络、半监督学习和主动学习是应对有限标记训练样本挑战的有前景的技术[92]。Odebiri等论述了从传统神经网络向深度学习的过渡，并讨论了遥感数据预测土壤有机碳（SOC）带来的应用潜力和主要挑战[93]。Yang等概述了深度学习技术在园艺领域中的应用场景，以及应用的模型和框架、使用的数据和总体性能结果，包括品种识别、产量估计、质量检测、病虫害管理、生长监测等[94]。3.5标准与规范拉曼光谱越来越多地应用于生物学、法医学、诊断学、药剂学和食品科学。这种增长不仅是由仪器设备和实验方法的改进引起的，也是由化学计量学技术的发展引起的。Guo等概述了拉曼光谱分析中的化学计量学过程，包括实验设计、数据预处理、数据学习和模型传递，讨论了可能遇到的方法陷阱问题及解决办法，在此基础上提出了化学计量学方法用于拉曼光谱分析的标准化流程，其目的是将基于化学计量学方法的拉曼分析技术从概念验证研究进一步推向实际应用[95]。Barton等论述了用于拉曼光谱分析的化学计量学方法进展，尤其是与仪器和数据校准相关的方法，概述了使用拉曼光谱创建、验证和传递化学计量学模型所需的步骤和应注意的问题[96]。Ntziouni等全面分析了与拉曼光谱相关的标准方法、指南和规范，指出制定通用标准方法对进一步促进拉曼光谱技术的发展和应用至关重要，尤其是对于表面增强拉曼光谱和低分辨率便携式分析仪来说[97]。结合化学计量学的光谱分析方法在疾病筛查和诊断、微生物学研究、法医学和环境调查中非常有吸引力，其中快速、准确和可靠的分类模型是基础。Morais等编写了用于振动光谱数据（FTIR、Raman和近红外）的多元分类分析规程，重点介绍了一系列关键步骤，如预处理、数据选择、特征提取、分类和模型验证[98]。Afara等提出了近红外光谱和成像表征生物组织的工作流程规范，并展示了近红外光谱和成像在探索和诊断生物组织应用中的分析能力[99]。Yang等系统总结了世界范围内的近红外光谱相关的标准，涉及仪器、建模通则和应用方法等[100]。3.6其他随着校正样本数据集的日益增大、样本来源日益广泛及光谱采集条件日益复杂，非线性方法的使用越来越普遍。Zareef等概述了近红外光谱应用于食品分析的非线性定量和定性校正算法，包括ANN、AdaBoost、SVM、ELM和局部校正方法（LA），讨论了各种方法的优缺点[101]。李明等针对近红外光谱通用模型在农产品和食品检测中的研究进行综述，通过比较传统模型建模方法与通用模型建模方法，分别就建立通用模型过程中样品信息的获取、模型的建立以及样品信息的预测三大建模步骤中使用的方法进行总结，并归纳了近红外光谱通用模型在建模步骤中的要点[102]。Dorantes等针对土壤的光谱分析，综述了校正集大小的选择、通过子集构建目标校正模型，以及通过加标方法实现库转移等建模优化方法和策略[103]。模型转移是用于在光谱仪之间转移光谱校正模型的一类化学计量学方法。传统模型转移方法对标准样品的要求一直是一个挑战，因为此类测量在现实应用中存在困难。Mishra等论述了近年来在模型转移领域取得的研究进展，提出随着人工智能、深度学习和计算能力的不断进步，无标样算法将会得到越来越多的应用[104]。在模式识别中，单类分类方法（one-class classification）是一种只针对一类实例建模分析，以特定的置信水平固定目标样本类的边界，对新样本的类别进行判定的方法，利用这一特点能有效区分不同于真实样本的数据，大大减少了检测的工作量，在食品掺假检测应用领域有一定的发展潜力。唐逸芸等对单类分类方法进行了综述，重点介绍了几种常见的单类分类方法如数据驱动的簇类独立软模式（DD-SIMCA）、单类偏最小二乘（OCPLS）、单类支持向量机（OCSVM）以及单类随机森林（OCRF），论述了该方法在食品真实性鉴别中的应用，包括食用油、乳制品、饮料、保健品、香辛料及谷物等[105]。Lavine等论述了红外光谱两种相似性比对方式（库搜索算法和模式识别方法）的优劣，强调了在使用统计方法比较光谱时，光谱专家参与认证以及光谱高质量的重要性[106]。Ferguson等综述了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和量子级联激光红外光谱（QCL）结合机器学习方法在检测和分类不同癌症组织的进展，论文强调了F1得分可作为直接比较模型性能的定量指标，并指出基于集成策略的识别方法往往能得到较好的结果，而且识别技术正在朝着可以捕捉组织复杂性的分层建模方向发展[107]。独立分量分析（ICA）是一种概率方法，其目标是从混合观测信号中提取最大独立和非高斯的基本分量信号。由于分析化学中许多应用获取的数据是成分信号的混合物，因此这种方法非常有用。Monakhova等综述了近年来ICA在荧光、UV-VIS、NMR、振动光谱以及色谱中定量和定性分析的应用，提出了进一步的研究方向[108]。图15 光谱解混技术的研究现状Research status of spectral unmixing technology光谱成像中，低空间分辨率和物质异质性等因素造成的图像混合像元问题，使像元级的数据处理和应用难以满足实际需求。光谱解混提取亚像元尺度上的端元和丰度信息，为现实应用的数据精细化定量分析提供技术支撑。杨斌等介绍了近些年光谱解混理论方法和应用的相关研究进展（图15），总结了光谱解混技术与应用研究中的不足和构建二者协同发展的必要性[109]。本文为评述第一部分，第二部分查看请点击此处

仪器信息网讯 2012年12月13日，由仪器信息网主办的“光谱网络研讨会(iCS2012)落下帷幕，共吸引了来自大专院校、科研院所、质检机构、分析测试中心、仪器企业等近1500余名专业用户报名参加。　　本次会议得到了北京光谱学会、中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国仪器仪表学会分析仪器分会近红外光谱专业委员会、清华大学分析中心等单位的大力支持，还专门邀请光谱行业内多名专家组成了学术委员会。本次iCS得到了耶拿、HORIBA、聚光科技、海光仪器、珀金埃尔默、岛津、帕纳科、赛默飞世尔科技八家厂商的赞助。　　会议历时3天(2012年12月11-13日)，开设了原子光谱仪器与应用最新进展、分子光谱仪器与应用最新进展、形态分析、食品/环境中重金属检测、近红外光谱在食品品质检测中的最新进展等5个主题专场，共邀请了20多位著名光谱专家做精彩报告，从光谱技术及应用等多个角度介绍了目前国内外的热点问题，得到了仪器信息网广大用户的积极参与和一致认可。　　应广大用户要求，主办方现将视频上传到“网络讲堂”栏目中，欢迎相关光谱用户查看。　　具体视频列表如下：主题1：原子光谱仪器与应用最新进展　　视频1：ICP-AES仪器进展与应用动态　　主讲人：郑国经(北京光谱学会)　　视频2：连续光源原子吸收光谱技术及其应用　　主讲人：杨佳霖(德国耶拿分析仪器股份公司)　　视频3：原子吸收光谱仪器的新进展　　主讲人：杨啸涛(国家地质实验测试中心)　　视频4：30多年来AFS仪器与应用发展动态综述　　主讲人：张锦茂/梁敬(北京瑞利分析仪器有限公司)　　视频5：X射线荧光光谱分析技术进展　　主讲人：符斌(北京矿冶研究总院测试所/钢铁研究总院中实国金)　　视频6：原子光谱分析新技术及应用简介　　主讲人：冯先进(北京矿冶研究总院)　　视频7：XRF应用的发展——无标样定量分析软件新概念　　主讲人：肖又红(荷兰帕纳科公司)主题2：原子光谱形态分析　　视频1：中国元素形态分析计量研究进展　　主讲人：韦超(中国计量科学研究院)　　视频2：多种仪器联用技术概述和应用实例　　主讲人：姚继军(珀金埃尔默)　　视频3：元素形态分析技术应用　　主讲人：刘丽萍(北京疾病预防控制中心)主题3：食品/环境中重金属检测　　视频1：食品安全与重金属检测　　主讲人：舒永红(中国广州分析测试中心)　　视频2：岛津原子光谱产品在食品安全和环境行业的应用　　主讲人：陈艳凤(岛津)　　视频3：奶粉中Pb检测的问题及解决办法　　主讲人：杜克贺(北京汇智泰康医药技术有限公司)　　视频4：饮用水中重金属检测　　主讲人：柳华春(广东省微生物分析检测中心)主题4：分子光谱仪器与应用最新进展　　视频1：显微拉曼光谱仪超低波数拉曼信号的测量技术　　主讲人：谭平恒(中国科学院半导体研究所)　　视频2：HORIBA最新分子光谱技术(高光谱/荧光/拉曼)　　主讲人：熊洪武(HORIBA)　　视频3：快速便携检测技术进展　　主讲人：袁洪福(北京化工大学)　　视频4：傅立叶变换红外光谱仪最新技术　　主讲人：吴秋波(赛默飞世尔)主题5：近红外光谱在食品品质检测中的最新进展　　视频1：近红外光谱在食品品质检测中的最新进展　　主讲人：韩东海(中国农业大学)　　视频2：近红外光谱在制糖工业过程控制中的应用　　主讲人：卢家炯(广西大学教授)　　视频3：近红外光谱分析技术在粮油领域应用进展　　主讲人：杨伟伟(聚光科技)　　视频4：近红外光谱在蜂蜜质量检测中的应用　　主讲人：陈兰珍(中国农业科学院蜜蜂研究所)编辑：刘丰秋

经过１０余年设计制造、３５亿美元投资，美国建成世界最大激光器　　新浪科技讯 北京时间5月7日消息，据美国《连线》杂志网站报道，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)的科学家，希望利用192个激光器和一个由400英尺长的放大器及滤光器阵列构成的装置，制造出一个像太阳或者爆炸的核弹一样的自维持聚变反应堆(self-sustaining fusion reaction)。最后一批激光器安装完毕后，《连线》网站记者参观了这个点火设施。观看看世界上最先进的科学设备。　　1.美国“国家点火装置”　　这个大部头看起来可能很像迈克尔贝执导的《变形金刚》中的人物，但是这个大型机器很快就会成为地球上的恒星诞生地。　　美国“国家点火装置” 位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”，产生亿度高温。　　2.庞大的靶室　　庞大的靶室　　在庞大的靶室里，192束激光束进入直径是33英尺的蓝色真空室，在那里跟一个胡椒瓶大小的目标物相撞。然后这些光束会以动力较低的红外线的形式，从该仪器的不同部位出来，这个部位跟DVD播放器的内部结构类似。接着激光经过一系列复杂的放大器、过滤器和镜子，以便变得足够强大和精确，可以产生自维持聚变反应堆。　　3.包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球　　包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球　　这个铍球包含放射性氢同位素、氘和氚。科学家将利用这个系统的192个激光器产生的X射线轰击它。核子熔合的关键是有足够的能量把两个核子熔合在一起，在这项实验中用的是氢核子。由于把两个核子分开的斥力非常强，因此这项任务需要利用极其复杂的工程学和特别多的能量。　　例如，在光束进入真空室(包含图片上方的目标物)之前，激光必须通过巨大的合成水晶，转变成紫外线。发射到真空室里的光束会进入一个被称作黑体辐射空腔(hohlraum)的豆形软糖大小的反射壳(reflective shell)里，光束的能量在这里产生高能X射线。从理论上来说，X射线的能量应该足以产生可以克服电磁力的热和压力，这样核子就能熔合在一起了。电磁力促使同位素的核子分开。　　4.靶室顶部的起重机和气闸盖　　靶室顶部的起重机和气闸盖　　在第一张照片的靶室顶上，是用来把底部仪器放入真空室的起重机和气闸盖。如果这个仪器产生作用，它将成为未来发电厂的前身，将提高科学家对宇宙里的力的理解。当常规核试验被禁止的时候，它还有助于我们了解核武器内部的工作方式。　　5.精密诊断系统　　精密诊断系统　　激光束将被发射到精密诊断系统里，以在它进入靶室以前，确定它能正常工作。　　6.激光间　　激光间　　在激光间(laser bay)里眺望，会看到国家点火设施的激光间2号向远处延伸超过400英尺，激光在从这里到达靶室的过程中，会被放大和过滤。过去35年间，科学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建设了另外3个激光熔合系统，然而它们都不能生成足够达到核子熔合的能量。第一个激光熔合系统——Janus在1974年开始运行，它产生了10焦耳能量。第二项试验在1977年实施，这个激光熔合系统被称作Shiva，它产生了10000焦耳能量。　　最后一项实验在1984年实施，这个被称作Nova的激光熔合项目产生了30000焦耳能量，这也是它的制造者第一次相信通过这种方法可以实现核子熔合。国家点火设施科研组制造的这个最新系统有望产生180万焦耳紫外线能量，科学家认为这些能量已经足以在劳伦斯利弗莫尔国家实验室里产生一个小恒星。　　7.磷酸盐放大玻璃　　磷酸盐放大玻璃　　国家点火设施包含3000多块混合着钕的磷酸盐放大玻璃，这是在熔合试验中用来增加激光束的能量的一种基本材料。这些放大玻璃板隐藏在密封的激光间周围的围墙里。　　8.技术人员在激光间里安装光束管　　技术人员在激光间里安装光束管　　技术人员在激光间里安装光束管，激光通过这些管会进入调试间。激光在调试间里会被重新改变运行路线，并重新排列，然后被输送到靶室里。　　9.紧急停运盘　　紧急停运盘　　在整个国家点火设施里，标明激光位置的紧急停运盘(emergency shutdown panels)，可在激光发射时，为那些在错误的时间站在错误的地方的科学家和技术人员提供安全保障。　　10.光导纤维　　光导纤维　　光导纤维(黄色电缆部分)把低能激光传输到能量放大器里。然后在通过混有钕的合成磷酸盐的过程中，利用强大的频闪放电管放大。　　11.能量放大器　　能量放大器　　能量放大器隐藏在天花板上的金属覆盖物下面，它含有可增大激光能量的玻璃板。在激光刚刚进入放大玻璃前，灯管把能量吸入玻璃里，接着激光束会获得这些能量。　　12.可变形的镜子　　可变形的镜子　　可变形的镜子隐藏在天花板上覆盖的银膜下面，这种镜子是被用来塑造光束的波阵面，并弥补它在进入调试间前出现的任何缺陷。每个镜子利用39个调节器改变镜子表面的形状，纠正出现错误的光束。你在照片中看到的电线是用来控制镜子的调节器的。　　13.激光放大器　　激光放大器　　激光束在进入主放大器和能量放大器前，较低前置放大器会放大激光束，并给它们塑形，让它们变得更加流畅。　　14.便携式洁净室　　便携式洁净室　　科学家利用一个独立的便携式洁净室(CleanRoom)运输和安置能量放大器和其他元件，这个洁净室就像用来装配微芯片的小室。　　15.能量放大器　　能量放大器　　每个能量放大器都被安装在洁净室附近，然后利用遥控运输机把它们运输到梁线所在处。　　16.技术人员校对能量放大器　　技术人员校对能量放大器　　从照片中可以看到，能量放大器在被放入梁线以前，技术人员正在对它进行校对。　　17.模仿NASA的主控室　　模仿NASA的主控室　　照片中的主控室看起来跟美国宇航局的任务控制中心很相似，这是因为前者是模仿后者建造的。国家点火设施并不是利用这个主控室把火箭发射到外太空，而是设法通过激光，利用它把恒星的能量(核子熔合)带回地球。　　18.光束源控制中心　　光束源控制中心　　光束源控制中心即已知的主控振荡器室，看起来跟数据中心(Server Farm)很像，但是这个控制中心不是利用电脑，而是安装了一排排架子。光束通过光纤前往能量放大器的过程中，看起来就像网络供应商使用的网络。　　19.国家点火设施的激光源　　国家点火设施的激光源　　国家点火设施的激光是从一个相对较小、能量较低，并且比较呆板的盒子里发射出来的。这个激光器呈固体状态，跟传统激光指示器没有多大区别，不过它们发射的光波波长不一样，前者是红外线，后者是可见光。　　20.高能灯管　　高能灯管　　高能灯管(flashlamps)跟照相机里的灯管一样，但是前者的体积超大，它可以用来激发激光。每束光束刚产生时，强度仅跟你的激光指示器发出的激光强度一样，但是它们在二十亿分之一秒内，强度就能曾大到500太拉瓦，大约是美国能量输出峰值时功率的500倍。　　这一结果是能实现的，因为该实验室里拥有巨大的电容器，里面储存了大量能量。这个电容器非常危险，当它充电后，这个房间将被封闭，禁止任何人靠近，以免出现高压放电现象，伤着来访的人。　　国家点火设施的外面看起来很像《半条命(Half-Life)》的拍摄现场，这种普通的外观掩饰了在里面进行的历史性科学研究。(孝文) 英刊揭秘世界最强激光产生过程(组图)　　导读：2009年4月，耗资达35亿美元的美国“国家点火装置”(NIF)正式开始进行相关实验，并计划于2010年最终实现聚变反应。届时会将192束激光同时照射在一个微小的目标上，是迄今世界上性能最强大的激光装置。英国《新科学家》杂志网站13日撰文揭秘世界最强激光产生过程。以下为全文：　　“国家点火装置”是美国国家核安全管理局(NNSA)的库存管理计划的关键环节。在受控实验室条件下，“国家点火装置”将进行聚变点火和热核燃烧实验，实验结果将为NNSA提供相关武器生产条件的实验手段。这些条件对NNSA在不开展地下核试验的条件下评估并验证核武库的工作至关重要。“国家点火装置”实验将研究武器效应、辐射输运、二次内爆和点火相关的物理学机理，并支持库存管理计划继续取得成功。“国家点火装置”是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。192束矩形激光束将在30英尺的靶室中实现会聚，其中靶室内含有直径为0.44厘米的氢同位素靶丸。发生聚变反应时，温度可达到1亿度，压力超过1000亿个大气压。　　以下是“国家点火装置”产生最强激光的几大步骤：　　1、安装球形外壳　　 　　安装球形外壳　　为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向一个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有一个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。　　2、用调节器调整靶位　　 　　用调节器调整靶位　　这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。　　3、将燃料放入燃料舱(圆柱体)　　 　　将燃料放入燃料舱(圆柱体)　　进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。　　4、压缩并加热燃料　　 　　压缩并加热燃料　　所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。　　5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束　　 　　用磷酸二氢钾晶体转换激光束　　激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。“国家点火装置”将被用于一系列天体物理实验，但是，它的首要目的是帮助政府科学家确保美国“老年”核武器的可靠性。“国家点火装置”项目的建造计划于上世纪90年代早期提出，1997年正式开始建设。(刘妍)

氨气是形成二次气溶胶的重要前体物，也是城市大气环境治理的关键物种。中国科学院大气物理研究所组织实施的全国大气氨观测研究网络（AMoN-China）通过被动离线采样发现，城市已成为大气氨排放热点区域。然而，被动采样周期较长（周-月），难以捕捉大气氨浓度在日尺度上的快速变化。同时，以往研究常观察到大气氨浓度在早上5:00-12:00快速增加，这一早高峰现象是否具有普遍性亟待更多高频观测站点资料的验证。鉴于此，中国科学院大气物理研究所研究员潘月鹏课题组与华东师范大学教授吴电明团队合作，基于高频光腔衰荡光谱技术在北京和上海两个超大城市开展了大气氨浓度同步观测实验（测量频率1Hz，精度0.03ppb，图1）。这两个城市位于华北平原氨排放热点区域的南北边缘，是研究区域传输和局地排放对大气氨浓度叠加影响的理想站点。图1. 基于光腔衰荡光谱法测量北京和上海的大气氨浓度2020年5月观测结果发现，北京大气氨平均浓度（23.1±10.3 ppb）接近上海（12.0±5.0 ppb）的两倍，与卫星观测的氨气柱浓度和自下而上统计的氨气排放量的空间分布一致。研究还发现两个城市同时存在氨气早高峰现象，其发生频率大于50%，机动车排放是导致氨气浓度早高峰形成的主要原因。早晨边界层打破后，随着对流发展，富含氨气的残留层向下传输也对早高峰有一定贡献。上述结果促进了我们对城市大气氨浓度动态变化特征及背后驱动因素的科学认识，其高频观测数据可用于提升大气化学传输模型的模拟精度，有助于评估大气氨污染的生态环境效应并为氨减排策略的制定提供参考。该研究成果发表于Atmospheric Environment (JCR一区，IF=5.755)。中国科学院大气物理研究所2019级硕博连读生孙倩为该论文第一作者，潘月鹏研究员和华东师范大学吴电明教授为共同通讯作者。该研究受到北京市自然科学基金(8232050)，国家自然科学基金(42077204)和大气边界层物理和大气化学国家重点实验室开放基金(LAPC-KF-2022-09)的共同资助。

吴昌硕的梅花为什么透着金石气息?齐白石的鱼虾如何跃然纸上?潘天寿的蔬果有怎么的铺陈规律?在传统意义上，这些问题是美学研究的对象，而在科技发展突飞猛进的当下，美学问题也可以从科学中寻找答案。　　7月19日，西安书画艺术品光谱技术实验室揭牌，这个由陕西文化产权交易所与中科院西安光机所共同组建的科研基地，将利用科学技术解决艺术品鉴定难题，系全国首个书画艺术品光谱技术实验室。　　据介绍，实验室将利用光学技术对书画作品进行扫描分析，通过对数据的分析归纳出艺术家的创作规律。“科学与文化在本质上是统一的，二者需要融合发展。”中科院西安光机所副所长李学龙说。　　光谱成像技术不仅有望“看到”美学规律，通过建立完善的数据库体系，还能为艺术品收藏、流通、传承、交易等提供技术支持。据了解，该实验室的研究成果也将对正在建立中的艺术品行业标准体系提供有力参考。　　除了科学分析，同日上线的陕西文交所电子化交易平台，还为艺术品提供了走向资本市场最前沿的契机。据悉，该平台将发行版权清晰、兼具艺术价值和投资价值的近现代名家书画作品复制品，通过二级交易市场，发掘价值、兑现价值。　　实验室解决艺术品鉴定难题，交易平台把艺术品带到资本市场̷̷陕文投集团董事长王勇认为，文化、科技、金融这三者的融合创新，正在有力发掘历史文化的现代表达。

2月25日，由国家出资、科技部批准，国家重点科学仪器设备开发专项“高精度光梳相干成像分析仪的应用与工程化开发”项目在宝钢正式启动。 　　该项目由宝钢中央研究院牵头，华东师范大学、上海理工大学、深圳大学、上海朗研科技公司等10多家企业和科研院校参与，针对钢铁检测、精细加工监控等进行研发。钢铁方面，将促进一系列急需的高新技术产业应用，如高精度表面形貌测量、微纳精细加工检测、集成电路制造、太阳能电池精加工等，并开展工程化和产业化示范，实现小批量生产。　　启动会上，与会专家们认为，该项目对解决我国科技领域和经济发展、民生改善具有明显支撑和带动作用，仪器将达到钢铁制造行业的质保和质控、生命医学领域的应用要求。仪器开发将摆脱国外对中国高端技术研究的垄断，对钢铁、生物、医学、航天技术开发等具有重大意义。项目有望形成20多项专利，仪器有望于2017年批量生产，实现产业化应用。　　新闻链接　　“高精度光梳相干成像分析仪的应用与工程化开发”项目是“十二五”国家科技重点项目。该项目主要由高功率光纤飞秒光梳光源和超分辨相干成像分析仪两部分组成。传统光学成像受限于光波衍射极限，空间分辨率只能达到波长量级。基于光纤飞秒光梳，发展高精度相干成像检测和高灵敏度痕量分析新方法，研制高精度光梳相干成像分析仪，旨在充分发挥飞秒光梳优势，提升仪器时间-空间-频谱的分辨本能，在测控精度和灵敏度等方面凸显其明显优势 较常规成像分析仪器具有明显优势，可为突破光学衍射极限超分辨成像研究带来重要技术创新，引领成像分析技术与器件跨越式发展。

五十年前的今天(1969年7月20日)美国宇宙飞船“阿波罗11”号登上了月球，首次实现了人类登上月球的梦想。宇航员阿姆斯特朗成为了第一个踏上月球的宇航员，并说出了流传于世的名言“这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步。”　　几年前在一套科学家传记丛书的扉页上看到两句话：“一切进步都是空间的拓展”“一切节约都是时间的延长”。这两句话我记忆深刻，尤其是第一句话，似乎能够在感性上理解和接纳，但又感觉很绝对，较难把握基本点。后一句话相对容易理解，因为马克思说过“一切节省，归根到底都归结为时间的节省”，本人从事的与分子光谱相关的科研和应用工作，也大都是以节约分析时间、提高分析效率、获得经济效益为主要目的。近一段时间，通过一些学术文献和新闻报道的研读和思考，对这两句话有了一些感悟，尤其对空间拓展的认识，有了一定的提高。应仪器信息网的编辑老师约稿，整理出来与同行们共同探讨。既然是认识和体会，尤其是这一领域涉及的基础理论和知识面很宽，与工程实际联系很深，文中肯定有遗漏的内容和内涵，也肯定有不正确的表达，敬请师长和同行批评指正。　　1、在微观空间拓展中的应用进展　　先从垃圾分类中的废塑料说起。　　1972 年，Carpenter 在美国Florida 沿海首次发现了微塑料。随后，微塑料在全球各地的水、沉积物、生物体中不断被检出，尤其是在人类生产活动密集的港口及河流入海口、海岸带等地区。　　2004年，英国科学家在Science上发表了关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文。“微塑料”这个名词就渐渐的进入了人们的视野。直径小于 5mm 的塑料、纤维、或薄膜被定义为微塑料。　　2018年1月26日 新华社报道，正在“雪龙”号上执行大洋科考任务的中国第34次南极科考队近日在南极戴维斯海采集的海水微样本中，利用“傅立叶变换显微红外光谱仪”进行分析鉴定，最终确认样本中的两个肉眼可见蓝色片状物为聚丙烯微塑料。　　2018年9月5日，央视新闻报导，我国载人潜水器“蛟龙号”去年从大洋深处带回海洋生物，通过“傅立叶变换显微红外光谱仪”研究后发现，在4500米水深下生活的海洋生物体内检出微塑料，这些微塑料很可能是纤维状塑料绳。　　2018年10月23日，英国卫报报导，维也纳医学大学的研究团队通过“傅立叶变换红外显微成像技术”首次从人类粪便中检出塑料微粒，研究检验了8名参与者的粪便，参与者来自欧洲、日本和俄罗斯，所有检体内都含有塑料微粒，研究包含10个塑料检验项目，检体中发现多达9种，尺寸从50至500微米，最常见的是聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯，平均每10克粪便中有20颗塑料微粒。　　2019年3月19日，媒体报道，国际非营利性新闻机构Orb Media和纽约州立大学弗里多尼亚分校的科学家对11个知名品牌的259瓶瓶装水进行了测试，发现几乎所有的瓶装水中都含有塑料微粒。　　上述微塑料的研究尺寸大都在20微米以上，因为受光衍射所限，传统的傅立叶变换显微红外光谱的空间分辨率在10微米左右。实际上，在自然界中，还存在很多微塑料其尺寸可达微米乃至纳米级，1微米到100纳米的塑料颗粒被称为亚微塑料，尺寸小于100纳米的被称为纳米塑料。很多研究表明，大多数微小的塑料颗粒具有微米和纳米级别的尺寸。　　目前共聚焦拉曼光谱可以实现亚微米级的化学成分分析，实际空间分辨率一般为1μm左右。2018年D Schymanski等人通过μ-Raman光谱对瓶装水中的微塑料分布进行了分析，得到了如图1所示的结果。尽管拉曼光谱可以实现较低的空间分辨率分析，但由于拉曼信号较弱，加上背景荧光较强，所以应用范围受到限制。图1 D Schymanski等人通过μ-Raman光谱分析瓶装水中微塑料的分布　　近十年来，激光器尤其是量子级联激光器 (QCL)的快速发展，显著提升了传统傅立叶变换红外显微成像技术。例如，已有商品化的激光红外成像系统将QCL与快速扫描光学元件相结合，仅需测量几个关键波长，即可实现大面积的高分辨率图像，从而节省时间和成本。在ATR模式下，可选择小至 0.1 微米的像素分辨率。例如，在制药领域，通过该系统可获得有关活性药物成分、赋形剂、多晶型、盐类和缺陷的有用信息，以便能够快速找出并解决药物开发过程中遇到的问题，保证不同生产批次之间具有良好的一致性。图2 AFM-IR纳米级红外光谱获取示意图　　纳米级红外光谱(Nano IR)则是一个里程碑式的技术突破，它通过利用原子力显微镜(AFM)与红外光谱联合的方式来表征物质，原子力显微镜的工作方式有点像唱片机针，它在材料表面上移动，并在提升和下降时测量最细微的表面特征。Nano IR可使红外光谱的空间分辨率突破了光学衍射极限，提高至10nm级别，典型的光学空间分辨率约为20 nm，在得到微区形貌、表面物理性能的基础上，进一步解析样品表面纳米尺度的化学信息。Nano IR目前主要有两种实现方式：一是基于光热诱导共振现象开发的原子力显微-红外光谱(AFM-IR)技术(见图2)，另一种是基于针尖近场散射的s-SNOM(Scattering-type scanning nearfield optical microscopy，s-SNOM)技术(见图3)。两种技术都能实现微区的光谱信号采集和成像，从而获得化学成分信息。图3 s-SNOM纳米傅里叶变换红外光谱仪的结构示意图　　AFM-IR纳米级红外技术主要依赖于样品的吸收系数ks，与针尖和样品的其他光学性质基本无光，因此该技术尤其适合具有较高热膨胀系数的软物质材料，例如高分子聚合物、复合材料、蛋白和细胞、纤维、多层膜结构、药物、锂电池等的纳米尺度的化学成分鉴定，组分分布及相分离结构，表界面化学分析和失效研究等方面。s-SNOM技术，其应用受到样品限制，只有对红外光有较强散射的样品才能得到信号，而且散射信号复杂，必须有模型进行修正，得到的红外光谱的波数也有漂移，使得结果的理解不够直接。但SNOM技术特别适用于硬质材料，特别是具有高反射率、高介电常数或强光学共振的材料。　　AFM除了与红外光谱联用以外，还可与其他光谱相结合，例如AFM与拉曼光谱仪联用的针尖增强拉曼散射(Tip-enhanced RamanScattering，TERS)光谱技术，目前最佳的光学空间分辨率可达0.5 nm，AFM与太赫兹光谱技术联用的散射式的近场太赫兹(Scattering-type Scanning Near-field THz Spectroscopy，S-SNTS)光谱技术，目前最佳光学空间分辨率为40nm。TERS、Nano-IR与S-SNTS三种技术的基本原理类似，都是依赖于探测在金属化探针针尖尖端形成的、与针尖曲率半径大小相当的纳米级增强光源与待测分子之间的相互作用，来获得纳米级的光学空间分辨率。　　F Huth等人将Nano-IR 应用到对纳米尺度样品污染物的化学鉴定上，图4中显示的Si表面覆盖PMMA薄膜的横截面AFM成像图，其中AFM相位图显示在Si片和PMMA薄膜的界面存在一个100nm尺寸的污染物，使用Nano-FTIR在污染物中心获得的红外光谱清晰的揭示出了污染物的化学成分，与标准FTIR数据库中谱线进行比对，可以确定污染物为PDMS颗粒。图4 Nano-IR用于纳米级污染物的化学组成鉴别　　S Gamage等人利用纳米级红外光谱成像技术，揭示如艾滋病病毒(HIV)、埃博拉病毒及流感病毒等有包膜病毒(Enveloped viruses)在入侵宿主细胞前进行的关键性结构变化。他们发现了一种抗病毒化合物，能有效地阻止流感病毒在低pH值暴露期间进入宿主细胞，低pH值环境是病毒引起感染的最佳条件。该方法提供了关于包膜病毒如何攻击宿主的重要细节，以及预防这些病毒攻击的可能方法。　　我国科研人员也利用纳米级红外光谱技术开展了相关的研究工作。例如，唐福光等人利用纳米红外AFM-IR对高抗冲聚丙烯共聚物材料个三种不同微区组分进行分析，这些信息有助于理解聚合反应动力学与颗粒生长机理和催化剂的优化设计。史云胜等人通过纳米级红外光谱分析发现石墨平台表面具有非常有序的碳六元环结构，并且吸附的水分子最少。而石墨平台微结构的边缘由于悬键及微加工等原因是吸附水分子最多的位置，石墨基底由于微加工的破坏已经不具有碳六元环结构。这些信息明确了所处环境对石墨平台微结构不同位置的影响，为指导微机电器件的制备与应用提供了信息。韦鹏练等人应用纳米级红外技术研究了竹材纤维细胞壁的化学成分及其分布，观察到了木质素在细胞壁中具有团聚状的不均匀分布。　　此外，同步辐射(Synchrotrons)作为另一种新型的红外光源，具有光谱宽(10～10000 cm-1)、亮度高(比传统Globar光源高2～3个数量级) 、小发散角等特性，特别是其高亮度的特性十分适合开展红外显微光谱成像研究，对小样品或小样品区域的表征上具有传统红外光谱无法比拟的优势(见图5)。随着同步辐射红外显微光谱技术的发展，已经将研究的重点从组织层次的红外光谱成像扩展到细胞层次的红外光谱成像，并在近十年的研究中取得了可观的研究成果，对细胞的结构和功能研究中以及其他领域(文化遗产、考古学、地球和空间科学、化学和高分子科学等)不同材料的研究中都会逐步显示出了独特的作用。图5 同步辐射光源的纳米红外光谱(Synchrotron infrared nanospectroscopy，SINS)系统示意图图6 SINS用于研究催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子化学转化示意图　　例如，2017年C Y Wu等人在Nature上发文，他们使用基于同步辐射红外纳米光谱(Synchrotron-radiation-based infrared nanospectroscopy，SINS)，成功研究了结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子的化学转化，空间分辨率达25nm。研究人员由此可以分辨具有不同活性的颗粒区域，结果表明，与颗粒顶部的平坦区域相比，包含低配位数金属原子的颗粒边缘的催化活性更高，能更有效催化结合在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子中化学活性基团的氧化和还原(见图6)。　　光热诱导亚微米红外成像技术(Mid-infrared photothermal，MIP)采用AFM-IR光热技术的基本概念克服红外波长衍射极限的限制，具有亚微米级空间分辨率，空间分辨率可达500nm，可获得亚微米尺度下样品表面微小区域的化学信息。该技术通过脉冲式中红外激光器照射样品表面，产生光热效应，被聚焦到样品上的可见光作为“探针”进行检测。MIP技术可在反射模式下进行样品测试，无需制备薄片，适用于厚样品，提高了样品测试效率，可用于环境、材料、生命等领域。现已有商品化的光热诱导亚微米红外成像仪，填补了传统红外光谱显微镜和纳米红外光谱之间的空白，该产品还可实现红外和拉曼分析的一体化，共同检测有机、无机组分，可大大拓展该技术的应用领域。　　亚微米级和纳米级红外光谱在很大程度上可以解决横向空间分辨率的测试问题，但物质尤其是生物组织对于紫外、近红外和中红外波段的光波均是强散射媒质，光波在其中传播的平均自由程仅约为1mm，超出这个极限以后，光散射将干扰光波的传播路径，致使其无法有效聚焦。由于这一限制，光学成像方法通常只能应用于浅层成像，当成像深度超过1mm以后，光学成像的空间分辨率会严重下降，大约仅为成像深度的1/3。因此，传统的光学成像方法难以实现对深层组织非浸入原位成像。声学检测方法可以有效地获取深层组织的高空间分辨率图像，因为在相同的传播距离下，声波的散射强度要比光波小两到三个数量级，故相比于光波，声波可以在生物组织，尤其是软组织中低散射地较长距离传播。因此，可采用光声成像技术解决这一问题。图7 光声信号产生示意图　　光声成像是基于光声效应的一种复合成像技术，它有效地综合了声学方法对深层组织成像分辨率高的优点，以及光学成像在获取组织化学分子信息方面的优势。当激光照射物质时，被照射区域及临近区域会吸收电磁波能量并将其转换为热能，进而由于热胀冷缩而产生应力或压力的变换，激发并传播声波，称为光声信号(见图7)。其强度和相位不仅取决于光源，更取决于被照射物质的光吸收系数的空间分布，以及被照物质的光学、热学、弹性等特性。光声成像正是通过检测光声效应产生的光声信号，从而反演成像区域内部物质的光学特性，重构出光照射区域内部的图像。通过选择合适的成像模式和选用不同频率的超声换能器，光声成像可以提供微米甚至纳米量级的空间分辨率，同时获得毫米到几十毫米量级的成像深度。光声成像技术十几年的发展显示了它能对生物组织内一定深度病灶组织的结构和生物化学信息高分辨率、高对比度成像，而其他技术则暂不具有这样的功能。目前，光声成像技术已是生物组织无损检测领域里备受关注的研究方向之一，国际上众多研究学者将重心转移至这一研究方向。　　光声成像有两种具体的实现方式：一种是光声断层成像(Photoacoustic tomography，PAT)，另一种是光声显微镜(Photoacoustic microscopy，PAM)。光声断层成像系统使用非聚焦激光照射成像样品来产生光声信号，并利用非聚焦或线聚焦换能器接收光声信号，随后通过求解光声传播逆问题来重构光声图像。光声断层成像的图像重构依赖于特定的图像重构算法，其成像的空间分辨率和成像深度取决于超声换能器的工作频率。光声显微镜通常使用扫描的方式获得，而不需要复杂的重建算法。扫描的方式主要有两种，第一种是通过扫描一个聚焦的超声探测器以获取光声图像，这种方式被称为超声分辨率光声显微镜，它通过超声来进行定位，分辨率决定于超声换能器的带宽以及中心频率，分辨率能等达到15微米到100微米，由于利用超声进行定位，因此这种显微镜的成像深度能达到30毫米。第二种扫描方式是采用会聚的激光束进行扫描，通过这样的方式能达到光学分辨率的光声成像，它的分辨率取决于会聚激光束的衍射极限，因此它也被称为光学分辨率光声显微镜，由于这种方法通过光来定位，由于组织的散射的影响，它的穿透深度不如超声分辨率光声显微镜。　　我国科研人员在这一领域做出了较大的贡献，例如华南师范大学生物光子学研究院邢达教授团队建立了基于二维扫描振镜的共焦光声显微成像系统，能够高分辨地成像多种癌症细胞、黑色素细胞、红细胞、神经细胞等，并建立起基于中空超声聚焦探测器的光声显微镜，实现了多尺度的光声显微成像。唐志列教授课题组建立了基于光声微腔的显微成像系统，获得了高分辨率的光声显微图像。中国科学院深圳先进研究院宋亮研究员课题组利用压缩感知技术提高了光声显微成像的成像速度，并通过改进光声显微成像系统的扫描装置实现了亚波长分辨率的光声成像。华中科技大学骆清铭教授团队构建了基于反射式显微物镜的光声显微成像系统，改善了成像分辨率及成像深度。图8 基于γFe2O3@Au 核壳型复合纳米结构的诊疗一体化纳米平台示意图　　每种光谱成像技术都不能对生物组织做出完整的描述，由多方法组成的多模态成像技术是获得组织更多信息的有效途径。目前，多模态成像技术引导的诊疗一体化体系因其可以提供肿瘤在位置、尺寸、形状方面丰富的信息，从而可以指导有效治疗而引起人们的广泛关注。我国中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军课题组与苏州大学陈华兵教授团队以及厦门大学任斌课题组等合作，构建了具有高粗糙度的γFe2O3@Au纳米花结构，有效增强了肿瘤拉曼成像信号，并同时提高了磁共振和光声成像效应，实现了高精度、高空间分辨率以及高灵敏度的磁共振/光声/SERS三模态协同成像：通过磁共振成像技术可以获得肿瘤的位置和轮廓的信息 通过光声成像可以对肿瘤进行深层次的定位，同时获得解剖学的信息 通过高灵敏度SERS成像可以对肿瘤边界进行精确定位，从而指导肿瘤切除手术。在此基础上，研究人员进一步利用这种金磁复合纳米材料的近红外光热效应，实现了肿瘤的光热治疗(见图8)。图9 空间位移拉曼光谱(SORS)测试示意图　　如图9所示，空间位移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)是另一种可分析数毫米厚样品的技术，也可以对不透明包装内的材料进行化学分析。SORS可以使用相对较低能量的激光，在分层扩散的散射系统中，分离单个次层的拉曼光谱。在激发点样品表面上的空间位移区域收集拉曼光谱。在增加的空间位移处所观察到的拉曼光谱包括深层提供的相对贡献。　　蔗糖是一种常用的药物赋形剂，蔗糖装在 1.5mm 壁厚的聚丙烯瓶里。如图10所示，用传统拉曼光谱仅测得聚丙烯的谱图，并未识别到蔗糖，而通过 SORS 直接获得了厚聚丙烯瓶内的蔗糖谱图，而没受到 PP 的干扰。因此，SORS 技术用于原料药进厂验证时，不需打开包装，直接在仓库验证，避免打开包装和重新密封的操作。图 10 传统拉曼和 SORS 直接检测聚丙烯瓶内蔗糖的结果　　2、在宏观空间拓展中的应用进展　　德国哲学家康德说过:“这个世界上唯有两样东西能让我们的心灵感到深深的震撼：一件是我们内心崇高的道德法则，另一件是我们头顶灿烂的星空。”自有人类文明史以来，人类对于浩瀚星空的探索从未停止。下面通过列举几个红外、近红外等光谱仪在空间探测方面的应用实例，介绍分子光谱技术在宏观空间拓展方面的应用进展。　　2017年11月15日2时35分，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将“风云三号D”气象卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道。星上装载了10台套先进的遥感仪器(见图11)，除了微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间环境监测仪器包和全球导航卫星掩星探测仪等5台继承性仪器之外，红外大气垂直探测仪、近红外高光谱温室气体监测仪、广角极光成像仪、电离层光度计为全新研制、首次上星搭载，核心仪器中分辨率光谱成像仪进行了大幅升级改进，性能显著提升。中分辨率光谱成像仪可以每日无缝隙获取全球250米分辨率真彩色图像，实现云、气溶胶、水汽、陆地表面特性、海洋水色等大气、陆地、海洋参量的高精度定量反演，为我国生态治理与恢复、环境监测与保护提供科学支持，为全球生态环境、灾害监测和气候评估提供中国观测方案。红外大气垂直探测仪采用迈克尔逊干涉分光的方式实现大气红外高光谱探测，光谱覆盖1370个通道，谱分辨率最高达0.625cm-1，可以获取高频次区域晴空和云顶以上的大气三维结构。该仪器选择大气混合比稳定的二氧化碳红外吸收带，探测大气的温度廓线，选择水汽红外吸收带探测大气的湿度廓线。不同的二氧化碳吸收通道探测到的红外辐射主要来自于特定的高度层，对该高度的大气温度变化敏感，利用此原理可以获得大气的温度垂直分布信息。同样，不同的水汽吸收通道对不同高度层的大气湿度变化敏感，从而可以获得大气的湿度垂直分布信息。不同高度的大气对不同探测通道的红外辐射贡献存在差异，根据这些差异可以反演出大气温度、湿度的三维结构。近红外高光谱温室气体监测仪是一台可监测全球温室气体浓度的遥感仪器，它可以获取二氧化碳、甲烷、一氧化碳等主要温室气体的全球浓度分布和时间变化的信息，提高区域尺度上地表温室气体通量的定量估算，分析和监测全球碳源碳汇，为巴黎气候大会温室气体减排提供科学监测数据。图11 “风云三号”气象卫星携带的科学仪器　　据《每日邮报》北京时间2018年8月21日报道，在使用高科技卫星扫描后，科学家首次发现月球地表存在冰。科学家表示，他们在月球极地的永久阴影区域探测到了冰。他们使用的近红外光谱成像技术，可以分辨出不同类型的水，其中包括地表、吸收到土壤中或结合在矿物中的水。之前人类已经在月球土壤中发现水，但这被认为是人类首次在月球地表探测到水。地表水冰仅占到月球阴影覆盖区域的约3.5%。过去的方法无法区分水和羟基基团(—OH)，本研究利用近红外反射光谱方法，为月球存在H2O提供了无可辩驳的证据，这一方法还可以非常准确地区分不同类型的水。这些数据是由印度首个月球探测器月船一号(Chandrayaan-1)携带的月球矿物成像仪(Moon Mineralogy Mapper)获得的，月船一号发射时间是2008年。　　2019年1月3日上午10点26分，我国嫦娥四号月球探测器成功着陆在月球背面的冯卡门坑内。此后，玉兔二号巡视器驶抵月背表面，其上携带的近红外成像光谱仪成功获取了着陆区探测点的高质量光谱数据。在多台科学有效载荷中，近红外成像光谱仪是唯一服务于月球矿物组成探测与研究的科学仪器，该光谱仪采用AOTF分光技术，光谱范围为0.45～2.40μm，光谱分辨率为2~12nm，具备在轨定标及防尘功能，能适应-20～55℃工作以及-50～70℃存储的温度环境，重量小于6kg，是一台高性能、轻小型、高集成的仪器(见图12)。近红外成像光谱仪对月球车前方0.7m的月表进行精细光谱信息获取，可以看到0.1m分辨率的月表矿物特征，为月面巡视区矿物组成分析提供科学探测数据。2019年5月16日，中国科学院天文台宣布，李春来研究团队利用嫦娥四号探测数据，证明了月球背面南极-艾特肯盆地存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质，由此，月幔化学成分的神秘面纱缓缓揭开帷幕。图13为该团队发表在Nuture上的月幔近红外光谱图及其解析结果。图12 嫦娥四号上的近红外成像光谱仪图13 发表在Nuture上的月幔近红外光谱图及其解析结果　　新华社北京2019年3月29日电，中国科学院国家天文台近日发布了郭守敬望远镜(LAMOST)7年来获取的1125万条光谱。这是世界上首个获取光谱数突破千万量级的光谱巡天项目。LAMOST是我国自主研制、世界上口径最大的光谱巡天望远镜。此次发布的高质量光谱数达到937万条，约为国际上其他巡天项目发布光谱数之和的2倍，另有一个636万组恒星光谱参数星表，是目前全世界最大的恒星参数星表。LAMOST结合红外、射电、X射线、伽马射线巡天的大量天体的光谱观测在在各类天体多波段交叉证认上做出重大贡献。在星系探索中，包含着极其丰富信息的光谱起了非常关键的作用。其中星系的光谱可以提供距离、构成、分布和运动等信息，而恒星的光谱则包含构成、光度、温度、化学组成、空间分布和演化历史等资讯(见图14)。从大量天体的光谱观测中还可以发现许多奇异的天体和天体现象。所有这些，将促进人类对宇宙演化规律、物质结构、相互作用等最基本物理规律的新认识。图14 光谱用于深空探测示意图　　2018年6月29日，国外媒体报道，哈勃望远镜的“接任者”詹姆斯?韦伯望远镜将推迟至最早2021年3月30日发射。韦伯望远镜由NASA和欧洲航天局以及加拿大航天局联合研发，它将是有史以来建造的最强大的太空望远镜，其携带三台具有超级图像能力的仪器：一台近红外摄像机、一台近红外光谱仪以及一台组合式中红外摄像机与光谱仪。一旦成功发射并投入运行，詹姆斯韦伯太空望远镜将使天文学家和天体物理学家填补一些关键的知识空白，这主要归功于望远镜能够很好地探测到红外光谱。望远镜利用能够捕获0.6～28μm波段光线的探测器，不仅能够探测和分析最远距离的红移星系，还能够直接观测由星系形成的星状星云中的巨大尘埃云，并辅助观测附近的系外行星。据报道，近红外光谱仪(见图15)将用于观测早期宇宙(约大爆炸后4 亿年)的第一颗恒星和第一个星系，可同时观测100个天体，为天文学家研究这些天体的化学成分、动力学特性、年龄和距离提供数据。该光谱仪还具备研究银河系恒星诞生的早期阶段、分析其它恒星轨道上行星的大气特性等功能，可帮助天文学家寻找地外潜在的生命。图15 詹姆斯?韦伯望远镜上的近红外光谱仪组装图　　2019年7月8日，在2019软件定义卫星高峰论坛上，中国月球探测工程首席科学家欧阳自远在报告中透露“中国将于2020年探测火星”， 这一消息引发了广泛关注。尽管我国尚未公开具体的探测技术细节，但这让我们想到了2017年10月1~5日在日本名古屋举行的OSA激光大会上，美国科学家发布，“NASA 火星 2020探测器”将携带全新的化学成像仪，除更快的激光诱导击穿光谱(LIBS)系统之外，该成像仪将采用全新的传导冷却激光系统，提供拉曼光谱的非破坏性分析能力，能够检测有机材料的碳基特征(过去生命的证据)。与“好奇号”LIBS单一功能不同，这种新的仪器将能够对LIBS模式和拉曼模式的激光进行切换，在进行非破坏性化学鉴定时，这种方法采用两种不同的激光激发和探测分子振动能量。　　黑格尔有句名言：“一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望。” 千百年来，璀璨的星空一直吸引着我们的好奇心，绚丽的宇宙总会给我们以无穷无尽的遐想。相信光谱技术的发展将会使人类探索浩瀚星空的脚步越走越远。科学和技术永无止境的发展，一定会将人类超越的旅程在空间上无限延展。　　3、在节约时间中的应用进展　　下面主要以近红外光谱为例扼要介绍分子光谱分析技术在节约时间，提高分析效率、获取经济效益等方面的应用进展，这仅是众多应用中的冰山一角。　　著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者Sheldon Lee Glashow曾用巨蛇沃洛波罗斯图(Ouroboros)来展示物理学统一极大与极小的梦想，一条咬着自己尾巴的神话巨蟒，代表了我们生活的物理世界，象征着轮回和重生，即开始也是结束，永无止境(见图16)。图上蛇身从普朗克尺度到大的宇宙视界，整个可见宇宙包含了大约60个数量级，其中近红外光约为2.5×10-4～7.0×10-5厘米，人类的尺度约为102厘米，而近红外光谱分析的对象约为10-2～102厘米，可以看出，其应用对象大多属于人们可以看得见、摸得到的常见常用物质，这也使得其成为人类生活、生产活动相关物品快速、无损分析的首选技术。图16 Sheldon Lee Glashow的巨蛇沃洛波罗斯图　　近红外光谱分析技术区别与其他传统分析技术的一个显著特征是，近红外光谱分析大都不需要对样品(如药片、水果、谷物、等)进行破坏性的预处理，而是通过设计专用附件(见图17)来有效获取样品的光谱，而从显著减少分析时间，提高分析效率。近红外光的一个特点是可以通过石英光纤进行百米距离的传输，所以较易实现工业装置的现场在线分析。从测量形式上，可采用接触式、非接触式或浸入式(见图18)。根据不同的测量对象，近红外光谱的测量方式可采用透射、漫反射或漫透射方式。近红外光谱中含有丰富的含氢基团信息，结合化学计量学方法可以得到准确的定量和定性分析结果。图17 针对不同样品的近红外光谱测量附件图18 在线近红外光谱测量的方式　　再从垃圾分类中的废塑料回收说起。图19 近红外光谱用于在线塑料分选示意图　　混合的废塑料很难回收再利用或者再利用价值不高，废塑料必须分类才能达到有效回收利用的目的。目前，国外已有较为成熟的基于近红外光谱技术的成套废塑料筛选装置。自动化塑料分选系统采用近红外光谱来分析原料的光谱而从中识别塑料的种类及颜色。在分析了原料的光谱之后，计算机系统会据使用者的设定来控制气体喷射装置，把被选择的原料喷射出来(见图19)。在高达每秒2.5米的分类速度和超过99%的精确度之下，自动化的废塑料筛选装置可以克服在人工分选塑料中所存在的问题，例如速度慢、不精确、不一致等。能够分类的塑料包括：PP、PVC、PE、ABS、PMMA、POM、PC、PC/ABS、PS 等，产量可高达每小时2000公斤到4000公斤。迄今，近红外光谱分选逐渐成为塑料分选的主流技术之一。国外很多近红外光谱塑料分选设备已投入使用，在市政垃圾处理、废旧家电、汽车拆解等项目中获得了良好的效果。　　除了废塑料筛选外，近红外光谱还被用于废衣物(织物)材料的分类筛选。我国每年纤维加工总量约达5000万吨，年产生超过2000万吨的废旧纺织品，全部回收利用，相当于每年可以节约原油2400万吨，并且减少8000万吨二氧化碳的排放，但目前回收利用率不足10%，高值化利用更处于初级阶段。分拣技术是高值化利用废旧纺织品的基础，国外在线近红外光谱鉴别自动分拣系统已得到普遍使用。我国一些企业也开始逐渐采用近红外自动分拣系统对涤纶、棉、毛、麻、粘胶等废旧纺织品进行分类，然后循环再利用。值得关注的是，上述这些设备我国均有团队在研发。　　除了在线筛选设备外，一些手持式的近红外光谱、中红外光谱和拉曼光谱分析仪在废塑料、废织物种类鉴别、海关物项和毒化监管等应用中也正在或即将发挥着重要的作用。　　另外值得一提的是，北京化工大学袁洪福团队基于近红外光谱研制出了蚕蛹雌雄智能高速分拣设备(图20)。蚕蛹雌雄分选是蚕种生产企业生产过程的重要环节，目前蚕蛹雌雄分选依然沿用手工逐粒鉴蛹的操作方式，速度慢、成本高，而且用工量大，劳动工作强度大，劳动力紧缺已成为非常突出的矛盾，落后的生产模式成为制约行业规模化发展的瓶颈。袁洪福团队基于近红外光谱研制出的蚕蛹雌雄智能高速分拣设备得到了批量应用，其分拣速度可以达到每秒10个以上，正确率可以达到98%，每天可以分选数千公斤蚕蛹样品，使传统的劳动密集型桑蚕制种行业正在走向智能化。图20 蚕蛹雌雄高速鉴别与分选设备　　2009年闵恩泽院士在《石油化工—从案例探寻自主创新之路》一书中提到未来炼油厂的关键主题之一是原油的快速分析，当时BP公司正在开发近红外光谱原油快评技术，旨在将原油全分析的时间由6星期缩短为30秒，其目标是对每一船原油进行快速分析，为炼厂在随后的加工中优化效益提供数据(见图21)。2012年中石化石油化工科学研究院(RIPP)开发出了基于近红外光谱的原油快评技术(见图22)，建立了中石化原油近红外光谱数据库，可在3min之内(从取样到数据的预测)准确预测出原油密度、酸值、残炭、硫含量、蜡含量、胶质、沥青质和实沸点蒸馏收率等数据，该技术在镇海炼化等企业得到实际应用，与原油调和技术结合可为企业带来可观的经济效益。图21 2009年闵恩泽院士《石油化工—从案例探寻自主创新之路》一书中描绘的未来炼油技术　　在汽油管道自动调和技术中，目前在线近红外光谱分析仪是技术标配。经过十余年的积累，RIPP已经建立了较为完善的汽油近红外光谱数据库。它能够在10min之内预测出近十种组分汽油和成品汽油的多个关键物性(研究法辛烷值、抗爆指数、烯烃、芳烃、苯、MTBE含量、蒸气压等)，调合优化控制系统利用各种汽油组分之间的调合效应，实时优化计算出调合组分之间的相对比例，即调合配方，保证调合后的汽油产品满足质量规格要求，并使调合成本和质量过剩降低到最小。在2018年RIPP实施的一个汽油自动调和项目中，这项技术每年可为炼油企业带来了上千万元的经济效益(见图23)。图22 中石化石科院开发的近红外光谱原油快评技术路线示意图　　除此之外，RIPP还针对不同的二次炼油装置建立了石脑油、催化裂化轻循环油(LCO)、减压蜡油(VGO)、加氢尾油、润滑油基础油、渣油等油品的近红外光谱或中红外光谱数据库，其主要目的是为炼油装置的先进过程控制和实时优化技术提供更快、更全面的分析数据，从而实现炼油装置的平稳、优化运行。我国正处于从炼油大国向炼油强国转变时期，智能化是炼油企业发展的必然趋势。信息深度“自感知”、智慧优化“自决策”和精准控制“自执行”是智能工厂的三个关键特征，其中信息深度“自感知”是智能炼厂的基础。原料、中间物料和产品的分子组成和物性分析数据是信息感知的重要组成部分，以近红外光谱为核心之一的现代石油分析技术为化学信息感知提供了非常有效的手段。这一工业应用的大幕在我国刚刚开始拉开，将会给炼油和化工行业带来变革。只要技术本身先进，顺应精细化管理和智能化加工的大趋势，相信任何时候都有重新开始一遍的机会。在很长一段时间内，近红外光谱技术在这一领域应用稳定向好的基本面不会发生改变。图23 2018年石油化工科学研究院实施的汽油调和项目应用报道　　2019年3月，在上海第 18 届家电及消费电子产品世界博览会(AWE 2019 )上，博世公司展出了商品化的智能洗衣机，通过X-Spect近红外扫描仪可以几秒钟之内识别面料与污渍种类，精准推荐洗涤程序，让衣物得到更专业更精细的洗涤，这是家电行业里首个推出的将近红外光谱技术与家电相结合的商品(见图24)。不同面料的衣服需要不同的洗涤条件，比如棉质衣物最佳水温是40～50℃，若洗涤不当容易出现褪色等问题。而羊绒毛衫的洗涤温度则不宜超过30℃，洗涤不当的话就会很容易变形，并影响其保暖性。同样，衣物沾染上不同的污渍，需要结合衣物面料的成分，选择不同的洗涤剂和洗涤程序。X-Spect近红外扫描仪可以精准识别面料的成分和判断污渍的组成成分，得到数据后上传至云端，通过云端的深度学习算法对数据分析后，为衣物推荐适合的洗涤程序，让衣物的每一次洗涤都是量身定制，让洗衣过程更精细可控。图24 基于近红外光谱快速分析的智能洗衣机　　近些年，微型便携式光谱仪器在人们日常生活中的应用研究已初显端倪，多款概念产品纷纷亮相市场，例如足以集成于智能手机和可穿戴设备中的NeoSpectra Micro芯片光谱仪(18 x 18 x 4 mm)、Myoeno红酒智能鉴别扫描仪、脱水监测智能手环等等。各种先进微纳技术势必会给微型近红外光谱仪的发展提供有力的技术支撑，而且随着5G、云计算、物联网等技术的发展，近红外光谱与人类生活的联系将会更加密切。相信不久的将来，智能冰箱、智能微波炉、智能马桶等家电和厨卫设施，都会融合现代光谱技术，让生活变得更便利更智慧更炫彩。　　2018年1月，中华粮网发布信息“2017年东北三省大豆质量较好，高蛋白大豆比例大幅上升”，在品质方面，达标高蛋白大豆比例为58.0%，较2016年增加39.6个百分点。之所以高蛋白大豆比例大幅上升，与油脂加工企业收购大豆以蛋白质含量定价有关。而这一功劳很大程度上要归功于近红外光谱技术，在收购大豆时油脂加工企业采用近红外光谱分析仪快速(几分钟内)测定大豆的品质，依据蛋白质含量进行定价。这迫使大豆贸易商也购置近红外光谱分析仪，在收购粮农大豆时现场使用。按质论价已改变了东北三省大豆的种植结构和粮农的思路，过去只管种、不管卖的思路正在逐步转变，一些种植大户也购置近红外光谱分析仪，指导大豆的种植和经营。粮农不再盲目追求大豆品种的产量，更加关注品种的质量。因市场导向，粮农倾向选用蛋白质含量高的大豆品种种植。　　国内外近红外光谱仪器厂商看到这一商机，通过多种技术手段不断降低仪器生产成本，让该技术普惠了更多的粮农。2018年10月，中国农业新闻网报道，黑龙江省农业科学院选育的大豆新品种绥农76的蛋白含量高达47.96%，远超黑龙江省内大豆蛋白质含量40%的平均值，也超过了高蛋白质含量大豆44%的标准线。可以看出，近红外光谱快速分析技术正在改变着整个大豆的产业链，包括育种、种植、贸易和加工等各个环节。实际上这个应用链条一直在延长，从粮油加工业，到饲料工业，到养殖业，到屠宰业，到肉类加工业，到商业流通，到人类营养、疾病、医药、治疗，而且越往链条的后端，近红外光谱的快速高效分析优势发挥的作用越明显，获得的经济效益和社会效益越明显。　　近红外光谱在线水果分选技术是节省时间、提高品质应用中的一面旗帜。韩东海教授已专门撰文《近红外引领果蔬分选技术实现飞跃》，提出了“近红外在果蔬内部品质检测上的应用使得分选设备发生了革命性的变化”观点，我完全赞同。另外，2019年7月11日中国科学报刊发了题为《刘燕德：为水果智选甘坐十年“冷板凳”》的报道，介绍了国产近红外水果分选设备的研发情况。感兴趣的读者可以参阅上述两篇文章。随后的“近红外光谱新技术/应用进展”系列网络专题中，会就近红外光谱在中药、粮油加工、饲料、石油化工、食品等领域的应用进展和化学计量学等学科发展请相关领域的专家做论述，在此不再展开讨论。　　在时间维度上，还有两项中红外光谱技术值得关注：　　一是基于激光的红外光谱椭偏技术。光谱椭偏技术测量光与样品相互作用后的偏振变化，红外光谱椭偏技术可以提供样品的化学组成和分子取向的详细信息。近期，A Ebner等人采用可调谐量子级联激光器(QCL)作为中红外光源，将QCL的快速可调性与相位调制偏振相结合，将光谱采集时间从几小时缩短到不到1秒，并能在较宽的光谱范围(900～1204 cm-1)内获得高分辨率(1cm-1)、高信噪比的椭圆偏振光谱。与传统的基于傅里叶变换光谱仪的红外椭偏仪相比，信噪比提高了至少290倍。他们的实验表明，当各向异性聚丙烯薄膜拉伸时，该技术可用于分子重定向的实时监测。说明了亚秒时间分辨率的优点，例如在线过程监测和质量控制。亚秒级时间分辨率与激光的高亮度相结合，有望在众多科学研究和工业中得到应用。激光的亮度意味着它可以用于高吸收性材料的中红外光谱椭偏测量，包括溶解在水中的物质或物质。QCL红外光谱椭偏技术可以帮助改善制造工艺和最终产品的质量，还可能揭示以前不可观察的物理和生物过程，以期实现新的科学发现。　　二是基于激光频率梳的红外光谱技术。与发射单一频率的传统激光器不同，频率梳光源可同时发射多个频率，均匀间隔以类似于梳齿的谱线，它可覆盖从太赫兹到紫外可见较宽频率的光。目前，无移动部件的QCL频率梳可以做到几毫米的长度，可发出超过 300 间隔相等的频率线，跨越 130 cm-1的范围，在成本和耐久性方面具有较强的吸引力。QCL频率梳光源为中红外光谱仪的小型化和全固态化开辟道路，例如可以将芯片放置在无人机上以测量空气污染物，贴在墙上的芯片可以搜索建筑物中的痕量爆炸物质，还可用于医疗设备，通过分析呼吸空气中的化学物质来检测疾病。目前，已有商品化的时间分辨快速双光梳红外光谱仪，它使用QCL频率梳做光源，能实现高达1μs时间分辨的红外光谱快速测量，光谱分辨率为0.25～0.5 cm-1，光谱范围为1050～1700 cm-1。超快速红外光谱监测技术有望开启全新实时分析的可能性，例如可以实时观察蛋白质的折叠和构象变化，可以实时监测化学反应，理解并优化反应过程等。　　4、结束语　　纵观分子光谱学科本身发展及其应用的进展，不难看出，其发展趋势与其他分析手段(诸如色谱、质谱和波谱等)大致类似，与奥林匹克格言“更快、更高、更强”大致相同。“更快”的内涵包括光谱测量速度和分析速度更快、同时获取多种光谱信息更便捷更快、新技术新产品推陈出新更快等等，“更高”的内涵包括分析更高效、光谱仪器的性能指标更高、可以获取样本更高更深层的光谱信息、整体的分析解决方案更高湛等等，“更强”的内涵包括仪器越来越小但功能越来越强、实用性更强、灵活性更强、适应性更强，诸如此类。　　光学器件、新材料、5G(6G)通讯、物联网、大数据、云计算等科技的迅速崛起，使分子光谱这一传统分析技术面貌焕然一新。受生物医学、材料、环境、深空探测、智能制造等前沿科学的牵引，分子光谱在空间拓展和节约时间方面的应用表现非凡。尽管这两个发展过程都不是一帆风顺，却都是一路高歌猛进。“旧中知新是发现，无中生有是发明。”分子光谱在空间拓展方面的应用多与发现相关，多属于科学研究的范畴 分子光谱在节约时间方面的应用多与发明相关，多属于技术开发范畴。两者既有区别，又交相辉映、相得益彰，既有阳春白雪、也有下里巴人，既有顶天立地、也有铺天盖地，既有雪中送炭、也有锦上添花，分子光谱技术在人类的文明进步中发挥着重要的作用。分子光谱技术也将会越来越与数字地球、智慧农业、智能工厂、精准医疗、深空探测、碧水蓝天、炫彩生活等时代主题相融合，在与众多学科交叉交融中得到快速发展。　　“一切进步都是空间的拓展，拓展空间即是拓展人生”“一切节约都是时间的延长，延长时间即是延长生命”。愿我们伴随着分子光谱技术的不断发展，拓展人生，延长生命。　　参考文献　　1 D Schymanski， C Goldbeck，H U Humpf，P Fürst. Analysis of microplastics in water by micro-Raman spectroscopy: release of plastic particles from different packaging into mineral water. Water Research，2018，129：154～162　　2 C Y Wu，W J Wolf，Y Levartovsky，H A Bechtel，M C Martin，F D Toste，E Gross. High-spatial-resolution mapping of catalytic reactions on single particles. Nature，2017，541(7638)：511～515　　3 L Xiao，Z D Schultz. Spectroscopic imaging at the nanoscale: technologies and recent applications. Anal. Chem.，2018，90(1)：440～458　　4 F Huth，A Govyadinov，S Amarie，W Nuansing，R Hillenbrand. Nano-FTIR absorption spectroscopy of molecular fingerprints at 20 nm spatial resolution. Nano Letters，2012，12(8)：3973～3978　　5 S Gamage，M Howard，H Makita，B Cross，G Hastings，M Luo，Y Abate. Probing structural changes in single enveloped virus particles using nano-infrared spectroscopic imaging. PLOS ONE，2018，13(6)：e0199112　　6 赵玉晓，劳文文，王子逸，邝平，林伟德，朱红艳，戚泽明. 癫痫大鼠海马神经元生化分子的同步辐射显微红外光谱成像研究. 光谱学与光谱分析，2019，39(2)：128～132　　7 J Kilgus，G Langer，K Duswald，R Zimmerleiter，I Zorin，T Berer，M Brandstetter. Diffraction limited mid-infrared reflectance microspectroscopy with a supercontinuum laser. Optics Express，2018，26(23)：30644　　8 H A Bechtel，E A Muller，R L Olmon，M C Martin，M B Raschke. Ultrabroadband infrared nanospectroscopic imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences，2014，111(20)：7191～7196　　9 陈重江，杨思华，邢达. 光声显微成像技术研究进展及其应用. 中国激光，2018，45(3)：0307008　　10 J Huang，M Guo，H T Ke，C Zong，B Ren，G Liu，H Shen，Y F Ma，X Y Wang，H L Zhang，Z W Deng，H B Chen，Z J Zhang. Rational Design and Synthesis of γFe2O3@Au Magnetic Gold Nanoflowers for Efficient Cancer Theranostics. Advanced Materials，2015，27(34)：9　　11 W Shi，R J Paproski，P Shao，A Forbrich，J D Lewis，R J Zemp. Multimodality Raman and photoacoustic imaging of surface-enhanced-Raman-scattering-targeted tumor cells. Journal of Biomedical Optics，2016，21(2)：020503　　12 C L Li，D W Liu，B Liu，X Ren，J J Liu，Z P He，W Zuo，X G Zeng，R Xu，X Tan，X X Zhang，W L Chen，R Shu，W B Wen，Y Su，H B Zhang，Z Y Ouyang.Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials.Nature，2019，569：378～382　　13尹凤福，闫磊，韩清新，徐衍辉. 近红外光谱(NIR)分选技术在塑料分选领域的应用. 环境工程，2017，(12)：134～138　　14 J X Cheng，X S Xie. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science，2015，350(6264)：aaa8870　　15王昆，林坤德，袁东星. 环境样品中微塑料的分析方法研究进展. 环境化学，2017，36(1)：27～36　　16 A Ebner，R Zimmerleiter，C Cobet，K Hingerl，M Brandstetter，J Kilgus. Sub-second quantum cascade laser based infrared spectroscopic ellipsometry. Optics Letters，2019，44(14)：3426～3429　　17 N Picque，T W Hansch. Frequency comb spectroscopy. Nature Photonics，2019，13(3)：146～157　　(本文是“2019中国仪器仪表学会学术年会”和“2019国际应用光学与光子学学术交流会”讲稿的文字整理)（褚小立）

2022年举办的第27届国际计量大会（CGPM）通过“关于秒的未来重新定义”决议——将利用光钟实现时间单位“秒”的重新定义，计划在2026年第28届CGPM大会上提出关于“秒”的重新定义的建议，并在2030年第29届CGPM大会做出最终决定。中国科学院国家授时中心（NTSC）担负着“北京时间”的产生和发播任务。日前，中国科学院国家授时中心的锶光钟研制取得了重要进展——国家授时中心成功研制了频率不确定度5.1×10-17、频率稳定度6.6×10-16 (τ/s)-0.5的锶光钟NTSC-Sr1，并通过守时氢钟溯源至国际原子时（TAI），实现了在现行时间单位“秒”定义下的锶光钟绝对频率测量，测量值不确定度4.1×10-16。上述研究成果近日发表在国际计量权威学术期刊《计量学》（Metrologia）上。卢晓同特别研究助理为文章第一作者，常宏研究员和武文俊研究员为共同通讯作者。面向国家需求和世界科学前沿，在中国科学院国家授时中心常宏研究员带领下，自2008年起经过十余年的不懈努力，近年来在锶光钟研制方面取得了系列创新成果，如超越Dick极限的双激发谱锶光钟多项技术、弗洛凯准粒子干涉和浅光晶格钟跃迁窄谱，特别是国家授时中心负责研制的国际首台空间光钟于2022年10月搭载“梦天”实验舱入驻我国空间站。据介绍，中科院国家授时中心后续将推进锶光钟参与TAI守时研究，实现光钟在国家标准时间的应用，确保我国时间基准独立自主，并在“秒”定义变更中争取国际话语权。

第八届亚太地区激光剥蚀和微区分析研讨会于2023年3月9-11日在武汉盛大召开，本次大会由中国矿物岩石地球化学学会同位素地球化学专业委员会和微束分析测试专业委员会举办，旨在推动亚太地区激光剥蚀等离子质谱及微区元素和同位素分析的研究、应用和发展。作为支持单位，仪真分析积极参与了本次大会，在现场设置展位与来访专家进行深入探讨的同时，更带来了精彩报告。仪真分析产品部栗经理分享了《IRIDIA超快速低分散193nm准分子激光剥蚀系统及应用》的专题报告： IRIDIA超快速低分散193nm准分子激光剥蚀系统具有稳定的激光能量密度，快速的样品剥蚀池，高频的脉冲频率（最高可达1KHz），可兼容第三方的ICP-MS，在地球科学、生物医学、核工业、考古学、物证分析、制药、金属材料、珠宝鉴定等领域有极大的应用前景，尤其适合于各类样品的痕量元素原位成像分析。l 193nm (300Hz、500Hz、1000Hz可选)l 创新设计的Cobalt剥蚀池：气溶胶洗出时间1ms-2sl 动态Z轴，不平整表面自动调整聚焦l 优良的光路设计：反射镜可旋转，寿命延长为普通反射镜的5倍l 可选ExiCheck自动换气组件，提高工作效率l 2D和3D成像l eQC原位能量检测l HDIP专业成像软件此外，仪真分析也于现场展出了部分Cetac公司自动化产品——ASX-560自动进样器及Aridus3膜去溶系统。 会议间隙，与会嘉宾纷纷至仪真分析展台围绕激光剥蚀技术应用论题咨询了解，我们一一做出详细解答，现场学习交流氛围浓厚，双方收获满满。

近红外光谱仪（NIR），因其在样品分析中具有方便快速、高效准确、不破坏样本、不消耗化学试剂、不污染环境等优点，从而受到越来越多人的青睐，广泛应用于农业、食品、医药、石化等领域。为了促进近红外光谱技术的高速发展和应用，仪器信息网于2022年8月17日举办了“近红外光谱最新技术及应用”主题网络研讨会。 本场会议聚焦了化学计量学算法、石油化工、食品农业等领域的最近技术和应用，会议刚开场就达到会议高潮，每一位网友都对专家们的报告内容非常感兴趣，整场会议共提出了60+条学术问题。掌声、收获充斥着会议全场！ 非常幸运，我们征得了全部专家的同意，可以将报告视频放置在仪器信息网供大家反复学习观看！点击下方按钮即可观看！我要免费观看视频回放！再来一起回顾下会议精彩瞬间吧！来自南开大学的邵学广教授：讲解了结合近红外光谱分析的需求，简述近红外光谱分析中所涉及的化学计量学方法，通过多元校正、主成分分析、深度学习等说明在近红外光谱分析实践中正确选择和使用化学计量学方法。来自瑞士万通中国的张闪闪经理：讲述了瑞士万通近红外光谱产品在化工行业的多个新应用。来自中国石化石油化工科学研究院的许育鹏高级工程师：主要讲解了近红外光谱技术在石油化工领域的应用研究。来自海洋光学的晏彬彬工程师：主要讲解了如何选择合适的近红外光谱仪；海洋光学近红外光纤光谱仪产品介绍；近红外光纤光谱仪在食品行业的应用案例分享。来自中国农业大学的闵顺耕教授：主要介绍采用近红外光谱技术结合化学计量学方法对香精香料质量一致性进行快速分析方法。来自南京林业大学的黄玉萍副教授：主要对比分析了传统可见/近红外光谱与空间分辨光谱对果蔬品质的检测性能，从定性和定量检测两方面验证空间分辨光谱的检测性能等。同时，特别感谢瑞士万通、海洋光学对本次会议的大力支持！ 更多免费会议，欢迎关注网络讲堂服务号：更多会议合作，欢迎扫码联系我们：

一提到金刚石这个词想必大家都不陌生了，今天要说的也是金刚石家族的一个成员——金刚石薄膜。什么是金刚石薄膜？金刚石薄膜是20世纪80年代中后期迅速发展的一种优良的人工制备材料。通常以甲烷、乙炔等碳氢化合物为原料，用热灯丝裂解、微波等离子体气相淀积、电子束离子束轰击镀膜等技术，在硅、碳化硅、碳化钨、氧化铝、石英、玻璃、钼、钨、钽等各种基板上反应生长而成。几乎透明的金刚石薄膜（图片来源：网络）集诸多优点于一身的金刚石薄膜，它不仅具有金刚石的硬度，还有良好的导热性、良好的从紫外到红外的光学透明性以及高度的化学稳定性。在半导体、光学、航天航空工业和大规模集成电路等领域拥有广泛的应用前景。至今为止，已在硬质切削刀具、X射线窗口材料、贵重软质物质保护涂层等应用中具有出色的表现。随着金刚石薄膜的研发需求和生产规模不断壮大，是否有一套可靠的表征方法呢？当然有！拉曼光谱用于碳材料的分析已有四十多年，时至今日也形成了很多比较完善的理论。对于不同形式的碳材料，如金刚石、石墨、富勒烯等，其拉曼光谱具有明显的特征谱线差异。此外，拉曼光谱测试是非破坏性的，对样品没有太多要求，不需要前处理过程，可以直接检测片状、固体、微粉、薄膜等各种形态的样品。金刚石薄膜的应力值是非常重要的质量指标。金刚石薄膜和基体之间热膨胀的差异以及其他效应（如点阵错配、晶粒边界的成键和薄膜生长过程中的成键变化等）导致了生长后的薄膜存在残余应力。典型可见光激光激发的拉曼光谱在1000-2000cm-1包含了金刚石薄膜的应力信息。对于较小的应力，拉曼谱图表现为偏离本征频率的一个单峰，并且谱峰会变宽。在高达140GPa的压力下，拉曼位移甚至能够偏移到1650cm-1，与此同时线宽增加了2cm-1。下图是安东帕Cora5001拉曼光谱仪检测的一张典型的非有意掺杂的金刚石薄膜的拉曼谱图。图中可以发现，除了位于1332cm-1的一阶拉曼谱线以外，也能够观测到其他很多拉曼谱峰，典型谱峰的位置和指认如表1中所示。Cora 5001系列拉曼光谱仪在金刚石材料的检测中具备很大优势：碳材料分析模式：智能分析软件中的Carbon Analysis Model可以自动进行寻峰、进行峰形拟合，再计算碳材料特征拉曼峰的信息。一级激光：金刚石材料的拉曼检测多使用532nm激发，有时也需要使用785nm激光激发，Cora5001可以做到一级激光的安全性能。自动聚焦：Cora5001 （Direct）样品仓室内配置了自动聚焦调整样品台，根据仪器自带的聚焦算法可以轻松实现聚焦，使拉曼测试变得简单便捷。双波长可选：金刚石家族的拉曼光谱与入射激光波长密切相关，多一种波长选择也许会得到不同的信息，这为信息互补提供必要条件。“双波长拉曼”每个波长都配置独立的光谱系统，只需按一下按键即可从一个波长轻松切换到另一个波长，无需额外调整样品。

3月2日，记者从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。双频(两频率)激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

3月2日，记者从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。双频（两频率）激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

3月2日，从清华大学精密仪器系获悉，该系张书练教授课题组进行原理研究并由北京镭测科技有限公司开发生产的双折射双频激光干涉仪实现批量生产。　　双频(两频率)激光干涉仪是科学研究、光刻机、数控机床、航空航天、舰船等行业都离不开的光学尺子，用于测量零部件的尺寸，角度，位置，直线性，也是检定各类数控机床、激光加工机床以及光刻机台的精度，进行误差补偿的基本仪器。　　张书练介绍，双频激光器是双频激光干涉仪的核心部件。国外干涉仪厂家都是自制专用激光器，称为塞曼双频激光器，不对外供应。此前我国的双频激光干涉仪只能进口普通激光器，从中选出可用的，淘汰率高，性能上不去，导致双频激光干涉仪国产化困难。　　据介绍，此次清华大学精密仪器系发明的双折射原理的双频激光器比传统的塞曼双频激光器的激光功率高一倍、频率间隔大一倍或两三倍、没有两个频率之间耦合串混。分辨率达到1纳米(十亿分之一米)，线性测量长度范围0到70米，非线性误差小于1纳米，测量速度超过2米。　　张书练指出，双折射双频激光器的使用带动了干涉仪整机的光机电系统创新设计，使双折射双频激光干涉仪具有便携，方便，鲁棒等优良性能。

如何从大气中精准检测温室气体？这个问题，来到中国环境谷的安徽岑锋科技有限公司就能得到解答。该企业基于激光光谱检测分析技术开发出了不同类型高精度分析仪器，让光谱监测仪像一个个“听诊器”，把大气中蕴含的温室气体数据精确传感，提升监测敏感度、精确度。自主研发 实现“精度”突破10月26日，在安徽岑锋科技有限公司，车间里的工作人员正在加紧组装、测试专门订制的高精度温室气体光腔衰荡光谱监测仪(CRDS)。设备内密密麻麻分布着不同的线路，还未安装的电子屏显示着上一轮测量的数据。这个不到1米长的长方体盒子里有精心设计的光学腔室，在国内率先实现自主设计及产业化推广，解决了高精度温室气体测量领域仪器设备的“卡脖子”问题。“该类自研的光学腔室会‘魔法’，可让光束在光腔内形成共振反射，即在光腔内实现来回振荡传播，在传播的过程中，遇到目标气体分子后会被吸收。简单地说，这种仪器就像光谱‘听诊器’一样，光在设备内传播的过程犹如气体分子的‘诊断’过程，‘听诊时间’越长，‘诊断’结果越精准越细致，所反映的气体浓度检测也越精确。”工作人员崔芳生一边演示设备一边介绍，传统的检测技术在气体浓度低的情况下可能检测不出来，而这个仪器让多种温室气体实现同步测量，等效光程可达60km，具有高精度、高准确度等特点。公司自主研发生产的另一款基于激光吸收光谱技术（TDLAS）的开路式温室气体分析仪，体积小、重量轻，除了高精度还可保证高频响应。“目前国内或者国外的技术测量频率在20赫兹，我们这款产品能达到100赫兹，就是检测频率每秒钟达到100次，能更加精准的捕捉气流在大气环境下的微弱变化。”崔芳生介绍。技术向国际看齐，应用也日益广泛。高精度温室气体监测仪已经实现量产，目前有二十余台应用在我国西北、西南、东南等区域，用于气象环保、环境监测等实际需求。“追光”不止 做光学仪器设备拓荒者前不久，使用了光腔衰荡光谱技术（CRDS）的高精度温室气体监测仪代表安徽岑锋科技有限公司“出战”，获得了第十二届中国创新创业大赛安徽赛区三等奖。产品凝结着研发团队的技术结晶，也代表着企业的技术成果。这个成立一年多的公司已经获得了3项发明专利、1项实用新型专利，1项外观设计专利和多个软件著作权登记证书，发展势头强劲。该企业核心成员是6位来自中国科学院的光学专业博士，在40余名员工中，研发人员占比在50%左右。“公司是由6位博士组成的技术型团队，大家志同道合，有着共同的理想，就是做好国产光学仪器设备，实现相关领域自主知识产权。”总经理何俊峰博士介绍，产业化之所以能顺利实现，来源于团队每个成员深厚的技术沉淀，“我自己从事激光光谱研究十几年，其他老师也都在相关行业工作多年，公司能在研发、生产、销售整个链条上平稳运行离不开大家长期的技术积累。”开拓领域 面向更广市场成熟的产品、领先的技术，需要合适的平台，才能走向更大的舞台。最近，安徽岑锋科技有限公司向蜀山经开区申请了相关场地，准备在园区内搭建温室气体检测系统，等设备齐全后，将试点进行温室气体检测的实际应用。“线上申请后，工作人员就上门帮助我们在辖区范围找各个部门协调，两三天就找到并且批下来了，效率很高。”何俊峰说。中国环境谷现已聚集环境领域重点企业370余家，通过举办相关论坛、沙龙、学术交流会等方式，向政府部门和行业组织推介企业，积极为园区企业寻找应用场景。“政策宣传、用工用人、融资需求等企业需要的各类服务，我们都有配套的制度。”蜀山经开区相关部门的工作人员表示，园区企业还可以在“政企直通车”线上提交诉求，线上派单，线下完成后及时反馈。“我们的产品专业性很强，在市场上是相对被动的。但是蜀山区积极帮助我们对接应用场景，给予我们充分的发挥空间。”何俊峰表示，公司和中国环境谷共生长，看到了环境谷内不断完善的创新创业生态体系，越来越多优质企业、科研平台加速落地集聚，自己和团队对未来发展充满信心。除现有产业布局外，该企业将继续深耕技术创新，深化市场应用，为生态环境监测、工业化工监测、安全预警及医疗诊断等领域贡献技术和方案。何俊峰说，“希望借助‘中国环境谷’这一平台，乘上产业集群的东风，实现公司业务量增长，携手助力环境产业的高质量发展。”