原创《光谱仪颠覆性技术核心部件成本几万美元降到几美元》：本文关于光谱仪论文范文,可以做为相关论文参考文献,与写作提纲思路参考。
光谱仪作为一种分析仪器,应用非常广泛,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.但是,这类设备通常体积过大以致于难以移动,使用极其不便.为此,科学家们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.可是一直以来,相关努力都不是很成功.
清华大学电子工程系的国家青年千人计划入选者鲍捷,于2015年7月在《自然》杂志以第一作者及通讯作者身份发表论文《基于胶体量子点纳米材料的光谱仪》,提出了一种光谱仪微型化的新方法,这是国际上首次报道将胶体量子点纳米材料应用于微型光谱仪制作的研究.论文的另一作者是麻省理工学院化学系教授莫吉·巴旺迪（MoungiBawendi）.
此项研究成果为产业界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.鲍捷在接受记者采访时介绍,未来,该种光谱仪的核心部件成本缩减到以前的万分之一,能将原本几万美元的成本降至几美元,甚至控制在1美元以内.
光谱仪制造技术亟待创新突破
光谱仪（Spectrometer）,顾名思义,是将复杂的光线分解为光谱的科学仪器,是现代光学理论与制造技术的结合产物.通过光谱仪不仅可以测量物体表面反射的可见光,而且可以测量到眼睛无法分辨的红外线、微波、紫外线、X射线等不可见光.光谱仪能够给光“拍照片”,并经过电脑自动显示与精确分析,全面测知被检物品中的各种元素成分.
正是由于这项技术具有普遍的重要性与适用性,因此它被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等检测中,涉及范围涵盖农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等各领域.
一直以來,几乎所有的光谱仪均是基于光栅而制成,但光栅存在易损、体积大、加工复杂、成本高等缺点,而且要达到好的分光效果所需的光程也较长,这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大、成本昂贵.另外,光栅的许多重要性能之间存在相互矛盾的关系,如体积、光谱分辨率、光谱范围等,提高一个方面通常会意味着牺牲另外一方面.
光谱仪用途广泛,为此科学家们一直在寻求将光谱仪小型化、经济化和创新化的技术,以此来突破仪器技术、成本以及庞大体积带来的种种束缚.但是,多年来科学家们设计出的大多数微型光谱仪仍是利用光的干涉原理,用光栅将复杂的光分解为光谱线,这限制了光谱仪的效率、分辨率和光谱范围,使得小型化的工作收效甚微.
颠覆性技术得到权威杂志关注
不过,光谱仪制造技术停滞不前的这种局面,在2015年7月被打破.7月2日出版的英国《自然》杂志中刊登了一篇名为《量子点光谱仪》（AColloidalQuantumDot Spectrometer）的文章,文中报道了一种基于胶体量子点纳米材料制作的微型光谱仪,这种光谱仪是由清华大学电子工程系鲍捷研究小组首次利用量子点纳米材料阵列制成,它比目前的手机照相机镜头的图像传感器还要小.这种光谱仪不仅革新了光谱仪的制作原理,还拓展了光谱仪的应用前景,成果有望贯通创新链和产业链.
《自然》杂志发表鲍捷文章的同期,专题编辑部作出这样的评论：“光谱仪已成为不可或缺的分析仪器.但是光谱仪通常又是昂贵而复杂的仪器,更高性能的光谱仪还会比较庞大,使其很难实地进行现场分析测量等科学家们描述了一个小巧且功能强大的光谱仪,并且可能以低廉的造价进入消费者电子产品市场,比如用于无损的红酒品质鉴定等,推进了光谱仪的进一步发展.”
鲍捷介绍说,量子点又称为“纳米晶”,是一种非常微小的纳米材料,它只有人头发丝的万分之一到十万分之一大小.通常当一个宏观材料的体积和大小被改变时,其颜色并不会发生变化,因为颜色是它的本征状态.但是当一个材料的尺寸是头发丝的万分之一到十万分之一时,该材料的颜色会随着它的大小变化而变化,变化过程精细到每增加一个原子或减少一个原子都会令颜色发生改变.因为光谱本身是非常细分的颜色,科学家能够用量子点材料所提供的一个庞大的颜色体系库对光谱进行颜色解读.
另外,量子点可以在液态时被加工、成型、集成.基于这个特点,可以将很多种不同尺寸的量子点材料集成为一类大家所熟悉的硬件形式,例如手机摄像头,从而实现了将大型的光谱仪器转化为手机摄像头中的传感器.这样的量子点光谱传感器可以缩小至针孔大小,在保证光谱仪众多性能不变的前提下,成本却大大降低.
基于量子点的诸多优点,鲍捷等人用量子点替代光栅作为新光谱仪的光谱分析器件,能够检测小到1nm的光谱位移.基于波长复用原理的胶体量子点光谱仪不再单独测量不同波长的光谱,而是用量子点滤光器和检测器同时测量多个光谱波段.这也是国际上首次将胶体量子点纳米材料用于制作微型光谱仪的报道.
文章中,鲍捷所展示的量子点光谱仪是将195种量子点集中在一张薄膜上,在300nm的光谱范围内其分辨率可达1nm；由于进入仪器的光不需要通过狭缝,光的通量大,光利用率可以达到50%.如果使用更多不同种类的量子点,量子点光谱仪理论上可以覆盖更广的范围（目前量子点可覆盖从200nm到约5?m的光谱范围）,可以达到的分辨率也将会远远超过文章中所展示的量子点光谱仪的水平.
同期《自然》杂志还刊登了美国西北太平洋国家实验室科学家的专题评论文章,文章称,“这种优雅的将纳米技术与数码相机影像传感器集成的方法克服了多种现有技术所面临的困难”,“将来,我们可能会看到微小的、高分辨率的量子点光谱仪在太空任务、家居智能传感器和物联网中被应用.”
贯通产业链的创新成果前景广阔
目前,鲍捷的创新技术已经开始了产业化进程—突破光谱信息依托传统的仪器手段难以实时获取的技术瓶颈,将新型纳米晶材料—量子点与成像感光元件结合,开发出芯片大小的低成本、便携式量子点光谱传感器,从而实现用手机等便携设备进行物质成分分析和检测的功能.
光谱仪论文参考资料：
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