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　　纵观分子光谱学科自己进展及其使用的进步，不难看出，其进展趋向与其他分解机谋大致形似，与奥林匹克格言“更疾、更高、更强”大致相仿。

　　五十年前的这日(1969年7月20日)美邦宇宙飞船“阿波罗11”号登上了月球，初次实行了人类登上月球的梦念。宇航员阿姆斯特朗成为了第一个踏上月球的宇航员，并说出了宣扬于世的名言“这是我小我的一小步，但却是全人类的一大步。”

　　几年前正在一套科学祖传记丛书的扉页上看到两句话：“全盘提高都是空间的拓展”“全盘俭省都是光阴的延伸”。这两句话我回想深切，特别是第一句话，宛如不妨正在感性上明白和接受，但又感受很绝对，较难控制基础点。后一句话相对容易明白，由于马克思说过“全盘撙节，归根事实都归结为光阴的撙节”，自己从事的与分子光谱合联的科研和使用事情，也多半是以俭省分解光阴、抬高分解功用、取得经济效益为合键主意。近一段光阴，通过少少学术文献和音讯报道的研读和考虑，对这两句话有了少少感悟，特别对空间拓展的相识，有了肯定的抬高。应仪器新闻网的编辑师长约稿，料理出来与同行们合伙钻探。既然是相识和领会，特别是这一周围涉及的根基外面和常识面很宽，与工程实质合联很深，文中相信有漏掉的实质和内在，也相信有不无误的外达，敬请师长和同行指斥斧正。

　　先从垃圾分类中的废塑料说起。1972 年，Carpenter 正在美邦Florida 沿海初次出现了微塑料。随后，微塑料正在环球各地的水、浸积物、生物体中不息被检出，特别是正在人类出产举止麇集的口岸及河道入海口、海岸带等地域。

　　2004年，英邦科学家正在Science上宣告了合于海洋水体和浸积物中塑料碎片的论文。“微塑料”这个名词就逐步的进入了人们的视野。直径小于 5mm 的塑料、纤维、或薄膜被界说为微塑料。2018年1月26日 新华社报道，正正在“雪龙”号上奉行大洋科考职分的中邦第34次南极科考队指日正在南极戴维斯海采撷的海水微样本中，应用“傅立叶变换显微红外光谱仪”实行分解判断，最终确认样本中的两个肉眼可睹蓝色片状物为聚丙烯微塑料。2018年9月5日，央视音讯报导，我邦载人潜水器“蛟龙号”昨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”琢磨后出现，正在4500米水深下糊口的海洋生物体内检出微塑料，这些微塑料很可以是纤维状塑料绳。

　　2018年10月23日，英邦卫报报导，维也纳医学大学的琢磨团队通过“傅立叶变换红外显微成像工夫”初次从人类粪便中检出塑料微粒，琢磨检讨了8名插足者的粪便，插足者来自欧洲、日本和俄罗斯，总共检体内都含有塑料微粒，琢磨包蕴10个塑料检讨项目，检体中出现众达9种，尺寸从50至500微米，最常睹的是聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯，均匀每10克粪便中有20颗塑料微粒。

　　2019年3月19日，媒体报道，邦际非营利性音讯机构Orb Media和纽约州立大学弗里众尼亚分校的科学家对11个著名品牌的259瓶瓶装水实行了测试，出现险些总共的瓶装水中都含有塑料微粒。

　　上述微塑料的琢磨尺寸多半正在20微米以上，由于受光衍射所限，古代的傅立叶变换显微红外光谱的空间区分率正在10微米把握。实质上，正在自然界中，还存正在良众微塑料其尺寸可达微米甚至纳米级，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。良众琢磨证实，大大批眇小的塑料颗粒具有微米和纳米级另外尺寸。

　　目前共聚焦拉曼光谱能够实行亚微米级的化学因素分解，实质空间区分率平常为1μm把握。2018年D Schymanski等人通过μ-Raman光谱对瓶装水中的微塑料分散实行了分解，获得了如图1所示的结果。假使拉曼光谱能够实行较低的空间区分率分解，但因为拉曼信号较弱，加上布景荧光较强，于是使用鸿沟受到局部。

　　近十年来，激光器特别是量子级联激光器 (QCL)的迅疾进展，明显晋升了古代傅立叶变换红外显微成像工夫。比如，已有商品化的激光红外成像体例将QCL与迅疾扫描光学元件相纠合，仅需丈量几个枢纽波长，即可实行大面积的高区分率图像，从而撙节光阴和本钱。正在ATR形式下，可遴选小至 0.1 微米的像素区分率。比如，正在制药周围，通过该体例可取得相合活性药物因素、赋形剂、众晶型、盐类和缺陷的有效新闻，以便不妨迅疾寻找并处理药物开拓流程中遭遇的题目，保障区别出产批次之间具有优越的相似性。

　　纳米级红外光谱(Nano IR)则是一个里程碑式的工夫冲破，它通过应用原子力显微镜(AFM)与红外光谱合伙的式样来外征物质kb官网，原子力显微镜的事情式样有点像唱片机针，它正在质料轮廓上转移，并正在晋升和降落时丈量最轻细的轮廓特性。Nano IR可使红外光谱的空间区分率冲破了光学衍射极限，抬高至10nm级别，样板的光学空间区分率约为20 nm，正在获得微区状貌、轮廓物理机能的根基上，进一步解析样品轮廓纳米标准的化学新闻。Nano IR目前合键有两种实行式样：一是基于光热诱导共振气象开拓的原子力显微-红外光谱(AFM-IR)工夫(睹图2)，另一种是基于针尖近场散射的s-SNOM(Scattering-type scanning nearfield optical microscopy，s-SNOM)工夫(睹图3)。两种工夫都能实行微区的光谱信号采撷和成像，从而取得化学因素新闻。

　　AFM-IR纳米级红外工夫合键依赖于样品的罗致系数ks，与针尖和样品的其他光学本质基础无光，因而该工夫特别适合具有较高热膨胀系数的软物质质料，比如高分子纠合物、复合质料、卵白和细胞、纤维、众层膜组织、药物、锂电池等的纳米标准的化学因素判断，组分分散及相离散组织，外界面化学分解和失效琢磨等方面。s-SNOM工夫，其使用受到样品局部，只要对红外光有较强散射的样品材干获得信号，并且散射信号繁杂，务必有模子实行改进，获得的红外光谱的波数也有漂移，使得结果的明白不足直接。但SNOM工夫尤其实用于硬质质料，尤其是具有高反射率、高介电常数或强光学共振的质料。

　　AFM除了与红外光谱联用以外，还可与其他光谱相纠合，比如AFM与拉曼光谱仪联用的针尖巩固拉曼散射(Tip-enhanced RamanScattering，TERS)光谱工夫，目前最佳的光学空间区分率可达0.5 nm，AFM与太赫兹光谱工夫联用的散射式的近场太赫兹(Scattering-type Scanning Near-field THz Spectroscopy，S-SNTS)光谱工夫，目前最佳光学空间区分率为40nm。TERS、Nano-IR与S-SNTS三种工夫的基础道理形似，都是依赖于探测正在金属化探针针尖尖端造成的、与针尖曲率半径巨细相当的纳米级巩固光源与待测分子之间的互相效力，来取得纳米级的光学空间区分率。

　　F Huth等人将Nano-IR 使用到对纳米标准样品污染物的化学判断上，图4中显示的Si轮廓掩盖PMMA薄膜的横截面AFM成像图，个中AFM相位图显示正在Si片和PMMA薄膜的界面存正在一个100nm尺寸的污染物，应用Nano-FTIR正在污染物中央取得的红外光谱清爽的揭示出了污染物的化学因素，与法式FTIR数据库中谱线实行比对，能够确定污染物为PDMS颗粒。

　　S Gamage等人应用纳米级红外光谱成像工夫，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)正在入侵宿主细胞进步行的枢纽性组织转变。他们出现了一种抗病毒化合物，能有用地滞碍流感病毒正在低pH值泄漏时间进入宿主细胞，低pH值情况是病毒惹起劝化的最佳条款。该措施供给了合于包膜病毒若何攻击宿主的厉重细节，以及防备这些病毒攻击的可以措施。

　　我邦科研职员也应用纳米级红外光谱工夫展开了合联的琢磨事情。比如，唐福光等人应用纳米红外AFM-IR对高抗冲聚丙烯共聚物质料个三种区别微区组分实行分解，这些新闻有助于明白纠合反映动力学与颗粒发展机理和催化剂的优化打算。史云胜等人通过纳米级红外光谱分解出现石墨平台轮廓具有非凡有序的碳六元环组织，而且吸附的水分子起码。而石墨平台微组织的边沿起于悬键及微加工等理由是吸附水分子最众的地位，石墨基底因为微加工的损害仍然不具有碳六元环组织。这些新闻真切了所处情况对石墨平台微组织区别地位的影响，为辅导微机电器件的制备与使用供给了新闻。韦鹏练等人使用纳米级红外工夫琢磨了竹材纤维细胞壁的化学因素及其分散，考核到了木质素正在细胞壁中具有聚会状的不匀称分散。

　　其余，同步辐射(Synchrotrons)动作另一种新型的红外光源，具有光谱宽(10～10000 cm-1)、亮度高(比古代Globar光源高2～3个数目级) 、小发散角等特征，尤其是其高亮度的特征相当适合展开红外显微光谱成像琢磨，对小样品或小样品区域的外征上具有古代红外光谱无法相比的上风(睹图5)。跟着同步辐射红外显微光谱工夫的进展，仍然将琢磨的重心从结构主意的红外光谱成像扩展到细胞主意的红外光谱成像，并正在近十年的琢磨中博得了可观的琢磨效果，对细胞的组织和功效琢磨中以及其他周围(文明遗产、考古学、地球和空间科学、化学和高分子科学等)区别质料的琢磨中都邑慢慢显示出了特有的效力。

　　比如，2017年C Y Wu等人正在Nature上发文，他们应用基于同步辐射红外纳米光谱(Synchrotron-radiation-based infrared nanospectroscopy，SINS)，得胜琢磨完结合正在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子的化学转化，空间区分率达25nm。琢磨职员由此能够区分具有区别活性的颗粒区域，结果证实，与颗粒顶部的平缓区域比拟，包蕴低配位数金属原子的颗粒边沿的催化活性更高，能更有用催化纠合正在催化剂颗粒上的N-杂环卡宾分子中化学活性基团的氧化和还原(睹图6)。

　　光热诱导亚微米红外成像工夫(Mid-infrared photothermal，MIP)采用AFM-IR光热工夫的基础观念取胜红外波长衍射极限的局部，具有亚微米级空间区分率，空间区分率可达500nm，可取得亚微米标准下样品轮廓眇小区域的化学新闻。该工夫通过脉冲式中红外激光器映照样品轮廓，发生光热效应，被聚焦到样品上的可睹光动作“探针”实行检测。MIP工夫可正在反射形式下实行样品测试，无需制备薄片，实用于厚样品，抬高了样品测试功用，可用于情况、质料、性命等周围。现已有商品化的光热诱导亚微米红外成像仪，添补了古代红外光谱显微镜和纳米红外光谱之间的空缺，该产物还可实行红外和拉曼分解的一体化，合伙检测有机、无机组分，可大大拓展该工夫的使用周围。

　　亚微米级和纳米级红外光谱正在很大水准上能够处理横向空间区分率的测试题目，但物质特别是生物结构对付紫外、近红外和中红外波段的光波均是强散射媒质，光波正在个中宣传的均匀自正在程仅约为1mm，凌驾这个极限自此，光散射将作梗光波的宣传道途，以致其无法有用聚焦。因为这一局部，光学成像措施平日只可使用于浅层成像，当成像深度赶上1mm自此，光学成像的空间区分率会紧张降落，大约仅为成像深度的1/3。因而，古代的光学成像措施难以实行对深层结构非浸入原位成像。声学检测措施能够有用地获取深层结构的高空间区分率图像，由于正在相仿的宣传隔绝下，声波的散射强度要比光波小两到三个数目级，故比拟于光波，声波能够正在生物结构，特别是软结构中低散射地较长隔绝宣传。因而，可采用光声成像工夫处理这一题目。

　　光声成像是基于光声效应的一种复合成像工夫，它有用地归纳了声学措施对深层结构成像区分率高的益处，以及光学成像正在获取结构化学分子新闻方面的上风。当激光映照物质时，被映照区域及邻近区域会罗致电磁波能量并将其转换为热能，进而因为热胀冷缩而发生应力或压力的变换，胀舞并宣传声波，称为光声信号(睹图7)。其强度和相位不光取决于光源，更取决于被映照物质的光罗致系数的空间分散，以及被照物质的光学、热学、弹性等特征。光声成像恰是通过检测光声效应发生的光声信号，从而反演成像区域内部物质的光学特征，重构出光映照区域内部的图像。通过遴选相宜的成像形式和选用区别频率的超声换能器，光声成像能够供给微米以至纳米量级的空间区分率，同时取得毫米到几十毫米量级的成像深度。光声成像工夫十几年的进展显示了它能对生物结构内肯定深度病灶结构的组织和生物化学新闻高区分率、高比照度成像，而其他工夫则暂不具有云云的功效。目前，光声成像工夫已是生物结构无损检测周围里备受合心的琢磨倾向之一，邦际上稠密琢磨学者将重心转动至这一琢磨倾向。

　　光声成像有两种实在的实行式样：一种是光声断层成像(Photoacoustic tomography，PAT)，另一种是光声显微镜(Photoacoustic microscopy，PAM)。光声断层成像体例应用非聚焦激光映照成像样品来发生光声信号，并应用非聚焦或线聚焦换能器收受光声信号，随后通过求解光声宣传逆题目来重构光声图像。光声断层成像的图像重构依赖于特定的图像重构算法，其成像的空间区分率和成像深度取决于超声换能器的事情频率。光声显微镜平日应用扫描的式样取得，而不须要繁杂的重筑算法。扫描的式样合键有两种，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，这种式样被称为超声区分率光声显微镜，它通过超声来实行定位，区分率决策于超声换能器的带宽以及中央频率，区分率能等抵达15微米到100微米，因为应用超声实行定位，因而这种显微镜的成像深度能抵达30毫米。第二种扫描式样是采用会聚的激光束实行扫描，通过云云的式样能抵达光学区分率的光声成像，它的区分率取决于会聚激光束的衍射极限，因而它也被称为光学区分率光声显微镜，因为这种措施通过光来定位，因为结构的散射的影响，它的穿透深度不如超声区分率光声显微镜。

　　我邦科研职员正在这一周围做出了较大的功劳，比如华南师范大学生物光子学琢磨院邢达教学团队兴办了基于二维扫描振镜的共焦光声显微成像体例，不妨高区分地成像众种癌症细胞、玄色素细胞、红细胞、神经细胞等，并兴办起基于中空超声聚焦探测器的光声显微镜，实行了众标准的光声显微成像。唐志列教讲课题组兴办了基于光声微腔的显微成像体例，取得了高区分率的光声显微图像。中邦科学院深圳优秀琢磨院宋亮琢磨员课题组应用压缩感知工夫抬高了光声显微成像的成像速率，并通过校正光声显微成像体例的扫描装备实行了亚波长区分率的光声成像。华中科技大学骆清铭教学团队修建了基于反射式显微物镜的光声显微成像体例，改观了成像区分率及成像深度。

　　图8 基于γFe2O3@Au 核壳型复合纳米组织的诊疗一体化纳米平台示妄念

　　每种光谱成像工夫都不行对生物结构做出无缺的形容，由众措施构成的众模态成像工夫是取得结构更众新闻的有用途径。目前，众模态成像工夫指挥的诊疗一体化系统因其能够供给肿瘤正在地位、尺寸、形式方面丰盛的新闻，从而能够辅导有用医治而惹起人们的通常合心。我邦中科院姑苏纳米工夫与纳米仿生琢磨所张智军课题组与姑苏大学陈华兵教学团队以及厦门大学任斌课题组等配合，修建了具有高粗疏度的γFe2O3@Au纳米花组织，有用巩固了肿瘤拉曼成像信号，并同时抬高了磁共振和光声成像效应，实行了高精度、高空间区分率以及高机灵度的磁共振/光声/SERS三模态协同成像：通过磁共振成像工夫能够取得肿瘤的地位和轮廓的新闻;通过光声成像能够对肿瘤实行深主意的定位，同时取得剖解学的新闻;通过高机灵度SERS成像能够对肿瘤范围实行无误定位，从而辅导肿瘤切除手术。正在此根基上，琢磨职员进一步应用这种金磁复合纳米质料的近红外光热效应，实行了肿瘤的光热医治(睹图8)。

　　如图9所示，空间位移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)是另一种可分解数毫米厚样品的工夫，也能够对不透后包装内的质料实行化学分解。SORS能够应用相对较低能量的激光，正在分层扩散的散射体例中，离散单个次层的拉曼光谱。正在胀舞点样品轮廓上的空间位移区域采集拉曼光谱。正在补充的空间位移地点考核到的拉曼光谱包罗深层供给的相对功劳。

　　蔗糖是一种常用的药物赋形剂，蔗糖装正在 1.5mm 壁厚的聚丙烯瓶里。如图10所示，用古代拉曼光谱仅测得聚丙烯的谱图，并未识别到蔗糖，而通过 SORS 直接取得了厚聚丙烯瓶内的蔗糖谱图，而没受到 PP 的作梗。因而，SORS 工夫用于原料药进厂验证时，不需掀开包装，直接正在货仓验证，避免掀开包装和从头密封的操作。

　　德邦玄学家康德说过:“这个全邦上唯有两样东西能让咱们的精神觉得深深的震动：一件是咱们本质优异的品德规矩，另一件是咱们头顶绚烂的星空。”自有人类文雅史今后，人类对付浩繁星空的寻找从未停顿。下面通过陈列几个红外、近红外等光谱仪正在空间探测方面的使用实例，先容分子光谱工夫正在宏观空间拓展方面的使用进步。2017年11月15日2时35分，我邦正在太原卫星发掷中央用长征四号丙运载火箭，得胜将“风云三号D”形势卫星发射升空，卫星就手进入预订轨道。星上装载了10台套优秀的遥感仪器(睹图11)，除了微波温度计、微波湿度计、微波成像仪、空间情况监测仪器包和环球导航卫星掩星探测仪等5台秉承性仪器以外，红外大气笔直探测仪、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、初次上星搭载，主题仪器平分辨率光谱成像仪实行了大幅升级校正，机能明显晋升。平分辨率光谱成像仪能够逐日无裂缝获取环球250米区分率真彩色图像，实行云、气溶胶、水汽、陆地轮廓特征、海洋水色等大气、陆地、海洋参量的高精度定量反演，为我邦生态料理与规复、情况监测与包庇供给科学援手，为环球生态情况、灾殃监测和天气评估供给中邦观测计划。红外大气笔直探测仪采用迈克尔逊干预分光的式样实行大气红外高光谱探测，光谱掩盖1370个通道，谱区分率最高达0.625cm

　　，能够获取高频次区域晴空和云顶以上的大气三维组织。该仪器遴选大气羼杂比安宁的二氧化碳红外罗致带，探测大气的温度廓线，遴选水汽红外罗致带探测大气的湿度廓线。区别的二氧化碳罗致通道探测到的红外辐射合键来自于特定的高度层，对该高度的大气温度转变敏锐，应用此道理能够取得大气的温度笔直分散新闻。同样，区别的水汽罗致通道对区别高度层的大气湿度转变敏锐，从而能够取得大气的湿度笔直分散新闻。区别高度的大气对区别探测通道的红外辐射功劳存正在不同，依照这些不同能够反上演大气温度、湿度的三维组织。近红外高光谱温室气体监测仪是一台可监测环球温室气体浓度的遥感仪器，它能够获取二氧化碳、甲烷、一氧化碳等合键温室气体的环球浓度分散和光阴转变的新闻，抬高区域标准上地外温室气体通量的定量估算，分解和监测环球碳源碳汇，为巴黎天气大会温室气体减排供给科学监测数据。

　　据《逐日邮报》北京光阴2018年8月21日报道，正在应用高科技卫星扫描后，科学家初次出现月球地外存正在冰。科学家示意，他们正在月球极地的好久暗影区域探测到了冰。他们应用的近红外光谱成像工夫，能够区分出区别类型的水，个中包罗地外、罗致到泥土中或纠合正在矿物中的水。之昔人类仍然正在月球泥土中出现水，但这被以为是人类初次正在月球地外探测到水。地外水冰仅占到月球暗影掩盖区域的约3.5%。过去的措施无法区别水和羟基基团(—OH)，本琢磨应用近红外反射光谱措施，为月球存正在H2O供给了无可批驳的证据，这一措施还能够非凡正确地域别区别类型的水。这些数据是由印度首个月球探测器月船一号(Chandrayaan-1)领导的月球矿物成像仪(Moon Mineralogy Mapper)取得的，月船一号发射光阴是2008年。

　　2019年1月3日上午10点26分，我邦嫦娥四号月球探测器得胜着陆正在月球反面的冯卡门坑内。从此，玉兔二号巡视器驶抵月背轮廓，其上领导的近红外成像光谱仪得胜获取了着陆区探测点的高质地光谱数据。正在众台科学有用载荷中，近红外成像光谱仪是独一办事于月球矿物构成探测与琢磨的科学仪器，该光谱仪采用AOTF分光工夫，光谱鸿沟为0.45～2.40μm，光谱区分率为2~12nm，具备正在轨定标及防尘功效，能顺应-20～55℃事情以及-50～70℃存储的温度情况，重量小于6kg，是一台高机能、轻小型、高集成的仪器(睹图12)。近红外成像光谱仪对月球车前哨0.7m的月外实行精巧光谱新闻获取，能够看到0.1m区分率的月外矿物特性，为月面巡视区矿物构成分解供给科学探测数据。2019年5月16日，中邦科学院天文台发外，李春来琢磨团队应用嫦娥四号探测数据，证据了月球反面南极-艾特肯盆地存正在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质，由此，月幔化学因素的诡秘面纱慢慢揭开帷幕。图13为该团队宣告正在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，中邦科学院邦度天文台指日宣告了郭守敬千里镜(LAMOST)7年来获取的1125万条光谱。这是全邦上首个获取光谱数冲破万万量级的光谱巡天项目。LAMOST是我邦自决研制、全邦上口径最大的光谱巡天千里镜。此次宣告的高质地光谱数抵达937万条，约为邦际上其他巡天项目宣告光谱数之和的2倍，另有一个636万组恒星光谱参数星外，是目前全全邦最大的恒星参数星外。LAMOST纠合红外、射电、X射线、伽马射线巡天的巨额天体的光谱观测正在正在各样天体众波段交叉证认上做出强大功劳。正在星系寻找中，包蕴着极其丰盛新闻的光谱起了非凡枢纽的效力。个中星系的光谱能够供给隔绝、组成、分散和运动等新闻，而恒星的光谱则包蕴组成、光度、温度、化学构成、空间分散和演化史册等资讯(睹图14)。从巨额天体的光谱观测中还能够出现很众离奇的天体和天体气象。总共这些，将鼓励人类对宇宙演化纪律、物质组织、互相效力等最基础物理纪律的新相识。

　　2018年6月29日，海外媒体报道，哈勃千里镜的“接任者”詹姆斯?韦伯千里镜将推迟至最早2021年3月30日发射。韦伯千里镜由NASA和欧洲航天局以及加拿大航天局合伙研发，它将是有史今后筑制的最宏大的太空千里镜，其领导三台具有超等图像才具的仪器：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。一朝得胜发射并参加运转，詹姆斯韦伯太空千里镜将使天文学家和天体物理学家添补少少枢纽的常识空缺，这合键归功于千里镜不妨很好地探测到红外光谱。千里镜应用不妨缉捕0.6～28μm波段光彩的探测器，不光不妨探测和分解最远隔绝的红移星系，还不妨直接观测由星系造成的星状星云中的强盛灰尘云，并辅助观测相近的系生手星。据报道，近红外光谱仪(睹图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，为天文学家琢磨这些天体的化学因素、动力学特征、年纪和隔绝供给数据。该光谱仪还具备琢磨银河系恒星出世的早期阶段、分解其它恒星轨道上行星的大气特征等功效，可助助天文学家寻找地外潜正在的性命。

　　2019年7月8日，正在2019软件界说卫星岑岭论坛上，中邦月球探测工程首席科学家欧阳自远正在讲述中呈现“中邦将于2020年探测火星”， 这一动静激发了通常合心。假使我邦尚未公然实在的探测工夫细节，但这让咱们念到了2017年10月1~5日正在日本名古屋举办的OSA激光大会上，美邦科学家宣告，“NASA 火星 2020探测器”将领导全新的化学成像仪，除更疾的激光诱导击穿光谱(LIBS)体例以外，该成像仪将采用全新的传导冷却激光体例，供给拉曼光谱的非损害性分解才具，不妨检测有机质料的碳基特性(过去性命的证据)。与“好奇号”LIBS简单功效区别，这种新的仪器将不妨对LIBS形式和拉曼形式的激光实行切换，正在实行非损害性化学判断时，这种措施采用两种区别的激光胀舞和探测分子振动能量。

　　黑格尔有句名言：“一个民族有少少合心天空的人，他们才有指望。” 千百年来，璀璨的星空平昔吸引着咱们的好奇心，瑰丽的宇宙总会给咱们以无限无尽的遐念。置信光谱工夫的进展将会使人类寻找浩繁星空的脚步越走越远。科学和工夫永无终点的进展，肯定会将人类超越的道程正在空间上无穷延展。

　　下面合键以近红外光谱为例简略先容分子光谱分解工夫正在俭省光阴，抬高分解功用、获取经济效益等方面的使用进步，这仅是稠密使用中的冰山一角。闻名外面物理学家、诺贝尔奖取得者Sheldon Lee Glashow曾用巨蛇沃洛波罗斯图(Ouroboros)来展现物理学同一极大与极小的梦念，一条咬着自身尾巴的神话巨蟒，代外了咱们糊口的物理全邦，标志着循环和再生，即初步也是闭幕，永无终点(睹图16)。图上蛇身从普朗克标准到大的宇宙视界，总共可睹宇宙包蕴了大约60个数目级，个中近红外光约为2.5×10

　　～7.0×10-5厘米，人类的标准约为102厘米，而近红外光谱分解的对象约为10

　　～102厘米，能够看出，其使用对象大家属于人们能够看得睹、摸获得的常睹常用物质，这也使得其成为人类糊口、出产举止合联物品迅疾、无损分解的首选工夫。图16 Sheldon Lee Glashow的巨蛇沃洛波罗斯图

　　近红外光谱分解工夫区别与其他古代分解工夫的一个明显特性是，近红外光谱分解多半不须要对样品(如药片、生果、谷物、等)实行损害性的预惩罚，而是通过打算专用附件(睹图17)来有用获取样品的光谱，而从明显裁汰分解光阴，抬高分解功用。近红外光的一个特性是能够通过石英光纤实行百米隔绝的传输，于是较易实行工业装备的现场正在线分解。从丈量式样上，可采用接触式、非接触式或浸入式(睹图18)。依照区别的丈量对象，近红外光谱的丈量式样可采用透射、漫反射或漫透射式样。近红外光谱中含有丰盛的含氢基团新闻，纠合化学计量学措施能够获得正确的定量和定性分解结果。

　　羼杂的废塑料很难接收再应用或者再应用价格不高，废塑料务必分类材干抵达有用接收应用的主意。目前，海外已有较为成熟的基于近红外光谱工夫的成套废塑料筛选装备。主动化塑料分选体例采用近红外光谱来分解原料的光谱而从中识别塑料的品种及颜色。正在分解了原料的光谱之后，策画机体例会据应用者的设定来独揽气体喷射装备，把被遴选的原料喷射出来(睹图19)。正在高达每秒2.5米的分类速率和赶上99%的无误度之下，主动化的废塑料筛选装备能够取胜正在人工分选塑料中所存正在的题目，比如速率慢、不无误、不相似等。不妨分类的塑料包罗：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，近红外光谱分选渐渐成为塑料分选的主流工夫之一。海外良众近红外光谱塑料分选配置已参加应用，正在市政垃圾惩罚、废旧家电、汽车拆解等项目中取得了优越的效率。

　　除了废塑料筛选外，近红外光谱还被用于废衣物(织物)质料的分类筛选。我邦每年纤维加工总量约达5000万吨，年发生赶上2000万吨的废旧纺织品，总计接收应用，相当于每年能够俭省原油2400万吨，而且裁汰8000万吨二氧化碳的排放，但目前接收应用率不敷10%，高值化应用更处于低级阶段。分拣工夫是高值化应用废旧纺织品的根基，海外正在线近红外光谱辨别主动分拣体例已获得集体应用。我邦少少企业也初步渐渐采用近红外主动分拣体例对涤纶、棉、毛、麻、粘胶等废旧纺织品实行分类，然后轮回再应用。值得合心的是，上述这些配置我邦均有团队正在研发。

　　除了正在线筛选配置外，少少手持式的近红外光谱、中红外光谱和拉曼光谱分解仪正在废塑料、废织物品种辨别、海合物项和毒化囚系等使用中也正正在或即将阐发着厉重的效力。

　　此外值得一提的是，北京化工大学袁洪福团队基于近红外光谱研制出了蚕蛹牝牡智能高速分拣配置(图20)。蚕蛹牝牡分选是蚕种出产企业出产流程的厉重枢纽，目前蚕蛹牝牡分选如故沿用手工逐粒鉴蛹的操作式样，速率慢、本钱高，并且用工量大，劳动事情强度大，劳动力紧缺已成为非凡卓绝的冲突，落伍的出产形式成为限制行业范畴化进展的瓶颈。袁洪福团队基于近红外光谱研制出的蚕蛹牝牡智能高速分拣配置获得了批量使用，其分拣速率能够抵达每秒10个以上，无误率能够抵达98%，每天能够分选数千公斤蚕蛹样品，使古代的劳动麇集型桑蚕制种行业正正在走向智能化。

　　2009年闵恩典院士正在《石油化工—从案例寻找自决改进之道》一书中提到改日炼油厂的枢纽中心之一是原油的迅疾分解，当时BP公司正正在开拓近红外光谱原油疾评工夫，旨正在将原油全分解的光阴由6礼拜缩短为30秒，其宗旨是对每一船原油实行迅疾分解，为炼厂正在随后的加工中优化效益供给数据(睹图21)。2012年中石化石油化工科学琢磨院(RIPP)开拓出了基于近红外光谱的原油疾评工夫(睹图22)，兴办了中石化原油近红外光谱数据库，可正在3min之内(从取样到数据的预测)正确预测出原油密度、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，该工夫正在镇海炼化等企业获得实质使用，与原油折衷工夫纠合可为企业带来可观的经济效益。

　　图21 2009年闵恩典院士《石油化工—从案例寻找自决改进之道》一书中描摹的改日炼油工夫

　　正在汽油管道主动折衷工夫中，目前正在线近红外光谱分解仪是工夫标配。原委十余年的蕴蓄堆积，RIPP仍然兴办了较为完竣的汽油近红外光谱数据库。它不妨正在10min之内预测出近十种组分汽油和制品汽油的众个枢纽物性(琢磨法辛烷值、抗爆指数、烯烃、芳烃、苯、MTBE含量、蒸气压等)，调合优化独揽体例应用百般汽油组分之间的调合效应，及时优化策画出调合组分之间的相比照例，即调合配方，保障调合后的汽油产物餍足质地规格恳求，并使调合本钱和质地过剩消浸到最小。正在2018年RIPP实践的一个汽油主动折衷项目中，这项工夫每年可为炼油企业带来了上万万元的经济效益(睹图23)。

　　我邦正处于从炼油大邦向炼油强邦改制岁月，智能化是炼油企业进展的一定趋向。新闻深度“自感知”、聪慧优化“自决议”和精准独揽“自奉行”是智能工场的三个枢纽特性，个中新闻深度“自感知”是智能炼厂的根基。原料、中央物料和产物的分子构成和物性分解数据是新闻感知的厉重构成局部，以近红外光谱为主题之一确当代石油分解工夫为化学新闻感知供给了非凡有用的机谋。这一工业使用的大幕正在我邦刚才初步拉开，将会给炼油和化工行业带来革新。

　　只须工夫自己优秀，适合精巧化管束和智能化加工的大趋向，相相信何时辰都有从头初步一遍的机缘。正在很长一段光阴内，近红外光谱工夫正在这一周围使用安宁向好的基础面不会产生改良。

　　2019年3月，正在上海第 18 届家电及消费电子产物全邦展览会(AWE 2019 )上，博世公司展出了商品化的智能洗衣机，通过X-Spect近红外扫描仪能够几秒钟之内识别面料与污渍品种，精准推选洗涤步调，让衣物获得更专业更精巧的洗涤，这是家电行业里首个推出的快要红外光谱工夫与家电相纠合的商品(睹图24)。区别面料的衣服须要区别的洗涤条款，好比棉质衣物最佳水温是40～50℃，若洗涤欠妥容易闪现褪色等题目。而羊绒毛衫的洗涤温度则不宜赶上30℃，洗涤欠妥的话就会很容易变形，并影响其保暖性。同样，衣物习染上区别的污渍，须要纠合衣物面料的因素，遴选区别的洗涤剂和洗涤步调。X-Spect近红外扫描仪能够精准识别面料的因素和占定污渍的构成因素，获得数据后上传至云端，通过云端的深度进修算法对数据分解后，为衣物推选适合的洗涤步调，让衣物的每一次洗涤都是量身定制，让洗衣流程更精巧可控。

　　近些年，微型便携式光谱仪器正在人们平常糊口中的使用琢磨已初显头绪，众款观念产物纷纷亮相墟市，比如足以集成于智熟手机和可穿着配置中的NeoSpectra Micro芯片光谱仪(18 x 18 x 4 mm)、Myoeno红酒智能辨别扫描仪、脱水监测智熟手环等等。百般优秀微纳工夫势必会给微型近红外光谱仪的进展供给有力的工夫撑持，并且跟着5G、云策画、物联网等工夫的进展，近红外光谱与人类糊口的合联将会越发亲热。置信不久的来日，智能冰箱、智能微波炉、智能马桶等家电和厨卫办法，都邑交融当代光谱工夫，让糊口变得更便当更聪慧更炫彩。

　　2018年1月，中华粮网宣告新闻“2017年东北三省大豆质地较好，高卵白大豆比例大幅上升”，正在品格方面，达标高卵白大豆比例为58.0%，较2016年补充39.6个百分点。之于是高卵白大豆比例大幅上升，与油脂加工企业收购大豆以卵白质含量订价相合。而这一功绩很大水准上要归功于近红外光谱工夫，正在收购大豆时油脂加工企业采用近红外光谱分解仪迅疾(几分钟内)测定大豆的品格，依照卵白质含量实行订价。这迫使大豆商业商也采办近红外光谱分解仪，正在收购粮农大豆时现场应用。按质论价已改良了东北三省大豆的种植组织和粮农的思绪，过去尽管种、不管卖的思绪正正在慢慢改制，少少种植大户也采办近红外光谱分解仪，辅导大豆的种植和策划。粮农不再盲目寻求大豆种类的产量，越发合心种类的质地。因墟市导向，粮农目标选用卵白质含量高的大豆品各类植。

　　邦外里近红外光谱仪器厂商看到这一商机，通过众种工夫机谋不息消浸仪器出产本钱，让该工夫普惠了更众的粮农。2018年10月，中邦农业音讯网报道，黑龙江省农业科学院选育的大豆新种类绥农76的卵白含量高达47.96%，远超黑龙江省内大豆卵白质含量40%的均匀值，也赶上了高卵白质含量大豆44%的法式线。能够看出，近红外光谱迅疾分解工夫正正在改良着总共大豆的工业链，包罗育种、种植、商业和加工等各个枢纽。实质上这个使用链条平昔正在延伸，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，到贸易通畅，到人类养分、疾病、医药、医治，并且越往链条的后端，近红外光谱的迅疾高效分解上风阐发的效力越昭着，取得的经济效益和社会效益越昭着。

　　近红外光谱正在线生果分选工夫是撙节光阴、抬高品格使用中的一壁旗号。韩东海教学已特意撰文《近红外引颈果蔬分选工夫实行奔腾》，提出了“近红外正在果蔬内部品格检测上的使用使得分选配置产生了革命性的转变”观念，我全部赞许。此外，2019年7月11日中邦科学报刊发了题为《刘燕德：为生果智选甘坐十年“冷板凳”》的报道，先容了邦产近红外生果分选配置的研发状况。感风趣的读者能够参阅上述两篇著作。随后的“近红外光谱新工夫/使用进步”系列汇集专题中，会就近红外光谱正在中药、粮油加工、饲料、石油化工、食物等周围的使用进步和化学计量学等学科进展请合联周围的专家做阐明，正在此不再张开议论。

　　正在光阴维度上，又有两项中红外光谱工夫值得合心：一是基于激光的红外光谱椭偏工夫。光谱椭偏工夫丈量光与样品互相效力后的偏振转变，红外光谱椭偏工夫能够供给样品的化学构成和分子取向的周密新闻。近期，A Ebner等人采用可调谐量子级联激光器(QCL)动作中红外光源，将QCL的迅疾可调性与相位调制偏振相纠合，将光谱采撷光阴从几小时缩短到不到1秒，并能正在较宽的光谱鸿沟(900～1204 cm-1)内取得高区分率(1cm

　　)、高信噪比的椭圆偏振光谱。与古代的基于傅里叶变换光谱仪的红外椭偏仪比拟，信噪比抬高了起码290倍。他们的实践证实，当各向异性聚丙烯薄膜拉伸时，该工夫可用于分子重定向的及时监测。申明了亚秒光阴区分率的益处，比如正在线流程监测和质地独揽。亚秒级光阴区分率与激光的高亮度相纠合，希望正在稠密科学琢磨和工业中获得使用。激光的亮度意味着它能够用于高罗致性质料的中红外光谱椭偏丈量，包罗消融正在水中的物质或物质。QCL红外光谱椭偏工夫能够助助改观筑制工艺和最终产物的质地，还可以揭示以前不行考核的物理和生物流程，以期实行新的科学出现。

　　二是基于激光频率梳的红外光谱工夫。与发射简单频率的古代激光器区别，频率梳光源可同时发射众个频率，匀称间隔以形似于梳齿的谱线，它可掩盖从太赫兹到紫外可睹较宽频率的光。目前，无转移部件的QCL频率梳能够做到几毫米的长度，可发出赶上 300 间隔相当的频率线

　　的鸿沟，正在本钱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采道道，比如能够将芯片安插正在无人机上以丈量氛围污染物，贴正在墙上的芯片能够探索修筑物中的痕量爆炸物质，还可用于医疗配置，通过分解呼吸氛围中的化学物质来检测疾病。目前，已有商品化的光阴区分迅疾双光梳红外光谱仪，它应用QCL频率梳做光源，能实行高达1μs光阴区分的红外光谱迅疾丈量，光谱区分率为0.25～0.5 cm

　　-1，光谱鸿沟为1050～1700 cm-1。超迅疾红外光谱监测工夫希望开启全新及时分解的可以性，比如能够及时考核卵白质的折叠和构象转变，能够及时监测化学反映，明白并优化反映流程等。

　　4、闭幕语纵观分子光谱学科自己进展及其使用的进步，不难看出，其进展趋向与其他分解机谋(诸如色谱、质谱和波谱等)大致形似，与奥林匹克格言“更疾、更高、更强”大致相仿。“更疾”的内在包罗光谱丈量速率和分解速率更疾、同时获取众种光谱新闻更便捷更疾、新工夫新产物除旧布新更疾等等，“更高”的内在包罗分解更高效、光谱仪器的机能目标更高、能够获取样本更高更深层的光谱新闻、具体的分解处理计划更高湛等等，“更强”的内在包罗仪器越来越小但功效越来越强、适用性更强、矫捷性更强、顺应性更强，诸如斯类。

　　光学器件、新质料、5G(6G)通信、物联网、大数据、云策画等科技的急速振兴，使分子光谱这一古代分解工夫面庞耳目一新。受生物医学、质料、情况、深空探测、智能筑制等前沿科学的牵引，分子光谱正在空间拓展和俭省光阴方面的使用涌现杰出。假使这两个进展流程都不是一帆风顺，却都是一块高歌大进。“旧中知新是出现，无中生有是出现。”分子光谱正在空间拓展方面的使用众与出现合联，众属于科学琢磨的周围;分子光谱正在俭省光阴方面的使用众与出现合联，众属于工夫开拓周围。两者既有区别，又交相照映、相得益彰，既有阳春白雪、也有下里巴人，既有顶天马上、也有铺天盖地，既有睹义勇为、也有锦上添花，分子光谱工夫正在人类的文雅提高中阐发着厉重的效力。分子光谱工夫也将会越来越与数字地球、聪慧农业、智能工场、精准医疗、深空探测、碧水蓝天、炫彩糊口等时间中心相交融，正在与稠密学科交叉交融中获得迅疾进展。

　　“全盘提高都是空间的拓展，拓展空间即是拓展人生”“全盘俭省都是光阴的延伸，延伸光阴即是延伸性命”。愿咱们伴跟着分子光谱工夫的不息进展，拓展人生，延伸性命。

　　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琢磨. 光谱学与光谱分解，2019，39(2)：128～132

　　9 陈重江，杨思华，邢达. 光声显微成像工夫琢磨进步及其使用. 中邦激光，2018，45(3)：0307008

　　13尹凤福，闫磊，韩新颖，徐衍辉. 近红外光谱(NIR)分选工夫正在塑料分选周围的使用. 情况工程，2017，(12)：134～138

　　15王昆，林坤德，袁东星. 情况样品中微塑料的分解措施琢磨进步. 情况化学，2017，36(1)：27～36

　　(本文是“2019中邦仪器仪外学会学术年会”和“2019邦际使用光学与光子学学术相易会”讲稿的文字料理)

　　一轮合照7月5日“3i奖-科学仪器行业卓越新品和绿色仪器”2024工夫相易会正在线