你有没有想过，超市里的苹果如何快速检测农残？考古学家怎样判断文物的年代？天文学家又是如何知晓遥远星球的成分？这些看似不相关的问题，背后都指向同一个“黑科技”——光谱技术，而实现这一切的核心设备，就是光谱仪。
今天，我们就来揭开光谱仪和光谱技术的神秘面纱，看看这台 “光的解码器” 如何帮人类 “读懂” 世界。
（一）小科普：什么是“光谱”？
提到 “光谱”，很多人会想到实验室里复杂的仪器和曲线，但实际上，光谱离我们一点都不远 —— 雨后的彩虹，就是常见的 “自然光谱”。 阳光看起来是白色的，但其实是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等不同波长的光混合而成。当阳光穿过雨滴时，不同波长的光因折射角度不同而分离，就形成了彩虹。这种 “把光按波长分开” 后呈现的图案，就是光谱。 图1.棱镜分光图 而每种物质都有自己独特的 “光谱指纹”：当光照射到物质上时，一部分光会被吸收，一部分会被反射或透射。不同物质吸收、反射的光波长不同，留下的 “光谱印记” 也就独一无二。就像我们通过指纹识别身份，科学家通过 “光谱指纹”，就能快速判断物质的成分、结构甚至含量。 （二）光谱仪：把 “光的指纹” 变成 “可读数据” 若将 “光谱” 比作物质独一无二的 “身份证”，那么光谱仪便是读取这张 “身份证” 的“读卡器” —— 它的作用就是把肉眼无法看见的 “光谱信号”，转化为能够被精准分析的 “数据曲线”。要深入理解光谱仪的工作原理，我们首先来认识它的 5 个核心构成部分，这些部件如同精密仪器的 “五脏六腑”，共同支撑起光谱分析的基础： 图2.光谱仪工作过程和构成示意图 1. 入射狭缝:作为光线进入光谱仪的 “闸门”，它的主要作用是限定入射光的形状与尺寸，确保进入后续环节的光信号符合分析需求； 2. 准直部分:相当于光信号的 “整理员”，能将原本可能发散的光信号转变为平行光，为后续的色散环节做好准备，常见的准直器可以是透镜、反射镜，也可以是集成在色散元件上的特殊结构； 3. 色散部分:这是光谱仪实现 “分光” 的核心环节，通常采用光栅作为核心元件，它能像 “棱镜分光” 一样，将不同波长的光信号在空间上清晰分开，让每种波长的光都拥有独立的传播路径； 4. 聚焦部分:扮演着 “信号收集者” 的角色，负责收集经过色散后的光学信号，并通过精准的光学设计，让各个波长的光信号准确聚焦在焦平面上，为后续检测做好铺垫； 5. 阵列探测器:如同光谱仪的 “眼睛”，它被精准放置在焦平面上，专门检测各波长光信号的强度，常见的探测器类型包括 CCD 阵列和 PDA 阵列，能将光信号转化为可识别的电信号。 图3.环己烷的拉曼图谱 正是依靠这 5 个核心构成部分之间的高效协同、无缝配合，光谱仪才能有条不紊地开展分析工作。其完整的工作过程就像一场 “信号处理流水线”，可清晰拆解为以下三步： 1. “捕光” ：通过光学系统收集光线（可以是阳光、激光，也可以是物质自发光）； 2. “分光” ：用棱镜或光栅等元件，将混合光按波长分开，形成光谱； 3. “解码” ：通过探测器（类似相机的感光元件）捕捉光谱信号，再由计算机将信号转化为直观的 “光谱图”。 图4.常见阵列式探测器关键指标对比 要判断一台光谱仪的性能优劣，就需要关注它的 “六大关键指标”，这六个参数如同光谱仪的 “性能身份证”，全面反映了仪器的分析能力： 1. 光谱覆盖范围 : 光谱仪可检测到的波长范围。 2. 光谱分辨率 : 能被光谱仪分辨开的min的波长差值。 3. 灵敏度 : 能被光谱仪检测到的min的光能量。 4. 动态范围 : 光谱仪测量到的Max与Min光能量的比值。 5. 信噪比 : 光谱仪的信号能量水平与噪声水平的比值。 6. 光谱获取速度 : 在一定的入射光能量水平下,光谱仪产生可测量到的信号并获得谱图所需的时间。 需要特别注意的是，对于阵列式光谱仪而言，这六个性能参数并非相互独立，而是密切相关、互相影响的 —— 比如提升光谱分辨率可能会在一定程度上影响光谱获取速度，优化灵敏度也可能对动态范围产生关联作用，因此在选择和使用阵列式光谱仪时，需要根据实际分析需求，对这些参数进行综合考量。 （三）光谱技术：不同 “解码器”，应对不同场景 根据检测原理和应用场景，光谱技术主要分为几大类，每类都有自己的“擅长领域”： 拉曼光谱的诞生，源于印度物理学家钱德拉塞卡拉・拉曼的一次偶然的科学观察，拉曼也因此在 1930 年获得诺贝尔物理学奖。拉曼光谱的基本原理是利用激光和物质分子间的相互作用，通过测量样品所产生的散射光谱来获取样品的结构、成分、状态等信息。 图5. 印度科学家拉曼和拉曼原理 这种散射光谱可分为两大类：瑞利散射和拉曼散射。当分子吸收能量从低能态跃迁较高能态，光子失去部分能量，频率变小，产生斯托克斯散射；当分子失去能量从高能态跃迁到低能态，光子得到一定的能量，频率会增大，就是反斯托克斯散射。 斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射， 但斯托克斯散射的强度远大于反斯托克斯散射， 这是由于室温下分子多处于基态，处于激发态的概率不足１％。因此，拉曼散射主要指的是斯托克斯散射。拉曼光谱图的横坐标为拉曼位移，即散射光与入射光的频率差△v，用波数表示，单位为cm-１，相对强度值为纵坐标。 相比其他光谱技术，拉曼光谱之所以能在众多领域“大显身手”，源于它独有的 3 大优势，每一个都戳中了实际应用的 “痛点”： 适用范围广：打破样品形态限制，可分析固体（如金属）、液体（如溶液）、气体（如废气），广泛应用于材料、环境、生物医药、食品等领域。 虽然拉曼光谱优势突出，但并非“wan能”。比如检测高浓度深色样品时，样品会吸收大部分光，导致拉曼信号变弱；而吸收光谱在检测这类样品时更有优势。因此，在实际应用中，科学家常会将拉曼光谱与其他光谱技术结合：比如在食品an全检测中，先用拉曼光谱快速筛查食品是否含有违禁添加剂，再用吸收光谱精准测量添加剂的含量，既保证了检测效率，又确保了结果准确性。 从彩虹的自然光谱，到实验室里的精密仪器，光谱技术本质上是帮人类“听懂” 光的语言。而拉曼光谱，作为这门 “语言” 中精细的 “方言”，正以无创、精准、快速的优势，在医疗、刑侦、食品、材料等领域发挥着越来越重要的作用。 （四）产品推荐 1.主要性能指标 波长范围 波长范围为190-2550nm，覆盖多个波段。 光谱分辨率 光谱仪分辨率为0.16-25nm，可辨细微光谱差异。 入射狭缝 衍射光栅将从狭缝入射的光在空间上进行色 散，使其光强度成为波长的函数。目前，我们提供多种包括刻线衍射光栅和凹面全息光栅供客户选用。 探测器 我们可提供前照式 CCD 阵列、背照薄型 CCD 阵列、光电二极管阵列 (PDA)、InGaAs 阵列等探测器以满足不同的检测需要。 2.核心测量功能 定性分析：依光谱指纹，对比谱库辨成分，获多国药典认可（如制药业原辅料鉴别）。 定量分析：结合 BWSpec等软件与化学计量学，建模型测成分含量（如材料元素定量）。 动态监测：Exemplar 型号达 900 谱 / 秒，16 通道同步传，延迟 14ns，可测反应动力学、材料相变。 3.样品类型 可分析固体、液体、气体和特殊样品等不同形式的样品。 4.应用领域 生物医疗：研发生物分子，辅助疾病筛查（如皮肤癌、代谢病诊断）。 制药工业：覆盖药物研发、生产质控、成品鉴别，符监管要求。 材料科学：分析合金、聚合物、纳米材料，优化配方与工艺。 环境科学：监测大气、水、土壤污染物（如水体 COD、氨氮）。 食品农业：测食品成分、辨真伪，析土壤养分、监测作物生长。 5.产品优势 高灵敏高分辨：先进光学设计与器件，可测弱信号、解析复杂光谱。 便携易出现场：重量在0.34-4.6kg，适配现场检测（如勘探、应急监测）。 智能自动化：Exemplar 自动处理数据，部分型号触控操作，自动校准、生成报告。 灵活可拓展：可定制光谱范围等，配多样探头与软件（如不同激光器、BWID™软件）。1. 吸收光谱：当光穿过物质时，物质会“吃掉”（吸收）特定波长的光，通过分析被吸收的光，就能判断物质成分。如水质检测，可以通过检测水中污染物对特定光的吸收，快速判断重金属、有机物含量；医疗诊断检测血液中的血红蛋白、血糖等物质，会吸收特定波长的近红外光，医生通过近红外光谱仪，可无创检测血糖。
2. 发射光谱：有些物质在高温或激发下会自己发光（比如霓虹灯、荧光灯），通过分析这些“发光信号”，能判断物质成分。如金属冶炼将矿石样品高温激发，不同金属会发出不同颜色的光，通过发射光谱仪可快速分析矿石中金属含量；食品an全检测奶粉中的三聚氰胺时，三聚氰胺在特定激发光下会发出荧光，通过荧光光谱仪，可精准检测其含量。
3. 拉曼光谱：
（1）从发现到原理：
（2）技术优势：让拉曼光谱成为 “全能侦探”
无创检测：具备无损检测能力，不破坏样品即可分析，尤其适用于珍贵文物（可鉴别材质 / 年代）、生物组织等；且支持微量分析，极少量样品即可启动检测。
操作简单：仪器操作简单，无需复杂流程；稳定性强，维护量少；分析快速，2 分钟内可出分子结构结果，大幅提升效率。
精准度高：凭借分子指纹特性，特异性强，能精准鉴别物质；灵敏度达 ppt 级，可检测微量目标物质，满足痕量分析需求。
（3）与其他光谱技术的互补：各有所长，协同发力