正如每个人的指纹都独一无二，不同物质对光的“反应”也各不相同——它们会独特的方式吸收或反射不同波长的光线，形成自己专属的“光学指纹”。而光谱仪，就是能够读取这些光学指纹的“侦探工具”。

传统的光谱仪往往体积大、价格高，通常只能用于实验室分析。近日，中国科学技术大学微电子学院的孙海定教授iGaN实验室，联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出微型紫外光谱仪芯片，并实现了片上光谱成像，将原本“笨重”的光谱仪压缩至芯片级别，在显著缩小体积、降低生产成本的同时，赋予其更高的便携性和灵活性，为紫外光谱技术在环境监测、生物医疗、工业质检等场景的多元应用开辟了广阔空间。

本期（上篇）将回溯光谱学的诞生，揭开光与物质相互作用的神秘面纱，看科学家如何利用这一利器，在科研、医疗与工业的广阔天地中，读懂光与物质的“对话密码”。

台式光谱仪

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光谱：物质的光学指纹

光的本质是电磁波，其波长和频率直接决定了光的颜色和能量，单一波长（或频率）的光便是单色光。在日常生活中，我们所接触到大部分光都是由不同频率的单色光波组成的复色光。当一束光通过棱镜、光栅等光学系统分光后，不同波长的单色光会相互分离，被色散开的单色光按波长（或频率）大小依次排列形成的图谱就叫做“光谱”。

早在1666年，物理课本上的老熟人，英国物理学家牛顿就利用三棱镜将太阳光分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光，这些光分散在不同位置上，形成了世界上第一个光谱。

三棱镜分光示意图

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人眼能看到的可见光只是电磁波大家族中的一小部分，事实上，还存在紫外光、X射线、太赫兹波、γ射线，以及红外光、太赫兹波、微波、无线电波等我们看不见的电磁波。因此，光谱的内涵并不局限于“七色光”的范畴，而是一幅更广阔的“电磁波全景图”。光谱不仅是人类认知光的基础，更是探索物质世界、推动技术应用的关键工具。人类对光谱的研究与利用，本质就是不断解锁这幅“全景图”的过程——每一段不可见的光谱，都是拓展认知边界、推动技术革新的钥匙，也让“光”的价值，渗透到科学、生活与产业的每一个角落。

电磁波分布示意图

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根据光与物质相互作用的方式，光谱主要分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱三大类。

发射光谱研究的是物质自身发射的光，例如荧光/磷光光谱（光致发光）、火焰发射光谱（热致发光）、电弧发射光谱（电致发光）、激光诱导击穿光谱（激光能量激发）。当物质吸收外界能量（如光能、热能、电能），使内部电子从基态跃迁至激发态，当电子回落至基态时，能量会以“光”的形式释放出来。释放的能量越大，发射光的频率就越高、波长就越短。

原子的玻尔模型示意图

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由于不同原子、分子等微观粒子的物理结构和能级结构存在本质差异，因此电子在不同能级间跃迁时，发射光的波长也不尽相同。每种微观粒子都会形成一套独特的发射谱线，这些谱线的波长由粒子的能级结构严格决定，具有“唯一性”与“特异性”（即不会与其他粒子完全重合），这种特性使光谱成为微观粒子的“光学指纹”，是科学研究与工业检测中识别元素种类、分析物质成分的核心判断依据。

前十种元素的原子谱线对比

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以氢原子谱线为例，按跃迁能级的不同，其发射谱线清晰分布在紫外、可见光、红外等多个波段，每一条谱线都具有明确且唯一的波长。其中656.3nm（红光）、486.1nm（蓝绿光）、121.6nm（紫外光）等几条谱线强度较大，通常是光谱研究中识别氢元素的直接依据和核心观测对象。

氢原子谱线（紫外-红外波段）在对数刻度下的视觉对比图

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与发射光谱相反，吸收光谱研究的是物质吸收了哪些光，例如红外吸收光谱、紫外-可见吸收光谱、X射线吸收光谱等。当连续波长的光穿过某种物质时，物质会选择性吸收与其内部电子能级跃迁匹配的波长的光（即“共振吸收”），导致这些波长的光强度减弱。通过研究入射光与出射光的强度差异，我们就能推断出物质对不同波长光的吸收能力（或透射能力），也能通过与已知物质的吸收谱线一一比对，反推出待研究物质的微观结构与成分组成。

吸收光谱的产生示意图

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在光谱图中，发射谱是一组亮线，吸收谱则是一组暗线。从能量转移的角度来看，吸收光谱是入射光的能量转移到微观粒子上，使其从能量较低的能级基态或较低能级迁至较高能级；而发射光谱则正好相反,它是先将微观粒子激发至任意高能级，待粒子回落至低能级时向外发射出光子而产生。

在两个能级间，粒子受激跃迁时吸收的能量与回落时释放的能量完全相等，对应光子的能量和波长也完全一致，因此在同一物质的吸收光谱与发射光谱中，谱线的位置会精确对应。不过，由于发射谱涵盖了粒子从所有高能级向任意低能级回落的全部跃迁行为，因此通常会比吸收谱更丰富一些。

发射光谱相与吸收光谱的产生原理和谱线示意图

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此外还有一种散射光谱，主要研究光通过物质时发生的散射现象，如拉曼光谱、瑞利散射光谱、布里渊散射光谱。当光线穿过物质时，部分会与物质中的分子、原子发生碰撞。有些碰撞只改变光的传播方向而不交换能量，这被称为弹性散射；有些碰撞则会交换能量，导致光的波长发生变化，这被称为非弹性散射。通过观察物质的散射光谱，科学家可以分析物质的微观结构、分子振动等特性。从广义上说，散射光谱也可以视为一种特殊的发射光谱。

光散射的几种可能：瑞利散射（不交换能量）、斯托克斯拉曼散射（粒子吸收能量，散射光子能量减少）和反斯托克斯拉曼散射散射（粒子失去能量，散射光子能量增加）

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光谱学的诞生：太阳光与三棱镜的邂逅

1666年，牛顿完成了著名的“棱镜分光实验”，这是人类历史上首次对“光谱”的系统观测。1802年，英国化学家沃拉斯顿发现太阳光的光谱并非完全连续，而是存在多条暗线，这是人类首次观测到“吸收光谱”。1814年，德国物理学家夫琅禾费在观测太阳光谱时，再度独立发现了这些谱线，他不仅清晰记录了其中570余条暗线，还测量了每条暗线对应的波长，后来这组谱线被命名为“夫琅禾费线”。

在可见光范围内的夫琅禾费线及部分谱线与元素的对应关系

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1859年，德国化学家本生和物理学家基尔霍夫（就是提出基尔霍夫电路定律的基尔霍夫）合作，利用本生灯产生高温的无色火焰来灼烧不同金属盐，并研究其发光谱线。二人发现金属盐的发射光谱并不连续，而是分立的亮线，且每种金属元素的发射光谱都是独一无二的。更有趣的是，这些金属元素的特征发射亮线与夫琅禾费暗线完全重合，例如钠盐发射光谱中的黄线与太阳光谱中的钠-D双暗线位置一致。

基于实验，基尔霍夫提出了基尔霍夫光谱三大定律：

1.炽热的固体/液体产生连续光谱。例如炽热的太阳内核、烧红的煤炭、通电发光的钨丝、高温熔融的铁水。

2.热的稀薄气体会产生离散波长的光谱线，它与气体原子的能级有关。例如霓虹灯（稀有气体通电发光）、钠蒸气灯（黄色光）和汞灯（紫外光）。

不同稀有气体通电发光的颜色

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3.热的固态物体周围分布着温度较低的稀薄气体时，产生的光谱几乎是连续光谱，其中离散的光谱间隙与气体原子的能级有关。即当连续光穿过较冷的稀薄气体时，会产生吸收光谱，因此太阳内核发出的光被在穿过太阳大气和地球大气层后，会产生夫琅禾费线。

这一系列发现和结论不但解释了夫琅禾费线的成因，更是开创了光谱分析学的先河，光谱学正式成为一门兼具理论与应用价值的独立学科。

光谱学的应用：科研、医疗与工业

1860年，本生和基尔霍夫利用火焰光谱法研究矿泉水时，发现了一组从未见过的蓝色谱线，这些谱线表明样品中存在一种未知的化学元素，他们将这种新元素命名为“铯”，词源来自拉丁文“天蓝色”。这是人类历史上首个通过光谱分析法发现的化学元素。次年，二人发现锂云母矿提取物的发射光谱中存在一组从未见过的红色谱线，根据这一特征谱线，二人将新元素命名为“铷”，词源来自拉丁文“深红色”。1868年，法国和英国的天文学家发现，太阳光谱中有一条波长为587.49nm的黄色谱线，与当时已知元素的谱线均不相同，由此他们将黄线对应的元素命名为“氦”，取自希腊语中的“太阳”，这是人类首次利用吸收光谱发现新的元素。

氦元素在可见光波段的发射光谱

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随着光谱技术的成熟与发展，光谱分析法已逐步渗透到材料、化学、环境、生物、医疗、考古、天体物理等多个领域，成为分析物质成分、解析微观结构的利器。

在材料分析领域，实验室中常用的各种光谱仪器，如X射线荧光光谱仪（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）、X线能量色散谱（EDS）、光致发光光谱（PL）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振波谱仪（NMR）、电子顺磁共振谱仪（EPR）等，能够从材料组成成分、界面特性、晶格结构等角度，全方位解析材料的核心信息，为材料研发、性能优化与质量控制提供精准的数据支撑。

其中X射线光电子能谱（XPS）利用过分析X射线激发物质表面电子，使其脱离原子束缚形成“光电子”，随后通过分析光电子能量分布，获取物质的元素组成、化学价态及表面结构信息。XPS是一种光电子能谱技术，虽不直接检测电磁波，但仍属于广义上的光谱仪。

XPS系统示意图

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在化学合成领域，特别是在有机合成中，光谱仪能够通过监测特定波段光线的强度变化，实时捕捉反应过程中官能团的生成与消失、溶液颜色或透明度的变化等信息，间接监测反应进程、反应速率和产物种类，并且还可以助力复杂产物的分离、痕量杂质的鉴定、催化剂的筛选等。

在生物医学领域，光谱仪可用于蛋白质等生物大分子的三维结构解析、确定抗体或药物的作用点位、判断核酸碱基的配对方式、研究药物的作用和代谢速度，还可以和核磁共振成像（MRI）技术结合，由MRI寻找异常位置，由光谱仪分析异常类型，实现精准医疗。并且随着医疗技术发展，研究人员发现有些疾病会影响呼出气体的组分，例如肺癌（苯甲醛浓度较高）、糖尿病酮症酸中毒（丙酮浓度较高）、心力衰竭（乳酸浓度较高）等，因此可以利用光谱仪对某些疾病进行无痛式、无创式、非接触式的早期快速筛查。

某种蛋白质的三维结构示意图

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在天体物理研究中，光谱仪几乎成了人类研究天体的“唯一工具”，天文学家需要从光谱中提取天体的化学成分、温度、密度、速度、距离等关键信息。这些信息不仅能还原恒星从诞生到消亡的演化轨迹、追溯星系的形成与合并历史，更能为验证宇宙起源理论、探寻暗物质与暗能量的踪迹提供无可替代的观测依据，让人类在遥远的地球上便能触摸宇宙运行的底层规律。我国自主研制的郭守敬望远镜就配备了16台光谱仪，能够同时观测4000个天体，是世界上光谱获取能力最强的望远镜之一。

郭守敬望远镜照片

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除了基础科研领域，光谱技术在工业生产中也发挥着关键作用。在重工业中，光谱仪可以用来检测钢水的锰、硅、铬等元素含量，确保钢材牌号符合标准；在食品工业中，光谱仪可以快速识别三聚氰胺、地沟油等有害物质含量，也可以分析粮食的蛋白质、水分含量，实现无损质检；在半导体工业中，光谱仪更是贯穿晶圆生长到器件封装的全流程，保障每一颗芯片的性能与良率。

在环境监测领域，光谱仪可快速检测出空气、水中的污染物成分及浓度，并且还可用于大气可见度、污染物分布、风速的测量；在考古与文物鉴定领域，光谱仪能够在不损坏文物的前提下分析文物的材质成分、制作工艺、历史年代，是破解文物历史信息、鉴别真伪的重要手段之一；在珠宝首饰鉴定领域，光谱仪不仅可以准确识别各种珠宝的种类，还能排查珠宝是否经过染色、注胶等优化处理。

从牛顿分解阳光，到基尔霍夫和本生破解太阳暗线之谜，再到发现新元素、解析物质结构、探寻宇宙奥秘，光谱学已经从一个纯粹的物理现象，发展成为支撑现代科学与技术发展的基石之一。然而，传统光谱仪“笨重”的身躯和昂贵的价格，将其主要限制在实验室的方寸之间。如何才能让这位“万能侦探”在更广阔的舞台上施展才华呢？答案，就藏在下一场即将到来的技术革命——微型化与芯片化之中。敬请期待下篇，我们将揭示中国科学家如何将光谱仪“装进”一枚小小的芯片，并用其重塑我们对世界的感知方式。

参考文献：

[1]Yu, H., Memon, M.H., Yao, M.et al.A Miniaturized Cascaded-Diode-Array Spectral Imager.Nat. Photon.(2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6

出品：科普中国

作者：梁坤（中国科学技术大学）

监制：中国科普博览