浙大青年科学家用“彩虹”造出全球最小光谱仪，将成本降低数千倍

就在刚刚，曾研制出全球最小光谱仪的浙大信息与电子工程学院研究员杨宗银，发表了其作为第一作者的第二篇 Science 。

图 | 论文《光学光谱仪的小型化》

该论文已于 1 月 29 日早晨上线，论文题为《光学光谱仪的小型化》（Miniaturization of optical spectrometers）。

他研究的光谱和你我息息相关，你能看到的每种物质，都有对应的光谱信号。杨宗银告诉 DeepTech，这是目前第一篇全面介绍光谱仪文章，文中介绍了四种光谱仪，并总结出该领域内的发展脉络，非常适合新人入门、以及领域内学者补漏查缺。

图 | 杨宗银（来源：受访者）

光谱仪是近二十年来兴起的一种技术，它能通过测量物质吸收、或物质发射的谱线，去分析其成分及结构，是科研和业界最常用的测量工具之一。

这项技术本身要从 17 世纪说起，牛顿发现棱镜在折射太阳光后，会呈现彩虹色，光谱仪的诞生正是基于这个色散实验。

通过检测光谱中的谱线强度，光谱仪可检测出物体上每种颜色的亮度。其应用大到天文，小到分子，比如它能检测几百万光年外的星系活动，还能检测纳米尺度中的分子结构。

图 | 小型化光谱器件领域

它的具体应用，更是非常日常。通过光谱信号可确定牛奶的成分，还可查看饮料糖分的高低，它还能识别水果或蔬菜中的含糖量、成熟度或酸碱度，也可通过皮肤照片来查看皮肤含水量。

由于光谱仪的光路复杂，内部有着较多精密光学元件，这些元件造价很高，故此当前光谱仪价格普遍在几万元以上。

并且，此前光谱仪的工作原理，仍然沿用四百多年前牛顿的实验原理，即使用棱镜或光栅分光元件，这导致光谱仪体积普遍比较庞大，因此很难满足更多应用。

而杨宗银做的工作，就是把成本降到十到几十元，并能把它做的很小，可以集成到手表或手机中。

世界上最小的光谱仪，直径比头发丝还细

2019 年，杨宗银在 Science 发表论文《单纳米线光谱仪》Single-nanowire spectrometers，这标志着世界上最小的光谱仪诞生，其直径比头发还要细。

审稿人评价说，“纳米线光谱仪是一台集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的惊艳之作。”

图 | 世界上最小的光谱仪（来源：受访者）

该工作的创新点在于，杨宗银用带隙渐变的特殊纳米线，代替传统光谱仪中的分光和探测元件，并通过类似电脑芯片制作的工艺，在纳米线上加工出光探测器阵列。对于不同颜色的光，各种探测器可产生不同的响应。

基于此，他在响应函数方程组中，以逆问题求解的方式，重构出所需测量的光谱信息。

图 | 光谱仪设计（来源：受访者）

以相机拍照为例，每个像素点只含有红蓝绿三种颜色，而该光谱仪能让每个像素点记录下几十到上百种谱线强度。以发光的火焰为例，该光谱仪不仅能检测到火焰的色彩，还可通过测量火焰的光，来获悉里面发生的化学反应。

图 | 微米尺度的光谱成像（来源：受访者）

此外，该光谱仪还可对细胞进行光谱成像，和常见细胞成像技术不同的是，光谱仪成像可通过光谱信息，去分析细胞细微部分的化学变化。加以后续开发，该光谱仪有望通过注射到人体内，来实时监测人体健康。

不过在健康应用上需要更加慎重，如他所言：“涉及人体的健康实验，会比较麻烦，我们的产品要确保检测结果的正确性，也要符合国家医疗卫生保健的相关标准，这个实现的过程会比较漫长。”

图 | 该研究的主要参与者，左二为杨宗银

而这项技术要想进入寻常百姓家，最好的方式之一便是集成到手机中，即把 “光谱分析技术从实验室搬到手掌上”。

一年多过去，他在原基础上已对该光谱仪做出迭代版本。

杨宗银介绍，数月之后其实验室即将诞生集成光谱仪的手机样机，这种光谱仪手机落地之后，可让用户通过简单的拍照，就能测量人脸或食物中的光谱信息。

届时，通过相应 App，用户把需要检测的信息，和数据库中的数据进行对比，就能查看物质的相关含量，他表示 “这其实就像我们在医院得到的验血报告一样。”

此外，未来他将在现有基础上，开发出覆盖紫外到红外的微型光谱仪，届时应用范围更加广泛。

150 次失败和 1 根彩虹

这是一项持续八年的研究，最初的研发要从“一根彩虹” 开始。

2011 年，在浙大读研期间，他和同学发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，这种技术得出的纳米线，在荧光显微镜下看起来就像一道彩虹。

当时，他猜想这种材料或许可用于分析光谱，由于当时条件不足，这项研究被迫搁置。

2014 年秋，他来到剑桥大学光电子学专业读博，并重拾起三年前的想法。

期间在 150 个光谱仪器件上做实验，然而都失败了。在妻子的鼓励和自己的坚持下，终于在 2017 年，他心有不甘地再次尝试，并开始有一点起色。

2018 年夏，他正在写毕业论文，但是光谱仪的实验结果仍然无果。8 月中旬的一个深夜，他去测试最后一个样品，结果刚好和商用光谱仪完全对的上。

于是他开始写论文，写好的那一周，恰逢女儿出生。而在后面，他给论文准备了三十页的回复，Science 编辑直接接受，论文仅用两个月就被收录和发表。

忆起那个“胜利之夜”，他曾说：“那一刻百感交集，想到这几年的种种经历，一个人在实验室呆坐了好久好久。”

该研究虽然在剑桥大学完成，但实为中外合作的结果，其中也有杨宗银硕士导师童利民的参与。

具体研究中，他发明了一种方法，该方法使用的纳米线只有发丝的 1/1000，它可有效捕获光子，此外通过使用可重构光信号全光谱的智能计算软件，制备出的光谱仪尺寸仅有几十微米，大小不到市面光谱仪的千分之一，可集成到手机中。

2019 年论文发表后至今，他对原有光谱仪做了改进，以前它只是单点的光谱仪，只能对一个点做光谱测量，现在已可以集成到手机商用摄像头中，并且每个像素点都是一个光谱。

以测试苹果为例，以前只能测出苹果局部有些红、或有些绿，但无法测试到颜色呈现的具体位置，而现在的光谱仪版本，可精准获悉苹果呈现颜色的具体位置。

此前光谱仪使用非标芯片工艺，现在使用标准芯片工艺，产业化程度得以提高。制备流程也采用标准流程，成本已降低到十元钱以内。

能有上述提升，是因为杨宗银结合几种微光谱仪的方案，并结合了纳米材料之间的优势。

阴差阳错两次换专业，如今执教西子湖畔

杨宗银是温州人，从小就喜欢拆零件做小发明，小时候曾做过可随光照自动发声的闹钟和光控灯等。

然而，高考结束后，却被浙大生物系录取，由于更喜欢的是机械，大一期间他过得并不开心，大二时转学到机械专业，并通过参加机器人竞赛、机械设计竞赛等实现了小时候的发明梦想。

但第二次 “阴差阳错” 再次发生，并改写了他的人生。在浙大保研时，机械系名额不足，当时他刚好遇到光电系的童利民教授，后者发现杨宗银很适合做科研，并像 “捡到宝一样” 给他争取到光电系的名额。由于机械系的本科背景，做光电实验时，他非常得心应手。

图 | 做实验的杨宗银

比如，市面上没有的设备，他能直接设计并制作加工出来，因此他做实验非常快，有了新想法很快就能做出来。

回望浙大读书期间的两次 “命运的安排”，他总结称，小时候做机械的想法，并不是对科学的全面认知，当时对科学的理解就是目之所及的电路，但当认知边界扩展后，他发现想做出更多前沿科学成果，就得和光电结合起来。

西湖，是杨宗银眼中一个小小的心灵花园。2014 年出国去剑桥读书前一晚，他说自己是听着西湖边的音乐喷泉离开的。读博结束后，他自己很想回国，同时也收到浙大的回国邀请。如今，他在浙大玉泉校区工作，走十几分钟就能到西湖。而这大概也是这位 33 岁温州籍科学家的最好归宿。

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发布媒体：好百科 作者：DeepTech深科技