作者：中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长、中国科学技术大学环境科学与光电技术学院院长 刘文清
近日，《Nano Research》期刊以封面形式发布了一篇光谱仪综述文章，该文章对光谱仪的创新性分类方法将在未来对光谱仪行业产生深远影响，也为我们在光谱仪设计和制造思路上提供了新的视角，这一视角可能直接启发应用于环境监测的光谱技术未来走向。
文章题目是《光谱仪设计中的波粒二象性》（The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs）。文章提出了普适性的光谱仪测光原理公式 I’=P[D[T[I]]]，其中I和I’分别是被测光谱和光谱仪的测量结果；T是光与光谱仪器件的相互作用本质，根据原理被划分为波动性和粒子性两大类；D是检测器的类型，如光子探测器、光电传感器等；P是光谱仪的后处理过程，分为直读型、傅里叶变换型、计算重构型等。
该原理公式将现有光谱仪的分类方式纳入并形成了新的较完整的系统性分类体系，还创新性地将光谱仪从基本的测光原理层面分为波动性光谱仪（Wave-based spectrometers）和粒子性光谱仪（Particle-based spectrometers）两大类。波动性光谱仪涵盖传统棱镜、光栅等器件通过折射、干涉或混合原理（如超表面、无序结构、衍射重构等），完成光谱测量，此类光谱仪已发展了超过300年。粒子性光谱仪则是近10年内出现的，基于透过、吸收、发射、散射等方式，通过研究光子与电子之间的相互作用完成光谱测量。
波动性光谱仪经过数百年的发展，目前瓶颈已经非常明显：首先，其性能（如分辨率、光通量）与光谱仪尺寸存在着难以调和的矛盾；同时，波动性光谱仪的性能高度依赖于光学器件的制造精度。精密光谱仪无法做到微型化，而手持光谱仪很难做到高精度。粒子性光谱仪，由于直接借助材料中光子和电子的相互作用而进行光谱测量，整个测量过程与入射光的相位、偏振、入射角等传统光学参数不相关，使得此类新型光谱仪在保持微型化的同时，可实现高分辨率、宽测量范围和高光通量光谱测量。
这些新型粒子性光谱仪的诞生，将快速改变目前光谱测量的基本范式，并有望重塑世界光谱研究格局。传统光学仪器中使用的精密光学器件通常掌握在德国、日本、美国等少数国家手中，如光学玻璃领域的日本保谷光学（Hoya）、日本小原光学（Ohara）、德国肖特光学（Schott）；光栅领域的美国索雷博（Thorlabs）、日本堀场（Horiba）等。粒子性光谱仪从光谱仪设计理念层面进行了全新的颠覆，利用新材料（如量子点、黑磷、钙钛矿等）中可调控能级直接与光子发生作用的原理进行光谱测量，将我国在新材料领域的竞争优势一定程度上延展到了光谱仪领域，在快速缩小精密光谱仪尺寸的同时，更大程度地实现了科技自主。
未来，粒子性光谱仪将在环境光学监测领域产生多应用。空气、水体中的各种成分，包括污染物在内，都有其特征吸收光谱。通过设备对污染物的探测，可以精准确定污染物的成分及含量，这也是光学能为环境检测提供支撑的原因所在。粒子性光谱仪在环境光学监测领域的应用，将更快速的充实环境污染物光谱数据库，为数据库提供更多样的原位数据，未来的环境污染物识别有望更准确更智能。
截至2024年，环境监测行业市场规模约735.0亿元，其中在线环境监测仪器行业市场规模约264.73亿元。随着国家在数字基建、智慧环保领域的持续投入，环境市场监测规模未来仍处于稳步增长趋势。大气、水、土壤监测领域均不断涌现新的光学监测技术，包括高分辨率激光光谱技术、全时段污染/温室气体超光谱断层扫描技术等自主可控技术，在国际国内均获得广泛关注。但需要关注的是，在已得到批量应用的波动性光谱仪领域，高精度光栅、光电倍增管等精密光学元器件仍然普遍依赖进口，精密光谱器件的国产化和光谱测量技术的快速更新刻不容缓。
粒子性光谱仪由于微型化、高精度的特点，相信能很快在环境光学监测领域推广，并从光谱测量原理层面深刻影响环境光学监测仪器发展创新。粒子性光谱仪普遍没有光栅等精密转动部件，其现场针对不同温度、湿度的环境适应性将显著优于波动性光谱仪。更加让人振奋的是，粒子性光谱仪的先驱：量子点光谱传感器，其诞生地就在中国，并已广泛应用于水质监测行业。此类量子点光谱仪已在全国范围内地表水、污水等不同水体中布设了数千台，可靠性经过多场景验证，正处于快速推广期。量子点光谱传感器的出现，启发了钙钛矿光谱仪、纳米线光谱仪等一批粒子性光谱传感技术，国内在这几个领域的研究也基本处于国际领先地位。相信未来数年内，粒子性光谱仪技术的独特优势及其在环境光学监测领域的应用前景将随着这篇文章的发表而受到学界和业界的更广泛关注，迎来新一轮技术井喷。我们共同期待更多中国制造的粒子性光谱仪从实验室中走向各行各业，期待更多环境光学工作者坚持科技创新与产业创新相结合，勇担自立自强新使命，走好科技强国新征程。
