量子点光谱仪检测代谢废物未来医疗带来革命性技术

　　2011年5月10日，亚美尼亚的天文学家盖瑞特和他的研究小组在全球最顶尖的学术期刊《自然》杂志上发表了其最新的研究发现，团队发现一个名为HD82943的恒星吞下了它的一颗行星，过程相当于太阳吞下地球。这颗恒星的体积约和太阳体积一致，而它吞下的这个行星约相当于太阳系里面最大的行星木星质量的两倍。而HD82943恒星大概在距离地球78光年。

　　观测这一过程的工具是坐落在智利“阿他加马“沙漠的欧洲南部天文台的超大型望远镜镜组，针对这一现象，科学家们真正记录的数据是一些孤立的数据点。那么科学家如何通过孤立的数据点推断出发生了星球吞噬的现象呢?

　　从元素与光谱的角度出发，解决天文学谜团

　　QDChip公司CEO鲍捷讲解通过光谱分析得知行星吞噬的原理

　　理解这一现象需要从元素的角度考虑问题。锂元素有一种同位素，该同位素比正常的锂元素少一个中子，称为锂6。锂6非常脆弱，当恒星产生上千万度的高温时，它存在的时间非常短暂，通常在恒星形成的数百万光年之内就完全消失了。但是当科学家们观测HB82943恒星所发射的光谱时，发现锂6与锂元素(锂7)的比高达3：25，比例高于正常水平较多。

　　行星本身不发光、发热，也不会产生大量的温度。经过大量的论证、推演，科学家们推测，在HB82943表面存在大量锂6的原因是恒星把行星吞了下去，根据比例0.12可以推测行星的数量大概相当于木星数量的两倍。

　　在关于HB82943吞噬行星的案例中提到了“光谱”的概念，光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱是描述一个光颜色组成最精确、最本真的方式。

　　三种光谱仪的工作原理示意图

　　元素的特征光谱具有唯一性，原理可应用于血糖测量

　　光可以与物质发生相互作用，当一束光经过不同的化学物质，物质会与光发生相互作用，而相互作用会改变这些光的光谱，改变的过程跟物质的本质有很强关联，且每周元素有其特定的与光发生相互作用的方式，即元素具有唯一性的特征光谱，因此人类可以通特征光谱辨别物质。

　　光谱除了帮助人类认识78光年外星体吞噬的现象外，还可以应用于人类自身状况的检测。比如，人体血液中富含血红蛋白，血红蛋白在肺部吸收氧气，把氧气通过血液带到全身各处，供组织细胞消耗。血红蛋白具有含氧和脱氧两种状态，两种状态下对应的化学物质不同，因此会具有不同的光谱。

　　通过测量这些光谱，人类可以了解含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白在人体内的比例，通过比例能够进一步得知血氧含量，测量出血氧含量随时间的变化可以测量出心跳、呼吸，并判断出人体健康状况。

　　代谢废物检测及药品检测均可利用光谱分析进行

　　除了判断血氧含量外，尿液中包含了人体的丰富代谢废物，每种物质对应特定的光谱，通过测量光谱可以了解到代谢废物的具体物质种类，从而判断人体近期、长期已经发生的疾病或潜在的健康威胁等。

　　光谱检测手段还可以应用于食品和药品检测。作为一个实际人口超过4000万的城市，北京每天约有2万辆的卡车满载食物运送进京，按时间计算，每分钟有10辆卡车排队等待进京，而利用光谱分析的手段抽查检测食物的安全性是必不可少的手段。

　　量子点光谱技术可以将大型光谱设备转化为微型传感器

　　光谱作为人类认识世界组成的手段已经被广泛应用。而光谱仪体积庞大，价格昂贵，限制了其应用范围。约5年前，鲍捷教授提出了量子点光谱的技术，该技术可以完成光谱大型仪器的微型化和传感器化，而这一技术最大的特点是可以与相机、手机摄像头中的传感器相结合，把大型的光谱仪设备转化为微型化的传感器。

　　量子点晶粒示意图

　　量子点是一种非常微小的纳米材料，它只有人头发丝的万分之一到十万分之一大小，通常当一个宏观材料的体积和大小被改变时，其颜色并不会发生变化，因为颜色是它的本征状态。但是当一个材料的尺寸是头发丝的万分之一到十万分之一时，该材料的颜色会随着它的大小变化而变化，变化过程精细到每增加一个原子或减少一个原子都会令颜色发生改变。

　　微型光谱传感器可应用至手机摄像头

　　因为光谱本身是非常细分的颜色，科学家能够用量子点材料所提供的一个庞大的颜色体系库对光谱进行颜色解读。

　　量子点的另一个特点就是可以在液态时被加工、成型、集成。基于这一特点，可以将很多种这样的不同材料集成为一类大家所熟悉的硬件形式，例如手机摄像头，从而实现了将大型的光谱仪器转化为手机摄像头中的传感器。这样的量子点光谱传感器可以缩小至针孔大小，在专业度不变情况下，成本却大大降低。

　　胶体量子点被打印至摄像传感器表面示意图

　　微型光谱仪的制成过程如下：首先，把量子点溶液进行特殊加工。然后，因为它非常微小，所以使用它可以像打印机里的墨水一样，把它打印到基底上，形成一个阵列的薄膜。然后把这个量子点薄膜与手机摄像头里面用的检测器阵列附和在一起，概念上就构成了一个光谱议。

　　通过对光谱仪的结构和算法的重新定义和设计，一部微型光谱仪就诞生了。在现有条件下，这种微型光谱仪最小尺寸可达约1立方毫米。

　　当微型传感器植入智能手机后，用户可以通过摄像头进行食品、药品、个人健康等检测，传感器甚至能够植入人体，进行各项健康指标的检测。

　　光谱传感器应用领域广泛，将成为人类智慧金字塔的坚实基础

　　光谱的传感功能还可以应用于农田中污染物与水质量的检测，以及食品生产、加工、运输等环节过程的监控，这一监控过程在消费者终端就可以实现。结合互联网与大数据，便可以将看似孤立、遥远甚至毫无类比性的事件中必然的因果关系挖掘出来，这一过程能够减少生产、生活中的损失。

　　QDChip公司在做是事就是突破光谱信息依托传统的仪器手段难以实时获取的技术瓶颈，将新型纳米晶材料——量子点与成像感光元件结合，开发出芯片大小的低成本、便携式量子点光谱传感器，从而实现用手机等便携设备进行物质成分分析和检测的功能。

　　本科期间，鲍捷跟随李亚栋院士进行纳米材料及纳米技术的研究，鲍捷博士研究课题是用飞秒超快激光研究分子动力学的过程，这些研究都是比较基础的，所以博士后期间鲍捷希望能从事应用方面的研究。

　　鲍捷说：“我博士后期间所在的课题组是国际上最早做量子点的组之一，课题组研究人员近年来致力于量子点在不同方向上的应用研究，如太阳能电池、显示器、光检测器及生物标记领域的应用。”

　　鲍捷曾在美国工作、生活多年，他一直对新技术的商业化有较大兴趣，希望能够将一个新技术运用于现实生活。

　　人类可以从数据中得到信息，信息可以转化为知识，帮助人类获得智慧。面对庞大繁杂的数据，大量的传感器可以帮助人类捕捉信息。鲍捷表示，光谱传感器在不久的将来能够成为智慧的金字塔不可或缺的坚实基础。