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光学与光子学

光谱仪的应用:从食品检测到天文遥感

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水果分选线上,仪器不切开果实就给出糖度;医院里,指夹式血氧仪用两种颜色的光估计血氧饱和度;望远镜对准遥远恒星,能从光谱中寻找行星大气的水。这些测量利用了同一个事实:物质对不同波长的光,吸收、散射和发射并不相同。

但从一条光谱到一个结论,中间通常还隔着取样、参照测量和模型。仪器测到的可能是光强比,屏幕显示的却是蛋白百分比、产地类别或水质指标。弄清这一步如何完成,才能判断结果能用来分选、报警,还是足以支持进一步鉴定。

本文按食品、饮品、医疗、药品、环境、工业、天文、文物、安防和遥感十个方向展开。这里的“光谱应用”也包括双波长光度计和 X 射线荧光仪,它们与连续扫描的可见—近红外光谱仪在仪器结构上并不相同。

从光强到成分:先分清测到了什么

吸收测量比较入射参考光强与通过样品后的光强;反射测量比较样品与参照板返回的光;发射测量则记录样品发出的光。拉曼测量关注散射光相对于激发光的频率变化,用它识别分子振动。几种图都可能被叫作“光谱”,纵轴含义却不同。

对于均匀、低散射的吸收样品,经背景和参照校正后,十进吸光度可写成

\[ A(\lambda)=-\log_{10}\!\left[\frac{I(\lambda)}{I_0(\lambda)}\right]=\varepsilon(\lambda)cL. \]

\(I_0\) 和 \(I\) 分别是参照与透射光强,\(\lambda\) 是波长,\(c\) 是浓度,\(L\) 是光程,\(\varepsilon\) 是与浓度单位配套的摩尔吸光系数。例如 \(c\) 用 mol/L、\(L\) 用 cm,\(\varepsilon\) 就用 L/(mol·cm),吸光度无量纲。透过率从 50% 降至 25%,吸光度从约 0.301 增至 0.602;满足上述条件且其他量不变时,这才对应浓度或光程加倍。

水果、面粉和皮肤会强烈散射光,实际走过的路程不再是样品厚度。把漫反射率 \(R\) 转为 \(\log_{10}(1/R)\),常能方便建立模型,但这种“伪吸光度”不能直接当作固定光程下的浓度计。后面许多应用都需要把完整谱形与可靠参照值配对定标。

1. 吃:水果糖度与谷物蛋白怎样定标

近红外光谱(near-infrared spectroscopy,NIR)主要利用 O–H、C–H、N–H 等化学键振动的倍频和组合带。糖、水、淀粉与蛋白含有相同或相近的化学键,吸收带又宽,因而通常没有一个只属于糖、完全不受其他成分影响的峰。

水在约 1450 nm 和 1940 nm 附近有明显吸收。糖相关信息分布在多个 O–H、C–H 波段中:一项糖溶液与鲜果汁的透射研究发现,约 2270 nm 对可溶性固形物预测很重要。但这个结果不能直接搬到完整苹果上;整果的果皮、含水量和散射限制了可用光程,较短波段的仪器也可能通过多波长相关关系预测糖度。

谷物蛋白的近红外信息与酰胺相关组合振动有关,研究中常讨论约 2060 nm、2180 nm 的区域。它们仍与水、淀粉等信号交叠,不能拿峰高直接换算蛋白质量分数。图 1 中,小麦磨成面粉后,反射谱整体明显改变;这首先提醒我们粒径和散射状态变了,不能据此断言蛋白增加了。

小麦整粒与面粉反射谱

图 1:同一研究中的小麦整粒(橙色,Kernel)和面粉(蓝色,Flour)光谱。三个面板分别来自可见—近红外高光谱、短波红外高光谱和傅里叶变换近红外测量;横轴均为波长 nm。上图反射率以百分数表示,下两图以比例表示,不能直接比较纵轴数值。约 1450 nm、1940 nm 附近的低反射区域与水吸收有关。

实际建模要先定义“糖度”和“蛋白”的参照口径。果汁折光仪通常报告以蔗糖溶液标尺表示的 °Brix;在真实果汁中,酸和其他可溶物也会影响折射率,所以可溶性固形物不是纯糖浓度,更不是人感受到的甜味。若目标是某种糖的含量,就要采用能测那种糖的参照分析。谷物粗蛋白常由凯氏定氮或燃烧定氮结果乘规定系数得到,还要写清干基、湿基或统一水分基准。

建立一个可用模型,可以按以下顺序进行:

  1. 收集有代表性的样本。 覆盖计划使用的品种、成熟度、季节、温度与含量范围;先留出将来的独立测试批次。
  2. 取得成对数据。 对同一果实或同一份谷物先测光谱,再做参照测量。重复扫描能评估测量波动,却不能把一个果实变成多个独立样本。
  3. 在训练数据内部选处理方法。 选择基线、散射校正、波段和模型复杂度。常用偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)从多波长中提取与参照值相关的信息;处理参数不能偷看测试集。
  4. 冻结模型后测新批次。 按果实、地块或批次分组划分数据,避免同一个样本的近重复光谱同时进入训练和测试。报告偏差、预测误差及适用范围,而不只报相关系数。

图 2 是特意构造的教学算例,不是某台仪器的实测性能。四个样本的参照值为 10、12、14、16 °Brix,预测值为 10.3、11.7、14.3、15.7 °Brix。均方根预测误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为

\[ \mathrm{RMSEP}=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(\hat y_i-y_i)^2}=0.30\ {{}^\circ\mathrm{Brix}}. \]

其中 \(n=4\),\(y_i\) 是参照值,\(\hat y_i\) 是预测值。若换一批后四个预测值都比参照高 1 °Brix,相关系数仍可达到 1,RMSEP 却变成 1.00 °Brix。模型把高低顺序排对了,绝对数值仍可能全部偏高。实际独立验证需要更多代表性样本,这四点只用来说明两个指标的区别。

教学预测误差比较

图 2:教学数据的预测值与参照值。上图灰色虚线表示完全一致;圆点为误差交替 ±0.3 °Brix 的一组数据,三角形为统一偏高 1 °Brix 的另一组数据。下图显示逐样本残差,帮助区分随机起伏与整体偏移。

2. 喝:红酒、茶叶与橄榄油能否判真假和产地

红酒的可见谱受色素及其变化影响,近红外还包含水、乙醇和其他有机成分的信息。茶叶近红外谱反映水分和多种有机组分,也受叶片形态、加工和储存影响。橄榄油在可见区有叶绿素、类胡萝卜素相关吸收,近红外则含脂质 C–H 振动信息。把这些谱形组合起来,确实可以训练分类器识别特定样本群体。

例如,2025 年一项油品研究观察到,特级初榨橄榄油加入所用果渣油后,约 415–480 nm 和 670 nm 附近的色素相关吸收发生变化。该实验研究的是 10%–90% 质量分数的掺混;不能凭它宣称任意品牌中极微量掺假都能检出。色素减少也可能与原料、精炼或老化有关,需要与具体假设对应的验证。

产地识别更依赖样本分布。某产地的品种、气候与工艺可能共同形成稳定谱形,模型学到的却未必是地域本身。红酒年份与酿造方式、茶叶采摘季节、橄榄油品种都可能成为混杂因素。一项茶叶研究用 2014 年样本训练模型,转到 2015 年样本时表现明显下降,随后才通过数据处理与模型更新改善。跨年的问题不能靠同一批样本随机切分来回答。

因此,“在这组样本中能区分”与“能作为某个产地或掺假结论的可靠依据”相隔很远。后者需要明确抽样与保管记录、足够真实的阴性和阳性样本、独立批次盲测、误判率,以及针对争议目标的参照分析。异常光谱适合筛出值得复核的样品;统计分类得分不能自动变成产地证明。

3. 医:血氧仪为什么常夹在手指上

常见透射式指夹血氧仪在一侧放红光和近红外发光二极管,在另一侧接收透过的光。手指末端便于固定、血流丰富,厚度又允许这些波长的光通过,因此适合取得随脉搏变化的信号。它不必把整段连续光谱都测出来;常见的约 660 nm 与 940 nm 两个波长,就能利用氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白吸收差异提供信息。不同器件也可能选择其他近红外波长或反射式布置。

在相同摩尔浓度下,脱氧血红蛋白在约 660 nm 处吸收更强,氧合血红蛋白在约 940 nm 处吸收更强。这种差异使氧合比例变化能反映在两个通道的相对变化中。

关键不只是比较两个总光强,还要提取心跳引起的变化。令交流分量 AC 表示脉动幅度,直流分量 DC 表示平均光强,常用的比值为

\[ q=\frac{\mathrm{AC}_{\mathrm{red}}/\mathrm{DC}_{\mathrm{red}}}{\mathrm{AC}_{\mathrm{IR}}/\mathrm{DC}_{\mathrm{IR}}}. \]

red 和 IR 分别代表红光与近红外通道。这个无量纲比值减弱了部分固定背景影响,再通过与参照血氧测量建立的经验关系,估计外周血氧饱和度 SpO₂。组织中的散射和实际光路,使它不能只靠溶液吸收系数算到底。运动、低灌注、指甲油与皮肤色素等仍会影响准确度;两波长读数也不能充分分辨所有异常血红蛋白。

无创血糖则更难。葡萄糖的光谱变化要从水、蛋白、脂质及强烈组织散射中分离出来,还会受到温度、接触压力、皮肤状态和测量深度变化干扰。模型可能学到某个人餐后随时间变化的其他信号,在新的人或新的一天失效。测过糖水、少数受试者或一个时段,不等于已经证明跨人群、跨日的临床准确性。

美国食品药品监督管理局(FDA)2024 年曾专门警示声称自身可无创测血糖的手表和戒指;这与显示其他合规连续血糖监测设备数据的手表应用不同。这里要区分光学研究的可行性和具体产品已获得的临床证据,不能从血氧仪成熟推导出“换个模型就能测血糖”。

4. 药:拉曼与近红外怎样分析药片

拉曼光谱记录分子振动对应的频移,常用于核对药物活性成分、某些晶型以及辅料。显微拉曼逐点扫描还能看组分在药片中的分布。近红外的谱带较宽,更常结合多变量定标,分析水分、主成分含量或混合均匀程度。两者测到的信息不同,不能把其中一台的“通过”当成整张药品质量检验单。

一个实际难点是药片并不均匀。光斑照到包衣、辅料颗粒或局部富集区,得到的谱未必代表整片。活性成分被大量辅料稀释时,其信号可能低于当前方法的检出能力;反过来,检出正确成分也不能保证剂量、杂质或溶出行为合格。定量前需要覆盖真实配方与浓度范围的样本,并与参照化学分析比较。

另一个难点是荧光:它形成的宽背景可能远强于拉曼信号。改变激发波长有时能减轻荧光,却同时改变信号强度、探测器适用范围和采样条件,不是简单的软件扣底就能恢复所有被淹没的峰。药片快筛适合发现明显不一致、选择复核对象;决定质量是否合格,仍需针对具体指标完成经验证的分析。

5. 环境:河水的 COD、氨氮与浊度不是同一种光谱读数

河道里可以安装紫外—可见吸收探头,连续记录水体变化。某些有机物吸收紫外光,因此 254 nm 吸收或更完整的谱形,可以与实验室结果建立相关关系,用来估计化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)等指标。COD 表示按规定化学方法氧化样品时的耗氧当量;探头并没有直接测这场氧化反应,显示的是模型给出的等效估计。

这一区别在污染源变化时尤其重要。同样的 COD,不同有机物组成可能产生不同紫外谱;相反,紫外谱相近也不保证耗氧量相同。用生活污水建立的关系,遇到新工业排水可能失效。上线前要用当地水样定标,并在暴雨、季节或排放结构变化后检查与参照方法是否仍一致。

氨氮不能直接套用这条路线。常见选择性测量会先让氨参与显色反应,再用可见吸收测显色产物;美国环境保护署(EPA)的 350.1 方法就是这类原理。在线系统也可能使用离子选择电极。它们与紫外直接测硝酸盐的原理不同,报告浓度时还要区分“以氮计”与“以离子计”。

浊度主要来自悬浮颗粒散射光,常用规定几何下的散射信号测量。吸收探头若只发现透射光减少,会把一部分散射损失算成表观吸收。多波长补偿可以减轻影响,但颗粒粒径、颜色、气泡和镜窗污损变化都可能留下误差。因此一套可靠在线站要同时维护取样条件、清洁状态和参照比对,不能只盯着屏幕上不断更新的数字。

6. 工业:产线不停机,怎样连续看成分

近红外探头可以隔着合适窗口,持续观察流动粉体或液体,用于混合、干燥和成分控制。与离线取样相比,它缩短了反馈时间,却把测量带进了更复杂的环境:物料层厚、颗粒尺寸、温度、窗口附着和流速都会变化。探头测到的局部体积,还必须足以代表要控制的那股物料。

激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)走的是另一条路线:短脉冲激光使极少量材料烧蚀并形成等离子体,仪器分析其中的原子、离子发射谱线,获得元素信息。它可用于材料分选和过程分析,但会留下微小烧蚀痕迹,不能笼统称为完全无损,也不会自动保留原来分子的结构信息。

LIBS 的谱线强度不仅由元素含量决定。基体、含水量、表面状态与等离子体条件,会改变单位浓度对应的发射强度;NIR 中也会出现类似的“同一含量、不同谱形”。因此原料来源变了,模型可能漂移。

维护模型应从监测开始:用质控样和定期参照分析检查偏差,区分仪器故障、采样变化和真正的新原料分布。若新样本仍在已验证范围内,不必每批重训;超出范围或误差失控时,才需要补充代表样本、更新模型并重新独立验证。把每次异常直接喂回模型,反而可能把脏窗口或错误参照值学进去。

7. 天文:怎样从透射光谱识别行星大气中的水

行星从恒星前方经过时,会遮挡一小部分星光;还有一部分光穿过行星边缘大气后到达望远镜。在某分子吸收较强的波段,大气显得更不透明,行星有效遮挡面积略大。逐个波长比较凌日前后与凌日期间的光强,就能形成透射光谱。

这里最容易看反的是纵轴。图 3 画的不是“透过的光有多少”,而是“被遮挡的恒星光占多少”。所以水吸收较强处,曲线向上。白点与误差棒代表测量和不确定度,蓝线是结合大气模型得到的拟合;背景里的行星外观是示意,并非望远镜拍出的表面照片。

WASP-96 b 透射光谱

图 3:韦布望远镜观测的 WASP-96 b 透射光谱。横轴为波长 μm,纵轴为被遮挡星光的百万分比(ppm);14000 ppm 即 1.4%。标有 Water 的位置对应水相关吸收带,判断依据是多个波段的整体匹配,而不是孤立的单个高点。

这次观测发生在 2022 年 6 月 21 日,持续约 6.4 小时。时间长有两个原因:先要覆盖凌日过程及外侧基线,区分恒星本身和仪器随时间的变化;再要在许多波段中积累足够光子,测出很小的相对亮度差。光子噪声主导且数据独立时,信噪比约随光子数的平方根增加;反复观测能改善随机误差,但不能自动消除恒星活动、仪器漂移等系统误差。

真实反演还要共同考虑云雾、温度、分子丰度与恒星表面不均匀性。检测到水蒸气,是关于大气成分的证据;它既不意味着存在液态海洋,也不意味着适居或有生命。

8. 文物:古画与青铜器不取样,能知道多少

光纤反射光谱(fiber-optic reflectance spectroscopy,FORS)用光纤把照明送到表面并收集返回光,通过反射谱识别色料相关特征。拉曼则提供分子振动或晶格信息,能帮助区分某些颜色接近、化学结构不同的颜料。两者都可在合适条件下原位测量,但必须考虑光照对珍贵材料的影响。

X 射线荧光(X-ray fluorescence,XRF)利用元素发出的特征 X 射线,检测的是元素信息。它与可见—近红外光谱属于不同能段;看到铜、铅或铁,可以缩小候选材料范围,却往往不能仅凭元素确定唯一化合物。对常见便携式 XRF 而言,有机色料中的轻元素信息也很有限。

古画往往不是一层纯颜料。几种颜料混合、底层与罩染叠加、表面清漆和老化产物,会使谱形相互覆盖;不同技术的采样深度也不同。青铜器的腐蚀层可能使表面元素比例偏离内部合金。合理的做法是结合测点分布、可见图像、元素和分子信息逐步缩小解释范围,而不是测一个点就判整件作品的年代与真伪。

“不取样”也不等于“没有任何损伤风险”。拉曼激光可能引起局部升温或色料变化,XRF 涉及电离辐射;应由具备文保与仪器能力的人员在适当约束下使用。

9. 安防:现场拉曼的匹配结果应该怎样读

安检和现场处置中的拉曼设备,常把测得的分子振动谱与谱库比较,辅助筛查毒品、爆炸物或危险化学品。有些设备能隔着适合的包装测量,减少接触;但包装本身的谱、荧光和样品混合状态仍会影响结果,不能概括为“隔着任何东西都能识别”。

强组分可能掩盖弱组分;未知物可能不在谱库中;荧光背景也可能使有效拉曼信息不足。设备显示某种常见辅料,并不排除同时存在低含量目标物。“无匹配”“不确定”与“未检出某目标”也不是同一个结果,更不意味着样品无害。

匹配分通常衡量某种算法定义下的相似程度,不天然等于“身份正确的概率”。可靠报告还要记录原始谱、算法与谱库版本、测量质量和方法已验证的检出边界。存在争议时,应使用具有互补信息的实验室方法复核;拉曼与质谱联用研究正是为了补足单一现场谱的限制。结论能承担什么用途,取决于整套经过验证的程序。

这里还有直接的安全边界:激光可能灼伤眼睛,也可能加热、点燃敏感或吸光样品。联合国毒品和犯罪问题办公室(UNODC)的现场指南明确强调这类风险。对未知可疑危险物,不应自行打开、取样或直接用激光照射;便携和非接触并不等于可以脱离专业处置条件使用。

10. 遥感:卫星高光谱为什么必须做大气校正

普通彩色照片在每个像元记录几个宽波段,高光谱影像则在许多相邻窄波段采样,于是一个像元对应一条光谱。农业应用利用色素吸收、叶片内部散射和水分相关吸收,结合地面样本识别作物或估计状态;矿物应用则利用特征吸收的形状、位置和组合来识别暴露地表材料。

但卫星直接收到的是辐亮度,不是实验室里量好的纯材料反射率。阳光先穿过大气照到地面,反射光再穿过大气返回传感器;水汽、气溶胶及其他气体会吸收或散射光,大气本身也会贡献路径辐射。若跳过这一步,模型可能把水汽吸收当作地物特征,或者把两天大气的差别误判成作物变化。

大气校正的目标,是在测量与辐射传输模型支持下,尽量恢复可比较的地表反射信息。强吸收导致信号几乎消失的波段,不能靠数学处理凭空恢复,往往需要屏蔽或降低权重。NASA 的机载成像光谱仪 AVIRIS 方法资料,明确把大气校正和同步地面验证列为成像光谱实验的重要步骤;同样的物理问题也存在于卫星观测。

校正完成后,还要面对混合像元。一个像元可能同时包含叶片、土壤、阴影和枯枝;矿物也可能被风化层或植被遮挡。它并非一份纯样品。只有把空间分辨率、季节、含水状态和地面验证一起考虑,才有理由把某种谱形解释成作物状态或矿物分布,更不能直接从一个吸收带断言地下矿藏储量。

怎样判断一项光谱应用是否适合自己的问题

十个方向的区别,可以归结到测量对象与证据链。先明确想知道什么,再问那项结论依赖哪些参照和假设,会比先比较仪器波段数量更有效。

表 1:十类应用的主要信息与关键验证要求。

场景 常用方法与主要信息 最需核对的环节
食品 NIR,多组分吸收与散射 参照口径、品种与跨季节测试
饮品 可见/NIR,色素和有机组分谱形 产地与年份/工艺混杂,真实掺混范围
医疗 双波长光度测量,脉动吸收差 临床定标、人群与生理干扰
药品 拉曼分子信息、NIR 含量模型 包衣/辅料、取样代表性、参照分析
环境 UV–Vis 吸收、显色、散射 COD 相关性、氨氮方法、浊度补偿
工业 在线 NIR、LIBS 元素发射 基体与采样变化、持续质控
天文 波长分辨的凌日深度 基线、误差棒、大气与恒星模型
文物 FORS、拉曼、XRF 混合/分层、采样深度与损伤风险
安防 拉曼谱库筛查 谱库覆盖、混合物、复核与激光安全
遥感 成像光谱,像元辐亮度/反射率 大气校正、混合像元与地面验证

如果目标是稳定产线上的快速分选,一个在明确范围内验证过的相关模型可能已经足够;如果目标是药品质量、临床测量、争议样品鉴定或遥远大气的成分判定,就必须进一步检查参照方法、不确定度与其他解释。光谱提供了丰富的物理信息,可信的结论来自把这些信息与恰当的测量和验证连接起来。

参考资料

  1. Peatross J., Ware M. Physics of Light and Optics,BYU,2025 修订版。
  2. Chang W. H., Chen S., Tsai C. C. Development of a Universal Algorithm for Use of NIR in Estimation of Soluble Solids in Fruit Juices,Transactions of the ASAE,1998。
  3. Özdoğan G., Gowen A. 小麦整粒与面粉的蛋白和面筋光谱预测,Current Research in Food Science,2025。图 1 采用该文 Fig.2,CC BY 4.0,未改动数据。
  4. Gergely S., Salgó A. Changes in Protein Content during Wheat Maturation,2007。
  5. FDA. Development and Submission of Near Infrared Analytical Procedures,2021。
  6. 西班牙与澳大利亚 Tempranillo 红酒的可见—近红外产地分类研究,Adelaide 机构库。
  7. Hong X.-Z. 等. 茶叶产地追溯中的跨年模型更新,2019。
  8. Nanou E. 等. 橄榄油掺混的 LIBS 与 UV–Vis–NIR 比较实验,Foods,2025。
  9. Caltech BE/EE/MedE 189 a. Pulse oximetry。FDA. Pulse Oximeters。NHLBI. Updating pulse oximeters,2023。
  10. Heise H. M., Delbeck S., Marbach R. 皮肤近红外反射无创葡萄糖测量的约束与定标,2021。FDA. 有关声称无创测血糖的手表和戒指的通告,2024。
  11. HORIBA. Raman Hyperspectral Imaging in the Pharmaceutical Field。
  12. US EPA. Method 350.1: Ammonia Nitrogen by Semi-Automated Colorimetry,1993。USGS. Organic Matter Research Laboratory: Science。s::can. Waste Water 技术资料。
  13. Clegg S. M. 等. Multivariate Analysis of Remote LIBS Spectra,LANL 作者稿。
  14. NASA、ESA、CSA、STScI. WASP-96 b 透射光谱与观测说明,2022。图 3 由上述机构制作,按 NASA 媒体使用政策 用于科普,已缩放。
  15. Bezur A., Lee L., Loubser M., Trentelman K. Handheld XRF in Cultural Heritage,Getty Conservation Institute,2020。
  16. UNODC. 手持拉曼现场识别设备使用指南,2018。Harvey S. D. 等. 近红外拉曼激光样品分析的安全研究,2003。
  17. Cooman T. 等. 便携拉曼筛查与 DART-MS 确认,Forensic Chemistry,2021。
  18. NASA JPL. AVIRIS Imaging Spectroscopy;观测光谱中的太阳与大气影响。
  19. FAO. 果蔬加工技术手册:可溶性固形物测量。Canadian Grain Commission. 小麦质量检测方法:蛋白参照测量。
  20. Prahl S. 血红蛋白摩尔消光系数表,OMLC,汇编 Gratzer 与 Kollias 数据。

图 2 为本文教学数据计算图,绘图数据不来自实际检测实验。

# 光谱仪# 近红外# 拉曼光谱# 定标# 高光谱标签图谱 ↗

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