光谱学技术的进阶之路：集成化、智能化与应用边界的持续拓展
2025-11-23
通讯作者：Marie Freebody
集成激光技术的发展、基础光学的改进、电子设备的微型化以及计算能力的个性化，正共同赋能现代光谱工作站。这些因素相结合，不仅拓宽了其普及范围与跨行业应用场景，更催生了集硬件、软件与工作流程于一体的智能互联配置，进而提供精准且贴合特定应用需求的分析结果。
图｜相关论文（来源：Agilent Technologies）
随着系统的不断演进，用户体验也同步升级。
这一转变虽循序渐进，却始终稳步向前。其核心在于光谱工作站 —— 在此背景下，它指的是一套集成系统，包含三大关键组件：
·硬件：如光源、探测器以及为特定光谱技术量身定制的光学元件；
·样品处理附件：包括比色皿、低温恒温器和自动载物台，确保测量结果的一致性与可靠性；
·软件：负责控制仪器、处理数据，且日益融入人工智能技术，用于解读结果并指导工作流程。
光谱技术涵盖多种检测方法与仪器类型。以分子光谱为例，它包含一系列用于探测分子行为的技术手段。如今，用户能够在制药、化工、生物医学、材料科学及环境等多个领域的应用中，对分子进行识别、定量与分析。相关方法包括时间分辨光致发光（TRPL）、拉曼光谱、紫外 - 可见（UV-VIS）吸收光谱、红外（IR）光谱和圆二色谱 —— 每种方法针对不同的物质属性展开研究，例如振动模式、电子跃迁、手性或复合动力学。这些方法共享一个核心原理：激发样品后，利用光栅、滤光片或干涉仪等光谱分辨技术，分析样品与光的相互作用（无论是发射、散射还是吸收）。
多种方法的组合对许多应用而言至关重要。例如，用户通常借助紫外 - 可见光谱确定吸收边，通过拉曼光谱分析化学键，利用时间分辨光致发光光谱探测激发态动力学。每种方法均针对特定的相互作用过程，且需要专属的工具配置。
图：许多光谱配置在过去需要定制搭建，但如今一站式供应商已能提供现成系统。根据复杂程度不同，这些系统可能仅需占用一张光学平台，也可能需要多张。
图｜相关论文（来源：Light Conversion）
这种专用性也延伸到了工作站领域。现代工作站已演变为针对特定方法和应用优化的专业化平台。它们的优势并非在于 “无所不能”，而在于将适配的硬件、自动化功能以及日益智能化的软件整合到工作流程中，从而快速输出可靠且贴合需求的结果。
“如今的工作站，其核心竞争力越来越体现在工作流程效率与用户体验上，” 实验室仪器供应商安捷伦科技（Agilent Technologies）的高级光学工程师David Death表示。
“现代光谱工作站不再只是一堆仪器的简单集合 —— 它是一套互联的智能系统，旨在为更广泛的应用场景提供更快速、更精准的分析结果。”
光谱技术走向便携化
紫外 - 可见（UV-VIS）光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、荧光光谱与拉曼光谱存在一定共性，这在很大程度上取决于它们的最终应用场景。核心差异则源于材料属性，以及每种方法对样品中材料的处理方式：透射型测量技术通常适用于液体样品，而不透明固体则需要通过某种反射测量方式进行分析。
“每种方法的适用性，很大程度上由样品的光学特性和物理性质决定，” 飞秒激光研发制造商 Light Conversion 公司光谱系统产品经理Greta Bucyte表示，“在紫外 - 可见 - 近红外（UV-VIS-NIR）波段具有强吸收性的材料，非常适合瞬态吸收光谱分析；而具有独特振动或转动跃迁特性的样品，则更适配红外或拉曼光谱技术。”
测量结果的获取与呈现方式，是工作站设计需考量的另一关键因素。若所需信息是通过已知分析物的浓度变化来确定，那么紫外 - 可见吸收光谱测量或许是首选方案。在这种情况下，浓度可通过透射强度随时间的变化，或对物理、化学条件的响应变化来计算。根据测量对目标分子的灵敏度，以及其他竞争性吸收特征的干扰程度，这类测量可能需要达到极高的精密度与准确度。
紫外 - 可见光谱工作站依赖四大核心要素：稳定低噪的光源、能提供足够选择性的光谱分辨技术、简单可重复的样品制备与进样方法，以及适用于目标测量值范围、具备充足线性动态范围的光探测器。近年来，便携式光谱仪器的创新突破，正让用户得以将这些设备搬离实验室工作台，带到现场进行直接测量。
David Death ：“从某种意义上说，工作站也正朝着便携化发展。”
“我们已经看到，基于智能手机的光谱附加组件正在日益普及，” 他说，“从功能上看，智能手机本身就相当于分光光度计的一半 —— 它自带光源和阵列探测器。只要再添加一些外部光谱分辨元件、样品处理装置，以及一款用于数据采集和处理的应用程序，就构成了光谱工作站的基础框架。”
他指出，这类系统或许算不上高性能解决方案，但在测量要求不高、场景不复杂的情况下，依然能提供有价值的数据。
图：岛津科学仪器（Shimadzu Scientific Instruments）推出的红外 / 拉曼显微镜系统 AIRsight，直观展现了红外与拉曼两套光学系统如何实现互不干扰的协同工作。
图｜相关论文（来源：Shimadzu Scientific Instruments）
直接光谱技术的优势还在于其自成体系的特性。多数情况下，这类技术无需气体、大型电气设备等外部输入即可正常工作，这一特质使其适合以便携式设备形态应用于现场作业。
“根据所需的测量类型，用户使用紫外 - 可见光谱仪时可能只需搭配比色皿，或使用带衰减全反射（ATR）附件的傅里叶变换红外光谱仪，无需其他额外设备，” 岛津科学仪器（Shimadzu Scientific Instruments）分子光谱产品经理Gilbert Vial表示，“这与部分其他技术不同 —— 那些技术可能需要持续的气体流供应，几乎无法用于现场测量。”
软件与互联技术的进步对便携化同样至关重要。无需物理连接的互联方式，让用户能够远程操作仪器，而软件本身已嵌入设备内部。“软件通过整合自动化功能、实时反馈与远程控制，实现了与硬件的同步发展，” Bucyte指出，“如今的联网系统支持异地操作与监控，基于图形用户界面（GUI）的操作平台则降低了复杂测量的使用门槛。”
图注：皮可量子（PicoQuant）的 FluoTime 300 光谱仪与 FluoMic 显微镜相结合，展现了一套现代集成系统 —— 它由互联的专用工具、智能软件和优化工作流程构成，而非通用型设备。
图｜相关论文（来源：PicoQuant）
互联技术支持将其整合到特种化学品、光学材料和制药行业的生产线中。这进而实现了数据的即时获取，为及时调整生产流程提供支撑，同时减少浪费，并最终降低用户的操作成本。
人工智能助力傅立叶变换红外光谱数据分析
傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术长期以来一直处于分子光谱领域的前沿，尤其在分析有机化学中应用广泛。借助详尽的分子光谱库，该技术不仅能够实现化合物的定性识别，通过精准校准后，还可对化学组成进行定量分析。
FTIR 光谱仪与传统的紫外 - 可见 - 近红外（UV-VIS-NIR）分光光度计存在显著差异。值得注意的是，其光谱分辨功能通过干涉仪实现，而非传统光谱仪所采用的技术路径。
FTIR 光谱分析面临的挑战包括分辨率与视场范围。由于图像中的每个像素都可作为光谱数据采集通道，因此需要对海量数据进行依次处理、呈现、分析与可视化。
日益强大的人工智能技术为此提供了有力支持，能够辅助模式识别与光谱库匹配工作。尽管人工智能无法从零生成光谱，但可用于识别样品或应用过程中出现的问题，并为如何妥善处理或规避这些问题提供参考信息。
“对于 FTIR 技术而言，每种分子都有其独特的特征光谱，因此人工智能正被用于加速不同分子参考光谱的开发进程，” Vial表示，“通过这些生成的光谱库，人们能够识别更多分子，这将为研究人员及其他行业从业者提供所需结果 —— 而在以往，为目标化合物建立参考光谱往往需要耗费大量时间。”
ISS 公司（一家为科研、临床及工业应用设计开发科学仪器的企业）总裁 Beniamino Barbieri 指出，尽管人工智能并未改变工作站的整体结构，但它正在改变应用场景的输出结果。“例如，在乳腺癌活检图像分析领域，人工智能正逐步取代人工干预，实现了从‘人工判读’到‘机器判读’的转变。” 他说。
紧凑型光谱技术
拉曼光谱仪同样可用于红外波段分析，但采用的是散射原理。入射光子与分子发生相互作用后，会以特征性能量变化的形式被散射。这一过程通常通过单色激光光源、紧凑型光谱仪，搭配高性能光学滤光片实现 —— 滤光片的核心作用是将散射光谱与高强度激光光源光分离。与傅里叶变换技术类似，研究人员会借助红外与拉曼光谱库，完成化合物的定性识别与定量分析。
拉曼光谱与激光诱导击穿光谱技术尤其适用于多种应用场景，包括床旁诊断、采矿与环境监测。这些技术的核心优势在于设备结构紧凑，且对样品制备的要求极低。
如今，超快光谱技术正通过二维红外（2D-IR）光谱等方法，填补生物医学领域的技术空白。该方法能够从特定分子样品中，获取包含大量信息的大型数据集。
二维红外光谱已被证实是研究蛋白质的高效工具。例如，约克大学、兰开夏大学与兰开夏教学医院 NHS 基金会信托基金的研究人员，曾利用二维红外光谱分析黑色素瘤患者的血清样本。研究团队仅使用 20 微升的样本量，就将样本按诊断相关类别分类，成功识别出检测时影像学显示无癌，但五年内最终会发展为转移性疾病的患者。
Bucyte 表示，这一结果为无标记诊断与生物流体指纹分析提供了广阔前景。她指出，当二维红外光谱技术与数据分析相结合时，其应用价值更为突出。
光谱学与显微镜技术的融合
将显微镜或其他成像系统整合到光谱测量中，能为用户带来两大优势：一是可获取基于图像的阵列数据流；二是能够收集空间分辨率极高的数据。
相关技术挑战在于，如何平衡空间分辨率、时间分辨率与光谱范围、采集速度之间的关系 —— 高分辨率成像与宽光谱扫描往往难以兼顾，存在一定的权衡取舍。
“仪器设计需确保两套光学系统互不干扰，同时要保证不同系统的关联方式易于用户理解，” Vial 表示。不同测量技术对成像的要求通常存在差异。例如，光子相关光谱技术（包括荧光相关光谱与动态光散射）需要高空间分辨率。在荧光相关光谱中，共聚焦显微镜通过在样品内形成紧密焦点来实现这一要求。但问题往往在于确保目标样品与空间焦点精准重合，尤其是在样品浓度较低的情况下。
在时间分辨光致发光（TRPL）光谱技术中，光谱检测元件通常会整合到显微镜中，这带来了一系列独特的技术挑战。显微镜作为空间精准平台，需负责传输激发光、收集发射光并扫描样品，但系统的核心依然是荧光事件的时间分辨检测。“显微镜的光路设计既要保证图像清晰度与机械稳定性，又必须保留时间分辨光致发光所需的超快计时精度 —— 这意味着每一片透镜、反射镜、光纤和滤光片都需精心挑选，以最大限度减少色散与时间畸变，” 皮可量子（PicoQuant GmbH）材料科学产品经理 Emilio Gutierrez-Partida 表示。该公司研发了一系列光子仪器与组件，包括多种荧光相关光谱系统。
“同时，所有相关组件（包括脉冲激光器、探测器、扫描硬件和采集电子设备）必须达到极高的同步精度，以支持皮秒级分辨测量，” 他补充道。
从样品层面来看，时间分辨光致发光光谱技术兼具高度适应性与严苛的机械要求。理论上，该技术可应用于任何光致发光材料，从溶液中的单个荧光团，到薄膜、晶体与生物组织，适用范围远超拉曼光谱（易受荧光背景干扰）与红外光谱（需特定化学键振动，部分场景还需特殊基底）。
但这种灵活性也对样品固定系统提出了更高要求。在基于显微镜的配置中，稳定的定位、机械隔离与精准的光学对准都至关重要。
技术的持续演进
将光谱波长范围拓展至中红外及更远波段（例如太赫兹波段，波长 30 微米至 3 毫米），已成为光谱学领域的关键发展动力，这一趋势预计将持续下去。其中，量子级联激光器（QCLs）通过透射反射光谱技术，在环境微塑料识别中得到了广泛且持续的应用。目前，由于太赫兹光谱技术需要高度专用的产生与检测组件，其应用尚未普及。
“非线性分析激光光谱领域还存在许多小众技术，它们或许永远无法投入实际应用，但能在特定研究领域解答非常具体的问题，” David Death表示，“而且搭建和操作这些系统的过程充满乐趣。”
随着激光技术的进步，光学元件也在不断发展 —— 不仅产量日益提高，形态也更加小巧。微透镜设计、非球面与自由曲面技术、塑料材料及成型工艺的革新，均为未来光谱工作站的发展提供了探索方向。
与此同时，图像采集技术的发展与移动计算能力的提升势头迅猛。自动化技术也在快速兴起，它有助于提高长期实验与高通量实验的可重复性，并减少人为误差。此外，多样品自动化已成为许多工作站的标配功能，支持用户批量装载样品并进行批量分析。这种方式还能额外纳入标准样品或见证样品，以便对工作站的性能与维护需求进行溯源管理。这些措施不仅能提高工作效率，还能将专业人员从繁琐工作中解放出来，投身更高价值的任务。
“重要的是，这些系统在体积缩小、操作简化的同时，并未以牺牲测量性能为代价，” Greta Bucyte说，“如今市面上的许多紧凑型系统依然具备高度的精密性，能够实现对实验参数的精准控制，拥有出色的信噪比，且可与先进分析工具兼容。”
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