Recent Development of Spectral Technology and Instrumentation
Fan Shi-fu
(School of Precision Instruments and Opto-Electronics Engineering,
Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract：The continuous development of spectral technology and instrumentation in new century, simultaneously with the new development of global economy, science, technology and society, has become one of the obvious advanced field. This paper makes a brief discussion for the recent development of the spectral cause ( science, technology, development and production, application) at home and abroad. Some opinions and suggestions for the continuous development of our spectral cause are also presented in the paper.
Key words: spectum, spectral technology, spectral instrumentation, continuous development.
一、 前言
光谱技术和光谱仪器事业，因全球科技、经济、社会发展的需要、在上世纪四、五十年代跳出了科学实验范畴成为广泛应用的分析检测手段以后得到了快速发展，不但成为现代科技必不可少的精密检测、分析手段，为现代天文学、航空航天、分子生物学、现代医学、环境和生态等等新科技的建立和发展提供了基础，而且为现代大工业、现代农业、现代文化事业的大发展（如石油化工、合成纤维、高效肥料和农药、彩色电影和电视……）也做出了不可低估的贡献；在上世纪八十年代以后，随着现代科技、经济、社会、军事事业的快速发展，光谱仪器事业（包括科研、技术、研发和生产以及推广应用）有了更加显著的发展。改革开放以来我国光谱仪器事业也同时不断发展【1】；在新世纪来临后，全球范围各领域提出了持续发展必需的更高、更新的要求（更高分辨率、更高灵敏度、更快分析速度、更少试样量、更小仪器体积、更牢固无故障结构、遥感遥测……），与此同时现代科技的新发展成果（如新探测原理、新数学手段、新计算机软硬件、新器件、新工艺……）也为新颖光谱仪器事业的持续发展提供了理论和物质基础，因此在世纪交替阶段光谱仪器事业获得了前一百年未曾有过的突破性发展【2】。
进入新世纪短短几年，在科技国际化、经济全球化、社会和军事发展跨国界化的新发展形势下，为了在科技发展领先、经济发展超前、社会和军事发展、反恐和民族自卫、人民健康安全、全球环境和生态保护以及全球能源、资源的争夺和替代等等全球性质大课题方面、得以持续快速发展，光谱仪器事业的持续发展又成为各国争相竟争的前沿，我国也在新形势下随着国力的增强更加重视和推动光谱仪器事业的持续发展。
本文拟就近年来国内外光谱仪器事业的新发展做简略评述、指出今后其持续发展的方向和特点，并就我国光谱仪器事业的持续、更大发展问题提一些个人的看法和若干建议，供大家参考。
二、 在新世纪，光谱仪器事业面临持续发展的压力，并会取得更加快速、全面的持续发展
21世纪是众所共识的信息时代。信息科技的内涵包括信息的获取、处理、传输、控制和应用；信息的获取是基础、是源头，信息的应用是目的。没有基础、获取不到必需的、足够精确的宏观或微观的分析、检测信息，后续的信息处理、传输、控制和应用就无从谈起。而新世纪需求更多、更广泛、更精确的分析检测信息，必然会要求推动信息获取源头科技事业的更深入发展，作为最重要的信息源头科技的光谱仪器事业的更深入发展，就成为最必需、必要的重点。光谱分析检测技术和光谱仪器因其特有的高灵敏度、高分辨率、高速度、无损伤、无污染、抗干扰、可遥测等优点，必然成为多种理、化、生物、环境、大工业生产、科技农业、健康卫生、医疗保健等等领域最优选的信息源头科技，可以提供符合更新、更高要求的宏观或微观信息。
因此，光谱仪器事业（科技、产生、应用）必将面临新世纪持续发展的强大压力，而且会在新世纪取得更快速、全面的新发展，这是不言自明的。
三、 近年来国内外光谱仪器事业的新发展
1、 光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展
20世纪末已经发展和成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器，目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向；以光学原理为基础、以精密机械为构架、以电子信号处理为显示的传统“光-机-电一体化”光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位组成，而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷，其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面，“光机电”基本组成没有实质性的变化。
可以预计，虽然“光机电”基本组成也会随着全球高科技发展而不断更新，例如2004年德国Zeiss公司推出了应用连续光源、交叉色散系统的contrAA连续光源原子吸收分光光度计【3】，但数字化软硬件构成的核心组成的不断吸收最新高科技发展成果而不断更新，而且使光谱仪器发生出人意料的革命性变化，将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。例如，在数字化高科技基础上将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合、发展出光谱成像技术，将光谱技术“进化”到既能完成定性、定量分析、又可进行定位分析的新科技（所谓“化学成像”），满足新世纪提出的“看到人脑组织中化学、生化成分分布图”之类的新要求［4］。。
现代科技在高集成器件技术（如芯片技术）、传感器、微型器件、硅工艺方面的成果日新月异，其功能、性能常有惊人的进展，而现代信息理论、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展，这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。例如，传统的一维信息获取、处理思维正在被多维信息获取和处理思维所取代，这必然将目前一台仪器只能针对一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器“进化”到借助复合多维、多功能传感器和多维信息实时处理、运算手段、从而同时给出实时多维信息的的全新面貌；也就是说，一台光谱仪器不单可以给出检测试样的光谱曲线（从而获得试样成分信息），而是可同时给出试样成分及其变化、以及诸如化学结构、物理形态、活性状态等等相关信息及其变化等等。发展多维信息化光谱仪器就可避免“瞎子摸象”式只能给出“象是弯曲的管状物”（只摸到象鼻）或“象是圆柱状的”（只摸到象腿）的单维信息造成的片面或错误理解或判断，不但可给出象的整体描述，而且可以给出例如象皮粗糙程度、象体重量、象走动速度、象体不同部位温度分布等等多维信息。新世纪科技、经济、社会、军事发展，迫切需求掌握事物的实时多维信息，用很多台只能分别给出不同单维信息的仪器去描述，记录、评判复杂、多变、多相关的科技、经济、社会和军事对象、给出一大堆互不相关、难以比对、分析的信息，确实已不能适应新发展形势的新要求。
2、光谱仪器事业继续沿着全方位发展的道路持续发展
上世纪末已形成的光谱仪器事业向多方位、全方位发展的方向，今后仍然会是持续发展的方向。
光谱技术和光谱仪器在现代科技、现代大产业（大规模自动化生产、大规模可控科技农业等）的持续发展要求下，不但会继续发展高精度、多功能大型光谱分析检测仪器或相应的系统，以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害预测预报、全球性传染病（爱滋、禽流感、非典、疟疾……）控制、大规模战争和恐怖活动控制……等领域的分析检测要求，会发展大量新的高灵敏、高分辨、高可靠、多维信息的科学型光谱仪器或系统、并得到快速推广应用；而且会更多地出现可在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、联网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统，成为大批量生产在线测控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。这种光谱仪器必须跳出“实验室设备”、“大型精密贵重仪器”的框子，能忍受现场、野外（包括太空）的严酷工作环境及强、乱、变化多端的干扰（如强电磁干扰、恶劣气候变化等）、能无人值守、脱离电网长期工作、自动监测、自动调整最佳工作状态、自动联网交换信息……。因此，大型精密研究级光谱仪器与现场、在线测控实用级光谱仪器或系统，今后一、二十年都会受到重视、会得到显著发展（尤其后者）。
光谱仪器事业向多方位、全方位发展还包括下述的小型化、专用化、家用化等方向。
3、 光谱仪器的应用面继续拓宽
今后光谱仪器仍会沿着上世纪末已开始的应用面拓宽、转移的方向发展，将由传统 科技基础学科（理、化、天文、生物……）、矿物分析、工业产品质量控制等理论研究、物质生产领域继续向生物医学、环境生态、社会安全、国防建设等等与人直接相关的领域拓展。近年来，国内外已经发展了种种直接与人相关的光谱仪器，例如EG&G公司推出的Spex SkinSkan光纤荧光光谱仪，可直接获取来自人体皮肤的荧光、从而检测化妆品、药品的应用效果、皮肤增生、头发损伤、紫外线防护效果等等，仪器不必样品制备、也无样品池，使用方便；我国北京瑞利分析仪器公司、海光仪器公司等推出的AF－610、AF－230等型号的原子荧光光谱仪，也可用于水质分析、土壤分析、环境分析以及农产品、食品、化妆品分析等等。
可以预计，今后相当长时期内光谱仪器事业仍然将继续拓展应用面：科技部门将不断提出、开发出新的应用领域或提出新的应用要求，尤其是直接与人相关的应用新要求；仪器研发、生产单位会不断根据种种新的应用需求、推出种种新颖光谱仪器，而且市场前景光明、将会成为光谱仪器或系统的研发、生产重点；在多领域大发展形势下，光谱分析检测的应用会不断更新，广大的光谱分析用户会开发出种种新的光谱分析方法、提出新的应用要求和对新颖光谱仪器的开发要求。我们会面临前所未见的光谱仪器事业方方面面的都在拓展应用、不断获得新应用成果的持续发展局面。
4、 近红外光谱分析技术和仪器的不断成熟、不断推广应用。
上世纪后期，由于发展形势提出的要求以及“化学计量学”、新颖数学方法、计算机软硬件等方面的发展，近红外光谱分析技术得到复兴，多种近红外光谱仪器不断涌现。由于近红外光谱分析技术有样品制备简便（甚至不需制备处理可直接分析）、可实现在线分析检测、可完成多组分同时分析等优点，全球范围出现了近红外光谱的发展热潮（例如，美国Analytical Spectral Devices 公司推出的Lab Spec Pro 近红外光谱仪是便携式仪器，可广泛应用于实验室、生产线上）；我国石油化工研究院、中国农业大学等单位也正开发出油品检测近红外光谱仪、农产品分析近红外光谱仪等，在科研、应用领域获得很大发展成果。
5、 光谱仪器小型化成为目前和今后的发展潮流
传统光谱仪器不但是“大型精密、贵重仪器”，而且对工作环境条件（温度、湿度、振动、电磁干扰……）要求严酷，必须要由专业分析人员“侍侯”。为适应全球发展形势，上世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的需求、并已出现了光谱仪器小型化的潮流，研发小型化光谱仪器成为各国科技、产业部门的关注重点【5、6、7】。在国家“十五”科技攻关项目工作中，北京普析通用仪器公司、天津大学合作，已开发出便携式紫外可见分光光度计，现已成为热销的产品【5】。至于现代军事科技发展迫切需求的战场、现场快速放射、生物、化学武器侦查的便携式光谱仪，今后若干年会成为全球各国研发重点。
可以预计，由于新世纪全球多领域的新发展对小型化光谱仪器的研发、生产、应用需求会更加迫切，一定会成为今后相当长时期内备受关注的方向。
6、 专用化、家用和个人用光谱仪器的研发、生产和应用热潮会急剧提升。
在科技国际化、经济全球化的新世纪形势下，现代科技、现代产业的专业化发展是今后继续重视的方向，因此对光谱仪器专用化的要求仍会不断增强。通用型的大型光谱仪不但大而昂贵、而且在应用中往往有“大而不当”的问题，不能满足多领域（尤其是专门化科技应用、在线、现场分析监测等）的要求。例如家用、个人用仪器、专业大生产线监测仪器，战场实地快速（放射、化学、生物武器）侦查仪器等等，都要求仪器功能专门、性能可靠、体积小、故障少、价廉物美，这些专用化光谱仪器（尤其下述的家用、个人光谱仪器）门类繁多、市场前景极好。
至于家用，个人用（所谓PI仪器，Personal Instrument），更是新世纪的重要发展方向。全球经济、社会、文化、军事领域的持续发展，使生态环境、生物医学、医疗康复、家庭和个人安全、健康等等都已提到重点关注地位，生活得更健康、更安全已成为人类的新要求，因此可适应家用、个人用的光谱分析、监测仪器发展被提升到人们眼前。近一、二十年来，已经出现了家用、个人用的血糖检测仪、尿液分析仪，饮用水质分析仪、危险气体（一氧化碳、甲醛……）监测仪、药效监测仪等等新颖光谱仪器，可以预计今后很长时期内将成为市场热门仪器。
对于家用、个人用光谱仪器，除了小型化、专用化、价廉物美等要求，故障少（如结构系统无活动部件。光学系统无调整件，电子系统无分立元件等）成为主要研发目标，以保证非专业人员、老幼都可方便使用，并可达到安全、结实、长寿命等民众关注的要求。
近一、二十年来，由于科技和产业的发展成果累累，已为光谱仪器小型化、专用化提供了有广泛选择余地的理论和物质基础，例如信息理论、数据处理、抗干扰、小型化设计的理论和方法、小型化甚至微型化的光源、分光器件、全固态探测器件，微电子器件、微处理器等等，都可供选用。
应该指出，光谱仪器的小型化、家用化、个人化的发展并不是简单的“删繁就简”、并不意味着低质量、低性能水平，而是在高水平基础上的进一步发展。例如美国Ocean光学公司推出的S2000型高灵敏度微型化光谱仪，尺寸只有13.7×10.4×3.8（cm3），却装有全息光栅、2048像元CCD探测器、可在200 － 1100nm波长范围工作、光谱分辨率达到0.3nm、完全固态化无活动部件、可与计算机直接相连。
7、 光谱仪器设计和生产过程现代化已在我国引起注意，并作了成功尝试[8]
在用户对光谱仪器提供性能稳定、功能强大、质量可靠、价格低廉、适应环境的要求，与企业追求成本低廉、工艺简便、保障供应、市场欢迎、需求稳定之间的相互适应，涉及到仪器设计和生产过程的现代化转变。北京普析通用仪器公司在T6紫外分光光度计产品设计和生产中实施了工业化设计新改革，与专业化设计公司合作成功地达到了仪器整体布局合理，装配调试工作大大简化、材料选用及经济性、坚固性提高等方面的成功，为我国光谱仪器设计、生产过程现代化变革提供了经验。
四、 适应新形势、转变观念、推动我国光谱仪器事业的持续发展
改革开放以来，我国光谱仪器事业（科技研发、生产、应用等领域）确实获得了很大发展，国产光谱仪器（中、低档为主）已经可基本满足国内需要，还有不断增加的出口，光谱仪器产业部门（尤其是以北京、上海、长春等地为集中区的民营企业）有了很大发展，光谱仪器的应用范围有极大推广，尤其在环保、生物、医学等新应用领域光谱分析仪器已获得广泛应用，成为信息源头的主力。但是不能不想到我国光谱仪器事业的总体水平还落后于世界先进水平不小距离，高档和新颖光谱仪器还基本依赖进口，企业科技开发力量和水平还远不能满足国家要求、低水平重复的产品比重很大、产品质量和使用寿命与进口产品有不小差距。目前，正是我国国力（经济、人才等）不断强盛、世界科技、经济大发展的大好形势，因此我们应该抓紧时机、全国通力合作，实实在在地解决一些国家统一领导、部门分工合作、企业沟通、组织攻关等等方面的问题，推动我国光谱仪器的持续、更大发展。
1、转变观念、认准发展潮流、从上到下真正理解、做好光谱仪器事业继续发展工作
A 、提高认识，更加重视发展光谱仪器事业的意义、重要性
光谱仪器事业直接牵扯到国家经济、文化、社会、军事的现代化发展进程。没有自己的先进的光谱仪器事业、国家现代化难以实现；改变观念，不以光谱仪器产业GDP总值低于家用电器等而轻视、忽略光谱仪器事业的发展；要看到光谱仪器的“四两拨千斤”作用，国家政策、组织领导、科研、企业和应用人员都应该积极、切实关注中国光谱仪器事业发展潮流，切实做好各自应做的工作。
B、 转变观念，光谱仪器事业现代化发展已经不是“靠硬件吃饭”的形势了，“软件”的概念也已今非昔比，无论研发、产业或应用人员、不熟悉当今迅猛发展的“软件”（包括信息理论、数学手段、计算机软硬件、应用技术……），是不能担当新形势下光谱仪器事业持续发展的重任的；同时，在加大“软件”投入，人才培训方面也需花大力气。
2、 改变作风，面向用户
研发科技部门、企业、应用部门，都应面向需求、与专业用户真正合作并充分发挥用户的研发，推广应用的积极性。
3、勇于闯新、走自主创新之路
创新光谱仪器工作原理、设计理念，走自主创新之路，不能一味跟随外人亦步亦趋，上下左右共同努力，走自主创新之路；
4、继续呼吁、加强宣传，最大程度地争取到国家支持
光谱仪器事业持续发展必须得到国家支持、全国上下一起动手、分工合作才能成功；在领导、政策、投入、协调、市场、科技攻关、推广应用等等方面，得到国家领导、有关部门的真正重视，大力支持。
有国家支持，有领导、有政策、有投入、有协调才能成事，是毋庸多言的。
5、 加强专门人才培养
前些年在“通才教育”的主导思想下，已建立十来年的“分析仪器”专业本科和研究生专业被并入“测控仪器”专业（实质上被撤销），因此有着截然不同服务专业方向的专业混杂成“没有专业特长”（用人单位的评语）的泛泛培养，光谱仪器事业人才所必需的化学、生物、医学专业学习内容被彻底删除；这些年出现的用户单位得不到专业对口人才，学生没有专业特长、到工作单位还得从头学习、“从外行变内行”，这是个漫长烦人、浪费青春、耽误用人单位、妨碍光谱仪器事业快速发展的过程。因此，有必要在新发展形式下呼吁恢复或重新建立更新，更学以致用的专门化人才培养专业。
五 、结束语
光谱仪器事业在新形势下的持续发展，关系到国家现代化的方方面面，是应予以重视和支持的，希望我国今后光谱仪器事业得到更快、更好的持续发展，这是我们最关注的。本文谈到光谱仪器事业的近期发展，也提了一些个人看法和建议，谨供参考。
六、 参考文献
[1] 范世福，论我国分析仪器事业的振兴和发展，《仪器仪表学报》，18（5），128，（1997）
[2] 范世福，光谱技术和仪器的新发展，《光学仪器》，Vol.22，No.4，35，（2000）
[3] 汪素萍，连续光源原子吸收光谱仪，《现代仪器》， No.1，62，（2005）
[4] 范世福，光谱成像的原理、技术和生物医学应用，《生命科学仪器 》，No.4,24～27,(2004)
[5] 万峰、范世福，便携式紫外可见分光光度计的设计，《光谱学与光谱分析》，No.4 （2006）
[6] 鞠挥、吴一辉，微型光谱仪的发展，《微纳电子技术》，No.1，30，（2003）
[7] 苏星，田维实，微型光谱技术和使用化前景展望，《光谱仪器与分析》，No.2，1，（2003）
[8] 田禾，工业化设计平台的建立，北京普析通用仪器公司，内部报告，（2005）