鲍捷：量子点能给光栅光谱仪带来什么期望？
——专访清华大学电子工程系博士生导师鲍捷
分析测试百科网讯 7月2日出版的英国《自然》杂志上的论文《量子点光谱仪》（A Colloidal Quantum Dot Spectrometer），报道了一种基于胶体量子点纳米材料制作的微型光谱仪，这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。这种可能取代传统光栅的量子点器件究竟有多神奇，它的性能如何，是否有可能改变现有传统光栅光谱仪的结构？近日分析测试百科网采访了该论文的第一作者清华大学电子工程系博士生导师鲍捷，他为我们详细介绍了胶体量子点光谱仪的原理、性能和应用前景。
清华大学电子工程系博士生导师 鲍捷
从量子点到量子点光谱
这和鲍捷的个人背景关系很大，鲍捷本科时跟随李亚栋院士进行纳米材料及纳米技术的研究，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。“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。”鲍捷说。
鲍捷最初是做量子点在太阳能电池、光检测器领域的应用工作。但他发现，调节量子点大小可以很方便地调节其颜色，这种不同于其他材料的突出特性在这些应用中并没有得到充分利用。另一方面，鲍捷对紫外线诱发皮肤癌方面的研究很感兴趣，“紫外是一个波长的区域，同样强度的短波长和长波长的紫外光对皮肤造成伤害的差别非常大，但是通常人们对紫外的检测并没有将其区分开来。不同大小的量子点，对光有不同的响应，利用这一特点，以不同量子点制作检测器并同时使用就可以辨别紫外光的组分。”鲍捷说。
鲍捷认为，既然量子点在紫外区域可以有这样的响应，那么在全波长范围内也可以有这样的响应，我们可以做几个波长，也可以做更多的波长，这样的话根据这个原理就可以做成一个光谱仪。
“利用量子点来做光谱仪把之前的很多想法进行了结合，并且能充分利用量子点的可调节性，这将是一项很有意义的工作。而且，经过调查发现这一方向之前还没有被尝试过。”鲍捷说，所以鲍捷便将量子点纳米技术和光谱方法进行结合，开始了量子点光谱仪的研究。这项工作在麻省理工学院（MIT）启动并进行了实验工作，后期的深入研究分析以及发展等方面的工作在清华大学完成。
工作原理决定其优越的性能
光谱仪器的发展经历了漫长的时间，最初牛顿发现一束白光透过棱镜可以被分成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色组成的光带，这是最早人们认识到光谱的存在。后来，人们发现光栅也可以把光分开，而且它对光的解析能力比棱镜强大许多，发展到今天，几乎所有的光谱仪均是基于光栅的光谱仪。光栅易损、体积大、加工复杂、成本高，而且要达到好的分光效果所需的光程也较长，这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大，成本昂贵。另外，光栅的许多重要的性能之间存在相互矛盾的关系，如体积、光谱分辨率、光谱范围等，提高一个方面通常会意味着牺牲另外一方面。
与光栅不同，量子点本身对光具有吸收性能，不同大小的量子点可以吸收不同波长的光，在光谱仪中用量子点来代替光栅，可以实现多波长测量同时进行；将不同种类的量子点集中在一张薄膜上做成的光谱仪，可以实现对多组份同时进行测量，提高光利用率。由于在很宽的光谱范围内可以得到多种量子点，所以量子点光谱仪的分辨率和光谱范围理论上可以同时提高，不会相互矛盾。
光栅与量子点工作原理对比图
鲍捷论文中所展示的量子点光谱仪是将195种量子点集中在一张薄膜上，在300nm的光谱范围内其分辨率可达1nm；由于进入仪器的光不需要通过狭缝，光的通量大，光利用率可以达到50%。如果使用更多不同种类的量子点，量子点光谱仪理论上可以覆盖更广的范围（比如目前量子点可覆盖从200nm到约5µm的光谱范围），可以达到的分辨率也将会远远超过论文所展示的量子点光谱仪的水平。
量子点是一种无机材料，本身稳定高，量子点光谱仪又利用的是其对光的吸收性能，可以说是量子点最稳定的性质，加以各种保护机制，综合以上三点量子点光谱仪稳定非常好。论文所展示的量子点光谱仪经过初步验证其灵敏度、检测限、信噪比及光谱获取速度等都与现有的微型光谱仪相当。另一方面量子点阵列可以加工到几毫米见方甚至更小；由于不需要线性检测器，配置的二维检测器的阵列也可以达到这个量级，这些都使得量子点光谱仪体积可以做到几立方毫米甚至更小。
量子点光谱仪在成本方面与现有微型光谱仪相比也有很大的优势，一台量子点光谱仪内所含量子点的量远不到1mg，而现有实验室量子点材料的合成水平已经达到几克、十几克，工业上甚至可以达到千克甚至吨的水平，所以一台量子点光谱仪所需量子点的成本远低于几元钱。
鲍捷论文中所展示的量子点光谱仪的量子点薄膜部件
应用前景广阔
微型量子点光谱仪不论是物质发出的光还是反射的光都可以进行检测，而且在保留光栅光谱仪绝大部分性能的同时，其体积大幅缩小、成本大幅降低。
谈到应用前景，鲍捷说：“最简单的一点就是原来需要把样品采集到实验室用大型光栅光谱仪器做的事情，现在不需要把样品采集回来，不需要在专业实验室由专业人员来操作，而可以带着这个小型化的设备第一时间到现场去做。”除此之外，鲍捷还希望这种原来人们认为“高大上”的分析仪器能走进人们的生活，与手机、手表等各种便携智能可穿戴设备结合——将其置于手机内，装在智能手表上用于检测皮肤血氧含量、心跳，也可以检测皮肤癌或是小孩黄疸严重程度等等。这将会使人们对分析仪器的使用更加方便快捷。
商品化进展迅速
微型量子点光谱仪从技术上、原理上、性能上已经展现出来巨大的优势，接下来要做的就是将它推向产业化，让普通大众都能用起来，这也是鲍捷在努力推动的事情。一个名为QDChip的公司已经被成立以推动对基于该技术的产品的推广。现在鲍捷希望能在国内大力发展微型量子点光谱仪技术，他也在积极寻求志同道合、真正有需求的企业、单位或个人来做这件事情，“这些单位或个人可以是来自环境检测、食品检测、健康检测、智能家居控制、娱乐设备等不同领域的，可以根据自己的需求、兴趣来应用微型量子点光谱仪。”鲍捷说。
鲍捷介绍：
鲍捷，2002-2006年于清华大学化学系攻读学士学位，2006-2010年于美国布朗大学攻读博士学位，2010-2013年在美国麻省理工学院从事博士后研究，导师是莫吉·巴旺迪(Moungi Bawendi)。2013年底加入清华大学电子工程系任博士生导师，并建立量子光谱集成器件实验室，继续进行相关的研究。
附：
当前主流的微型光谱仪技术
1采用新型滤光技术的微型光谱仪
声光可调滤光片(AOTF)是一种微型窄带可调滤光片，是光谱仪微型化的一个发展方向，它通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长，而通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。它的分辨率很高，目前可以达到0.0125nm，没有可动部件，波长调节速度快、灵活性高。
美国Brimrose公司和Jet Propulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的反射型近红外微型光谱仪使用发光二极管(LED)阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，光谱仪重量小于250克，尺寸为9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波长/秒)，高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。
美国Hughes Santa Mara研究中心研制的线性楔形光谱仪，由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成，可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片，滤光片与两维检测器紧临，这样根据滤光片在不同位置的带通，每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量，所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。但是模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制，还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布从400nm到1030nm。该光谱仪具有线性色散率，色散率与点带宽无关，而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。
2利用光纤制作的微型光谱仪
光纤传感器具有很高的传输信息容量，可以同时反映出多元成分的多维信息，并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等来加以分辨，真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计，达到复杂混合物中特定分析对象的检测，这是电传感器和声传感器望尘莫及的。光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级，这样小巧的光纤探头可以直接插入那些非整直空间和无法采样的小空间(如活体组织、血管、细胞)中，对分析物进行连续检测。
Ocean Optics公司的Michael J.Morris等人研制一种紧凑级联光纤DIP探针微小光谱仪，该系统的设计是使用单股光纤以获得高分辨率光谱信息，对于决定液体的吸收、发射和散射，或测量pH或有毒金属浓度使用固定指示材料。光谱仪的模式限制光学设计得到很高的光通量，常规应用中可以使用50μm的光纤。
美国Stwen christesen等人研制的便携式光纤拉曼光谱仪，可以对化学试剂鉴定盒进行非接触分析，它包括二极管激光器、中阶梯摄谱仪、电荷桐合器件(CCD)检测器和一个带有滤光涂层的光纤探针。拉曼光谱是通过使用一个带有25m光纤的EICRamanProbe探针获得的。探针输出功率在紫翠玉激光器下为80mW，而二极管激光器为137nW。这种微型拉曼光谱仪也可以用T单个活细胞的分析。
3集成微型光谱仪
利用MEMS和MOEMS的微加工技术也可以制作出微型光谱仪。Gayiin M.Yee等人利用微机械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光栅构成集成式微型光谱仪，得到的光谱仪系统衍射效率可以达到63%，色散率为1.7mm/像元，分辨率为74.4。
IMS(Institute of Microtechnology，University ofNe11chatel，Switzerland)制作了一种基于光MEMS技术的微型傅里叶变换光谱仪(FTS)，它用一种由静电驱动的电梳执行器来完成微镜的扫描运动。测量得到执行器在38.5mm位移下的非线性为±0.5mm，在消除非线性后得到校正光谱，光谱重现率为±25nm。相位校正后在633nm波长下测量得到光谱仪的分辨率为6nm。
