這一期我們來(lái)講講光學(xué)鑒寶的一些技術(shù)，其實(shí)如果題目改成光學(xué)鑒定的技術(shù)可能會(huì)更合適些，自我感覺(jué)有點(diǎn)標(biāo)題黨的嫌疑。不過(guò)要了解這些技術(shù)，首要要點(diǎn)進(jìn)來(lái)，所以……好，進(jìn)入正題，如果你拿到一個(gè)不明物體，你的第一反應(yīng)是什么？你會(huì)反問(wèn)二個(gè)問(wèn)題：這是個(gè)什么東西？里面長(zhǎng)啥樣（如果比較大，內(nèi)部構(gòu)架也看不到的話）？當(dāng)然如果你一定要問(wèn)這能不能吃，那我也沒(méi)辦法，吃貨的世界我真不懂。
     好，那我們?nèi)绾谓忉尩谝粋�(gè)問(wèn)題：這是個(gè)什么東西？自然，如果能知道這個(gè)物體的組成成分，就可以判斷這到底是個(gè)啥玩意兒。那又怎樣才能得知物體組成成分？我們可以采用光譜檢測(cè)技術(shù)，這也叫光譜分析。光譜分析技術(shù)從研究方式來(lái)區(qū)分，我們可以把它分為發(fā)射光譜分析、吸收光譜分析與散射光譜分析。接下來(lái)我們?cè)賮?lái)看看具體有哪些技術(shù)。

紅外光譜分析（吸收光譜）

紅外光譜分析是一種吸收光譜的分析技術(shù)。眾所周知，原子或者分子由許多許多的能級(jí)態(tài)組成，在第2期激光原理中也提到，當(dāng)處于基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的原子（分子）吸收某些波長(zhǎng)的光子會(huì)躍遷到各激發(fā)態(tài)，自然地，連續(xù)光譜的入射光波會(huì)形成線狀或者帶狀的吸收光譜。而不同的物質(zhì)（原子）能級(jí)差是不同的（我們也叫它特征譜線），所以幾乎所有的物質(zhì)都有各自的吸收光譜，因此采用吸收光譜分析技術(shù)可以非常簡(jiǎn)單地鑒定出樣品的組成成分。
     目前觀測(cè)到的原子特征譜線已有上百萬(wàn)條，我們只要檢測(cè)樣品的吸收光譜來(lái)對(duì)比庫(kù)中的特征譜線，從而可以得到原子（分子）的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。

圖1 乙醇、純水及其水溶液的吸收光譜（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

問(wèn)題又來(lái)了，為什么吸收光譜大多采用紅外波段？因?yàn)閹缀跛�有的樣品（包括化合物）在紅外波段都有吸收，所以采用紅外吸收光譜技術(shù)基本可以解析樣品的成分等信息。但是，一般的極性分子可以用紅外光譜檢測(cè)，而非極性分子比如氮?dú)狻⒀鯕饩筒豢梢詸z測(cè)。另外，如果要定性檢測(cè)混合物，也需要與其他分析技術(shù)聯(lián)用。

表1 紅外吸收光譜區(qū)分類（來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（發(fā)射光譜）

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)是一種激光燒蝕分析技術(shù)，它是將激光聚焦到樣品表面，當(dāng)激光脈沖的能量密度大于擊穿閾值能量時(shí)，就會(huì)在樣品局部產(chǎn)生等離子體，隨著外界膨脹逐漸冷卻，并發(fā)射出表征樣品組分信息的光譜，然后通過(guò)光電探測(cè)器和光譜儀來(lái)對(duì)光譜進(jìn)行收集，自然它是一種發(fā)射光譜的檢測(cè)技術(shù)。

圖2 LIBS技術(shù)原理（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

LIBS技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如對(duì)各種態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）的樣品都有很好的取樣能力，對(duì)樣品不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性損傷，而且最重要的一點(diǎn)：能檢測(cè)所有的自然元素，包括常規(guī)手段難以分析的原子序數(shù)小于12的各種輕元素。

X射線熒光光譜（發(fā)射光譜）

X射線熒光光譜（XRF）分析是利用X射線照射到樣品表面，從而產(chǎn)生X射線熒光，通過(guò)檢測(cè)X射線熒光光譜就可以得到樣品中的不同組分。這里再普及下熒光的概念，日常生活中，提到熒光我們首先會(huì)想到熒光燈或者熒光粉制成的熒光棒，其實(shí)他們的原理是一致的，熒光的定義是指入射光照射到物質(zhì)上，然后由物質(zhì)激發(fā)后二次發(fā)光，通常我們也稱之為光致發(fā)光。
     那XRF技術(shù)和LIBS技術(shù)同為發(fā)射光譜分析技術(shù)，區(qū)別在哪里？LIBS技術(shù)是利用強(qiáng)激光電離產(chǎn)生離子。所謂電離就是原子受到外界的作用使原子中的外層電子特別是價(jià)電子（最外層的電子）擺脫原子核的束縛而脫離，原子成為帶一個(gè)或幾個(gè)正電荷；而XRF技術(shù)是X射線激發(fā)出內(nèi)層電子，導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，電子由高能軌道向低能軌道躍遷，從而釋放X射線熒光。其實(shí)從電磁波能量的角度也可以理解，LIBS技術(shù)采用激光源波長(zhǎng)一般為180~1000 nm，而X射線的波長(zhǎng)為0.001~10 nm，波長(zhǎng)越短，頻率越高，光子能量越強(qiáng)，自然可以激光更內(nèi)層的電子，而LIBS技術(shù)激發(fā)的是外層電子（關(guān)于電磁波波長(zhǎng)詳見(jiàn)第2期：詳解電磁輻射），可參考愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)。
    除了激發(fā)原理的不同，XRF技術(shù)最大的缺點(diǎn)是不能檢測(cè)原子序數(shù)小于11（鈉元素）的輕元素，而LIBS技術(shù)卻可以。二個(gè)原因：1）輕元素激發(fā)內(nèi)層電子的特征能量相對(duì)較小，透射能力也就弱，容易被空氣吸收；2）輕元素X射線熒光產(chǎn)量相對(duì)較少，能檢測(cè)到的信號(hào)自然就弱。
    提到檢測(cè)信號(hào)，可以聯(lián)想到：靈敏度肯定是光譜檢測(cè)技術(shù)一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，通常我們也把它稱為檢測(cè)限。也就是說(shuō)，只有當(dāng)含量高于一定程度的時(shí)候才能被檢測(cè)到。根據(jù)實(shí)際需求不同， X熒光光譜儀可以分為：波長(zhǎng)色散型（WD-XRF）和能量色散型（ED-XRF）。簡(jiǎn)單地講，波長(zhǎng)色散型X熒光光譜儀就是通過(guò)各種分光手段，將二次熒光分開(kāi)，測(cè)得各自波長(zhǎng)和強(qiáng)度，從而定性和定量分析樣品成分。能量色散型X熒光光譜儀則是借組高分辨率敏感半導(dǎo)體檢查儀器與多道分析器將未色散的X射線熒光按光子能量分離X射線，再根據(jù)各元素能量的高低來(lái)測(cè)定各元素的量。顯然，波長(zhǎng)色散型由于加了分光系統(tǒng)，而且X射線功率較大，需要加入冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)于能量色散型要貴很多，檢測(cè)限相對(duì)也要低一些（越低精度越高，貴總是有道理的）。當(dāng)然，能量色散型的檢測(cè)限也不差，而且適用于分析未知元素的檢測(cè)，二者算是互補(bǔ)，不能相互替代。

拉曼光譜（散射光譜）

在第8期：光的散射中提到過(guò)，光的散射可分為瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等，在這里我就不再講原理了，有需要請(qǐng)自行回顧第8期。例如，拉曼散射光譜可反映原子（分子）化學(xué)鍵及結(jié)構(gòu)的內(nèi)部振動(dòng)，布里淵散射可反映分子之間的振動(dòng)，瑞利散射可反映大分子之間的物理結(jié)構(gòu)等。所以，如果將散射光譜統(tǒng)統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)，那么就能夠得到樣品的所有信息。注：由于不同散射的頻率（波段）是不一樣的，所以理論上可以同時(shí)檢測(cè)出來(lái)，但是由于拉曼、布里淵散射強(qiáng)度較小，所以想要準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)難度還是非常大的。

圖3 散射光譜圖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

質(zhì)譜（非光譜）

既然講到譜學(xué)檢測(cè)分析，那還是要提一下另外一種技術(shù)：質(zhì)譜。質(zhì)譜，是一種與光譜并列的譜學(xué)方法。質(zhì)譜分析是一種測(cè)量離子質(zhì)荷比（質(zhì)量-電荷比）的分析方法，其基本原理是使樣品中各組分在離子源中發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的帶電荷的離子，經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器。在質(zhì)量分析器中，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。質(zhì)譜技術(shù)一般用于快速而極為準(zhǔn)確地檢測(cè)生物大分子的分子量。

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好，前面解決了第一個(gè)問(wèn)題，接下來(lái)再來(lái)看看如何解決第二個(gè)問(wèn)題：長(zhǎng)啥樣？當(dāng)然，做人不能“只看表面”，要有深度，所以下面要講的是看內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)然如果你想了解看表面的成像，那么請(qǐng)回顧第5期：什么是超分辨。

光學(xué)相干層析成像

光學(xué)相干層析（OCT）成像是一種三維層析成像技術(shù)，通過(guò)掃描可以重構(gòu)出生物組織或材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維或三維圖像，其信號(hào)對(duì)比度源于生物組織或材料內(nèi)部光學(xué)反射（散射）特性的空間變化。
     相干層析成像模式的核心部件包括寬帶光源、邁克耳孫干涉儀和光電探測(cè)器，其軸向分辨率取決于寬帶光源的相干長(zhǎng)度，一般可以達(dá)到1~10μm。由于光源為低相干寬帶光源，故其相干長(zhǎng)度極短。而只有當(dāng)參考臂和測(cè)量臂光程差在光源的一個(gè)相干長(zhǎng)度之內(nèi)時(shí)，背向散射光和參考光才會(huì)產(chǎn)生干涉，且當(dāng)光程差接近零時(shí)才具有最大相干強(qiáng)度（具體原理請(qǐng)查看第2期：什么是激光的相干性，我發(fā)現(xiàn)已經(jīng)好幾次提到其他期的內(nèi)容，說(shuō)明光的很多內(nèi)容都是相關(guān)的）。因此，隨著參考鏡的軸向移動(dòng)，可選擇樣品中與之光程相等的層來(lái)進(jìn)行成像，而其他層的信息將被濾掉，從而實(shí)現(xiàn)了層析成像。

圖4 光學(xué)相干層析成像原理圖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

相干層析成像技術(shù)屬于無(wú)損檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于視網(wǎng)膜、冠狀動(dòng)脈、消化道、呼吸道、腦皮層等檢測(cè)，而且也可以檢測(cè)官窯、文物，查看內(nèi)部有沒(méi)有損傷等。
     講到這個(gè)技術(shù)的核心部件邁克耳孫干涉儀，我就忍不住想提一下另外一個(gè)事情。2016年LIGO已經(jīng)二次探測(cè)到引力波，那引力波是用什么來(lái)探測(cè)到的？用的就是邁克耳孫干涉儀，只不過(guò)二條干涉臂臂長(zhǎng)非常長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)4 km。但是由于引力波非常微弱，如果想要用干涉條紋的方法來(lái)觀測(cè)到的話，干涉臂臂長(zhǎng)要求長(zhǎng)達(dá)750 km以上，你說(shuō)去哪里給你找個(gè)這么大的地方來(lái)鋪設(shè)干涉臂，所以我們就改進(jìn)了一下邁克耳孫干涉儀，在干涉臂上利用法布里-珀羅腔多次反射的原理從而增加光程來(lái)提到檢測(cè)精度。當(dāng)然，為了避免其他噪聲的干擾，就在不同的地點(diǎn)設(shè)置LIGO，保證擾動(dòng)是來(lái)源于外太空的引力波。

共焦顯微成像

共焦顯微技術(shù)的原理是利用激光通過(guò)照明針孔以及探測(cè)器前面的探測(cè)針孔實(shí)現(xiàn)點(diǎn)照明和點(diǎn)探測(cè)，激光通過(guò)照明針孔發(fā)射出的光聚焦在樣品焦平面的某個(gè)點(diǎn)上，該點(diǎn)所發(fā)射的熒光成像在探測(cè)針孔內(nèi)，該點(diǎn)以外的任何發(fā)射光均被探測(cè)針孔阻擋。然后通過(guò)掃描的方式就可以產(chǎn)生一幅完整的圖像，包括橫向掃描和縱向掃描。

圖5 共焦顯微成像原理圖（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

共焦顯微成像的原理是基于熒光成像的，其實(shí)如果看過(guò)第5期超分辨的話，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)和單分子熒光成像原理是相似的，都是通過(guò)點(diǎn)發(fā)出熒光后成像，然后掃描整合成一幅圖像，本質(zhì)上都是通過(guò)犧牲時(shí)間分辨率來(lái)提高圖像的空間分辨率，只不過(guò)共焦顯微成像可以縱向?qū)游�，觀測(cè)具有一定深度的圖像。而且，不知道各位注意到?jīng)]有，相干層析成像利用的是背向散射光和參考光進(jìn)行干涉才能進(jìn)行斷層層析，如果物體表面有很強(qiáng)烈的反射和散射的話，相干層析成像就不能進(jìn)行斷層層析了，但是共焦顯微技術(shù)利用的是熒光焦點(diǎn)成像，所以自然就沒(méi)有這個(gè)限制！

（何卓銘）