粒子基光谱技术的工程路径与产业化前景

技术发展的轨迹常由两种力量塑造：其一是基于现有框架的持续性创新；其二则是源于基础原理突破的范式革命。后者往往能开启全新的技术轨道与应用疆域。粒子基光谱技术的出现，无疑属于后者。其意义不仅在于原理的新颖性，更在于它为解决光谱技术长期存在的“测、录、析”瓶颈——即高精度测量、便携式记录与低成本分析难以兼顾——提供了一条切实可行的工程路径，并由此展现出广阔的产业化前景。

近日，清华大学电子系鲍捷教授团队，在材料科学领域国际知名期刊《Nano Research》发表题为《The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs》的论文，该研究立足于光的波粒二象性这一根本原理，系统性地梳理并对比了分别基于波动性和粒子基的两类光谱检测技术的设计思路、核心特性与性能边界。

传统光谱技术，无论其具体实现形式如何，其内核均是基于光的波动性进行物理分光。这套成熟的技术体系，在追求极限性能时，不可避免地会遇到由物理原理本身产生的边界：光谱分辨率与仪器尺寸的正相关关系。这构成了光谱技术普惠化、泛在化的核心障碍。

粒子性光谱技术原理的突破性，在于它巧妙地规避了上述物理边界。其技术内核是将光谱信息的获取，从依赖宏观光路的“空间分光”转向利用微观相互作用的“材料编码”。在此架构下，核心环节包括：

材料层面的能带工程：通过设计量子点、钙钛矿等纳米材料的尺寸与组分，精确调控其能带结构，从而定义其对不同频率光子的特异性响应函数。

系统层面的编码构建：将数以百万计具有各异响应特性的微观单元集成于微型芯片，形成一个能够对入射光谱进行高维、非冗余编码的传感器阵列。

信息层面的算法重构：基于压缩感知等先进计算算法，求解编码过程的逆问题，从阵列的输出信号中稳定、准确地重建出入射光的光谱。

这一“材料-编码-算法”三位一体的技术闭环，标志着光谱仪的设计理念发生了根本性转变。其直接成果是成功打破了传统光谱仪的“不可能三角”，使得在单一微型器件上同时实现高分辨率、宽谱覆盖与高通量成为可能。

从工程实现到产业落地，粒子性光谱技术展现出颠覆性的应用潜力。当其形态从实验室的笨重台架演变为毫米级的微型芯片时，其应用场景将发生质的飞跃：

在环境监测领域，可构建高密度、低成本的分布式传感网络，实现对大气污染物、水体富营养化等指标的实时、原位监测，提升环境治理的精细化水平。

在生物医学领域，可开发为便携式或可穿戴诊断设备，实现床旁快检或居家健康监测，对体液标志物、血氧饱和度等进行便捷分析，推动精准医疗的下沉。

在工业质检与智慧农业领域，可嵌入生产线或搭载于无人机、机器人平台，实现对原材料成分、产品品质以及作物病虫害的无损、快速筛查。

在消费电子领域，则为智能手机、智能家居等设备增添了物质成分识别的新维度，在食品安全、真伪鉴别、个性化服务等方面创造全新用户体验。

将这一充满潜力的技术从原理论证推向产业实践，是一项复杂的系统工程。这不仅需要持续的基础研究以深化对光与物质相互作用机理的理解，更需要攻克从材料制备、微纳加工到系统集成与算法优化等一系列工程化挑战。国内一些公司在此领域的布局，体现了其对前沿技术趋势的敏锐把握与推动产业变革的决心。从在《Nano Research》上系统阐述其理论框架，再到推动其产业化落地，这一过程正是一个构建“学术探索-技术开发-产业转化”创新闭环的典型案例。

粒子性光谱技术的发展，恰逢其时地契合了社会在健康、环境、工业升级等领域对现场化、智能化物质感知的迫切需求。其演进过程，生动诠释了如何将基础科学的原始创新，通过坚韧的工程实践，转化为驱动社会进步的现实生产力。我们有理由期待，随着相关技术的不断成熟与成本下降，这种新型的感知能力将如集成电路般，无声却深刻地嵌入现代社会的各个角落，成为赋能千行百业、提升民众生活质量的基石性技术。（作者：北京理工大学化学与化工学院院长、智能分子材料与高通量制造北京市重点实验室主任 张加涛）

责编：陈亚楠、侯兴川