光谱：我们真的认识光的颜色吗？

在日常生活中，我们习惯于通过颜色来识别和理解周围的世界：绿叶、蓝天、红花，色彩带给我们丰富的视觉体验。然而或许从未想过，这些看似简单的颜色也蕴藏着极其复杂的光学现象。在看到这样的标题时，可能会产生疑问：如何会不认得颜色呢？我们的眼睛不是一直在辨别和识别颜色吗？

颜色是怎么来的？

众所周知，我们人眼所感知的颜色，是由红、绿、蓝三种颜色的光混合而成的。因为在人类的视网膜上有三种主要的视锥细胞，分别对红、绿、蓝三种光波长敏感。然而在自然界的色彩却远不止三种，许多物体的颜色并不是简单的三原色组合。许多看似单一的颜色，实际上是由多种波长的光混合而成，而这些微妙的差异是我们肉眼难以分辨的。举个例子，当红色和蓝色染料混合在一起时，我们会感知到紫色。但这个紫色是红色光和蓝色光的合成，并不是单一波长的真正的紫光。类似地，某些我们眼中看到的黄色可能是红光和绿光的叠加，而非天然的黄色光源。这就带来了一个科学上的问题：我们要如何区分由多种光合成的颜色与本身就具有特定波长的纯色呢？

解答这一问题的关键是光谱。光谱是光在通过分解或衍射装置后，按波长依次排列，形成一个从红到紫的连续颜色带。彩虹便是一种经典的光谱示例：当阳光穿过雨滴时，光被分解成七彩的光带，显现出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的颜色顺序。这些颜色其实是由不同波长的光构成的，最长波长的红光约700纳米，最短波长的紫光约400纳米。光的波长越短，频率越高，能量也越高，这就是为什么紫外线具有强穿透力，甚至能对皮肤造成伤害。

图 光谱示意

眼睛看不到的光，怎么测量？

光谱不仅仅局限于人眼可见的范围，我们能看到的颜色是可见光，而可见光只是电磁波谱的一小部分。在可见光谱的两端，还有更短波长的紫外光、X射线和伽马射线，以及更长波长的红外光、微波和无线电波。既然人眼无法直观解析这些光谱成分，科学家们开发了各种类型的光谱仪器以解决这个问题。

分光测色仪是一种用于精确测量物体颜色的基础仪器。它的核心原理在于对物体表面的反射光或透射光进行分光和解析，从而获得物体的颜色特征。分光测色仪的基本结构包含光源、分光模块和电子控制模块三个主要部分。

为确保测量的准确性，常用的光源为氙灯和卤素灯，能提供覆盖可见光谱的连续光，从而确保能捕捉到物体的真实颜色反射特征。分光模块则是分光测色仪的核心，负责将光源照射到物体表面后产生的反射光或透射光分解成不同的波长，一般由光栅或棱镜构成，利用光的衍射或折射原理将复合光分解成连续的光谱，并根据不同波长的光量来解析物体的颜色。通过光栅分光后，每一个波长的光强度都被记录下来，形成一个完整的光谱曲线，这条曲线即是物体颜色的指纹。电子控制模块则负责数据的采集、处理和输出。探测器会将分光模块分解出的各个波长的光信号转化为电信号，这些信号通过电子控制模块进行采集和处理。通过特定算法，测色仪能够计算出物体的颜色数值，如色度坐标、反射率曲线等。这些数据能够精准地描述物体的颜色特征，并排除人眼的主观判断误差，使得颜色的测量具有科学的标准性。

图 分光测色仪基本组成结构

然而随着科学技术的快速发展，科研和工业中对精密分析的需求也在不断提升。在面对更复杂的分子结构和化学成分分析中，传统分光光谱仪的分辨率和灵敏度以及难以满足要求。而拉曼光谱仪在这方面展现出了其独特的优势，因此虽然光谱分析的方法多种多样，但篇幅所限咱们重点讲讲拉曼光谱。

拉曼光谱仪是一种基于拉曼散射原理的分析仪器，它通过观察光和物质相互作用时的细微变化，来揭示物质的内部结构。拉曼光谱仪可以捕捉到物质分子层面的独特特征，就像每种分子都有一套独一无二的指纹，这些指纹帮助科学家更精准地分析样品的组成。

拉曼散射是一种特殊的光散射现象，最早由印度科学家C.V.拉曼在1928年验证。当一束单色激光照射在样品上时，绝大多数光子会简单地被反射或透射，保持原本的能量和颜色。但在少数情况下，一些光子会与样品中的分子发生互动，交换一部分能量，从而产生轻微的波长变化。这种波长的细微变化反映了分子内部的运动信息，例如分子的振动和旋转，进而揭示了分子的结构特征。

自从拉曼效应被发现以来，拉曼光谱仪的技术得到了持续的改进。拉曼和他的学生发明了世界上第一台拉曼光谱仪，其由光源、样品室、分光器和检测器构成。早期的拉曼光谱仪结构相对简单，通常使用汞灯作为光源。汞灯虽然可以提供基本的光源需求，但光强较弱，灵敏度有限，使得测量的精度和效率受到限制。

1960年代，激光技术的发明为拉曼光谱仪带来了革命性的进步。激光具有高强度和高度集中的单色光源特性，使得拉曼光谱的检测更加清晰准确。随着技术的进步，全息光栅、CCD探测器等新技术使得拉曼光谱仪能够捕捉到更微弱的信号，并更精确地解析出样品的分子特征。进入20世纪80年代，傅里叶变换拉曼光谱仪问世。这种新型光谱仪使用傅里叶变换技术处理信号，大幅提高了数据采集的速度，同时有效降低了测量中的噪声干扰。发展到今天，拉曼光谱仪不仅具备了高精度和高灵敏度，还在适用性和便携性上得到了显著提升，以使其能更适用于工业生产的各个领域。

图 拉曼光谱仪发展历程

解析光有什么用？

不要小瞧了对光的解析，光谱仪的应用以及融入在我们生活中的方方面面。、

图 拉曼光谱仪在食品安全监测不同场景中的应用:(a)鉴定小麦和高粱籽粒中的真菌感染;(b)对玉米粒无创分析;(c)对食品加工中产生的果糖杆菌、发酵乳杆菌等菌类进行了分析鉴定;(d)结核病生物标志物定量检测;(e)临床诊断登革热;(f)检测胶质瘤细胞外囊泡

在环境科学领域，光谱技术正发挥着重要的作用，帮助我们监测空气、水体和土壤中的污染物。通过光谱分析，科学家们可以迅速检测出水中微量的重金属离子和有机污染物，从而识别污染源并评估环境治理的效果。

在医学领域，光谱技术它能够揭示细胞和组织层面分子的具体特征，帮助医生识别癌细胞与正常细胞之间的分子差异，帮助进行无创诊断和癌症早期筛查。

在我们非常关注的食品安全和药物检测领域，光谱技术甚至可以做到在现场直接检测食品中的非法添加剂或药物中的假冒成分，帮助监管机构确保食品和药品的安全性。

随着对光的理解的不断深入与科学技术的飞速发展，光谱仪在分辨率、灵敏度等方面也将取得更大突破。我们定能在更广泛的领域探索光谱的潜力，推动科学和技术的进一步革新。无论是在实验室内还是日常生活中，光谱技术将继续帮助我们识别和解决各种挑战，适用于更多不同的场景。

参考文献

蒋杰,李聪慧,姚森浩,等.拉曼光谱仪基本原理和典型应用[J].光散射学报,2024,36(03):305-319.

杨淑娟.高速高精度分光测色仪的分析与设计[D].西安电子科技大学,2007.