光学基础知识大讲堂

——第10期：光学鉴宝的那些技术

这一期我们来讲讲光学鉴宝的一些技术，其实如果题目改成光学鉴定的技术可能会更合适些，自我感觉有点标题党的嫌疑。不过要了解这些技术，首要要点进来，所以……好，进入正题，如果你拿到一个不明物体，你的第一反应是什么？你会反问二个问题：这是个什么东西？里面长啥样（如果比较大，内部构架也看不到的话）？当然如果你一定要问这能不能吃，那我也没办法，吃货的世界我真不懂。
     好，那我们如何解释第一个问题：这是个什么东西？自然，如果能知道这个物体的组成成分，就可以判断这到底是个啥玩意儿。那又怎样才能得知物体组成成分？我们可以采用光谱检测技术，这也叫光谱分析。光谱分析技术从研究方式来区分，我们可以把它分为发射光谱分析、吸收光谱分析与散射光谱分析。接下来我们再来看看具体有哪些技术。

红外光谱分析（吸收光谱）

红外光谱分析是一种吸收光谱的分析技术。众所周知，原子或者分子由许多许多的能级态组成，在第2期激光原理中也提到，当处于基态和低激发态的原子（分子）吸收某些波长的光子会跃迁到各激发态，自然地，连续光谱的入射光波会形成线状或者带状的吸收光谱。而不同的物质（原子）能级差是不同的（我们也叫它特征谱线），所以几乎所有的物质都有各自的吸收光谱，因此采用吸收光谱分析技术可以非常简单地鉴定出样品的组成成分。
     目前观测到的原子特征谱线已有上百万条，我们只要检测样品的吸收光谱来对比库中的特征谱线，从而可以得到原子（分子）的能级结构、能级寿命、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。

图1 乙醇、纯水及其水溶液的吸收光谱（图片来源于网络）

问题又来了，为什么吸收光谱大多采用红外波段？因为几乎所有的样品（包括化合物）在红外波段都有吸收，所以采用红外吸收光谱技术基本可以解析样品的成分等信息。但是，一般的极性分子可以用红外光谱检测，而非极性分子比如氮气、氧气就不可以检测。另外，如果要定性检测混合物，也需要与其他分析技术联用。

表1 红外吸收光谱区分类（来源于网络）

激光诱导击穿光谱（发射光谱）

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种激光烧蚀分析技术，它是将激光聚焦到样品表面，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值能量时，就会在样品局部产生等离子体，随着外界膨胀逐渐冷却，并发射出表征样品组分信息的光谱，然后通过光电探测器和光谱仪来对光谱进行收集，自然它是一种发射光谱的检测技术。

图2 LIBS技术原理（图片来源于网络）

LIBS技术有很多优点，例如对各种态（固态、液态、气态）的样品都有很好的取样能力，对样品不会产生实质性损伤，而且最重要的一点：能检测所有的自然元素，包括常规手段难以分析的原子序数小于12的各种轻元素。

X射线荧光光谱（发射光谱）

X射线荧光光谱（XRF）分析是利用X射线照射到样品表面，从而产生X射线荧光，通过检测X射线荧光光谱就可以得到样品中的不同组分。这里再普及下荧光的概念，日常生活中，提到荧光我们首先会想到荧光灯或者荧光粉制成的荧光棒，其实他们的原理是一致的，荧光的定义是指入射光照射到物质上，然后由物质激发后二次发光，通常我们也称之为光致发光。
     那XRF技术和LIBS技术同为发射光谱分析技术，区别在哪里？LIBS技术是利用强激光电离产生离子。所谓电离就是原子受到外界的作用使原子中的外层电子特别是价电子（最外层的电子）摆脱原子核的束缚而脱离，原子成为带一个或几个正电荷；而XRF技术是X射线激发出内层电子，导致电子结构不稳定，电子由高能轨道向低能轨道跃迁，从而释放X射线荧光。其实从电磁波能量的角度也可以理解，LIBS技术采用激光源波长一般为180~1000 nm，而X射线的波长为0.001~10 nm，波长越短，频率越高，光子能量越强，自然可以激光更内层的电子，而LIBS技术激发的是外层电子（关于电磁波波长详见第2期：详解电磁辐射），可参考爱因斯坦的光电效应。
    除了激发原理的不同，XRF技术最大的缺点是不能检测原子序数小于11（钠元素）的轻元素，而LIBS技术却可以。二个原因：1）轻元素激发内层电子的特征能量相对较小，透射能力也就弱，容易被空气吸收；2）轻元素X射线荧光产量相对较少，能检测到的信号自然就弱。
    提到检测信号，可以联想到：灵敏度肯定是光谱检测技术一个非常重要的技术参数，通常我们也把它称为检测限。也就是说，只有当含量高于一定程度的时候才能被检测到。根据实际需求不同， X荧光光谱仪可以分为：波长色散型（WD-XRF）和能量色散型（ED-XRF）。简单地讲，波长色散型X荧光光谱仪就是通过各种分光手段，将二次荧光分开，测得各自波长和强度，从而定性和定量分析样品成分。能量色散型X荧光光谱仪则是借组高分辨率敏感半导体检查仪器与多道分析器将未色散的X射线荧光按光子能量分离X射线，再根据各元素能量的高低来测定各元素的量。显然，波长色散型由于加了分光系统，而且X射线功率较大，需要加入冷却系统，系统价格相对于能量色散型要贵很多，检测限相对也要低一些（越低精度越高，贵总是有道理的）。当然，能量色散型的检测限也不差，而且适用于分析未知元素的检测，二者算是互补，不能相互替代。

拉曼光谱（散射光谱）

在第8期：光的散射中提到过，光的散射可分为瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等，在这里我就不再讲原理了，有需要请自行回顾第8期。例如，拉曼散射光谱可反映原子（分子）化学键及结构的内部振动，布里渊散射可反映分子之间的振动，瑞利散射可反映大分子之间的物理结构等。所以，如果将散射光谱统统检测出来，那么就能够得到样品的所有信息。注：由于不同散射的频率（波段）是不一样的，所以理论上可以同时检测出来，但是由于拉曼、布里渊散射强度较小，所以想要准确检测出来难度还是非常大的。

图3 散射光谱图（图片来源于网络）

质谱（非光谱）

既然讲到谱学检测分析，那还是要提一下另外一种技术：质谱。质谱，是一种与光谱并列的谱学方法。质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法，其基本原理是使样品中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。质谱技术一般用于快速而极为准确地检测生物大分子的分子量。

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好，前面解决了第一个问题，接下来再来看看如何解决第二个问题：长啥样？当然，做人不能“只看表面”，要有深度，所以下面要讲的是看内部结构，当然如果你想了解看表面的成像，那么请回顾第5期：什么是超分辨。

光学相干层析成像

光学相干层析（OCT）成像是一种三维层析成像技术，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，其信号对比度源于生物组织或材料内部光学反射（散射）特性的空间变化。
     相干层析成像模式的核心部件包括宽带光源、迈克耳孙干涉仪和光电探测器，其轴向分辨率取决于宽带光源的相干长度，一般可以达到1~10μm。由于光源为低相干宽带光源，故其相干长度极短。而只有当参考臂和测量臂光程差在光源的一个相干长度之内时，背向散射光和参考光才会产生干涉，且当光程差接近零时才具有最大相干强度（具体原理请查看第2期：什么是激光的相干性，我发现已经好几次提到其他期的内容，说明光的很多内容都是相关的）。因此，随着参考镜的轴向移动，可选择样品中与之光程相等的层来进行成像，而其他层的信息将被滤掉，从而实现了层析成像。

图4 光学相干层析成像原理图（图片来源于网络）

相干层析成像技术属于无损检测，广泛应用于视网膜、冠状动脉、消化道、呼吸道、脑皮层等检测，而且也可以检测官窑、文物，查看内部有没有损伤等。
     讲到这个技术的核心部件迈克耳孙干涉仪，我就忍不住想提一下另外一个事情。2016年LIGO已经二次探测到引力波，那引力波是用什么来探测到的？用的就是迈克耳孙干涉仪，只不过二条干涉臂臂长非常长，长达4 km。但是由于引力波非常微弱，如果想要用干涉条纹的方法来观测到的话，干涉臂臂长要求长达750 km以上，你说去哪里给你找个这么大的地方来铺设干涉臂，所以我们就改进了一下迈克耳孙干涉仪，在干涉臂上利用法布里-珀罗腔多次反射的原理从而增加光程来提到检测精度。当然，为了避免其他噪声的干扰，就在不同的地点设置LIGO，保证扰动是来源于外太空的引力波。

共焦显微成像

共焦显微技术的原理是利用激光通过照明针孔以及探测器前面的探测针孔实现点照明和点探测，激光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像在探测针孔内，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。然后通过扫描的方式就可以产生一幅完整的图像，包括横向扫描和纵向扫描。

图5 共焦显微成像原理图（图片来源于网络）

共焦显微成像的原理是基于荧光成像的，其实如果看过第5期超分辨的话，可以发现这个技术和单分子荧光成像原理是相似的，都是通过点发出荧光后成像，然后扫描整合成一幅图像，本质上都是通过牺牲时间分辨率来提高图像的空间分辨率，只不过共焦显微成像可以纵向层析，观测具有一定深度的图像。而且，不知道各位注意到没有，相干层析成像利用的是背向散射光和参考光进行干涉才能进行断层层析，如果物体表面有很强烈的反射和散射的话，相干层析成像就不能进行断层层析了，但是共焦显微技术利用的是荧光焦点成像，所以自然就没有这个限制！