小型光谱仪揭开癌症诊断的线索

时至今日，我们已在银河系中发现了成千上万颗不同类型、不同大小的行星，这让我们很难回想起20世纪90年代的情况，那时系外行星探测领域还处于起步阶段，用于寻找系外行星的工具也尚不成熟。目前，这种最初设想用于寻找遥远世界的工具又开发出了新的用途，这在很大程度上要归功于美国国家航空航天局（NASA）的资助。

这就是阿森·哈吉安研制的一种功能强大的小型光谱仪。据阿森介绍，其公司制造的这种高光谱成像仪的分辨率约为其他光谱仪的30倍，而售价却仅为其他光谱仪的10%。虽然阿森在2015年才成立了新公司，但是他从事光谱仪研究的工作时间已超过20年。

“在阿森刚开始研究光谱仪的时候，系外行星的确算得上是一个全新的领域”，戈达德太空飞行中心天体物理学家斯蒂芬·莱因哈特回忆道。“人们过去利用视向速度光谱分析技术来寻找系外行星。”该技术通过测量一颗恒星的摆动，可以推断出是否有一颗拖拽该恒星的行星存在。虽然光谱分析技术自19世纪初期就已出现，但已有的工具还不够精密，尚不能获得天文学家想要的结果。哈吉安当时与其他工程师一起，致力于开发更好的探测工具。

自哈吉安和莱因哈特两人一起进入研究生院以来，莱因哈特就断断续续地与哈吉安进行非正式的合作.现在，他正在为NASA观测宇宙学实验室研究仪器设备并表示：“我关注的是，对于将来的科学领域，我们需要执行什么样的任务，或采用什么样的工具，即确定工具的设计、功能，然后再进行构建。”

▲NASA很早就利用光谱仪探索外星世界。光谱仪能够探测到恒星的摆动，从而推断是否存在一颗拖拽该恒星的行星。在未来的工作中，可能会将光谱仪与有关探测行星在其恒星和观察者之间运行的技术结合起来，帮助收集有关研究系外行星大气层的线索

他所拥有的专业知识也同时给他带来了机遇，使他有机会从事从哈勃太空望远镜到最近凌日系外行星巡天卫星（TESS）的一系列研究任务，并在他考虑研究下一代大型太空望远镜的时候，将相关技术带回到哈吉安光谱仪的研究上。

近年来，天文学家已不再使用视向速度光谱分析技术，而是倾向于采用凌日光度测定技术。当一颗行星在恒星与观察者之间经过时，可以探测到恒星微弱变暗。但是莱因哈特认为，下一代望远镜可能会将这两种技术结合起来，得到凌日光谱分析技术，帮助天文学家获取有关系外行星大气层的一些线索。如果NASA决定走这条路线，他表示：“我们希望建造尽可能大的望远镜，同时光谱仪要尽可能小，而阿森制造的工具此时就将派上用场。”

虽然哈吉安的公司（Hindsight Imaging Inc.）还很年轻，但是其技术吸收了美国海军天文台物理学家们近几十年来所取得的重大研究成果，同时也得到了NASA的资助。哈吉安表示，许多科学家会通过美国国家科学基金会获得政府拨款；但是作为一名政府公务人员，他不能申请这类拨款。因此，他转向NASA提供的融资机制，其中包括“先进技术计划（ATI）”和“太空与地球科学研究机会（ROSES）”。

“我在海军天文台13年的所有研究资金基本上都来源于美国海军、NASA或一些企业”，哈吉安回忆道。这些资金帮助他为海军和NASA同时感兴趣的恒星编目和系外行星探测领域制造更好的光谱仪。但是，他能够取得重大的突破，主要是因为他研究的完全是另外一个领域。他提到：“我学的是射电天文学，光学是我自学的。”

大多数光谱仪要么尺寸小但分辨率低，要么功能强大但尺寸大，其原因正如哈吉安所说：“光学的一个基本规律是长焦镜头（通常长而笨重）会放大图像，而鱼眼镜头（通常要小得多）会缩小图像。”

但是由于射电天文学并不需要权衡这种问题，因此哈吉安开始寻找不同的方法。他找到了一种方法，就是在不改变焦距比的情况下，在标准光学设计的基础上增加两个额外的反射面，从而改变进入光线的形状，即从一个圆点变成瘦长的椭圆形。结果如何呢？“我们规避了这一规律。现在，我们能够建造长宽高不到常规仪器三分之一的光谱仪，这样体积大约缩小了30倍。”

哈吉安的这一技术突破已经取得了专利。这一突破并不是一蹴而就，他之前利用NASA所资助的在海军天文台所开展的研究，为他后来的工作奠定了重要基础。“重点是学习如何制造光谱仪并明确需要解决的问题”，哈吉安说道。 “我很多时候有种头撞南墙的感觉，我需要考虑光谱仪有哪些优缺点？与其他所有重要问题存在怎样的联系？我花了很长时间才弄明白，而弄清楚如何建造光谱仪并没有花费我太多的时间。”目前，Hindsight波士顿公司主要销售作为更大型仪器部件的光谱仪，并且公司已迅速积累了“多个光谱分析市场的大量客户”，哈吉安提到。

▲Hindsight公司研制的光谱仪在分辨率相近的情况下，其大小约为常规仪器的1/30

哈吉安还说，在规模较小但不断发展的精准农业市场中，光谱分析技术可用于检测入侵物种或植物病害迹象，也可帮助农民准确了解之前已经施肥和没有施肥的地方。Hindsight光谱仪还应用在化学炸药的探测装置和药物含量的监测装置上。这两种装置可测量样品的吸收、反射和发射光谱，并将其与已知物质的光谱进行比较，但采用的是不同的封装方法和软件。

2017年年中，公司首先发布了两套光谱测量系统，一套用于短距离检测药物和炸药，另一套用于皮肤癌诊断。“因为有很多客户感兴趣，所以我们制造了这两种装置”，哈吉安说道。他还提到，不管哪种装置，Hindsight都收到了订单。在未来的发展过程中，他设想利用光谱技术实现颠覆性的医学进步，包括采用黑素瘤检测装置之类的光谱仪来诊断皮肤下的肿瘤，从而减少甚至消除对活检的需求。他还正在研究可以取代传统实验室血液检验的设备，“我们要实现的目标是利用我们的产品，可以通过观察一滴血或皮肤，就能发现血液里有什么”，他解释道。

他还提到，这些装置没有任何应用的限制。“对于中型产品，我们的价格已经降到了常规技术无法实现的水平。这带来了许多机遇。如果你的产品便宜、轻巧又便于使用，自然会非常畅销。”莱因哈特提到。事实上，其产品在NASA的应用也没有限制。除了在未来太空望远镜上安装光谱仪以外，他正在思考将小型光谱仪（如Hindsight制造的光谱仪）放置在高空气球上，在近太空范围寻找系外行星并了解它们的大气组成。莱因哈特提到，新的仪器可以检测到99%以上的大气组成，虽然还达不到100%，但这种方法不仅成本要低很多，还可以达到“事半功倍”的效果。

如果没有高性能的小型光谱仪，就无法实现这一目标。“这一直是哈吉安的研究方向。20多年来，他一直在研究基本概念，其目的是找到更好的解决办法”。