林慧：從“光”出發，開辟光譜技術創新應用

深圳先進院集成所精密工程研究中心副主任林慧 深圳先進院供圖

　　光譜，被視為物質的“指紋”，是各類物質與生俱來的“身份證”，而光譜儀就像一雙分辨光波的“眼睛”，通過準確測量物質“指紋”“一眼洞穿”其化學成分和物理特性。

　　利用光譜原理，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）集成所副研究員林慧成功研發了一系列面向食品、藥品、照明檢測的超微型光譜儀，實現了光譜儀由大型科研儀器走向便攜應用的轉化。

　　不過，林慧并不滿足于此，在光譜技術研發的道路上不斷探索，如今衍生出用于曲面的柔性納米壓印技術，并創新性地將光譜儀與合成生物學大設施、爬壁機器人等新領域結合，碰撞出全新應用場景。

　　首創柔性納米壓印技術 曲面上的“活字印刷術”

　　光譜儀是如何對各類物質進行分辨的？將復色光分解為單色光的光柵是關鍵。“光柵相當于光譜儀的‘心臟’，是核心器件，與傳統的平面光柵相比，凹面衍射光柵具有像差校正性能，可以代替多個光學元件，起到簡化光路的作用，極大地推動光譜儀器的小型化和輕型化。”林慧說。

　　在研發微型光譜儀的過程中，林慧發現，雖然凹面光柵具有集成化優勢，但目前的微納制作工藝大多適用于平面元件，曲面元件制作起來難度不小。“凹面光柵的表面刻蝕了微納米尺度的溝槽，而且這些溝槽的間距是不均勻的。現階段的技術要么通過金剛石刻刀沿曲面進行步進刻劃，要么通過全息曝光與離子束刻蝕制作，都需要依賴昂貴的設備，效率低、成本高。”

　　為解決該問題，林慧團隊開始探索更高效的制造方法，與香港中文大學陳世祈團隊合作，經過3年的研發，首創柔性納米壓印技術，實現了曲面光柵的高效印刻。

　　林慧團隊研發的曲面光柵

　　“所謂納米壓印可以形象地理解為古代的活字印刷術，而柔性壓印則是采用硅橡膠等材料作為軟模板，先制作帶有光柵圖案的軟模板，再通過模板的變形與曲面貼合，從而實現圖形從平面向曲面的轉印。”

　　目前團隊已經完成了柔性納米壓印機的樣機開發，在實驗室內實現了高效、靈活的柔性/曲面微納結構制作。據林慧介紹，該技術在曲面屏、AR顯示等消費電子產品中也將有廣闊的應用前景。

　　IBT深度融合 助力大設施國產化

　　不僅在本專業領域不斷探索新方法，在深圳先進院大力推進IBT融合、建設重大科技基礎設施之際，林慧也利用自己的專業知識投入到了深圳合成生物研究重大科技基礎設施（以下簡稱大設施）的研發中。

　　如果說合成生物學研究是像組裝機器一樣組配生物，那么大設施便是將這個組配過程由勞動密集型的人工作業，轉變為大規模自動化的機器生產，林慧負責研發的“酶標儀”就是自動化生產線上的主要“勞動力”。

　　“酶標儀與光譜儀有共通之處，它測量各種光的吸收強度與熒光強度，而強度背后代表的是核酸/蛋白質濃度、細胞因子濃度等生物研究中的關鍵參數。”據林慧介紹，目前中高端的酶標儀仍然依賴進口，而他所參與的國家重點研發計劃“合成生物學”重點專項中的一項關鍵任務就是要實現中高端酶標儀的國產化。

　　“與進口酶標儀相比，我們正在研發的國產酶標儀最大特點在于加入了智能化、自動化技術，進而實現與整個實驗線的串聯，”林慧說，“比如樣品可以通過機械手平穩地放在進樣架上，樣品送進去后進行自動化測量，隨后再跟整個系統的運轉相配合，這是進口儀器所不具備的功能。”

　　踐行工研院初心 在應用中廣拓科研疆域

　　在產業應用方面，根據企業的實際需求，林慧也在不斷探索新的應用領域。今年初，建筑檢測龍頭企業中冶建研深圳公司提出了建筑材料檢測的應用需求：城市建筑上的玻璃幕墻多依靠膠材進行結構固定，經過多年日曬雨淋后會出現材料老化現象，極易產生開膠、脫落等風險。因此，建筑材料定期檢測工作至關重要。

　　“現階段的檢測手段主要依靠人工通過外觀目測，觸碰膠材等方法，憑借經驗判斷是否有脫落風險。而材料老化很可能是內部成分結構的細微變化，攝像頭等檢測方式難以做到精準判斷，這時光譜儀就派上用場了。”

　　了解到企業需求，林慧團隊采集了數百個測點數據，發現了材料老化引起的光譜變化規律。下一步將聯合同是精密工程中心的何凱團隊，將光譜儀與爬壁機器人技術相結合，開發用于建筑材料現場檢測的新型設備。

　　從早年與華潤三九合作研發產線質檢系統，到合成生物學大設施酶標儀，再到建筑材料檢測機器人，扎根深圳先進院11年的林慧是眾多踐行“工研院”初心的青年科研人員之一，他用“自由、包容、開放”評價這里的科研氛圍。

　　“我的博士課題就是微納光學，如果留在高校做研究，不接觸產業的話，我可能會沖著微型光譜儀和器件做十幾年，研究各種原理。而在先進院這個平臺，一方面我可以繼續做柔性納米壓印這樣的基礎研究，更重要的是，我可以接觸到大量學科交叉、產業應用的需求，從應用角度出發去開發光譜技術解決方案，做出滿足應用需求的成果。”