便攜式拉曼光譜儀的應用研究現狀及市場展望

  2017到2021年之間全球拉曼光譜市場的復合年增長率超過7%，制藥、環境和生命科學為主要的三大應用領域。在報告中，分析師指出了當前市場增長的三大驅動因素：醫療行業對藥物開發關注度的增加;食品以及食品安全市場需求的增長;金屬和礦物產業需求的不斷上升。而Research and Markets一份最新的研究報告中也明確指出，全球拉曼光譜市場的一個主要驅動力是醫療行業的藥物開發。

  拉曼市場的前景看好，有人預測在制藥質控領域，未來拉曼技術有可能在很多方面取代現有的HPLC技術。拉曼的全球市場因此變得非常活躍。HORIBA堀場、Renishaw雷尼紹、Thermo賽默飛等拉曼光譜老牌企業繼續加快構建自己的核心競爭力，拉曼新銳如BWTEK必達泰克快速增長，主要依賴于便攜/手持拉曼，這種快速的增長也帶來了大企業對便攜/手持拉曼技術的大力收購。在全球大牌企業（如安捷倫、布魯克、島津、耶拿、安東帕、珀金埃爾默）幾乎悉數加入拉曼陣營或擴充拉曼能力后，必達泰克選擇將自己的拉曼業務全部出售給瑞士萬通；而專注于研發ZL技術的美國BaySpec兩次出售自己的拉曼產品線，美國SciAps也是以售出技術為主。中國的拉曼市場和歐美不盡相同，在安檢領域的增長最為迅猛，其次是食品安全，而在制藥業的增長不及歐美。在中國安檢市場上最有力的競爭者是同方威視，在需要拉曼增強的食品安全領域，各家都有各自的技術，其背后均有各個高校和研究機構的身影。同方威視2018年的拉曼年銷售臺套數已達1000套；歐普圖斯、普識納米、卓立漢光、普拉瑞思、南京簡智等各個中國企業都在主力進軍食品安全涉及的拉曼市場，同時也在覬覦安檢市場。 

   2010年以來國外的拉曼并購合作事件

　【摘要】便攜式拉曼光譜儀正成為一種現場快速、非接觸、無損傷檢測的重要工具，它可以直接確認爆炸物和化學危險物質，特別是對于液體樣品的檢測具有明顯的優勢。本文介紹了拉曼光譜檢測技術的基本原理及特點，追蹤了國內外主流便攜式拉曼光譜儀的研究現狀，針對表面增強拉曼光譜儀的應用趨勢作了詳細闡述和分析，最后展望了便攜式拉曼光譜儀的研究發展方向。

　　國土防御需要在線確認大量的未知化學物品，需要發展針對現場不明密封性固體、液體樣品和水中有毒有害物質的快速檢測技術和手段。作為一種光散射檢測技術，拉曼光譜可以穿過透明或半透明包裝材料，非接觸、無損地直接檢測分析樣品，特別是由于水的拉曼散射光譜極弱。對其 它物質的散射影響也甚微，拉曼光譜在環境水體檢測中更具有得天獨厚的優勢。傳統實驗室用的拉曼光譜分析儀具有高靈敏度、高分辨率、寬光譜范圍的特點，同時為保證儀器的優良性能，一 般都配置多個激光器和光柵并裝配顯微鏡、共聚焦、成像系統等多種附件。因此，這類儀器體積 龐大，進樣過程復雜，分析時間較長，不適合現場快速檢測。便攜式拉曼光譜儀能夠現場檢測不明密封液態或固態潛在危險化學品，在得到實驗室分析結果確認之前即可快速獲取物質基本信息 ，既保證操作的安全性，又實現快速準確的鑒別，因此便攜式拉曼光譜儀成為一種應對化生恐怖攻擊、危險物資處理和執行突發性應急監測任務的重要工具，并具有廣闊的應用前景 ^[1-6]。

1 國外便攜式拉曼光譜儀現狀

　　70年代以后，隨著高靈敏性的CCD檢測系統、體積小且功率大的二極管激光光源、信號過濾整合的光纖探頭、微弱信號檢測、嵌入式設計應用等技術的出現和提升，極大地推動了小型化、智能化、信息化便攜式拉曼光譜儀的迅速發展。

　　雖然常規拉曼檢測靈敏度相對較低，但是憑借非接觸和無損性的特點使其在刑偵、安檢和軍事偵察領域占有一席之地。目前，國外研制和生產的便攜式拉曼光譜儀具有優良的性能，主要廠商有 BWTEK必達泰克公司（現被瑞士萬通收購）、GE公司、Ahura公司、Smiths Detection公司、DeltaNu公司（被SciAps收購）、Inphotonics公司等。

圖1　國外研制的便攜式拉曼光譜儀

　　美國BWTEK公司研制的便攜式拉曼光譜儀ChemRam具有重量輕、體積小、移動方便、分辨率高、檢測范圍廣等特點，其標準配置數據庫有2704種圖譜，用戶根據需要可括充至超過6000 種，數據庫圖譜數越多，探測結果越準確，使用范圍也越廣泛。ChemRam 主機上集成嵌入式電腦系統，利用專門開發的軟件 EVIDTM 實時顯示拉曼光譜圖，快速、準確地檢測出各種有毒有害物質。ChemRam 采用光學纖維連接探頭，允許操作人員及檢測儀器在測量時遠離樣品，同時光學纖維探頭在點觸樣品時比一體化儀器更輕便，采樣方式比較靈活、易于穩定，更適用于現場檢測。ChemRam 還可利用便攜拉曼表面增強閱讀器實現液體樣品的痕量測量。

　　美國 GE 公司的便攜式拉曼光譜儀 StreetLab Mobile 是根據美國國防部要求定做的，采用手持式設計，內置探頭可無障礙透過玻璃、塑料、透明甚至半透明材料實時探測，可檢測丸狀、膏狀、粉末狀固體和晶體，液體和固液混合物。軟件操作界面簡潔大方、易于掌握，數據庫經過漢化后，更方便非專業用戶操作使用。StreetLab Mobile 突出優勢是利用表面增強拉曼光譜示蹤技術實現對常見生物毒素的分析和鑒別。

　　美國 Ahura 公司（被賽默飛收購）研制的 FirstDefender 便攜式拉曼光譜儀，適合手持直接檢測試管內的液體和固體粉末樣品，還能夠透過包裝袋直接測試內容物。FirstDefender 的軟件操作界面簡單明了，軟件全部漢化，非專業人員可以根據界面的漢字進行測試操作，數據庫也全部漢化，這樣對于非專業人員要容易很多。FirstDefender 已通過美國 MIL-STD 810F標準，具有良好的環境適應性。

　　英國 Smiths Detection 公司的便攜式拉曼光譜鑒定儀 RespondeR RCI 利用拉曼光譜的“分子指紋”技術可快速偵別未知的固體、液體和粉末物質。RespondeR RCI 具有內置式、照射式和接觸式三種采樣方式，操作人員根據現場事故情況具體判斷，針對樣品不同狀態采取不同的采樣方式。

　　美國 DeltaNu 公司便攜式拉曼光譜儀 ReporteR 可以在現場對包括爆炸物、毒品、白色粉末在內的不明化學物質進行鑒定，體積最小，重量最輕，響應時間也較短。但是這款儀器光譜檢測范圍較窄，靈敏度偏低。

　　美國 Inphotonics 公司利用分辨率為 4cm^-1 的全譜便攜式拉曼光譜儀 RS2000 研究證明拉曼光譜檢測技術適合快速和可靠地確認未知物，并且提供有價值的參考數據。同時在此基礎上開發了一款更加小型的儀器 InPhotonics^TM，分辨率較低為 6cm^-1，光譜檢測范圍為 250 ～ 1800cm^-1 ，可以完成未知物的檢測。美軍能夠對化學和生物戰劑做出快速響應，各種便攜式分析檢測裝備應用于軍事任務中，其中就包括 InPhotonics^TM 手持拉曼光譜儀。

　　表 1 詳細列出了四款便攜式拉曼光譜儀的基本性能參數。

表1 國外便攜式拉曼光譜儀性能比較

2 國內便攜式拉曼光譜儀現狀

　　拉曼光譜分析技術在我國是一個有待發展的高新技術，專業研制生產拉曼光譜儀的機構廠家很少，主要集中在科研機構和院校。便攜式拉曼光譜儀的研制多數以教學和科研為主，如浙江大學光電與儀器系、蘇州大學信息光學研究所、廈門大學固體物理表面研究所等。另外還有很多光學和分析儀器公司生產和銷售分立的光譜儀組件或分光系統，如北京卓立漢光公司生產小型的光譜儀和光電元器件，供一些高校和研究所組建自己的拉曼光譜系統。目前，用于現場檢測的便攜式拉曼光譜儀都是成套由國外進口的，價格一般在幾十萬美元左右。隨著執行多元化任務的需要，在巨大的市場需求牽引下，一些企業如同方威視、華泰諾安等公司，充分利用當代科技新成果，吸取國外便攜式拉曼光譜儀的設計、制造及經驗，立足國內技術和加工資源，正在研制和發展具　有自主知識產權的國產便攜式拉曼光譜儀。

3 表面增強便攜式拉曼光譜儀應用趨勢

3.1 痕量檢測

　　在諸多應用領域，檢測靈敏度低成為常規拉曼光譜技術的重要缺陷。目前 SERS（表面增強拉曼光譜）的超靈敏痕量分析特性吸引了軍事專家的注意。近幾年來探測和確認低濃度有毒有害物質成為拉曼光譜技術研究的前沿學科和發展方向，其在生化戰劑、爆炸物痕量檢測等方面取得了很大進展^[7] 。

　　表面增強拉曼光譜技術將目標分析物質吸附在采用銀、銅或金等材料制成的表面增強拉曼活性平面上，激發特定波長的光源引起表面吸收譜帶或表面基質共振，使目標分析物質在作用區域內的拉曼光譜信號增強 10⁴ ～ 10⁶ 倍。作為檢測分析物質分子結構信息的直接手段，通過選擇特征指紋譜圖，該技術可有效降低檢測誤報率。表面增強拉曼光譜儀可在水或空氣中正常工作，傳感器可持續承受寬溫度范圍的背景。而且表面增強拉曼光譜技術不需要樣品預處理，通過譜庫檢索可在 30 秒內快速響應。該技術的環境適應性和多種分析能力使其充分滿足了國土安全和防御要求。

　 利用表面增強拉曼技術已經探測到 1ppb 蒸汽狀態的 TNT，DNT 和降解產物 1,3 -二硝基苯、4-胺基 -2,6 -二硝基苯。硝基在 820cm^-1 處的振動吸收和 1337cm^-1 處的拉伸吸收明顯增強，這意味著爆炸物的表面增強效應是通過硝基而不是芳香環結構^[8]。圖 2 是利用表面增強拉曼探測器偵檢地面炸藥時檢測到 DNT 的表面增強拉曼光譜。圖 3 是安裝光纖探頭的表面增強拉曼探測器。

　　圖2 DNT 的表面增強拉曼光譜

　　圖3 SERS 探測器光纖探頭

　　美國 3D 科技公司以研發 SERS 裝置和器件為主，目前生產了一種“SE1000”型表面增強拉曼散射工具包。這種 SERS 裝置可使得便攜式拉曼光譜儀能夠檢測 0.1ppm 數量級的痕量樣品。

3.2 化生一體

　　美國很多實驗室已經利用拉曼光譜技術開展化學、生物及爆炸物的快速檢測，圖 4 是一些生物戰劑的拉曼光譜。拉曼生物檢測器安裝于地面無人偵察車，如圖 5 所示，它可實現遠距離的土壤、水源和表面污染物的檢測^[9] 。

　　圖4 生物戰劑的拉曼光譜

　　圖5 攜帶拉曼生物檢測器的地面無人偵察車

　　目前隨著便攜式拉曼光譜儀技術的發展，同時為滿足痕量樣品和生物樣品的快速檢測需求，SERS技術也日趨成熟，有的已經實現商品化。美國的 GE公司為擴展便攜式拉曼光譜儀 StreetLab Mobile 的應用領域，研發了金納米核殼結構的 SERS 標記物，如圖 7 所示，該儀器通過如圖 7 所示的配套附件實現生物樣品的快速檢測^[10] 。

圖6　SERS 金納米核殼結構的示蹤劑

圖7　StreetLab Mobile 的生物檢測配件

3.3 水源監測

　　911 以后，美國政府意識到恐怖襲擊升級的可能性。恐怖組織除將有毒有害物質釋放到空氣中之外，還會將其投放到飲用水中，因此加強了對突發事件尤其水源污染的現場快速檢測技術研究。表面增強拉曼憑借超高檢測靈敏度和對水的微弱散射獨特優勢，應用于飲用水中化生戰劑的監測。

　　氰化物作為獨立化合物是拉曼光譜分析的典型代表，在 2200cm^-1 波段處有一特征強吸收譜帶。

　　RTA 實驗室利用便攜式表面增強拉曼光譜儀（圖 8）可以檢測到 1ppb 濃度氰化物^[11] 。EIC 實驗室設計的便攜式表面增強拉曼光譜儀在采用商用光纖的基礎上，將 SERS 基底固定在激光焦距內，利用金屬套保護光纖的同時，也使得水樣通過 SERS 基底，如圖9 所示。利用該儀器可以在 30s 內檢測 50ppb 的芥子氣模擬劑 2 -氯二乙硫醚，同時該儀器也能夠檢測水源中的毒素來確保飲用水的安全，對 T2 毒素的檢測限為 1ppm^[12] 。

　　圖8 RTA 實驗室研制的便攜式表面增強拉曼光譜儀

4 結論

　　拉曼光譜檢測技術具有快速、簡便、無損和直接檢測樣品等優點，在現場快速檢測領域受到了青睞。

　　圖9 EIC 實驗室設計的便攜式表面增強拉曼光譜儀檢測水樣

　　隨著拉曼散射表面增強技術的成功開發和應用，解決了常規拉曼光譜檢測技術中靈敏度較低、熒光干擾較大的問題。由于制備高活性、均一穩定的 SERS納米襯底技術不斷成熟和發展，便攜式拉曼光譜儀必將結合表面增強拉曼光譜技術，最終實現化生化現場快速痕量檢測。

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