便攜式拉曼光譜儀國內外技術PK

　　拉曼光譜與物質分子的振動轉動能級有關，是分子的指紋光譜，廣泛應用于各種領域。大型拉曼光譜儀體積大、價格昂貴，僅適用于高校實驗室及相關科研院所。21世紀以來，由于現場檢測的需要，便攜式拉曼光譜儀發展迅速。

   拉曼光譜儀已經廣泛應用于分析化學、安全檢查、生物醫學等領域，小型化、智能化是其發展的重要方面。便攜式拉曼光譜儀具有體積小、檢測方便等特點，便于現場測量與分析。目前，在藥物檢測、機場安檢、爆炸物分析等領域，便攜式拉曼光譜儀更受青睞。

　　國外，諸如B&WTek，Thermo Fisher Scientific，DeltaNu，Ocean Optics等公司已相繼推出性能良好的便攜式拉曼光譜儀，已經廣泛應用于高校科研、安檢安防、食品安全、制藥鑒別等領域。近年來，國內拉曼光譜儀的開發研制也得到了迅速發展，普識納米，譜識科儀、斯坦道、奧普天成、南京簡智，歐普圖斯等國內企業也推出了便攜式拉曼光譜儀，那么國內外的拉曼光譜儀有哪些區別？本文將從構造方面比較國內外便攜式拉曼光譜儀產品的差異。

　　激光器

　　激光器是拉曼光譜儀的核心部件之一，便攜式拉曼光譜儀需滿足體積小、能量高、線寬小且輸出穩定。國內外拉曼大部分選用的激光器在體積和能量方面基本一致，主要在線寬和輸出穩定方面存在差異。

　　激光的線寬，波長穩定性和功率穩定性會直接影響光譜儀的分辨率，在這方面美國B&WTek的專利激光器“CleanLaze”具有較好的優勢。CleanLaze?穩頻專利技術(US 7245369B2, 77560200,77560201)主要通過體布拉格光柵(VBG)來對激光輸出進行穩頻和約束，使得多模激光器的線寬可以優于0.1nm，同時確保長時間的波長漂移穩定性和功率穩定性。例如在功率穩定性方面，必達泰克CleanLaze技術的785nm激光器，其穩定性可以做到在四周的連續出射時，激光器功率的穩定性(以SDTEV計算)約0.28%，在目前這一穩定性指標要優于國內同類設備的水平。

　　對于進口的便攜拉曼系統來說，得益于高可靠性和穩定性激光器，拉曼系統的壽命得以大幅度提升，其激光器的壽命基本不再是整機壽命的一個瓶頸，使其作為一個長期可靠使用的工具成為可能，目前國內廈門大學大型拉曼有較深的研究，聯合福建計量院及廈門市普識納米科技有限公司起草的福建省地方標準《便攜式拉曼光譜快速檢測儀》對激光器的評價作為一個重點。

　　光譜儀

　　微型光譜儀是便攜拉曼的“心臟”，光譜儀的性能直接影響拉曼的光譜分辨率，靈敏度和光譜檢測范圍。目前國內拉曼采用的光譜儀相較進口產品存在較大差距。例如，國內拉曼的分辨率一般在10cm^-1左右，而國外拉曼的分辨率一般在5cm^-1左右，其中美國B&WTek多種型號的光譜儀能達到3.5cm^-1(ASTM標準方法測量)。另外，國外光譜儀在CCD封裝，噪聲控制等方面表現更佳。目前，在便攜拉曼系統上，做到-20℃以下制冷的量產產品大部分都還是進口設備，例如EnWave，B&WTek，OceanOptics等，因為成本原因國產目前有制冷較少，僅有譜識科儀、奧普天成等采納。

　　另外，在光譜檢測器的光路上，國內廠商主要還是采用交叉式CT(Crossed Czerny-Turner )光路。這種光路制造成本，器件等都較為便宜，但是存在相差較大，空間分辨率低等缺點。廈門大學、譜識科儀、BWTEK、賽默飛在這方面做了一些光路上的改進工作，通過近軸透射光路，保證了在很寬的光譜范圍內，各波長下都有較高的光譜分辨率。

　　在CCD致冷技術和對弱拉曼信號的探測上，由于國內的技術起步較晚，CCD的致冷技術與國外還存在著差異，在拉曼的性能上主要體現為信噪比的差異，通俗的說，同等條件下致冷較好的光譜儀的拉曼譜圖的“毛刺”較少。另外，CCD質量的好壞還會體現在光電轉換效率的不同，高質量的光電轉換效率高，對弱拉曼信號的采集占據優勢。

　　系統集成

　　單一部件的好壞不能完全決定拉曼整機性能，系統的集成方面也發揮著重要作用，國產拉曼由于起步晚，研發主要集中在科研機構及高校，在系統的集成方面可能會存在差距，主要體現為，國產拉曼與進口拉曼采用相似的配置，可能得到的拉曼的綜合性能差距明顯，這需要長期的經驗摸索和積累。

　　表面增強

　　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。

　　在此技術領域中，國內的做的相對比國外領先很多，目前大部分國外廠家在表面增強使用都是采用國內廈大校辦企業廈門市普識納米科技有限公司的技術，該公司是廈門大學田中群院士牽頭組織實施的國家重大科學儀器設備開發專項—“等離激元增強拉曼光譜儀器研發與應用”唯一產業單位。

　　價格

　　目前，市面上的國產拉曼明顯比進口拉曼便宜很多，市場占有率也在逐步擴大。

　　小結

　　國產拉曼相對于進口拉曼的差距主要體現在光譜分辨率、靈敏度、信噪比、長期穩定性上，對于部分簡單應用是足夠的，但對于要求更高的應用，比如復雜體系中目標物的檢測存在巨大挑戰。

　　國產拉曼已實現從無到有的過程，下面的階段就是在性能上達到世界一流水平。由福建計量院、廈門大學、廈門市普識納米科技有限公司起草地方標準《便攜式拉曼光譜快速檢測儀》和《拉曼光譜儀》國家標準，將于2018年完成編訂，該標準編訂的完成將為拉曼光譜儀的生產、使用和檢驗提供技術依據，推動拉曼光譜技術的發展，也規范拉曼市場應用，也為國產拉曼起到規范進步的指導。

　　（四川省分析測試服務中心、四川省科學器材公司）