坚持初心 持续创新——国产拉曼之成长路

[导读] 相对分光光度计、原子荧光、红外光谱等光谱技术的成功来说，拉曼光谱刚刚脱离嗷嗷待哺的阶段，还只是个“宝宝”，远未成熟，这个阶段更加需要拉曼人不忘初心、方得始终，一起维护好、培育好这个产业技术。

　　拉曼光谱作为物质的“指纹谱”，在物质定性分析应用方面，有着其独特的魅力：准确、快速、无损、非接触。在公共安全、食品安全等领域成功应用的引领下，拉曼光谱产业在近年来持续爆发，拉曼光谱已经成为分子光谱中发展最快的仪器类别了。从体积来说，拉曼光谱分为台式、便携式、微型(手持式)：

　　台式激光共聚焦拉曼光谱仪：具有非常优越的仪器性能，主要用于科研领域，目前主要由renishaw、Horiba、Thermo Fisher等国外公司提供。国内企业方面，卓立汉光利用自己在光谱分析仪的优势，开发的共聚焦拉曼光谱仪，在高校受到好评；天津港东在中国科学院物理研究所刘玉龙教授的帮助下，也推出了自己的激光共聚焦拉曼光谱仪。

　　便携式拉曼光谱仪：主要表现为其较强的性能和优秀的移动性，主要用于公共安全、食品安全、制药、珠宝鉴定等领域，其重量通常小于10公斤。虽然进口便携式拉曼也占有一席之地，但是存在价格高、售后服务慢等问题。目前，便携式拉曼光谱仪，主要还是国内企业占主流，例如食品安全行业的欧谱图斯，公共安全行业的同方威视等等，多年持续在各自的应用领域中深耕，在产品性能、质量方面，都具有行业领先的优势。

　　手持式拉曼光谱仪：由于其较小的体积，在分辨率方面，会有所限制，但是实际上，在拉曼光谱物质识别方面，分辨率往往并不是决定因素。而手持式拉曼光谱仪的灵敏度，则不受体积影响，可以达到便携式拉曼光谱仪的水准，例如，奥谱天成公司生产的ATR6200型超薄型手持式拉曼光谱仪，在测量Si时，可以达到35counts/mW·s的灵敏度水平，结合SERS纳米粒子增强技术，可以检测出10 ppb的孔雀石绿，其灵敏度可以媲美大部分便携式拉曼光谱仪。

　　1. 国产拉曼光谱仪发展现状

　　拉曼光谱仪，看起来很小、很简单，却是一个比较复杂的应用系统，从其应用流程来说，分为仪器硬件、软件与谱图识别算法、SERS纳米增强粒子、谱图库(含SERS谱图库)，目前，各部分都有非常专业的公司，在兢兢业业地从事相关的工作。

　　（1） 仪器硬件方面，仪器硬件是拉曼光谱仪的最基础平台，主要由光学、机械、电子、嵌入式软件等方面组成，主要性能体现为灵敏度、信噪比、波数范围、分辨率、重复性、稳定性等指标。坚持在拉曼光谱硬件研发创新的公司主要有奥谱天成、同方威视、华泰诺安、上海屹谱等，其中奥谱天成在低噪声CCD信号处理电路、高可靠性光路、光谱制冷技术等都有着独特的研究，奥谱天成的高灵敏度拉曼光谱平台：ATR3010、ATR3100、ATR8100、ATR8200、ATR8300等，其内部采用具有独立知识产品的超低噪声相关双采样技术，并采用高速18bit模数转换器件，采样噪声达到3counts，达到世界一流水平。奥谱天成还推出了超薄型高性能手持式拉曼仪ATR6200，在极其狭小的空间里，实现了对CCD的低温制冷，经军事医学科学院、中科院、厦门大学等多个单位测试，在信号灵敏度、噪声控制方面，达到国际领先水平，仪器尺寸仅仅16X10X4.3 cm。

　　（2）纳米增强粒子方面，从事纳米增强粒子研制的，有多个高校的研究团队，例如厦门大学田中群院士团队、中国科学院、华中科技大学朱丽华教授团队、吉林大学、北京大学、中国质检院等20多家高校、研究所团队，都取得了非常明显的效果。厦门大学田中群院士团队在2009年发明的SHINERS粒子，创造性地在金、银纳米粒子外围包括了一层高稳定性的SiO₂薄层，从而解决了纳米增强粒子容易结团、氧化等问题，使纳米增强试剂的保质期可以达到6个月以上。公司有厦门普识纳米、苏州欧普图斯等公司，在纳米增强粒子的开发与应用方面，都有着长期的耕耘和实践;

　　（3） 软件与谱图识别算法，每个拉曼应用公司，基本上都有自己的软件与谱图识别算法，具体识别与比对算法的准确度，则各不相同。相对来说，Thermo Fisher的谱图识别算法，应该是目前最好的。

　　（4）拉曼谱图库，国际有多家公司出售谱图库，但是国内似乎还没有谱图库的出售，基本上都是拉曼应用公司自建谱图库，例如同方威视、华泰诺安等在毒品、爆炸物的谱图库建设，欧普图斯、普识纳米、厦门藤蔓生物等，在农药残留的SERS谱图库，都比较全面。

　　2. 国内拉曼产业发展

　　拉曼技术已经得到大量的应用，在公安、海关、出入境、食品药品等领域，得到了相关部门的普遍认可。近5年来，尤其如此，从每年的不到千台，到现在的每年上万台的量，尤其是海关2016年300台、2017年425台的集中采购，更是极大地催熟了拉曼技术快速走向普及。由于台式拉曼，主要应用于科研市场，主要被进口产品占领，单价非常高，总体台数不算太多，每年300-500台的量，但是耗费的采购金额非常巨大。数量上，便携式拉曼、手持式拉曼，有一批国产仪器厂商聚焦于拉曼技术的开发，使得国内外能够同步发展，国产仪器今年来，产品性能、质量、外观等方面，均得到了全面提升，比进口产品差距不大，性价比很高，目前市场采购主流，也都偏向于采购国产仪器。

　　相对分光光度计、原子荧光、红外光谱等光谱技术的成功来说，拉曼光谱刚刚脱离嗷嗷待哺的阶段，还只是个“宝宝”，远未成熟，这个阶段更加需要拉曼人不忘初心、方得始终，一起维护好、培育好这个产业技术。

　　国产拉曼光谱仪器，目前最主要的问题，还是共同培育好拉曼市场，坚决抵制一些损害行业的行为，国内有些企业，通过价格战、扣黑帽、诋毁同行、虚假广告、把不成熟的产品推向市场等不良行为，造成了检测不准确、不稳定、难用的现象，让社会对拉曼技术不放心、有心理阴影，对拉曼市场造成的伤害不可估量。拉曼光谱行业的健康发展，需要全行业从事人员，共同努力、坚持初心、维持创新、方得始终。

　　为了维护好拉曼光谱技术的健康发展，在行业专家的大力推动下，拉曼光谱仪的相关标准正在快速推动中，《拉曼光谱仪国家标准》经过了4轮的审定会议后，终审会议在2017年10月在西安召开，意味着拉曼光谱仪的国家标准将进入最后冲刺阶段，我们国家很快将有自己的拉曼光谱仪标准；福建省《便携式拉曼光谱仪》标准在福建计量院、厦门大学、厦门市普识纳米为起草单位、奥谱天成等单位为专家评审单位，已于2016年3月份正式发布。这些标准的逐步实施，非常有利于维护好拉曼光谱仪技术的健康发展。奥谱天成有幸受邀参与《拉曼光谱仪国家标准》、《福建省便携式拉曼光谱仪》的起草和审定工作，为拉曼光谱技术的推广贡献一臂之力。

　　3. 奥谱天成拉曼产品及技术

　　奥谱天成公司的创始人刘鸿飞博士，在国内较早地开展小型拉曼光谱仪的研制，且长期聚焦于拉曼仪器技术的开发，至今已有10余年，在光学、CCD信号处理、算法等方面，有着较深的理解，拥有发明专利10余项。奥谱天成，投入巨大的人力物力，专注于拉曼光谱仪的研发和生产，从最底层的光学元器件，到中层的光路、电路设计、到软件编写、系统集成、应用开发，都是自主开发，具有独立知识产权，实现了真正意义上的垂直整合，具有最大的持续性、灵活性和可定制性。

　　在多年的持续研发沉淀下，奥谱天成取得了比较多的特有技术：

　　（1）无漂移的拉曼光谱：拉曼光谱仪的激光器、分光光谱仪等光学部件及平台，随着环境温度的变化，会发生热胀冷缩而导致变形，继而引起拉曼光谱的漂移，非常不利于拉曼谱图的识别。奥谱天成在热稳定性持续努力，对每个零部件进行有限元分析，不放过一颗螺丝钉，找出了各个热稳定性的“元凶”，通过光学材料、机械材料、生产工艺等的一系列改进，逐一解决各个热稳定性的隐患，从而获得超高稳定性的拉曼光谱，在0-40℃的环境温度下，拉曼波数的漂移不超过1 cm-1，这一性能达到了国际一流水平。

　　图 1 5-40℃环境温度下，ATR3100获得的高热稳定性谱图，左图为5-40℃温度情况下的乙腈拉曼谱图，右图中为乙腈的918cm-1拉曼峰，不同颜色的线分别代表环境温度为5，10，15，20，25，30，35，40℃下测得的拉曼信号，从图中可以看出，拉曼漂移小于1cm^-1。测量条件：激光功率为200mW，积分时间2.5s，每个温度梯度均放置1小时后进行测量。

　　（2）高稳定性的拉曼光谱：奥谱天成独特的传感器低温制冷技术，在不同实验室气温下，传感器均能维持在-10℃的低温工作状态，结合专利的高稳定激光功率输出技术，获得非常稳定的拉曼信号(不确定度<2%)，很适合拉曼的定量研究。

　　（3）瑞利散射消除技术：瑞利散射消除光学鼠笼，结合OD>8的拉曼光学处理探头，获得了低达150cm-1的拉曼光谱信号，有利于一些低波数材料的研究。

　　（4）拉曼信号增强技术：虽然SERS技术发展迅猛，日益成熟，增强效果好(达到百万倍以后)，但是也存在重复性、质保期等因素。奥谱天成另辟蹊径，采用物理、光学等手段，进行拉曼信号增强，采用离轴衰荡技术(专利技术)、中空光纤，获得了上百倍的增强效果。物理、光学的增强技术，具有重复性好、无保质期等优势，如果结合SERS增强技术，能进一步提升仪器的检测限等性能。

　　奥谱天成将上述特有技术，应用在各行业中，针对科研领域，奥谱天成推出ATR3100、ATR8100、ATR8200、ATR8300型(显微)拉曼光谱仪，其中ATR3100具有操作简便、灵敏度高、成本低等优势；ATR8200具有自动聚集功能，可以较少对实验员的依赖，提高实验结果的一致性；ATR8300具有Mapping功能，可以编程实现大面积、多样品的全自动扫描拉曼成像；针对不同样品需要不同的激发波长，特别在一些生物、制药等领域，既需要532/785nm的快速，又需要1064nm激发波长的消荧光功能，奥谱天成推出了ATR3200(532nm+1064nm)、ATR3300(785nm+1064nm)。奥谱天成针对食药品、公共安全、工业检测、生物医疗等领域的便携式拉曼光谱仪(ATR2000、ATR3010)和手持式拉曼光谱仪(ATR6100和ATR6200)，具有轻巧、高稳定、识别率高等优势。奥谱天成在拉曼光谱教学上的应用，推出了入门级的ATR1200型教学用拉曼，并设计一系列拉曼实验讲义，适合本科、研究生的拉曼教学应用。