耐得住寂寞，才能守得住繁华——记国产拉曼光谱仪器研发的心路历程

2021-11-10 12:36:28 奥谱天成（厦门）光电有限公司

导读： 有专家统计，过去的10年，中国的拉曼市场总量扩大了10倍，在公安缉毒、安全检查、珠宝鉴定、塑料打假、食品安全、环境保护、药品安全、生物医疗等各个领域，都发挥着不可或缺的作用。

1981-2021，中国光散射学术会议走过了40年的历程。几十年的时光，见证了我国拉曼光谱技术及应用的发展，构筑了拉曼光谱研究和应用的坚实基础。这期间，有一代代科研工作者的汗水，有国内外各大仪器厂商的努力，更有各行各业用户的实践和经验总结。在大家的共同努力下，一篇篇高质量论文亮相顶尖国际期刊，一项项科技成果落地转化；科研群体从小到大，科研成果聚沙成塔，实际应用也逐渐普及，给各行各业带来了解决问题的新方法和新思路。

回顾历史，才能更好的展望未来。媒体特别策划《拉曼大咖说》系列约稿活动，本期我们邀请到了奥谱天成（厦门）光电有限公司（简称：奥谱天成）总经理刘鸿飞博士来给大家分享国产拉曼光谱仪器研发的心路历程。

刘鸿飞，1979年生，湖南衡阳人，博士后、高级工程师，2007年毕业于中科院上海技术物理研究所，获得博士学位，厦门大学博士后，荣获科技部“创新人才推进计划”，长期从事拉曼光谱仪的研制与应用工作，主持或参与多个国家级重大项目的的研制工作，深度参与中国国家标准《拉曼光谱仪通用规范》、中国国家标准《基于拉曼光谱的危化品检测仪》、福建省地方标准《便携式拉曼光谱仪》等标准的制定工作，发表论文20余篇，申请知识产权百余件。

媒体：回顾拉曼光谱过去几十年的发展，您经历了多少？最初踏入行业之门，有哪些忘不掉的回忆？

刘鸿飞博士：虽然一直做光谱仪器，但是真正了解到拉曼，还是在2009年的时候。那个时候，中国的拉曼基本上还没怎么开始。只有一些著名高校的实验室买了一些大型科研拉曼，几百万一台，怪吓人的。一个特别的消息：Thermo Fisher耗费巨资收购Ahura（一家专门做手持式拉曼光谱仪的美国公司），进军拉曼光谱领域。基于光谱人的直觉，大公司看重的技术，一定是一种很有前景的技术，就这样，慢慢了解到拉曼，在互联上一查，美国已经有好多家在做了：Ahura、Bwtek、DeltaNu、Enwave等都已经享有盛名；而中国，好像只有一家：欧普图斯，看起来好像是代理，因为其仪器的图片跟国外某品牌一模一样（后面才知道，欧普图斯自己本身是不做仪器，而是做增强试剂，仪器是从国外整个买进来的，这是后话了）。

后来，一个很偶然的机会，拿到一台美国Enwave生产的便携式拉曼光谱仪，如获至宝。虽然在之前，已经学习了不少的理论知识，对拉曼的工作原理有了比较全面的认识，拿到Enwave的真实机器后，还是收获很大，第一次亲手测出了拉曼信号，看到了神奇的拉曼效应。同时，我也深切的感受到，其实没那么难，中国人也一样可以干出来。后面，刚好有几个志同道合的好兄弟，一起研制便携式拉曼光谱仪，看起来容易，但实际做起来，可真没那么容易。由于大家都没有经验，走了很多弯路，光学设计、结构设计、电路设计、软件设计，画图纸、加工、买材料等等，一系列的事情操办下来，居然花了一年多的时间，才把准备工作做的差不多。记得我们几个同事，在一个全封闭的小黑屋里，调试了将近一个月，都没有得到拉曼信号，哪怕最简单的酒精拉曼信号，都测不出来。一遍遍地筛查问题，感觉都没有问题啊，但是就是拉曼信号出不来，几乎要绝望了。最后，整个项目进行了“归零”，全部重新评审，整个方案全部从零起步，重新分析、重新筛查，从激光出光、激光整形、激光聚焦，到收光光路、拉曼信号处理、光谱仪光学光路、电路、信号处理电路、接口等等，一点一滴地筛查。没日没夜，茶饭不思，夜不能寐，又花了一个月时间，终于找到了问题的症结点：激光的同步没做好，拉曼信号被当做暗电流扣掉了！就这一个小小的问题，整个团队折腾了两个月。放到今天，我估计2分钟就能发现问题，但是在那个时候，大家都没经验，整个团队愣是折腾了2个月。修改完问题，信号很快出来了，第一张获得的信号是测量钒酸钇晶体的拉曼信号，看到自己亲手做的仪器，终于采集到拉曼信号了，我们几个同事紧紧相拥，眼泪直流，又哭又笑，好几分钟，不肯放手，这一刻太幸福了，也太不容易啦。可能，这就是万事开头难吧！

在这个基础上，我们几个再接再励，在灵敏度、噪声、稳定性、易用性等方方面面进行很多改进，成功实现了首次20台小批量的量产，这可能也是中国国内首次实现量产的便携式拉曼光谱仪。

再后来，我们陆陆续续成功地研制了手持式拉曼光谱仪。

再到2017年左右，我们成功研制了第四代手持式拉曼光谱仪ATR6500，对整个光路、电流、软件等进行全面的优化设计，我们采用全自由空间光路，信号灵敏度提高了4倍以上，检测速度也大大加快（1-3秒），速度快、体积又小、重量又轻、操控性也非常好，全方面超越进口的手持式拉曼光谱仪器。2018年亮相美国PITTCON展会，国外某仪器公司的技术总监赞叹说，这是一款跨时代的产品！而2018年奥谱天成推出了ATR6600型1064nm手持式拉曼光谱仪，更是一鸣惊人，各方面性能都非常出色。

图 1 ATR6500型手持式拉曼光谱仪亮相美国PITTCON展会，引起轰动

短短的10年，中国的国产拉曼光谱仪，从无到有，从低头追赶到全面超越，从模仿到全面自主创新，从跟不上节奏到引领世界创新，我全部经历了整个过程。我深切的感受到，只要能沉下心来，认认真真地研究，中国是可以做出世界领先的仪器产品的。

图 2 ATR6600型1064nm手持式拉曼光谱仪亮相美国西部光电展

媒体：您的引路人是哪位恩师？是否还珍藏着曾经的老照片？

刘鸿飞博士：厦门大学田中群院士，在拉曼行业，有着十分深刻的见解，他在中国最早呼吁拉曼光谱仪的重要性，并在2011年成功争取到重大科学仪器专项“等离激元拉曼光谱仪的研制与应用开发”的立项，引起了国家层面的重视，我也有幸地加入到这个团队。田院士对拉曼光谱仪的研制非常重视，对项目团队提出了“顶天立地”的要求，既要有高端科研仪器，又要能接地气，解决人们日常生活的实际问题。

事实也证明了田院士的高瞻远瞩，拉曼光谱仪这些年发展异常迅猛，在公安缉毒、安全检查、塑料打假、食品安全、环境保护、药品安全、生物医疗等各个领域，全面开花，全面应用，已经在人们的生活中发挥越来越重要的，甚至是不可或缺的作用。

媒体：您使用的第一台拉曼光谱仪是哪个型号？是否还能忆起它的身影？

刘鸿飞博士：我使用的第一台拉曼光谱，是美国Enwave生产的便携式拉曼光谱仪，是一台带光纤探头的便携式拉曼光谱仪，集成了一台笔记本，内装了Windows XP操作系统，通过软件才能进行谱图采集，使用还算比较方便。这也是目前市场上大部分便携式拉曼光谱仪的原型。很可惜，Enwave在2014年被TSI公司收购后，并没有持续在拉曼光谱仪上进行研发，也少有新产品推出，目前在市场上已经很少见，令人惋惜。

媒体：您使用的第一台拉曼光谱仪是哪个型号？是否还能忆起它的身影？

图 3 美国Enwave产的便携式拉曼光谱仪

媒体：对拉曼光谱市场您有什么样的评价？有哪些因素阻碍拉曼光谱技术和应用的快速发展？

刘鸿飞博士：近10多年来，拉曼光谱在人们生活中发挥着越来越重要的作用，其市场规模也快速扩大。当前，在国外主要用在制药领域，在国内则更加广泛，公安禁毒、安检、食品安全、制药等领域都得到了终端用户的认可。可以预计，未来的10年，拉曼光谱的市场规模将会进一步快速增长。

目前，制约拉曼光谱快速发展的主要原因在于应用研究发展的不够，作为一门新兴技术学科，任何一个应用的成熟，都会带来巨大的市场潜力。从目前来看，拉曼光谱在生物医疗方面已经露出苗头，比如说无创血糖监测，国际上很多大公司，包括苹果、三星等公司，都投入了巨大的人力物力，在拉曼光谱无创血糖监测的应用研究上已经取得了相当不错的进展。假以时日，拉曼光谱无创血糖监测技术的成熟，将会带来血糖检测市场天翻地覆的变化，检测血糖，将不再需要扎手指头取血了，极大地减轻血糖患者的痛苦，提升其生活质量，同时可以实时监测血糖的变化情况，给人们提供更加全面、准确的信息。

图 4 三星公司宣称研制成功拉曼光谱无创血糖监测技术，并将应用在GalaxyWatch4上

媒体：对于拉曼光谱的明天您有什么畅享或者展望?有哪些热门领域值得关注？

刘鸿飞博士：过去的10年里，是拉曼光谱大发展的10年。有专家统计，过去的10年，中国的拉曼市场总量扩大了10倍，在公安缉毒、安全检查、珠宝鉴定、塑料打假、食品安全、环境保护、药品安全、生物医疗等各个领域，都发挥着不可或缺的作用。尤其是小型拉曼光谱仪（含手持式拉曼光谱仪、便携式拉曼光谱仪），由于技术的发展、应用开发的突破，已经实现了大批量的生产和销售。随着应用方向的进一步发展，拉曼光谱仪的市场会越来越大，尤其药品原辅料鉴别、工业在线拉曼技术（PAT）等工业生产领域，将有着巨大的市场潜力。

媒体：对于拉曼光谱的仪器研制及技术开发，您有什么样的建议？

刘鸿飞博士：目前，国内拉曼光谱的市场快速增长，引起了很多公司的关注。从事拉曼光谱研究的公司也越来越多，很多公司都愿意持续地投入以进行产品和技术的升级，比如说奥谱天成、北京鉴知、北京达闼、卓立汉光等公司，在各自的领域里，尤其是手持式拉曼光谱仪，都取得相当不错的成绩，纷纷研制出具有自己特色的产品，大大地促进了拉曼光谱技术与市场的良性发展。总体来说，目前国内厂家在小型拉曼光谱仪方面的硬件水平已经全面超过进口品牌的水平，但是在软件、算法、谱图库的建设等方面，国内厂家跟国外相比还有差距，但已经不是质的区别。在“立地”方面的手持式、便携式拉曼光谱仪器方面，国内已经取得了巨大的进步。下一步，国内厂家还需要进一步努力，继续加大研发投入，进一步完善产品、软件、算法，全面赶超进口品牌指日可待。

根据田中群院士“顶天立地”的规划，除了“立地”方面的手持式拉曼光谱、便携拉曼光谱以外，“顶天”的科研级拉曼光谱仪也是拉曼光谱仪的一个重要分支。科研级拉曼光谱仪虽然市场总量不大，但是技术难度更大、成本更高、系统更复杂，牵涉的技术面更广，需要更长的时间、更多的资源投入。对科研级拉曼光谱仪而言，目前国内厂家研究的还比较少，只有卓立汉光、天津港东有相关的产品，但是市场份额比较小，目前，中国科研领域采购的科研级拉曼光谱仪基本上还都是进口为主。

现在的科研，已经不比当年，一台显微镜打遍天下。现代的科研，很大程度上需要先进的仪器做支撑，没有先进的仪器，就很难做出先进的科研成果。中国要在拉曼领域取得世界领先的水平，具有世界水平的科研级拉曼光谱仪也必不可少，中国自己一定要有领先的国产科研级拉曼光谱仪！希望大家一起来努力，像现在手持式拉曼光谱仪一样，大家各抒己见、各自努力、共同成长，把中国的科研级拉曼光谱仪推上一个新的台阶。虽然科研级拉曼光谱仪市场不是很大，投入高、研制周期长，但是只要努力、只要坚持，就没有什么做不成的。奥谱天成愿意做科研级拉曼光谱仪的排头兵，携手同行、共攀高峰、共创未来。其实从2017年开始，奥谱天成就开始在科研级拉曼光谱仪方面投入研发力量，经过持续4年的研发，在2021年初，奥谱天成推出了首台科研级共聚焦显微拉曼光谱仪ATR8800。