海洋光學:重點發展手持和便攜拉曼光譜儀

　　這兩年，拉曼光譜儀一直吸引著業內人士的眼球，各大儀器廠商不斷在新產品、新技術、新應用等方面推陳出新，精心布局，不僅如此，新邁入此領域的儀器廠商也層出不窮，可謂熱鬧非凡。

　　拉曼光譜如此的蓬勃發展給廣大用戶提供了更多可選擇的空間，那麼，當前有哪些主流企業/主流產品?有哪些最新的技術/應用?哪款儀器更適合用戶自己的研究工作?

　　儀器信息網：請介紹貴公司拉曼光譜儀產品的定位，以及拉曼光譜儀產品線在貴公司的地位?

　　海洋光學：拉曼光譜儀是海洋光學目前重點發展的產品線，公司已經並會持續對其進行投入，並不斷完善產品線。主要定位於手持和便攜產品，主要目標市場是現場快檢的相關應用。此外還有模塊化產品，適用於拉曼技術相關科研領域，如材料製備分析，珠寶文物、文件鑑定鑑偽，食品安全，生化分析等。

　　海洋光學的拉曼光譜儀主要有三大類產品：

　　1、 模塊化拉曼光譜儀

　　主要由高性能的模塊化光譜儀作為檢測核心，搭配各類拉曼相關部件，包括雷射器，採樣附件，sers增強晶片等，多用於科研，教學，以及用於設備集成。是公司傳統的產品線，歷史悠久，用戶眾多。

　　2、 緊湊型顯微拉曼光譜儀

　　集成顯微模塊和拉曼光譜系統，具有高靈敏度，高性能的特點，同時體積小巧，價格相對較低，主要用於科研用戶。

　　3、 手持/便攜拉曼光譜儀

　　便攜拉曼光譜儀，定位於原輔料快檢、現場科研考察、違禁物質檢測。突出簡單易用，快速檢測，對物質進行快速的現場鑑定鑑偽。

　　儀器信息網：請回顧貴公司拉曼光譜儀的研發及技術進展歷史，貴公司在拉曼光譜儀器方面有哪些優勢/專利技術?

　　海洋光學：

　　2000年，世界上第一臺可攜式拉曼光譜儀R2000 ;

　　2011 年，Peakseeker Pro 拉曼光譜儀;

　　2011 年，PinPionter手持式拉曼光譜儀;

　　2006年，世界上第一臺商用毒品危險品拉曼檢測儀Streetlab，製造廠家為GE，核心採用海洋光學光譜檢測解決方案;

　　2012年，第一代Accuman可攜式拉曼光譜儀;

　　2013年，世界上最小的手持拉曼光譜儀IDRaman Mini;

　　2014年，第二代Accuman 可攜式拉曼光譜儀;

　　2015年，IDRaman Mini 2;

　　2016年，Acculite 手持式拉曼光譜儀。

　　儀器信息網：貴公司當前的主流產品和主流技術?貴公司有什麼樣的產品發展計劃?

　　海洋光學：

　　Accuman系列 PR500

　　獨有分體設計。科研級高性能檢測核心，檢測速度快，光譜質量高，PR-500具有更大的拉曼光譜範圍(最高可達3900cm-1)和更優的光譜解析度(最優可達4cm-1)，能夠輕鬆應對複雜樣品。可以滿足一般科研用途。同時具有很好的便攜性能，帶有現場顯示端和電池，可以方便在現場進行快速檢測。

　　依照GAMP5指導原則設計，遵從CFR Part11，符合GxP計算機系統要求

　　Acculite HRS-30

　　市場上最小的手持拉曼產品之一，良好的操控和客戶體驗。簡單易用，對違禁物質快速篩檢，高效準確的算法和物質庫。

　　檢測速度快：數秒內即可完成對被測物質的檢測。

　　集約輕便：體積小巧，便於攜帶，適合單人作業。

　　強大檢測能力：可對液體、固體和粉末進行檢測，有豐富的違禁品譜圖庫。

　　取證方便：具有高清拍攝功能，可生成測試報告並通過無線網絡上傳數據。

　　操作簡單：一鍵操作，即可得出結果，可單人單手操作，使用人員無需培訓即可使用。

　　儀器信息網：目前貴公司重點關注的應用領域有哪些?最看好哪個領域?主推的解決方案?

　　海洋光學：關注領域主要是以下兩個方面：

　　1、 製藥原輔料檢測

　　2、 危險品違禁品篩查

　　儀器信息網：從整個行業來分析，目前拉曼光譜儀都有哪些先進的技術值得大家期待?同時有哪些問題亟待解決?未來拉曼光譜儀的技術發展趨勢?

　　海洋光學：有很多先進技術值得大家期待：雙雷射，位移拉曼，深紫外拉曼，紅外拉曼，數據的雲存儲和大數據處理。

　　亟待解決的問題：小型化，低功耗，算法(對不同樣品和使用環境的適應性，批量設備之間的一致性，混合物的檢測和分辨)，定量，被測物質資料庫的建立，鑑別，環境耐受性

　　儀器信息網：預測未來拉曼光譜儀的市場發展潛力(包括應用方向、方法標準、政策法規等)?

　　海洋光學：近1年市場規模：原輔料快檢-2500萬，應用匹配度較高，但是藥典沒有強制要求，客戶採購需求低於預期;安全快檢-5000萬;珠寶鑑定-800萬。

　　手持拉曼光譜儀方案簡介

簡明手持拉曼系統架構

　　測試系統採用一束單色雷射器照射待測樣本物質。物質光致激發後，發出具有一系列拉曼波峰的散射光譜。這些光譜被光譜儀接收並轉換為數位訊號，之後由計算機對該樣品的散射光譜進行處理分析，並在拉曼庫中進行比對和尋找，以計算該樣本的組成、含量或屬性。

　　由上圖可知，一個拉曼系統中應包含如下要項：

　　1) 雷射器

　　2) 拉曼探頭

　　3) 光譜儀

　　4) 數據處理算法

　　5) 拉曼物質庫

　　雷射器

　　雷射器的問世，提供了優質高強度單色光，有力推動了拉曼散射的研究及其應用。近年來半導體雷射器的飛速發展，讓高質量低價格的拉曼檢測系統成為可能。

　　雷射器的波長可從紫外一直延伸到遠紅外，選擇拉曼激發波長是一個很大的課題，目前沒有非常明確的界定。從原理上來說，選擇波長越短的激發波長，其雷射能量越強，產生的拉曼信號也越強，熱效應越小，也越不易破壞樣品，但其螢光背景出現的機率也越大;選擇波長越長的激發波長，其拉曼信號越弱，熱效應卻越大，越容易破壞樣品，但好處是螢光背景出現的機率越低，越容易將拉曼信號從螢光背景中剝離出來。雷射器的性價比也是一個需要考慮的因素，而選擇不同波段的雷射器，往往需要對應波段的光譜儀和濾片與之配合，其相應的價格和靈敏度也會隨之大幅改變。

　　雷射器的泵浦源也有很多種，常見的包括半導體雷射器，化合物雷射器和染料雷射器等等類型。他們的造價、輸出雷射功率和功耗差距非常大。

　　綜合以上因素，手持式拉曼檢測系統往往採用波長為785nm的半導體雷射器。

　　拉曼探頭

　　拉曼探頭的主要作用是將單波長的雷射以極小的衰減率出射到被測樣品上，並在反射光中，將激發光的波段剔除。此外，相較於雷射強度，拉曼光譜會小5個數量級左右，拉曼探頭需要保證在雷射波長之外的區域，擁有高於80%以上的透過率。

　　拉曼探頭的指標主要包括：出射雷射波長的通過率;入射雷射波長的衰減率;入射拉曼信號的通過率。

　　此外，角度旋轉，藍移和通帶抖度都是考核拉曼探頭的指標，這些指標對拉曼探頭的生產工藝要求非常苛刻。

　　海洋光學手持拉曼系統中的探頭，採用高性能二向色鏡和濾片，經過精研優化過的拉曼探頭製造工藝，使拉曼探頭的整體工作效率高於80%。

　　光譜儀

　　光譜儀的主要作用是收集入射光在不同頻率的光強，並將其轉換為數位訊號供數據處理模塊進行數據處理。

　　光譜儀主要性能包括

　　1) 靈敏度

　　靈敏度是指輸入光強與光譜儀輸出信號之間的對應關係。通常可以以單個輸入光子產生的輸出電壓信號的大小來量化。由於輸入的拉曼光信號非常弱，需要靈敏度很強的光譜儀才能探測到。

　　對光譜儀而言，靈敏度與輸入狹縫的大小，輸入光纖的芯徑，內部光學元件的響應效率密切相關。輸入狹縫和輸入光纖的芯徑越大，光譜儀的靈敏度也越高，但同時光學解析度會隨之下降。

　　2) 解析度

　　解析度是指光譜儀對不同波長輸入光在波長方向上的分辨能力。由於拉曼光譜是以不同波長上的窄帶峰來做為物質屬性的判斷依據的，所以在拉曼光譜儀系統中，光譜儀的光學解析度至關重要。

　　3) 波數範圍

　　波數範圍是指光譜儀能夠探測覆蓋的光譜波長範圍。通常而言，物質的拉曼光譜包含一個或多個拉曼峰。這些拉曼峰是物質的拉曼指紋圖譜。不同峰位的不同高度聯合起來，才能更準確的定位物質的種類。

　　以上三個參數是光譜儀最重要的三個參數。這三個參數互相制約。通常來講，解析度的增加，會帶來光譜儀靈敏度的下降和波數範圍的縮小。質量越好的光譜儀可以在讓這三者的數值更接近理論上的最優值。

　　數據處理算法

　　數據處理算法是拉曼測量系統的核心之一。不同物質的拉曼庫很可能較為相似，需要精心設計算法才能得到準確結果。

　　手持拉曼系統中涉及的算法包括以下幾個部分：

　　(1)自適應自動採樣

　　拉曼信號的信噪比取決於多個因素。主要的有被測試物質本身的拉曼信號強弱，光譜儀本身的靈敏度，解析度以及噪聲水平等。測試物質的不同和光譜儀本身存在的臺間差，要求設備能夠靈活的自動採樣。能夠調節拉曼信號的信噪比的參數有兩個，第一個是積分時間，另外一個是雷射強度。手持拉曼能根據被測物質的不同以及不同的光譜儀自適應調節積分時間和積分強度，最終得到一張信噪比在指定範圍內的拉曼光譜。

　　(2) 校準算法

　　光譜儀得到的光譜，只是CCD採樣，在經過DA轉換得到的圖像，需要將CCD像元的位置信息精確的轉換為拉曼位移。也稱為x軸校準。X軸校準涉及到光譜儀波長校準和雷射波長校準兩個部分。

　　光譜儀的波長校準採用標準的HgAr等作為波長的參考。HgAr燈能覆蓋到785nm後面大約180nm的波段，適合於HRS-30手持拉曼定義的波數範圍。HRS-30手持拉曼得到合適的HgAr燈後，經過高精度的擬合和尋峰算法，得到特定一系列的特定峰的坐標值，再通過高階多項式非線性擬合算法得到光譜儀的準確波長。擬合算法考慮候選峰的選擇，包括強度，峰位和峰形。候選的峰要求強度較高，峰形乾淨，排除重疊峰。峰位分布均勻等。同時確定擬合多項式最優的階數，保證擬合度R2參數和預測參數Q2滿足精度的要求。

　　拉曼譜圖的位移是相對位移，根據雷射波長的偏移同步偏移。雷射波長的校準有較多的方法。常用的方法有2種。第一種是通過高解析度的設備直接測定雷射波長，然後轉為波數。第二種是用標準物質來標定，比如PS物質，要求PS物質穩定，可索源等。HRS-30手持拉曼測試PS物質，選擇幾個合適的拉曼峰，候選的峰要求強度較高，峰形乾淨，排除重疊峰。再經過高精度的擬合和尋峰算法，得到波數後，反向推導出雷射的準確波長。

　　由於每臺拉曼設備原理不同得到的拉曼的強度是不相同的，可能差別很大，比如FT-RAMAN和反射光柵類別的不同，即使都是反射光柵類型，光路可能不相同，或者CCD的響應不同，最終對應的拉曼強度是不一致的。為了後續的譜庫搜索和比對，光譜儀必須要做Y軸校準。Y軸校準常用的方法有兩種，第一種是用標準燈。用於校準每一個CCD像元的響應度。第二種是用標準的特製玻璃，雷射擊打玻璃後，得到一張螢光譜圖，和標準的譜圖曲線對比，也可以得到CCD像元的響應度，特製玻璃採用NIST指定的玻璃。

　　(3)數據預處理算法

　　採樣得到原始光譜後，在特定積分時間的情況下，得到的光譜信噪比比較低，同時還有螢光的幹擾，數據預處理算法需要去螢光和去噪，得到一張比較乾淨的譜圖，利於後續的譜圖搜索和比對。

　　CCD具有量子效率高、響應線性度好等優點，廣泛應用於各種光譜儀中用於光的探測。但是由於製造工藝等方面的原因， CCD可能出現壞點，導致測量得到的光譜數據出現異常。海洋光學光譜儀採用了一種完全自動的、有更高辨識能力的壞點檢測的方法。光譜儀每次採集到光譜數據後，直接在目標的譜圖中做壞點的實時和快速的檢測，無需人工幹預，最大程度保證了譜圖不受壞點的影響。該方法結合了局部幅度差和局部離散度等指標，能最大程度上實時檢測出壞點。

　　一般平滑算法都是採用固定大小的滑動窗口。滑動窗口大小的設定是關鍵的因素。設置太小，消噪的效果不好，設置太大，會導致不同的失真，解析度大幅下降。海洋光學採用了自適應平滑算法，窗口的大小根據譜圖的信噪比動態的設定。兼顧了圖譜的信噪比以及譜圖的解析度。下圖是針對撲熱息痛的消噪前後的對比。

　　螢光幹擾是拉曼光譜的重要問題，必須要處理妥當。目前我們採用了基於數字濾波的算法，計算複雜度低，效果好。如下圖所示，藍色的是原始譜圖，下面的紅色部分是消除螢光後的譜圖。

　　(4)譜庫搜索算法

　　譜圖搜索的算法對拉曼快速檢測而言，是非常關鍵的。一般採用的算法也有很多，大致分為三類。第一類是譜圖相似度法，典型方法有相關係數法，歐式距離法等。第二類是針對拉曼峰的選擇性好，典型的是峰匹配法。第三類是統計算法，計算出一個相似概率，典型的p-value算法。第一類是方法主要的問題是對相似物的辨識度不夠，即兩張譜圖中如果只有少數峰不同，可能識別為同一種。第二種方法的優點是辨識度較好，計算量較小，但是結果不夠穩定，結果和譜圖的信噪比以及解析度有較大的關係。第三種方法的優點是有較好的辨識度，比較穩健，計算量偏大。基於手持式拉曼檢測儀對功耗、測試速度的要求，HRS-30中使用了峰匹配算法。

　　拉曼物質庫

　　拉曼物質庫是拉曼檢測儀器的數據源。測試系統得到物質的拉曼特徵之後，會檢索儀器內建的拉曼物質庫，只有已經在拉曼物質庫中的物質才能被確定

　　主要功能描述

系統設置

　　網絡連接設置

　　系統可通過WIFI將測試數據上傳到伺服器，也可通過WIFI將伺服器上的更新庫的數據取到本地。

　　做以上操作時，需要將HRS-30連接到可用的WIFI網絡中，網絡連接設置即是允許用戶使能/禁用WIFI功能，並選擇有效地WIFI網絡。

　　文件伺服器設置

　　用戶在使用過程中，存在發現新的危險拉曼物質的可能。即拉曼物質庫是一個逐漸累積的過程。當伺服器端經授權機構或人員確認新的物質庫之後，需要將新的拉曼庫下發到各個手持式終端。手持式終端需要知道去何處取得新的拉曼物質庫。文件伺服器設置這一項即使允許用戶輸入其IP位址。

　　鑑定模式設置

　　在使用拉曼測試疑似物質時，雷射器的功率對測量結果是有一定影響的。雷射輸出功率較大時，測試時間變短，收集到的拉曼信號也比較強，但此時被測物質產生的螢光比較強，噪音也比較大，且容易對被測物質產生損壞。雷射器輸出功率較小時，螢光較小，信噪比得到提升，但所需測量時間更長，且存在由於拉曼信號太弱而無法檢測到可用信號的的風險。

　　針對這兩種情況，HRS-30系統定義了快檢模式和精檢模式供用戶選擇。快檢模式下，雷射器的功率加大，測量時間較短;精檢模式下，雷射器的功率變小，測量時間變長，但噪聲變小。

　　用戶管理

　　供用戶設置用戶名密碼。

　　位置更新

　　HRS-30系統定義了GPS功能，可使用GPS更新所處位置的經緯度。但在室內等GPS信號不太好的地方，也允許用戶手動輸入位置坐標。

鑑定

　　掃描的觸發

　　通過點擊屏幕上的掃描件或是物理鍵均可重啟一次物質掃描。為了安全檢測，HRS-30還具有延遲測量功能，以應對爆炸物等危險物品的檢測。

　　測量完成之後，根據測量結果的不同，儀器會給出如下關鍵信息

　　備註

　　除以上信息之外，現場的操作人員可能還會有其他信息需要添加，也可能希望對被測物質拍照，故此，HRS-30加入了用戶添加備註的功能，和拍照功能。

記錄管理

　　測試記錄內容

　　掃描操作完成之後，會形成一條包含關鍵信息、用戶添加的備註信息、拍攝的照片、檢測地點位置等數據的一條記錄。用戶可以刪除該記錄，但不能做任何修改。用戶記錄以測量時間進行排序，顯示名稱為鑑定物質種類和檢定序列號。用戶如果之前添加過備註信息，也會顯示在圖標上。

　　測試記錄的導出

　　HRS-30系統定義了兩種數據導出方式，U盤導出和WIFI導出。U盤導出是指數據可保存到U盤上，供用戶轉到其他設備上使用。WIFI導出指HRS-30可將用戶的測量數據導出到設置好的伺服器地址下。

拉曼物質庫管理

　　默認庫

　　在HRS-30系統出廠時，會將目前最新的自有的拉曼物質庫集成到HRS-30中。用戶可以在頁面上查看當前默認庫中所包含的物質種類，及其拉曼峰形等信息。

　　自建庫

　　當用戶發現新物質在默認庫中找不到時，可以採用自建庫功能，將當前的圖譜保存成自建庫。自建庫中的物質也會之後再進行該項疑似物品的鑑定時，加入到被搜索的庫中。

　　庫的更新

　　由於新型的違禁品層出不窮，拉曼庫是需要在實際的使用中不斷完善的。

　　HRS-30系統支持三種模式來進行庫的更新：

　　自建庫：如前所述，通過將樣品的測量結果加入到自建庫中進行本機庫的更新。

　　WIFI方式庫更新：系統可由用戶主動通過WIFI與伺服器同步，從伺服器上下載最新的拉曼物資庫，之後進行本地庫的更新。

　　用戶設定伺服器地址之後，在有WIFI的情況下，HRS-30系統會自動檢索伺服器上庫文件的版本號，若發現有新的庫文件，會彈出提示框，詢問操作人員是否進行物質庫的更新。

　　U盤方式庫更新：在沒有WIFI的情況下，用戶可將需要更新的庫放到U盤上，之後從U盤進行庫的更新。