年終盤點:拉曼光譜技術與市場新動向

　　雖然，拉曼光譜已經具有八九十年的發展歷史了，但其實為人們熟悉也沒有太長的時間。曾幾何時，拉曼光譜儀是一款非常高端的儀器，體積非常龐大，價格也曾高不可及，一度被認為是科學家和學術研究者才可以使用的儀器。即使現在回憶起那個階段，很多專家還在感慨，當時覺得拉曼光譜儀太專業了，就算有錢也不敢買。

　　而現在，隨著儀器技術的發展，儀器體積越做越小，操作越來越簡單，當然價格也已經有所下降，很多單位已經可以負擔得起了，同時其應用範圍也在不斷地拓展。可以說，這個曾經只局限於少數人的光譜技術，已經從它的學術限制中解放了出來，而且發展速度越來越快。

　　新產品、新標準、新應用...拉曼光譜在過去的一年中表現得尤為活躍。鑑於此，儀器信息網編輯特別為大家盤點一下近期拉曼光譜領域的新動向。

　　拉曼光譜儀已成為分子光譜中發展最快的一類儀器

　　1928年印度物理學家拉曼(Raman)首次在實驗中觀察到拉曼散射光，因此榮獲了1930年的諾貝爾物理學獎;雖然1928年到1945年之間，拉曼光譜在物質結構的研究中發揮了重要的作用，但由於信號弱等問題，在之後的十幾年中幾乎止步不前;直到上世紀60年代，雷射技術的出現顯著增強了拉曼信號，重新為拉曼技術的研究注入了新的活力;而1974年，Fleischmann 等人第一次在吡啶吸附的粗糙銀電極上觀察到表面增強拉曼(SERS)信號，之後掀起了拉曼研究的新熱潮...

　　材料領域一直以來都是拉曼的「主戰場」。說是「主戰場」，是因為材料科學是拉曼最「老」的一個應用領域，同時也是研究得相對最成熟的一個領域。而且材料領域的研究對拉曼光譜分析手段的依賴程度也比較高，很多專家反映，現在拉曼已經成為材料科學研究領域必不可少的分析手段了。

　　而現階段，SERS是拉曼光譜研究領域當之無愧的熱點，國內外皆如此。據悉，僅就「表面增強」一個關鍵詞搜索，每年發表的相關學術論文已經達到2000多篇。對中國來說，80年代初就開始了SERS的相關研究工作，近幾年踏入這個領域的研究人員幾乎呈指數增長。而儀器信息網編輯在2015年也特別留意了一些課題組的研究動向，匯總了部分課題組在拉曼光譜方面的研究成果《拉曼最新研究成果盤點》。從中我們也可以發現，「表面增強」幾乎滲透到了每一個課題組的研究工作中。

　　「增長速度快」幾乎是所有人對拉曼光譜市場的共同的評價，Grand View Research最新研究報告顯示，2014年，拉曼光譜市場價值超過1.3億美元，顯示高潛力的增長，預計到2022年之間複合年增長率將超過8.5%（更多）。同時，一份Transparency Market Research (TMR)的有關全球過程光譜的市場研究報告顯示2012年在全球過程光譜學市場中，拉曼光譜佔據了17.1%的市場份額，並預測拉曼光譜增長速度最快。其中特別強調，由於拉曼光譜無損的特點，在分析過程中對產品的化學結構不會產生影響，因此在製藥、食品和農業等領域的應用越來越廣泛，有望呈現指數增長（更多）。而在《光譜分析技術及儀器的現狀和發展》(BCEIA 30年看光譜分析儀器發展)中也明確指出拉曼光譜無疑是分子光譜類儀器中發展最快的一類儀器。

　　對中國來說，雖然相關研究起步晚於歐美國家，但是近年來也得到了很大的發展。Ramdane BENFERHAT博士(HORIBA第一屆拉曼學院，2014年)接受儀器信息網採訪時就曾經談到，「目前從銷售額方面來說，中國拉曼光譜儀市場每年增長速率為4-8%，從臺數上來說每年增長10-20%。根據現在的情況估計，中國市場每年拉曼光譜儀的銷售量為200臺左右(不包括手持式產品等)，5年之後預計每年的市場銷售臺數將達到800-1000臺。」（更多）其實，這一點從儀器信息網專場的數據也可以略見端倪，據統計，2015年，雷射拉曼光譜儀器專場PV提升7.5%，留言量增長4%。

　　科研成果逐漸「落地」

　　近年來，在拉曼光譜相關儀器方面的研究也取得了系列進展，其中在BCEIA2015的「國家重大科學儀器設備開發專項階段性成果」專區中，《等離激元增強拉曼光譜(PERS)儀器研發與應用》和《可攜式薄層色譜━拉曼光譜聯用儀及其藥品快檢支撐系統》兩個國家重大儀器專項分別展出了最新的成果。

　　廈門大學為牽頭單位的《等離激元增強拉曼光譜(PERS)儀器研發與應用》專項展出了LE-1增強模塊、SE-1增強模塊、可攜式食品安全現場快速檢測系統、可攜式環境重金屬現場快速檢測系統、可攜式化學涉恐危險品現場快速檢測系統、可攜式毒品現場快速檢測系統及TERS針尖等產品。據介紹，該項目的部分增強模塊已經在銷售，便攜儀器正在進行認證。

　　2012年的國家重大儀器專項《可攜式薄層色譜━拉曼光譜聯用儀及其藥品快檢支撐系統》由中國人民解放軍第二軍醫大學牽頭承擔，陸峰博士為項目牽頭單位負責人，上海科哲生化科技有限公司承擔薄層色譜儀器開發與產業化的主體工作，上海儀電分析儀器公司也承擔產業化任務。該項目將薄層色譜與拉曼光譜技術有機結合，成功研製出世界首臺高性能、全自動薄層色譜-拉曼光譜聯用儀。同時依靠多策略、全流程、可視化的網絡藥品快檢支撐系統，將為我國藥品，乃至食品、化妝品等複雜體系的分析提供一種新的解決方案。而且根據最新消息，繼2015年10月份在BCEIA 2015展出後，國內自主研發的首臺可攜式薄層色譜-拉曼光譜聯用儀經政府招標採購的方式，2016年1月6日正式列裝山東省食品藥品檢驗研究院。

　　此外，繼2013年首臺「活體單細胞拉曼分選儀」(簡稱RACS)樣機在中科院青島能源所驗收之後(該項目在青島能源所山東省能源生物遺傳資源重點實驗室徐健研究員和青島能源所兼職研究員、英國謝菲爾德大學黃巍副教授主持下，由中國科學院青島生物能源與過程研究所功能基因組團隊與北京惟馨雨生物科技公司聯合攻關完成)，2015年，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞研究中心在基於微流控的單細胞拉曼流式分選技術研究中又取得新進展，由研究員徐健和馬波領導的研究團隊開發了一種基於陣列介電單細胞捕獲/釋放的快速拉曼識別技術，首次建立起基於介電單細胞捕獲/釋放的單細胞拉曼流式分選原理和裝置，為下一步發展高通量拉曼流式細胞分選儀器奠定了原理和關鍵技術基礎。

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　　由科研到應用 分析型儀器增長明顯

　　過去很長一段時間，拉曼光譜儀被認為是高端儀器，幾乎僅限於學術研究。而隨著雷射器、CCD檢測器等技術的發展，儀器體積越來越小，操作越來越簡單，同時也越來越多地應用到各領域中去。總體來說，目前拉曼光譜儀在向科研型和分析型兩個方面發展，一方面向高端研究方向發展;另一方面，向藥品檢測、食品安全等領域滲透，這一點在便攜/手持拉曼方面表現的特別明顯。

　　在高端產品方面，拉曼光譜儀慢慢走向成熟，同時在超低波數、透射拉曼、拉曼光鑷技術、TERS等方面取得了系列進展，使科學家在新材料(如低維納米材料)、藥物API分析、化妝品、生命科學領域的研究中獲得前所未有的信息，同時也推動了拉曼技術在這些領域中的應用。當然，對高端拉曼來說，一些光學元器件的性能還需要繼續提升，據中科院半導體所譚平恆研究員介紹，滿足普遍實驗需求的拉曼濾光片已經擴展到近紫外波段，如氦鎘雷射器的325nm，但是拉曼濾光片在紫外和深紫外波段的性能仍然受到鍍膜技術的顯著影響。另外，反射率高達99%以上的大面積高性能的平面和球面反射鏡因為鍍膜技術限制還沒有被應用到拉曼光譜儀上。一旦這些儀器元器件能製備得更好，拉曼光譜儀的整體性能還會有突飛猛進的進步。

　　相對於高端產品，分析型拉曼光譜儀器的增長更為明顯，近幾年拉曼光譜儀在應用市場方面的拓展就很好地闡述了這一發展趨勢。幾年之前，拉曼光譜儀只應用在材料科學領域，但現在化學、催化、刑偵、地質領域、藝術、生命科學、材料科學等各個領域，甚至有一些QC領域也已經開始使用拉曼光譜儀了。可以說，拉曼光譜儀現在的應用市場已經發生了翻天覆地的改變，這一點在相關的學術會議中體現的尤為明顯。

　　此外，一些單位也已經開始關注拉曼光譜儀和不同儀器的聯用技術，這無疑為儀器的應用開拓了新的發展方向。除了國家重大儀器專項《可攜式薄層色譜━拉曼光譜聯用儀及其藥品快檢支撐系統》的項目外，很多廠商也在進行相關方法的開發，如布魯克的AFM和雷尼紹的拉曼光譜儀聯用;在Pittcon 2015上美國ATS公司(Acu Tech Scientific Inc)還展出了最新的拉曼產品AcuScan 1500，據介紹，該產品將Raman與HPLC相結合，既可以實現定性也可以實現定量分析。

　　儀器新品「層出不窮」 便攜/手持拉曼引領行業熱點

　　隨著技術的發展以及實際應用需求的變化，小型化已經成為分析儀器的發展潮流之一，這一點在拉曼光譜儀領域表現的尤其活躍，可以「拿出去」、應用到各行各業的便攜拉曼光譜儀的需求增長日益明顯。

　　正是看好了這樣的市場商機，很多廠商都已經開始了相關產品的布局，如賽默飛、必達泰克、海洋光學、日本理學、TSI等已經在這個領域耕耘多年，2015年，布魯克、島津、瑞士萬通等很多廠商也紛紛邁入這個行業，帶來了新的產品和技術。

　　其中，賽默飛推出了Gemini手持式紅外/拉曼二合一分析儀，將拉曼和FTIR 技術結合在單臺儀器上，實現拉曼和紅外的互相驗證和補充;針對螢光幹擾這個技術瓶頸，布魯克推出了基於SSETM(連續移頻激發)專利技術的BRAVO便攜拉曼光譜儀;而為了滿足現場快速檢測日益增長的需求，島津推出了RM-3000便攜拉曼光譜儀;此外，日本理學推出了採用1064nm波長雷射的Progeny ResQ手持式拉曼光譜儀;必達泰克推出了深致冷超高速智能便攜拉曼光譜儀i-Rman Pro;美國BioTools公司推出了全球首創的u-Raman可攜式顯微拉曼分子光譜成像系統和u-BioRaman可攜式生物分子顯微拉曼分子光譜成像系統(該款產品由手性振動光譜先驅Prof. L.A. Nafie教授帶領的專家團隊研發而成)。

　　值得一提的是，賽默飛的Gemini手持式紅外/拉曼二合一分析儀和日本理學的Progeny ResQ兩款儀器還榮獲了2015年R&D 100大獎。

　　便攜/手持拉曼光譜儀由於使用方便，價格便宜而受到不少單位的青睞。通過對中國政府採購網上有關便攜/手持式拉曼光譜儀的不完全統計，發現製藥等領域對該類儀器的採購最多，公安部門的安全檢測等也在選購相關的儀器（哪些單位在採購便攜/手持式拉曼光譜儀?）。不過，相比於大型共聚焦拉曼儀器，便攜/手持式拉曼儀器的靈敏度等還有一定的局限性，其應用還受到一定程度的限制。因為在實際應用中，不僅要求檢測快速，而且重複性要非常好。此外，儀器硬體、軟體等方面的集成還需要進一步加強。

　　總體來說，雖然便攜/手持拉曼光譜儀這個市場還比較年輕，只有10多年的發展歷程，但現在已經「如火如荼」。很多專家和廠商都表示，一旦某個應用領域得到突破，其市場應用前景將不可限量，現有的市場需求很容易就會翻番。

　　「標準先行」已經起步

　　對於儀器方法的推廣來說，標準顯得格外重要。標準先行，不僅可以促進應用市場的拓展，還可以引導產品技術的發展。在一定程度上，拉曼光譜相關標準的滯後也在一定程度上限制了該類儀器的推廣應用，不過現在情況已經有了一定的改觀，相關的標準制定工作也在加緊進行中。

　　其中，2015年8月份，國家質檢總局發布了拉曼光譜儀校準規範(JJF1544-2015)，由中國計量科學研究院和山東省計量科學研究院起草制定，2015年11月15日實施;2015版中國藥典也將拉曼正式以檢測方法列入藥典附錄，提高到了與紅外同等的位置;在中國儀器儀表學會標準化工作委員會(SCIS)制定的團體標準中，其中一項就是《雷射拉曼技術玉石礦物檢測儀器》;2015年12月30日，福建省質監局在福州組織召開了由福建計量院、廈門大學、廈門市普識納米科技有限公司共同起草的福建省地方標準《可攜式拉曼光譜快速檢測儀》專家審定會，與會專家一致通過了對該標準的審定;而鑑於目前標準制定工作的進展和需要，中國儀器儀表學會特成立雷射拉曼技術相關儀器儀表的「中國儀器儀表學會標準化工作委員會雷射拉曼專業技術委員會」(2016年1月4日)。

　　對廠商來說，在方法開發等方面的工作也在如火如荼的進行著，其中賽默飛聯合深圳市疾病預防控制中心，基於正常油脂和廢棄油脂拉曼譜圖特有的差異性，建立了快速篩查地溝油的新方法。據悉，該方法已經通過了認證。

　　新的應用已經在路上...

　　從2000年左右的碳管，到現在的石墨烯研究，拉曼光譜技術的發展與新興材料的研究密不可分。由於拉曼光譜具有不需要大量樣品製備工作等優勢，其應用領域甚至已經超過了紅外，並正在開拓新的應用方向，比如製藥、生命科學、爆炸物安全檢測、毒品、文物研究等各個方面。而且在一些國際型的學術會議中，如第24屆國際拉曼光譜學大會 (24th ICORS)、第十八屆全國光散射學術會議(18th National Conference on Light Scattering)以及由HORIBA科學儀器事業部與廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室共同主辦的第三屆國際拉曼前沿技術高端論壇(RamanFest)(2015年)等，這些熱點已經得到了非常明顯的體現。

　　在這裡要特別提到的是，拉曼光譜儀在生物和醫學領域的應用也逐漸嶄露頭角。特別在癌症的早期診斷和拉曼輔助手術方面已經為大家勾畫了美好的藍圖，其中後者在德國的研究比較多，或許未來內科醫生要和分析化學家、儀器工程師一起工作了。當然，這些現在還都處在實驗階段，也許它還不會很快來臨，或者距離還比較遙遠，可是已經給大家呈現了一個值得期待的有發展潛力的應用方向。

　　對我國來說，拉曼光譜在生命科學方面的應用相比國外要晚一些，但現在也已經有不少課題組踏入了這個領域。當然，實際研究過程中還存在不少問題，比如很多做化學的人不了解代謝的機理，亦或做生物的人很難解析拉曼譜圖等。儘管如此，拉曼光譜在生命科學中的應用依然「魅力無限」。