奧譜天成:拉曼光譜儀專業ODM提供商

　　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：奧譜天成拉曼光譜儀的定位?

　　奧譜天成：奧譜天成(廈門)科技有限公司，由中科院光電行業專家籌建，公司聚焦於光譜分析儀器、光電模塊等領域，致力於開發具有國際領先水平的技術創新和應用推廣。公司集研發、生產和銷售於一體，專注於光譜分析儀器等光機電一體化產品，成功地為國內外不同領域的眾多客戶提供了先進的技術解決方案和高品質的產品。

　　奧譜天成是由拉曼光譜儀專家劉鴻飛博士聯合幾位拉曼光譜專家成立，公司從一開始，就聚焦於拉曼光譜儀的硬體研製和批量化生產，致力於成為國際領先的拉曼光譜ODM提供商。

　　經過了多年的技術攻關、耕耘，奧譜天成已為國內外很多科研單位、企業，提供了拉曼光譜儀整機或模塊，奧譜天成的拉曼光譜儀性能一流、品種齊全，已成為拉曼光譜領域享有盛名的一站式解決方案提供商。

　　奧譜天成可以提供785、532、1064、830、473nm等各種激發波長的拉曼光譜儀，形成了微型拉曼、可攜式拉曼、顯微拉曼等全系列的拉曼光譜儀產品，產品系列涵蓋了低成本、高性價比、高性能以及各種常見波數範圍的拉曼光譜儀，可以說，拉曼光譜儀已成為奧譜天成的拳頭產品，是奧譜天成的鎮山之寶。

圖 1 奧譜天成的拉曼光譜儀產品全集

　　奧譜天成除了提供拉曼光譜儀硬體，也提供軟體定製和算法開發服務，公司還提供食品安全、毒品、化學、化工等領域的整體應用方案。

　　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?

　　奧譜天成：公司聯合創新人，劉鴻飛博士，是國內最早從事小型拉曼光譜儀研製的專家之一，從2003年進入中科院攻讀博士學位開始，劉鴻飛博士就醉心於拉曼光譜儀的研製工作，迄今，研製了第4代拉曼光譜儀。

圖 2 公司創始人劉鴻飛博士的拉曼人生路

　　劉鴻飛博士也是國家科學儀器重大專項「等離激元增強拉曼光譜儀器研發與應用」(項目號：2011YQ030124，總經費：8525萬)的子課題負責人，負責項目中各類拉曼光譜儀的研製工作。

　　劉鴻飛博士還參與制定了《福建省可攜式拉曼光譜儀標準》、《國家拉曼光譜儀標準》。

　　經歷了多年的產品研發和改進，奧譜天成在CCD信號處理、CCD製冷技術、高效光學集成技術等領域，形成了一系列的獨有技術，公司在靈敏度、信噪比以及可靠性等多個方面，處於行業領先地位。

　　特別是2015年後，公司在拉曼光譜儀產品線，投入巨大人力財力物力，在小型化、低功耗、嵌入式作業系統等方面的研究，取得了長足的進步，先後為客戶定製了一系列可攜式、手持式拉曼光譜儀。特別在譜圖識別算法方面，取得了重大突破，奧譜天成(廈門)科技有限公司的譜圖識別算法，識別準確率高，經過數百次的應用驗證，虛警率、漏警率低於3.2%。

　　儀器信息網：貴公司當前拉曼光譜儀的主流產品和主流技術?有什麼樣的產品發展計劃?

　　奧譜天成：奧譜天成(廈門)科技有限公司有著眾多的可攜式、手持式拉曼光譜儀，有低成本可攜式的ATR1000系列，有高性價比的ATR2000、ATR2100、ATR6000、ATR6100，有高靈敏度的ATR6300、ATR6800、ATR3000、ATR3010等;還有ATR8000、ATR8300、ATR8700等顯微拉曼光譜儀。目前公司，在低噪聲CCD信號處理電路、高可靠性、低功耗、傳感器製冷、散熱等方面，均有著自己獨特的技術和工藝手段。

圖 3 奧譜天成生產的ATR3010型可攜式高靈敏度拉曼光譜儀

　　圖 4 奧譜天成公司生產的ATR6100型微型拉曼光譜儀，儀器具有極小的體積、極輕的重量(<0.85kg)和極佳的信噪比。ATR6100運行Android 4.4作業系統，帶WIFI、USB接口，支持雲處理和雲譜圖，同時內置GPS、拍照取證等功能。

　　未來的幾年裡，公司將加大拉曼光譜儀的研發投入，擬引入MEMS分光技術、石墨烯導熱技術，進一步致力於拉曼光譜儀的微型化、低功耗、散熱、低成本等方面。

　　儀器信息網：目前貴公司拉曼光譜儀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?

　　奧普天成：拉曼光譜儀作為物質的指紋譜，具有無損、快速、前處理簡單的檢測特徵，拉曼光譜能夠觀測分子的振動-轉動能級躍遷，可以提供簡單、快速、可重複、且無損傷的定性定量物質分析。通過分析拉曼光譜峰的位置，可以判斷物質的組成;通過分析拉曼光譜峰的信號強度，則可以得到受激發的物質總量。另外，拉曼光譜儀簡單易用，無需特別的樣品準備，可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英和光纖對樣品進行測量分析。

　　拉曼光譜儀目前主要應用在食品安全、環保、毒品、化學品、生物醫學、珠寶鑽石、文物、製藥等方面的應用，由於拉曼光譜儀在定性測量方面的優勢，拉曼光譜在毒品、化學品、珠寶鑽石、製藥方面的應用，有著無可比擬的優勢，另外，食品安全問題是中國人們關注的熱點問題，拉曼光譜在食品安全快檢方面也有一些獨特的優勢。奧譜天成(廈門)科技有限公司，也將在這些領域內持續發力。

　　奧譜天成(廈門)科技有限公司在ATR6100的基礎上，結合公司特有的拉曼譜圖識別處理算法，進行了毒品、化學品、製藥等方面的應用研究。

　　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?

　　奧普天成：目前，拉曼光譜儀推廣的難度，在於成本過高、體積過大，信號弱也是拉曼應用推廣的不利因素，再加上應用方法上還比較少。

　　但是拉曼信號非常微弱，人們發展多種拉曼增強技術，如等離激元拉曼表面增強方法、針尖增強，取得了5-8個數量級的增強。但是，由於其單分子增強作用特性，一般多用於液體、固體樣品的增強。

　　拉曼光譜儀的成本過高，主要在於雷射器、各種濾光片以及核心晶片，基本是來自進口，價格降不下來。國內有些企業，也在嘗試著做，但是性能還不夠穩定，達不到批量化生產的要求。

　　針對拉曼信號較弱的情況，一般採用表面增強SERS技術或光學增強：

　　1)表面增強SERS技術，表面增強納米粒子容易結團，不耐保存，所以比較難以推廣，廈門大學田中群院士項目組研製的SHINERS增強粒子，在納米金顆粒的外圍，包裹著一層均勻的矽層，保護金納米粒子，使得保質期可以達到1年以上。

圖 5 廈門大學田中群院士主持研製的SHINERS拉曼增強粒子

圖 6 廈門大學任斌教授項目組研製的針尖增強技術(TERS)

　　2)光學增強技術

　　光學增強技術，一般採用增大雷射功率、增大數值孔徑等方法，但是這兩種方法，均有一定的局限性，不可能無限制地增大，且增強效果有限。奧譜天成提出的離軸衰蕩積分腔拉曼增強技術，採用離軸衰蕩技術，使激發光在積分腔裡來回反射上千次，從而大大地提高了激發功率，同時採用球形反應腔技術，可以儘可能多地收到拉曼信號。

圖 7奧譜天成正在開發的離軸衰蕩腔增強拉曼光譜儀

　　多個拉曼信號接收探頭，意味著多股拉曼信號光纖，如果普通排列，要麼降低解析度，要麼降低拉曼信號強度。奧譜天成採用採用多股光纖線性排列，通過狹縫，提高拉曼光譜信號的傳輸效率，從而增強信噪比。

　　圖 8拉曼散射光由多模光纖中，經狹縫，進入到光譜儀中。(a) 傳統的200μm光纖透過狹縫的通光(40倍顯微鏡下拍攝);(b) 多股光纖的線陣排列，經過狹縫進入光譜儀，可以有效增加拉曼信號的通過量。

　　針對拉曼光譜儀體積過大的問題，目前主要的解決方案，基本都是用MEMS技術，在保證解析度的同時，降低分光模塊的體積。其中現有比較成熟的技術有：

　　1)基於MEMS技術的光柵與可動F-P腔集成

　　光柵和F-P腔都是常用的分光元件，是被大多數光譜儀成品所採用的成熟方案。本方案擬利用MEMS技術將光柵與可動F-P腔集成，製成新的光調製器進行色散分光，利用它們各自的優勢，在保證大自由光譜範圍的同時，獲得高的光譜解析度。光柵和可動F-P集成的光調製器的光譜分光光路示意圖如下所示。

　　利用光柵和可動F-P腔集成的光調製器，可將兩種色散分光原理在一塊晶片上實現，完成單片集成，可大大提高這二者光路的對準精度，提高加工效率。具體的晶片設計與集成方案如下圖所示。

　　2)基於MEMS技術的傅立葉變換光譜技術

　　常規的傅立葉變換光譜儀體積大、價格昂貴、不便於攜帶，基於MEMS技術的FT光譜儀可解決這樣的問題。FT光譜儀的基本部件就是一個Michelson幹涉儀，其中的一個反射鏡可高精度地線性移動，由此產生的光幹涉信號經過傅立葉變換後即可得到光譜。FT光譜儀微型化的關鍵就在於減小該可動反射鏡及其控制組件的尺寸，MEMS微鏡已被應用到FT光譜儀的微型化，但現有的MEMS微鏡的線性位移在50微米以內，如果想要達到200微米的線性位移，就需要真空封裝和上百伏的驅動電壓，不利於降低加工和使用成本。無錫微奧公司提出了一種新的基於MEMS的FT光譜儀設計，其結構示意圖如下所示，所用MEMS微鏡採用電熱式雙金屬梁驅動，可在小於10伏驅動電壓下，達到超過500微米的線性位移，並且無需真空封裝。

圖 9基於熱驅動光學微鏡的付立葉變換光譜儀

　　3)基於AWG技術的光譜分光技術

　　在波分解復用器技術的發展初期，和光譜儀一樣，有稜鏡型、光柵型、幹涉儀型，濾波器型等類型，但隨著對於性能和成本的要求不斷提高，目前波分解復用器主要採用基於陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating, AWG)的無源晶片，陣列波導光柵的結構如下圖所示，它的工作原理與光柵相同，在兩個平板波導(S1，S2)之間製作波導陣列，陣列中相鄰光波導長度的階梯變化產生了光程差，具有不同光程差的光信號在平板波導S2 中發生衍射，使不同波長的光分開進入N根輸出波導中，實現了分光功能。

圖 10基於陣列波導光柵的MEMS色散模塊

　　在微型MEMS拉曼光譜儀領域，國內外起步時間接近，儀器設計理念與大型儀器設備不同，微型化拉曼光譜儀由於體積小帶來的信號弱的不足，可以通過輔以獨創的高活性的SHINERS基底，使微型拉曼光譜儀達到大型或臺式儀器的靈敏度。國內外這方面的研究較少，有利於搶先佔領技術高地，及時掌握關鍵技術，形成專利等自主智慧財產權形式，提高我國現代科學儀器設備產業的核心競爭力，對國家的科技進步和製造業強國地位的鞏固都具有重要的意義。

　　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)?

　　奧譜天成：經過多年的培育，尤其是廈門大學田中群院士主持的國家重大科學儀器專項項目，對拉曼光譜儀的研製和應用得到了市場和客戶的認可，拉曼光譜儀也從原來進口的大型桌面型企業為主，走向了便攜、手持式等小型拉曼為主。據初步估算，2016年全年，拉曼光譜儀在全國總共銷出了超過3000臺，總銷售額超過60億人民幣。

　　隨著市場對拉曼光譜方法的接受，拉曼光譜儀的各種標準也在加緊制定中，福建省在2016年初發布了福建計量院主持制定的《可攜式拉曼光譜快速檢測儀》(DB35/T 1564-2016)，在國內率先推出了可攜式拉曼光譜儀的地方標準;國家質量監督檢驗檢疫總局在2015年發布的《拉曼光譜儀校準規範》(JJF 1544-2015)，為拉曼光譜儀的校準提供了規範準則。《可攜式拉曼光譜儀》全國標準，也正在緊鑼密鼓地推進中。

　　隨著這些標準、規範的制定和發布，必將進一步地推動拉曼光譜儀的發展和應用。未來的幾年，是拉曼光譜技術發展和應用的騰飛之年，拉曼光譜將以其自身快速無損的獨特優勢，服務於人民生活、安全。

（內容來源：奧譜天成）