拉曼光譜儀在小型化方面的創(chuàng)新發(fā)展，為便攜式、可穿戴式光譜儀設(shè)備開啟了眾多新應(yīng)用。

光譜儀自1814年被發(fā)明以來，一直在光學(xué)測(cè)量和表征應(yīng)用中扮演重要角色�，F(xiàn)在，光譜儀已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括食品安全、農(nóng)業(yè)、天體物理學(xué)、太空探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床診斷和藥物開發(fā)等。

隨著多年來的不斷發(fā)展，光譜儀的設(shè)計(jì)也得到了極大改進(jìn)——得益于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的發(fā)展，光譜儀已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)令人難以置信的光譜覆蓋、光譜分辨率（＜10-4cm-1）和靈敏度，并且可以跟蹤超快事件（＞1MHz）。曾經(jīng)最基本的光譜儀已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種高質(zhì)量?jī)x器，但其基本結(jié)構(gòu)直到幾年前才發(fā)生重大變化。

如今，隨著先進(jìn)且極其緊湊的光譜儀的發(fā)展，隨之也將催生出很多新興應(yīng)用。

日益增長(zhǎng)的光譜儀市場(chǎng)

在未來10年內(nèi)，光譜儀關(guān)鍵市場(chǎng)的發(fā)展將在很大程度上依賴于制造緊湊型高質(zhì)量光譜儀的能力（見圖1）。這些市場(chǎng)的需求是傳統(tǒng)光譜儀無法滿足的；相反，它們需要體積極其緊湊的便攜式光譜儀。

設(shè)計(jì)和創(chuàng)新方面的最新進(jìn)展表明：克服以前的尺寸和便攜性限制、制造微米級(jí)光譜器件是可行的。這些緊湊型器件與最新的電子器件和探測(cè)器相結(jié)合，有望在不久的將來以經(jīng)過驗(yàn)證且具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)。集成的光譜器件將進(jìn)一步拓展我們對(duì)事件和過程的了解，并且這些光譜器件能以極低的成本提供給每個(gè)人，這將為許多新的令人興奮的光譜儀應(yīng)用打開大門。

市場(chǎng)咨詢公司Temtys在2021年的一份市場(chǎng)分析報(bào)告中就曾指出：“開發(fā)緊湊型光譜儀的第一個(gè)目標(biāo)是，將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量轉(zhuǎn)移到應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)或生產(chǎn)線中。”[1]

這一目標(biāo)不僅增加了光譜儀在光學(xué)表征、制藥和生物技術(shù)中的使用，還將光譜儀引入了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、回收和過程控制等眾多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

2021年，光譜儀市場(chǎng)總規(guī)模約為110.4億美元，預(yù)計(jì)到2030年，在此期間該市場(chǎng)將以5.9%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。[2]

值得注意的是，Temtys預(yù)計(jì)到2024年，特定緊湊型光譜儀市場(chǎng)（迷你型、微型和芯片級(jí)光譜儀）的復(fù)合年均增長(zhǎng)率將高達(dá)111%！預(yù)計(jì)大部分增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力，將來自從目前主要的研究應(yīng)用市場(chǎng)，擴(kuò)展到消費(fèi)品和生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，以及化學(xué)、制藥、化學(xué)品檢測(cè)和食品飲料質(zhì)量控制中的光學(xué)表征應(yīng)用�？纱┐髟O(shè)備、健康監(jiān)測(cè)和可植入物市場(chǎng)，也將是緊湊型光譜儀的重要潛在市場(chǎng)，因?yàn)榫o湊的體積和輕便的質(zhì)量，對(duì)于在這些領(lǐng)域創(chuàng)造新的應(yīng)用機(jī)會(huì)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)光譜儀的限制

雖然標(biāo)準(zhǔn)光譜儀在實(shí)驗(yàn)室和研究設(shè)施中被廣泛可用，在這類應(yīng)用環(huán)境中，它們可以實(shí)現(xiàn)非常高的測(cè)量精度和靈敏度；但是，這些光譜儀在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的使用仍然面臨挑戰(zhàn)——獲得足夠的分辨率需要空間來分散光線，這將導(dǎo)致光學(xué)組件更大、重量更重、體積過于龐大而不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

許多此類光譜儀通常作為長(zhǎng)期固定不動(dòng)的儀器，用于研究領(lǐng)域和大型設(shè)施中，但很顯然它們無法滿足快速增長(zhǎng)的可穿戴和便攜設(shè)備市場(chǎng)的要求。再加上對(duì)激光器、電子器件和特定光譜測(cè)量接口的需求，它們的尺寸和重量很快就會(huì)變得過大。

真正的便攜式光譜儀

BaySpec公司利用其在電信和桌面光譜儀方面的廣泛專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)了一種新的光譜儀來滿足新興應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)超緊湊性的關(guān)鍵需求。

制造用于可穿戴應(yīng)用的緊湊型光譜儀需要進(jìn)行重大創(chuàng)新，才能從標(biāo)準(zhǔn)的外觀約20英寸光譜儀盒，轉(zhuǎn)變到可以放入口袋、甚至是集成到智能手表或智能手機(jī)中的光譜儀器件。雖然各個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在試圖通過使用類似單像素光譜儀的設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)/重建算法來解決這一問題，但這項(xiàng)技術(shù)往往需要獨(dú)特的材料、帶寬窄、可用波長(zhǎng)有限，這使得它距離實(shí)現(xiàn)能落地使用的光譜儀產(chǎn)品，還存在一定距離。

在過去的20年中，光譜儀不斷向著小型化發(fā)展，從電信頻譜分析設(shè)備發(fā)展到越來越緊湊的便攜式設(shè)備�，F(xiàn)在，BaySpec已經(jīng)能夠生產(chǎn)外觀尺寸約15mm×20mm、重量約15g的輕便緊湊型光譜儀。

納米拉曼可穿戴設(shè)備

雖然新開發(fā)的光譜儀輕便緊湊，但是應(yīng)用的需要更多。拉曼光譜儀是一種非常有用和通用的現(xiàn)場(chǎng)儀器，它能夠在任何光照條件下實(shí)時(shí)分析多種生物化學(xué)物質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，光譜儀必須與一套完整的拉曼測(cè)量設(shè)備所需要的激光器、探測(cè)器、電子器件、處理功率和接口相結(jié)合，一起工作。

為了實(shí)現(xiàn)緊湊的儀器，BaySpec從多個(gè)方面努力，其不僅重視光學(xué)器件的小型化，而且非常重視整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化和集成。正如BaySpec首席執(zhí)行官William Yang所指出的，“電子團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)一款功耗非常低的緊湊型設(shè)備方面，發(fā)揮著極為重要的作用。”每個(gè)緊湊型光譜儀產(chǎn)品中都集成了藍(lán)牙連接功能，這使得在移動(dòng)設(shè)備上傳輸數(shù)據(jù)和頻譜更加容易。

基于上述諸多方面的努力，BaySpec生產(chǎn)出了一款重量?jī)H59g的拉曼光譜儀，其大小與汽車鑰匙扣相當(dāng)，能夠檢測(cè)450~2300cm-1光譜區(qū)域內(nèi)的任何分子。它堪稱是目前市場(chǎng)上最小、最輕的拉曼光譜儀。

如圖2所示，該拉曼光譜儀非常緊湊，可以根據(jù)應(yīng)用使用不同的激發(fā)波長(zhǎng)。它每秒進(jìn)行一次測(cè)量，可以選用不同的封裝方案。一般來說，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光選項(xiàng)適用生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，而較短波長(zhǎng)的激光適合檢測(cè)危險(xiǎn)性化學(xué)和生物敏感物。

新興應(yīng)用

便攜式拉曼光譜儀的應(yīng)用多種多樣，從化學(xué)檢測(cè)、非法藥物檢測(cè)、食品和藥品質(zhì)量控制，到個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、農(nóng)藥檢測(cè)、尿液測(cè)量，以及許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

為了最好地覆蓋所有這些應(yīng)用，便攜式拉曼光譜儀通常會(huì)根據(jù)客戶的需求進(jìn)行重新封裝和定制，這將帶來一些令人驚訝和意外的新應(yīng)用。

其中一項(xiàng)應(yīng)用讓人想起了詹姆斯·邦德的電影�？蛻粢�求BaySpec制作一個(gè)形狀和大小都與汽車遙控鑰匙相同的光譜儀，以便執(zhí)法人員可以使用它來確定物品表面或特定區(qū)域是否被危險(xiǎn)化學(xué)品污染，以及是否存在非法藥物的痕跡。

便攜式拉曼光譜儀的另一個(gè)重要市場(chǎng)是有機(jī)水果轉(zhuǎn)售市場(chǎng)，在轉(zhuǎn)售中，檢查最終產(chǎn)品中是否存在農(nóng)藥。小型便攜式設(shè)備必不可少，尤其是對(duì)于那些買不起或找不到空間放置大型儀器的小型商店和轉(zhuǎn)售場(chǎng)所。而且，一些大型商店也發(fā)現(xiàn)，小型光譜儀的精度與大型桌面設(shè)備相當(dāng)，并且可以顯著簡(jiǎn)化其質(zhì)量控制流程。

便攜式拉曼光譜儀最常見的用途是：危險(xiǎn)化學(xué)品檢測(cè)（執(zhí)法）、藥品以及食品和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）傳感器

最近，人們對(duì)環(huán)境中的傳染病毒、細(xì)菌和氣溶膠的持續(xù)監(jiān)測(cè)非常重視；但在它們變得危險(xiǎn)之前，仍然很難檢測(cè)到它們的微量存在。

為了克服這一點(diǎn)，表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）傳感器將納米拉曼光譜儀與厚度為2~10µm的粘合劑襯底耦合，該襯底可以放置在任何表面上（見圖3）。該薄膜型襯底是一種特殊沉積的金納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過精心布置，可以通過共振增強(qiáng)拉曼信號(hào)，從而大大提高對(duì)難以檢測(cè)到的、某種微量化學(xué)物質(zhì)和生物標(biāo)志物的靈敏度。[3]

一個(gè)典型案例是對(duì)非法藥物“依替唑侖Etizolam”的微量檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度可低至0.01mM（毫摩爾每升）（見圖3）。便攜式SERS設(shè)備可以放置在門把手等經(jīng)常接觸的表面上，以便在建筑物內(nèi)監(jiān)測(cè)傳染病、藥物或生化物質(zhì)的存在。

與標(biāo)準(zhǔn)SERS相比，BaySpec的SERS方法能夠使用持久耐用、易于應(yīng)用的納米網(wǎng)進(jìn)行原位測(cè)量；而在標(biāo)準(zhǔn)SERS中，化學(xué)物質(zhì)必須小心地沉積在實(shí)驗(yàn)室的表面上。這種SERS納米網(wǎng)還可以隨著時(shí)間的推移吸收和濃縮被測(cè)分子，并提供長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

拉曼光譜系統(tǒng)在便攜式/可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)中的大規(guī)模集成仍然面臨挑戰(zhàn)，但市場(chǎng)表明，人們已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，并對(duì)實(shí)現(xiàn)各種生物化學(xué)物質(zhì)的實(shí)時(shí)、高靈敏度測(cè)量非常感興趣。不斷發(fā)展的緊湊型光譜儀技術(shù)及其不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用市場(chǎng)，將有望對(duì)改善人們的生活產(chǎn)生真正的積極影響。

參考文獻(xiàn)

1. J. Kulakowski and B. d’Humières, “Compact Spectrometers: Technologies, Market Trends and Needs,” Photonics Views, 1 (2021).

2. See www.emergenresearch.com/industry-report/spectrometry-market.

3. Y. Kitahama et al., Anal. Methods, 15,1028–1036 (2023).

文/Daniel Lauriola