納米拉曼光譜儀創(chuàng)新發(fā)展為可穿戴式光譜儀設備開啟眾多新應用

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

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

隨著多年來的不斷發(fā)展，光譜儀的設計也得到了極大改進——得益于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發(fā)展，光譜儀已經(jīng)可以實現(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)量儀器，但其基本結(jié)構直到幾年前才發(fā)生重大變化。

如今，隨著先進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用。

日益增長的光譜儀市場

在未來10年內(nèi)，光譜儀關鍵市場的發(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。

設計和創(chuàng)新方面的最新進展表明：克服以前的尺寸和便攜性限制、制造微米級光譜器件是可行的。這些緊湊型器件與最新的電子器件和探測器相結(jié)合，有望在不久的將來以經(jīng)過驗證且具有成本效益的方式實現(xiàn)。集成的光譜器件將進一步拓展我們對事件和過程的了解，并且這些光譜器件能以極低的成本提供給每個人，這將為許多新的令人興奮的光譜儀應用打開大門。

2021年的一份市場分析報告就曾指出：“開發(fā)緊湊型光譜儀的第一個目標是，將實驗室測量轉(zhuǎn)移到應用現(xiàn)場或生產(chǎn)線中。”[1]

這一目標不僅增加了光譜儀在光學表征、制藥和生物技術中的使用，還將光譜儀引入了精準農(nóng)業(yè)、回收和過程控制等眾多新的應用領域。

2021年，光譜儀市場總規(guī)模約為110.4億美元，預計到2030年，在此期間該市場將以5.9%的復合年均增長率增長。[2]

值得注意的是，預計到2024年，特定緊湊型光譜儀市場（迷你型、微型和芯片級光譜儀）的復合年均增長率將高達111%！預計大部分增長驅(qū)動力，將來自從目前主要的研究應用市場，擴展到消費品和生物醫(yī)學產(chǎn)品市場的廣泛應用，以及化學、制藥、化學品檢測和食品飲料質(zhì)量控制中的光學表征應用?？纱┐髟O備、健康監(jiān)測和可植入物市場，也將是緊湊型光譜儀的重要潛在市場，因為緊湊的體積和輕便的質(zhì)量，對于在這些領域創(chuàng)造新的應用機會至關重要。

傳統(tǒng)標準光譜儀的限制

雖然標準光譜儀在實驗室和研究設施中被廣泛可用，在這類應用環(huán)境中，它們可以實現(xiàn)非常高的測量精度和靈敏度；但是，這些光譜儀在實際工作現(xiàn)場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，這將導致光學組件更大、重量更重、體積過于龐大而不適合現(xiàn)場應用。

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

真正的便攜式光譜儀

制造用于可穿戴應用的緊湊型光譜儀需要進行重大創(chuàng)新，才能從標準的外觀約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中的光譜儀器件。雖然各個實驗室都在試圖通過使用類似單像素光譜儀的設計，結(jié)合機器學習/重建算法來解決這一問題，但這項技術往往需要獨特的材料、帶寬窄、可用波長有限，這使得它距離實現(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，從電信頻譜分析設備發(fā)展到越來越緊湊的便攜式設備。

納米拉曼可穿戴設備

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

為了實現(xiàn)緊湊的儀器，不僅要重視光學器件的小型化，而且需要非常重視整個系統(tǒng)的優(yōu)化和集成。

新興應用

便攜式拉曼光譜儀的應用多種多樣，從化學檢測、非法藥物檢測、食品和藥品質(zhì)量控制，到個人健康監(jiān)測、農(nóng)藥檢測、尿液測量，以及許多生物醫(yī)學應用。

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

其中一項應用讓人想起了詹姆斯·邦德的電影?？蛻粢笾谱饕粋€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)域是否被危險化學品污染，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重要市場是有機水果轉(zhuǎn)售市場，在轉(zhuǎn)售中，檢查最終產(chǎn)品中是否存在農(nóng)藥。小型便攜式設備必不可少，尤其是對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備相當，并且可以顯著簡化其質(zhì)量控制流程。

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

表面增強拉曼光譜（SERS）傳感器

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

為了克服這一點，表面增強拉曼光譜（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，經(jīng)過精心布置，可以通過共振增強拉曼信號，從而大大提高對難以檢測到的、某種微量化學物質(zhì)和生物標志物的靈敏度。[3]

一個典型案例是對非法藥物“依替唑侖Etizolam”的微量檢測，檢測靈敏度可低至0.01mM（毫摩爾每升）（見圖3）。便攜式SERS設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)測傳染病、藥物或生化物質(zhì)的存在。

與標準SERS相比，新SERS方法能夠使用持久耐用、易于應用的納米網(wǎng)進行原位測量；而在標準SERS中，化學物質(zhì)必須小心地沉積在實驗室的表面上。這種SERS納米網(wǎng)還可以隨著時間的推移吸收和濃縮被測分子，并提供長期監(jiān)測。

拉曼光譜系統(tǒng)在便攜式/可穿戴設備和智能手機中的大規(guī)模集成仍然面臨挑戰(zhàn)，但市場表明，人們已經(jīng)做好了準備，并對實現(xiàn)各種生物化學物質(zhì)的實時、高靈敏度測量非常感興趣。不斷發(fā)展的緊湊型光譜儀技術及其不斷增長的應用市場，將有望對改善人們的生活產(chǎn)生真正的積極影響。

審核編輯：劉清