纳米拉曼光谱仪创新发展为可穿戴式光谱仪设备开启众多新应用

拉曼光谱仪在小型化方面的创新发展，为便携式、可穿戴式光谱仪设备开启了众多新应用。

光谱仪自1814年被发明以来，一直在光学测量和表征应用中扮演重要角色。现在，光谱仪已经被广泛应用于众多领域，包括食品安全、农业、天体物理学、太空探索、环境监测、临床诊断和药物开发等。

随着多年来的不断发展，光谱仪的设计也得到了极大改进——得益于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的发展，光谱仪已经可以实现令人难以置信的光谱覆盖、光谱分辨率（＜10-4cm-1）和灵敏度，并且可以跟踪超快事件（＞1MHz）。曾经最基本的光谱仪已经逐渐发展成为一种高质量仪器，但其基本结构直到几年前才发生重大变化。

如今，随着先进且极其紧凑的光谱仪的发展，随之也将催生出很多新兴应用。

日益增长的光谱仪市场

在未来10年内，光谱仪关键市场的发展将在很大程度上依赖于制造紧凑型高质量光谱仪的能力（见图1）。这些市场的需求是传统光谱仪无法满足的；相反，它们需要体积极其紧凑的便携式光谱仪。

设计和创新方面的最新进展表明：克服以前的尺寸和便携性限制、制造微米级光谱器件是可行的。这些紧凑型器件与最新的电子器件和探测器相结合，有望在不久的将来以经过验证且具有成本效益的方式实现。集成的光谱器件将进一步拓展我们对事件和过程的了解，并且这些光谱器件能以极低的成本提供给每个人，这将为许多新的令人兴奋的光谱仪应用打开大门。

2021年的一份市场分析报告就曾指出：“开发紧凑型光谱仪的第一个目标是，将实验室测量转移到应用现场或生产线中。”[1]

这一目标不仅增加了光谱仪在光学表征、制药和生物技术中的使用，还将光谱仪引入了精准农业、回收和过程控制等众多新的应用领域。

2021年，光谱仪市场总规模约为110.4亿美元，预计到2030年，在此期间该市场将以5.9%的复合年均增长率增长。[2]

值得注意的是，预计到2024年，特定紧凑型光谱仪市场（迷你型、微型和芯片级光谱仪）的复合年均增长率将高达111%！预计大部分增长驱动力，将来自从目前主要的研究应用市场，扩展到消费品和生物医学产品市场的广泛应用，以及化学、制药、化学品检测和食品饮料质量控制中的光学表征应用。可穿戴设备、健康监测和可植入物市场，也将是紧凑型光谱仪的重要潜在市场，因为紧凑的体积和轻便的质量，对于在这些领域创造新的应用机会至关重要。

传统标准光谱仪的限制

虽然标准光谱仪在实验室和研究设施中被广泛可用，在这类应用环境中，它们可以实现非常高的测量精度和灵敏度；但是，这些光谱仪在实际工作现场的使用仍然面临挑战——获得足够的分辨率需要空间来分散光线，这将导致光学组件更大、重量更重、体积过于庞大而不适合现场应用。

许多此类光谱仪通常作为长期固定不动的仪器，用于研究领域和大型设施中，但很显然它们无法满足快速增长的可穿戴和便携设备市场的要求。再加上对激光器、电子器件和特定光谱测量接口的需求，它们的尺寸和重量很快就会变得过大。

真正的便携式光谱仪

制造用于可穿戴应用的紧凑型光谱仪需要进行重大创新，才能从标准的外观约20英寸光谱仪盒，转变到可以放入口袋、甚至是集成到智能手表或智能手机中的光谱仪器件。虽然各个实验室都在试图通过使用类似单像素光谱仪的设计，结合机器学习/重建算法来解决这一问题，但这项技术往往需要独特的材料、带宽窄、可用波长有限，这使得它距离实现能落地使用的光谱仪产品，还存在一定距离。

在过去的20年中，光谱仪不断向着小型化发展，从电信频谱分析设备发展到越来越紧凑的便携式设备。

纳米拉曼可穿戴设备

虽然新开发的光谱仪轻便紧凑，但是应用的需要更多。拉曼光谱仪是一种非常有用和通用的现场仪器，它能够在任何光照条件下实时分析多种生物化学物质。在实际应用中，光谱仪必须与一套完整的拉曼测量设备所需要的激光器、探测器、电子器件、处理功率和接口相结合，一起工作。

为了实现紧凑的仪器，不仅要重视光学器件的小型化，而且需要非常重视整个系统的优化和集成。

新兴应用

便携式拉曼光谱仪的应用多种多样，从化学检测、非法药物检测、食品和药品质量控制，到个人健康监测、农药检测、尿液测量，以及许多生物医学应用。

为了最好地覆盖所有这些应用，便携式拉曼光谱仪通常会根据客户的需求进行重新封装和定制，这将带来一些令人惊讶和意外的新应用。

其中一项应用让人想起了詹姆斯·邦德的电影。客户要求制作一个形状和大小都与汽车遥控钥匙相同的光谱仪，以便执法人员可以使用它来确定物品表面或特定区域是否被危险化学品污染，以及是否存在非法药物的痕迹。

便携式拉曼光谱仪的另一个重要市场是有机水果转售市场，在转售中，检查最终产品中是否存在农药。小型便携式设备必不可少，尤其是对于那些买不起或找不到空间放置大型仪器的小型商店和转售场所。而且，一些大型商店也发现，小型光谱仪的精度与大型桌面设备相当，并且可以显著简化其质量控制流程。

便携式拉曼光谱仪最常见的用途是：危险化学品检测（执法）、药品以及食品和农产品的质量控制。

表面增强拉曼光谱（SERS）传感器

最近，人们对环境中的传染病毒、细菌和气溶胶的持续监测非常重视；但在它们变得危险之前，仍然很难检测到它们的微量存在。

为了克服这一点，表面增强拉曼光谱（SERS）传感器将纳米拉曼光谱仪与厚度为2~10µm的粘合剂衬底耦合，该衬底可以放置在任何表面上（见图3）。该薄膜型衬底是一种特殊沉积的金纳米网结构，经过精心布置，可以通过共振增强拉曼信号，从而大大提高对难以检测到的、某种微量化学物质和生物标志物的灵敏度。[3]

一个典型案例是对非法药物“依替唑仑Etizolam”的微量检测，检测灵敏度可低至0.01mM（毫摩尔每升）（见图3）。便携式SERS设备可以放置在门把手等经常接触的表面上，以便在建筑物内监测传染病、药物或生化物质的存在。

与标准SERS相比，新SERS方法能够使用持久耐用、易于应用的纳米网进行原位测量；而在标准SERS中，化学物质必须小心地沉积在实验室的表面上。这种SERS纳米网还可以随着时间的推移吸收和浓缩被测分子，并提供长期监测。

拉曼光谱系统在便携式/可穿戴设备和智能手机中的大规模集成仍然面临挑战，但市场表明，人们已经做好了准备，并对实现各种生物化学物质的实时、高灵敏度测量非常感兴趣。不断发展的紧凑型光谱仪技术及其不断增长的应用市场，将有望对改善人们的生活产生真正的积极影响。

审核编辑：刘清