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坚持初心 持续创新——国产拉曼之成长路

仪器信息网 2017/11/10 10:41:37 点击 1253 次
默克
[导读] 相对分光光度计、原子荧光、红外光谱等光谱技术的成功来说,拉曼光谱刚刚脱离嗷嗷待哺的阶段,还只是个“宝宝”,远未成熟,这个阶段更加需要拉曼人不忘初心、方得始终,一起维护好、培育好这个产业技术。

  拉曼光谱作为物质的“指纹谱”,在物质定性分析应用方面,有着其独特的魅力:准确、快速、无损、非接触。在公共安全、食品安全等领域成功应用的引领下,拉曼光谱产业在近年来持续爆发,拉曼光谱已经成为分子光谱中发展最快的仪器类别了。从体积来说,拉曼光谱分为台式、便携式、微型(手持式):

  台式激光共聚焦拉曼光谱仪:具有非常优越的仪器性能,主要用于科研领域,目前主要由renishaw、Horiba、Thermo Fisher等国外公司提供。国内企业方面,卓立汉光利用自己在光谱分析仪的优势,开发的共聚焦拉曼光谱仪,在高校受到好评;天津港东在中国科学院物理研究所刘玉龙教授的帮助下,也推出了自己的激光共聚焦拉曼光谱仪。

  便携式拉曼光谱仪:主要表现为其较强的性能和优秀的移动性,主要用于公共安全、食品安全、制药、珠宝鉴定等领域,其重量通常小于10公斤。虽然进口便携式拉曼也占有一席之地,但是存在价格高、售后服务慢等问题。目前,便携式拉曼光谱仪,主要还是国内企业占主流,例如食品安全行业的欧谱图斯,公共安全行业的同方威视等等,多年持续在各自的应用领域中深耕,在产品性能、质量方面,都具有行业领先的优势。

  手持式拉曼光谱仪:由于其较小的体积,在分辨率方面,会有所限制,但是实际上,在拉曼光谱物质识别方面,分辨率往往并不是决定因素。而手持式拉曼光谱仪的灵敏度,则不受体积影响,可以达到便携式拉曼光谱仪的水准,例如,奥谱天成公司生产的ATR6200型超薄型手持式拉曼光谱仪,在测量Si时,可以达到35counts/mW·s的灵敏度水平,结合SERS纳米粒子增强技术,可以检测出10 ppb的孔雀石绿,其灵敏度可以媲美大部分便携式拉曼光谱仪。

  1. 国产拉曼光谱仪发展现状

  拉曼光谱仪,看起来很小、很简单,却是一个比较复杂的应用系统,从其应用流程来说,分为仪器硬件、软件与谱图识别算法、SERS纳米增强粒子、谱图库(含SERS谱图库),目前,各部分都有非常专业的公司,在兢兢业业地从事相关的工作。

  (1) 仪器硬件方面,仪器硬件是拉曼光谱仪的最基础平台,主要由光学、机械、电子、嵌入式软件等方面组成,主要性能体现为灵敏度、信噪比、波数范围、分辨率、重复性、稳定性等指标。坚持在拉曼光谱硬件研发创新的公司主要有奥谱天成、同方威视、华泰诺安、上海屹谱等,其中奥谱天成在低噪声CCD信号处理电路、高可靠性光路、光谱制冷技术等都有着独特的研究,奥谱天成的高灵敏度拉曼光谱平台:ATR3010、ATR3100、ATR8100、ATR8200、ATR8300等,其内部采用具有独立知识产品的超低噪声相关双采样技术,并采用高速18bit模数转换器件,采样噪声达到3counts,达到世界一流水平。奥谱天成还推出了超薄型高性能手持式拉曼仪ATR6200,在极其狭小的空间里,实现了对CCD的低温制冷,经军事医学科学院、中科院、厦门大学等多个单位测试,在信号灵敏度、噪声控制方面,达到国际领先水平,仪器尺寸仅仅16X10X4.3 cm。

  (2)纳米增强粒子方面,从事纳米增强粒子研制的,有多个高校的研究团队,例如厦门大学田中群院士团队、中国科学院、华中科技大学朱丽华教授团队、吉林大学、北京大学、中国质检院等20多家高校、研究所团队,都取得了非常明显的效果。厦门大学田中群院士团队在2009年发明的SHINERS粒子,创造性地在金、银纳米粒子外围包括了一层高稳定性的SiO2薄层,从而解决了纳米增强粒子容易结团、氧化等问题,使纳米增强试剂的保质期可以达到6个月以上。公司有厦门普识纳米、苏州欧普图斯等公司,在纳米增强粒子的开发与应用方面,都有着长期的耕耘和实践;

  (3) 软件与谱图识别算法,每个拉曼应用公司,基本上都有自己的软件与谱图识别算法,具体识别与比对算法的准确度,则各不相同。相对来说,Thermo Fisher的谱图识别算法,应该是目前最好的。

  (4)拉曼谱图库,国际有多家公司出售谱图库,但是国内似乎还没有谱图库的出售,基本上都是拉曼应用公司自建谱图库,例如同方威视、华泰诺安等在毒品、爆炸物的谱图库建设,欧普图斯、普识纳米、厦门藤蔓生物等,在农药残留的SERS谱图库,都比较全面。

  2. 国内拉曼产业发展

  拉曼技术已经得到大量的应用,在公安、海关、出入境、食品药品等领域,得到了相关部门的普遍认可。近5年来,尤其如此,从每年的不到千台,到现在的每年上万台的量,尤其是海关2016年300台、2017年425台的集中采购,更是极大地催熟了拉曼技术快速走向普及。由于台式拉曼,主要应用于科研市场,主要被进口产品占领,单价非常高,总体台数不算太多,每年300-500台的量,但是耗费的采购金额非常巨大。数量上,便携式拉曼、手持式拉曼,有一批国产仪器厂商聚焦于拉曼技术的开发,使得国内外能够同步发展,国产仪器今年来,产品性能、质量、外观等方面,均得到了全面提升,比进口产品差距不大,性价比很高,目前市场采购主流,也都偏向于采购国产仪器。

  相对分光光度计、原子荧光、红外光谱等光谱技术的成功来说,拉曼光谱刚刚脱离嗷嗷待哺的阶段,还只是个“宝宝”,远未成熟,这个阶段更加需要拉曼人不忘初心、方得始终,一起维护好、培育好这个产业技术。

  国产拉曼光谱仪器,目前最主要的问题,还是共同培育好拉曼市场,坚决抵制一些损害行业的行为,国内有些企业,通过价格战、扣黑帽、诋毁同行、虚假广告、把不成熟的产品推向市场等不良行为,造成了检测不准确、不稳定、难用的现象,让社会对拉曼技术不放心、有心理阴影,对拉曼市场造成的伤害不可估量。拉曼光谱行业的健康发展,需要全行业从事人员,共同努力、坚持初心、维持创新、方得始终。

  为了维护好拉曼光谱技术的健康发展,在行业专家的大力推动下,拉曼光谱仪的相关标准正在快速推动中,《拉曼光谱仪国家标准》经过了4轮的审定会议后,终审会议在2017年10月在西安召开,意味着拉曼光谱仪的国家标准将进入最后冲刺阶段,我们国家很快将有自己的拉曼光谱仪标准;福建省《便携式拉曼光谱仪》标准在福建计量院、厦门大学、厦门市普识纳米为起草单位、奥谱天成等单位为专家评审单位,已于2016年3月份正式发布。这些标准的逐步实施,非常有利于维护好拉曼光谱仪技术的健康发展。奥谱天成有幸受邀参与《拉曼光谱仪国家标准》、《福建省便携式拉曼光谱仪》的起草和审定工作,为拉曼光谱技术的推广贡献一臂之力。

  3. 奥谱天成拉曼产品及技术

  奥谱天成公司的创始人刘鸿飞博士,在国内较早地开展小型拉曼光谱仪的研制,且长期聚焦于拉曼仪器技术的开发,至今已有10余年,在光学、CCD信号处理、算法等方面,有着较深的理解,拥有发明专利10余项。奥谱天成,投入巨大的人力物力,专注于拉曼光谱仪的研发和生产,从最底层的光学元器件,到中层的光路、电路设计、到软件编写、系统集成、应用开发,都是自主开发,具有独立知识产权,实现了真正意义上的垂直整合,具有最大的持续性、灵活性和可定制性。

  在多年的持续研发沉淀下,奥谱天成取得了比较多的特有技术:

  (1)无漂移的拉曼光谱:拉曼光谱仪的激光器、分光光谱仪等光学部件及平台,随着环境温度的变化,会发生热胀冷缩而导致变形,继而引起拉曼光谱的漂移,非常不利于拉曼谱图的识别。奥谱天成在热稳定性持续努力,对每个零部件进行有限元分析,不放过一颗螺丝钉,找出了各个热稳定性的“元凶”,通过光学材料、机械材料、生产工艺等的一系列改进,逐一解决各个热稳定性的隐患,从而获得超高稳定性的拉曼光谱,在0-40℃的环境温度下,拉曼波数的漂移不超过1 cm-1,这一性能达到了国际一流水平。

 

  图 1 5-40℃环境温度下,ATR3100获得的高热稳定性谱图,左图为5-40℃温度情况下的乙腈拉曼谱图,右图中为乙腈的918cm-1拉曼峰,不同颜色的线分别代表环境温度为5,10,15,20,25,30,35,40℃下测得的拉曼信号,从图中可以看出,拉曼漂移小于1cm-1。测量条件:激光功率为200mW,积分时间2.5s,每个温度梯度均放置1小时后进行测量。

  (2)高稳定性的拉曼光谱:奥谱天成独特的传感器低温制冷技术,在不同实验室气温下,传感器均能维持在-10℃的低温工作状态,结合专利的高稳定激光功率输出技术,获得非常稳定的拉曼信号(不确定度<2%),很适合拉曼的定量研究。

  (3)瑞利散射消除技术:瑞利散射消除光学鼠笼,结合OD>8的拉曼光学处理探头,获得了低达150cm-1的拉曼光谱信号,有利于一些低波数材料的研究。

  (4)拉曼信号增强技术:虽然SERS技术发展迅猛,日益成熟,增强效果好(达到百万倍以后),但是也存在重复性、质保期等因素。奥谱天成另辟蹊径,采用物理、光学等手段,进行拉曼信号增强,采用离轴衰荡技术(专利技术)、中空光纤,获得了上百倍的增强效果。物理、光学的增强技术,具有重复性好、无保质期等优势,如果结合SERS增强技术,能进一步提升仪器的检测限等性能。

  奥谱天成将上述特有技术,应用在各行业中,针对科研领域,奥谱天成推出ATR3100、ATR8100、ATR8200、ATR8300型(显微)拉曼光谱仪,其中ATR3100具有操作简便、灵敏度高、成本低等优势;ATR8200具有自动聚集功能,可以较少对实验员的依赖,提高实验结果的一致性;ATR8300具有Mapping功能,可以编程实现大面积、多样品的全自动扫描拉曼成像;针对不同样品需要不同的激发波长,特别在一些生物、制药等领域,既需要532/785nm的快速,又需要1064nm激发波长的消荧光功能,奥谱天成推出了ATR3200(532nm+1064nm)、ATR3300(785nm+1064nm)。奥谱天成针对食药品、公共安全、工业检测、生物医疗等领域的便携式拉曼光谱仪(ATR2000、ATR3010)和手持式拉曼光谱仪(ATR6100和ATR6200),具有轻巧、高稳定、识别率高等优势。奥谱天成在拉曼光谱教学上的应用,推出了入门级的ATR1200型教学用拉曼,并设计一系列拉曼实验讲义,适合本科、研究生的拉曼教学应用。

(供稿:奥普天成)

[来源:仪器信息网]
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