5分钟了解全貌：拉曼光谱缘何成为仪器界宠儿?
现在，大家乘坐地铁一定有这样的体验，安检员直接把我们带的水瓶放在一台仪器上检测，而不再像过去要求“喝一口”来“验明正身”，该仪器就是可以透过包装检测的拉曼光谱。三星和苹果的PR们今年都不断放出消息刺激市场，要出一种无创检测血糖的智能手表，采用的也是拉曼技术，只是迟迟未见真颜看来还颇有点儿难度。各大公司都不断收购拉曼技术，中国的拉曼企业也蓬勃增长到30余家，研究级拉曼和便携式拉曼应如何区分？拉曼诞生于很弱的散射信号，为何现在又昂首进军到单细胞检测的前沿领域？看完本文，希望对大家有所帮助。此外，还可品鉴一下各家公司的新款产品，为下次入囊做点准备。
拉曼缘起
1928年，印度科学家C.V. Raman观察到一个现象：当光穿过透明介质，部分被散射的光发生频率改变，这一现象被称之为拉曼散射。C.V. Raman也因为这一发现获得了1930年诺贝尔物理学奖。
图1 拉曼光谱的发现者：印度科学家C.V. Raman及其发现的拉曼散射
我们可以做一个更详细的解释，当来自光源的高强度入射光被试样分子散射后，大多数散射光与入射激光具有相同的波长(或颜色)，这种散射称为瑞利散射。然而，还有极小一部分(大约占1/107散射光的波长(或颜色)发生了改变，其波长的变化由试样分子的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。
图2 拉曼散射（右下，红色）和瑞利散射（右上，绿色）
拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C, C=C, N-O, C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动，多聚物长链的振动以及晶格振动等。换句话说，拉曼光谱对于分子键合以及样品分子的结构非常敏感，每种分子或样品都有其特定的拉曼光谱“指纹”。这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成分方面的研究。
从弱到强逆袭的拉曼
激光光源：拉曼的发现虽然获得Nobel奖，但当时信号太弱无法应用，直到上世纪60年代激光光源发展起来。现代的拉曼均采用激光光源，许多情况下可以满足测试需求。
增强技术：随后就是大名鼎鼎的表面增强拉曼散射（SERS）技术，这让拉曼逆袭成为高灵敏度仪器。1974年，英国皇家学会院士M. Fleischmann团队研究发现了吡啶吸附的粗糙银电极的表面增强拉曼光谱（SERS）信号。表面增强拉曼散射( SERS) 效应是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，在激发区域内，由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射(NRS) 信号大大增强的现象。表面增强拉曼散射（SERS）技术克服了传统拉曼光谱与生俱来的信号微弱的缺点，可以使得拉曼强度增大几个数量级，其增强因子可以高达1014－1015倍，足以探测到单个分子的拉曼信号。但金、银贵金属限制了其的广泛应用。作为SERS创始人M. Fleischmann的弟子和继承者，厦门大学田中群院士发现VIII B族过渡金属元素具有弱的SERS效应，系统发展了非传统SERS 和电化学拉曼光谱实验和理论方法，显著拓展SERS 方法普适性，推进其应用和产业化。目前，出现SERS现象的金属材料分别是币族金属金，银，铜；碱性金属锂，钠，钾；部分过渡金属铁，钴，镍。
图3 表面增强拉曼散射SERS
发展SERS各种基底材料与SERS机理的研究均在进行，目前认为SERS有电磁场增强，化学相互作用，化学增强等多种机理。SERS目前的难点是：（1）大都采用贵金属，造价高难普及；（2）还不够稳定重现；（3）难以做多目标检测。（4）金、银、铜金属尚需表面粗糙化处理之后才具有高SERS 活性，故表面科学界所常用的平滑单晶表面皆无法用SERS 研究。
针尖增强拉曼散射光谱（TERS）可以解决SERS的应用受到材料，形态和分子通用性的限制。TERS采用尖锐的尖端，由Au或Ag组成或涂有Au或Ag。在一些情况下，Au或Ag纳米颗粒或纳米结构可以附着到AFM或SFM探针，尖端在合适的激发源激发下产生局部增强的电磁场。增强的电磁场可以将吸附的探针分子和表面的拉曼信号增强多达六个数量级。AFM和拉曼的联用，同时也把空间分辨率大幅提高到亚纳米级别。
物美价廉：另一项逆袭的重要原因就是物美价廉的便携/手持拉曼的出现，且听后文分解。
拉曼和红外那点事儿
说到光谱“指纹”，大家一定想到红外光谱，红外和拉曼有啥不同？
首先原理上，红外测定的是分子对入射红外光的吸收，横坐标用波数或波长表示。拉曼测定的是入射光照到样品上样品再散射出来的光和原始入射光的差值（拉曼位移），横坐标是拉曼位移，由于和样品作用后大部分会损失能量，因此其中大部分是Stokes散射（比入射光频率降低），极小部分是反Stokes散射。
图4 光散射的机理
其次在应用上，红外光谱只能用红外光，由于水对红外的吸收太强，所以自古红外“怕水”，因此制样麻烦。拉曼光谱测的是位移，入射光选择范围就宽了，可以很好地避开水的干扰，可见区常选蓝光/红光/绿光，还可选择近红外光（比如呼之欲出的智能手表），甚至紫外光（大连化物所的李灿院士发明的就是紫外拉曼）。拉曼有个缺点，就是易受荧光干扰，做样前可先试试各可见光，如果还不行再试785nm或1064nm的近红外光源，不过从光强度考虑，当然能用可见光更好。
由于透射性好，拉曼可以透过包封，测定任何对激光透明的介质，如玻璃，塑料内，或溶于水的样品。药厂、化工厂用拉曼来做原料或库管样品的检验，那可是便携拉曼的看家本领。这类应用的共性就是检测的成分简单，含量较高，不用HPLC分离，不用制样，透过包装就快速检测。对于特别复杂的成分，还是劝君上色谱；对于特别痕量的成分，研究者在模型体系中探索SERS的可能性，距离实用性的SOP和标准嘛，还需同仁们努力。
从谱图上来看，红外和拉曼反映的都是分子的振动，红外光谱主要反映分子的官能团，而拉曼光谱主要反映分子的骨架，两者在谱图上有互补对应的关系。相较而言，红外区的横坐标是400~4000cm-1；拉曼在3000cm-1以上峰很少，但在400cm-1以下有信号，所以横坐标常为200-2000cm-1或200-3000cm-1（还可以向更低波数扩展）。
“互补“是什么意思呢？极性高的不对称分子，红外谱峰强；极化率高的对称分子，拉曼谱峰强。一般说来，无机化合物的拉曼光谱信息量比红外光谱的大。
拉曼光谱的分类及优缺点小结
拉曼光谱可分为四大类：便携/手持拉曼；傅里叶拉曼；拉曼成像；在线拉曼。其中，傅里叶拉曼虽然分辨率、测定适用性各项性能都挺好，好几家都造出了傅里叶红外拉曼一体机，但无奈其甘于中游，既没有解决便携和便宜的问题，也没有解决最高端前沿的问题，因此市场越来越小。
图5 傅里叶拉曼光路图
便携/手持拉曼是近年来发展最快的拉曼品种。不怕水、透过包装、贴近样品快速测试的特性最早用于制药业。由于结构比较简单，当时美国的企业寻找了中国的OEM/ODM企业，在市场快速增长的同时，中国也逐步掌握了便携拉曼的核心技术。随着价格的下降，国家安全领域大批采购便携拉曼光谱仪，同时中国在SERS技术上的进步，又带动了食品安全领域的广泛采购。由于集成度非常高，很多科研单位的老师可以毫不费力地购买集成模块的微型光谱仪，再买来激光源、拉曼探头、采样支架就可迅速组装出一台拉曼光谱仪，来针对各类样品开发拉曼原位快速测量的应用。
图6 便携拉曼光路图
拉曼成像包括三种，分别是：（1）单点成像的显微微区拉曼；（2）对某区域进行面成像的拉曼；（3）共聚焦拉曼，可在XYZ方向观测不同深度而成像。大多数拉曼成像的商品化仪器都是同光学显微镜联用的，一个样本可得到多种成像谱。
拉曼光谱的优点
总体来看，拉曼光谱仪具有如下优点：
首先从光谱的通性来看，样品制备简单或无需制备；不受样品物质形态的影响；对样品无损伤；快速分析；维护成本低，使用简单。
其次，拉曼独有的特点是：分辨率高，特异性好（这点同红外类似）；适合水样品；能够透过玻璃、塑封袋直接检测；使用SRERS后还可大幅提升灵敏度；和AFM联用后使用TERS技术不仅提高灵敏度还提高空间分辨率到亚纳米。便携拉曼的普及使价格大幅下降。
拉曼光谱需要改进之处
目前的拉曼还有一些缺点，这也是研究者需要努力的地方。
首先，普通拉曼信号弱，对深色样品信号更弱（光大部分被吸收了）。
其次，由于均采用激光，对爆炸物分析不很友好，需降低激光能量，减少采集时间，当然会损害灵敏度。
第三，各厂家的谱图不统一各家均用自建谱库，SERS技术重现性目前还不高，给标准化带来挑战。
第四，荧光背景干扰是个难点。消除荧光干扰的方法包括：做样前采用强光照射法破坏荧光分子。加入荧光淬灭剂使得荧光熄灭。利用拉曼和荧光产生的时间不同，使用高频调制的激光信号来分离拉曼和荧光信号。此外还有：
紫外/近红外激发法。大部分物质荧光主要在可见区（300 nm~700 nm），使用紫外拉曼（如244 nm激发）或近红外拉曼（785、830、1064 nm激发）可有效避开荧光干扰，缺点是紫外光可能导致样品分解，近红外光热效应较强且检测器成本高。
移频激发法：使用两个频率相近的激光先后照射样品，拉曼谱峰频率与激发光频率同步变化，而荧光光谱对激发光频率改变不敏感。因此将两组光谱信号差分处理可消除荧光干扰，然后通过算法可以从差分光谱重构出拉曼光谱。商品化领域有几家开发了此技术。
拉曼光谱的市场分析和预测
拉曼光谱的市场预期
作为近年来分析领域一颗熠熠闪光的新星，拉曼发展速度之快让很多技术望其项背。每年都会有多家机构相继发布拉曼的研发报告。根据Data Bridge Market Research的报告，全球拉曼光谱市场预计在2021-2028年间的复合年增长率（CAGR）将为7.56%，预计2028年拉曼市场的销售额将达到5.3亿美元。而QYResearch研究报告显示，2020年全球拉曼光谱仪市场规模达到了22亿元，预计2026年将达到38亿元，年复合增长率为8.0%。虽然不同预测报告的数据稍有差异，但都显示了拉曼高潜力的增长态势，表现出对其未来市场的良好预期。其中，北美是拉曼仪器的第一大市场，约占34%的市场份额。其次是欧洲和中国，总计约占45%的市场份额。中国拉曼技术虽然起步较晚，但近年来得到很大的发展。由于客户所需要的各种新应用不断被开发，5年前中国拉曼光谱市场年销量1,000余台，现在已达10,000台的年销量，并且还在呈现不断上涨的趋势。
图7 全球拉曼光谱的市场预测（摘自Data Bridge Market Research）
医疗行业的药物开发、半导体工业的发展和扩张、样品检测需求极大增加、市场对实时在线检测的要求及以国土安全为目的检测需求的增加，加上拉曼光谱在技术上的进步，都是拉曼光谱市场快速增长的重要刺激因素。值得一提的是，由于制药和电子行业的需求和应用量的增加，预计亚太地区复合增长率将达到全球最高。
根据“中国政府采购网“发布的中标信息显示，据不完全统计，在过去的一年里有800多个采购项目发布了关于拉曼的招标公告，涉及科研院所、高校、医院、公安部门（包括缉毒）、海关、食品药品监管机构、文物考古单位、石油化工、环境、珠宝鉴定等，一些著名高校和中科院是招标的主力（主要在金额上的贡献），激光显微（共聚焦）拉曼、在线拉曼等是招标重点；而检验及现场执法机构，重点招标便携或小型化的拉曼光谱仪。
拉曼光谱仪器的市场布局
拉曼“耀眼”的前景，使得一些大牌仪器厂商无一不在拉曼上布局。Horiba堀场、Renishaw雷尼绍、Thermo赛默飞作为拉曼光谱老牌企业，占据了全球拉曼市场40%以上的份额。而且这些企业还在拉曼领域持续投入，加强构建自己的核心竞争力，并通过不断地“攻城略地”，在某些领域处于强势地位。
仪器行业并购案例迭出，拉曼光谱也不例外：如瑞士万通并购了全球最大的小型拉曼光谱仪生产商必达泰克（BWTEK）的全部业务；安捷伦科技收购了拉曼光谱创新企业 Cobalt Light Systems；安东帕收购BaySpec拉曼产品线购买SciAps公司拉曼技术；牛津仪器3.2亿元收购拉曼成像技术商WITec等。德国耶拿虽然没加入到浩荡的并购大军，但自2015年起，耶拿全面负责其兄弟公司凯撒公司在中国的拉曼业务，籍此，耶拿也进入中国的拉曼市场。
中国拉曼光谱的市场潜力和蓬勃生机，吸引了众多著名企业，如安捷伦、海洋光学、安东帕、凯撒光学、布鲁克、岛津、耶拿等，他们相继推出了最新的拉曼光谱产品，凭借核心技术优势和跨国合作机会，占据了很大的市场份额。
为了打破进口仪器垄断国内市场的局面，国内高校和科研机构联合生产企业，推动国产仪器发展，如清华大学、厦门大学、青岛海洋所等都是产学研用的典范。国内的同方威视、奥谱天成、如海光电、卓立汉光等企业，都开发出了颇具市场竞争力的特色产品。同方威视在中国安检市场具有强大的竞争力，而其全资子公司北京鉴知技术有限公司（简称：鉴知技术），则用于拓展安检之外的其他应用领域。中国的拉曼市场和欧美不尽相同，重要着力点在安检领域，其次是食品安全。总体来说，目前国内厂家自主研发的小型拉曼光谱仪的硬件水平已媲美甚至超过进口品牌，但是在软件、算法、谱图库的建设等方面，依然与国外存在一定的差距。
建立行业规范，推动拉曼光谱仪发展
法规与制度的缺失，必然会导致不合格仪器进入市场，甚至出现“劣币驱逐良币”的情况；此外，同质化竞争也不利于市场的稳定与发展。建立拉曼仪器的规范标准，是推动拉曼光谱仪市场健康发展的必然要求。值得庆幸的是，近十年来，拉曼光谱相关的标准的制修订在有条不紊地进行。据不完全统计，目前发布（包括即将实施的）拉曼光谱相关的国家推荐标准有10项，行业标准有8项（包括JY/T, SF/T, SN/T等）。另外，一系列的团体标准也已发布实施。
2020年版《中国药典》明确了拉曼光谱法的技术优势及应用，如“快速，准确，测量时通常不破坏样品（固体，半固 体，液体或气体），样品制备简单甚至不需样品制备。并且能够现场或在线用于过程分析，使用简单，分析速度快（几秒到几分钟），性能可靠。”；“拉曼光谱既适合于化学鉴别和固体检测，也能够用于假药检测和质量控制。”； 分别从“原料入场”到“制药过程”再到“成品药质量控制”的一系列过程中实现游刃有余的快速无损检测。
值得重点关注的是，我国首次制定并由国家市场监督管理局和国家准备委员会共同颁布，福建省计量院、厦门大学等联合同方威视、卓立汉光、奥谱天成、天美仪拓、如海光电、鉴知技术等十几家企业共同起草的《GB/T 40219-2021 拉曼光谱仪通用规范 》（2021年12月1日实施），对于我国拉曼市场的良性健康发展具有重要意义。GB/T 40219-2021对拉曼光谱仪器进行了严格规范，它将有助于拉曼光谱的生产、使用和市场推广，推动行业的良性竞争。
但是，对于拉曼光谱仪目前及未来拓展的应用领域和应用方向，目前的标准还不够丰富全面，期待更多应用标准出台，为拉曼光谱技术的发展和应用“保驾护航”。
拉曼的前世今生就介绍到这里，若您关心当前市场上正热门的商品化产品，请听下文分解。
