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�，F(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)展成為一種高質量儀器，但其基本結構直到幾年前才發(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，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。

市場咨詢公司Temtys在2021年的一份市場分析報告中就曾指出：“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，Temtys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

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，設計了一種新的光譜儀來滿足新興應用市場對超緊湊性的關鍵需求。

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�，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。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合，一起工作。

為了實現(xiàn)緊湊的儀器，BaySpec從多個方面努力，其不僅重視光學器件的小型化，而且非常重視整個系統(tǒng)的優(yōu)化和集成。正如BaySpec首席執(zhí)行官William Yang所指出的，“電子團隊在實現(xiàn)一款功耗非常低的緊湊型設備方面，發(fā)揮著極為重要的作用。”每個緊湊型光譜儀產(chǎn)品中都集成了藍牙連接功能，這使得在移動設備上傳輸數(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)出了一款重量僅59g的拉曼光譜儀，其大小與汽車鑰匙扣相當，能夠檢測450~2300cm-1光譜區(qū)域內的任何分子。它堪稱是目前市場上最小、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)應用使用不同的激發(fā)波長。它每秒進行一次測量，可以選用不同的封裝方案。一般來說，較長波長的激光選項適用生物醫(yī)學應用，而較短波長的激光適合檢測危險性化學和生物敏感物。

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。客戶要求BaySpec制作一個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售市場，在轉售中，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，以便在建筑物內監(jiān)測傳染病、藥物或生化物質的存在。

與標準SERS相比，BaySpec的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。

參考文獻

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