MIRA 便携化的诞生之路
2020年3月9日
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了解关于拉曼光谱技术、拉曼光谱谱图及手持式光谱仪的更多信息。
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手持式拉曼光谱仪堪称一类与众不同的分析化学仪器。所有光谱仪，如红外 / 近红外光谱仪、紫外 - 可见分光光度计、气相色谱 / 质谱联用仪及拉曼光谱仪，其工作原理均基于物质与能量的相互作用。这类仪器内置检测器，可采集物质发生原子与分子层面变化后的相关信息。这些信息可用于对各类化学物质进行定性分析和 / 或定量分析。传统而言，光谱仪多为台式设备，需与计算机或其他可视化显示设备相连，供实验室分析人员操作使用。
经典拉曼光谱仪即属此类。激光器、滤光片、检测器以及所有相关的取样硬件均集成于同一设备单元，数据的处理与查看则可在就近位置完成。
若需对比其他光谱分析技术，可查阅我们往期发布的博客文章。
拉曼光谱法在诸多方面均是一种独特的检测分析技术，“凡肉眼可见之物，皆可借助拉曼光谱实现定性鉴别。”
事实上，拉曼光谱法的优势在于其取样方法简便，且兼具特异性。该技术可对多种纯净物质直接开展分析，无需进行样品前处理。取样操作方式灵活，可通过与物质直接接触、远程探测，或是透过隔离屏障完成。即便是水溶液中的溶质，亦可实现直接定性鉴别。这项技术的特异性极强，每种经拉曼光谱检测的物质，都会生成独一无二的 “指纹” 图谱。拉曼光谱法不仅能对各类不同物质进行精准定性鉴别，还能准确区分那些即便结构极为相似的化合物。
拉曼光谱
拉曼光谱的波谱范围内分布着若干特征峰，这些特征峰对应物质特定的分子连接方式，可用于判定样品的化学组成。光谱的检测范围由光谱仪的设计方案决定，同时也是仪器分辨率与灵敏度之间权衡的结果。
“指纹区”（400–1800 cm⁻¹）可用于未知物的定性鉴别与已知物的验证。400 cm⁻¹ 以下的波谱区间则有助于矿物、宝石、金属及半导体材料的分析。对于大多数有机物质，例如油类、聚合物、塑料、蛋白质、糖类 / 淀粉、醇类、溶剂等，在拉曼光谱检测中，2255 cm⁻¹ 以上的波谱区间几乎不具备分析价值，这是因为碳 - 氢键对物质的分子定性分析贡献极小。
MIRA 的检测波数范围为 400–2300 cm⁻¹，
可适配绝大多数拉曼光谱应用场景，具体包括：
- 制药及其他受监管行业
- 食品行业
- 个人护理及化妆品行业
- 国防与安全领域
- 过程分析领域
- 材料定性鉴别领域
- 教育与科研领域
浓缩的都是精华
技术、分析能力、易用性、精准度 —— 手持式拉曼光谱仪将这些优势尽数凝聚于小巧机身之中，彻底摆脱实验室的场地限制。它还吸引了众多全新用户群体，推动拉曼光谱技术在各类新颖且极具价值的应用场景中落地。在本篇博客的后续内容里，笔者将详细介绍推动拉曼光谱仪实现小型化的各项核心部件的研发历程，并讲述瑞士万通拉曼光谱仪产品线的诞生始末。该产品线旗下的明星产品正是 MIRA。
四项关键性创新技术的融合，造就了 MIRA 的问世。这四项技术分别为二极管激光器、专用滤光片与光栅、同轴光学器件，以及采用 “像散光谱仪” 这一独特设计的电荷耦合器件（CCD）。拉曼光谱仪的上述基础组件均可在上方的示意图中看到。请注意，该示意图并未精确还原 MIRA 机身内部独特的结构布局。
拉曼光谱法是一种依靠光（能量）激发分子的分析技术。1928 年，钱德拉塞卡拉・文卡塔・拉曼（C.V. Raman）发现了拉曼散射现象。这项发现最初借助聚焦的太阳光得以实现，此后很快便以汞灯取代太阳光作为激发光源，同时采用感光板作为检测装置。这一系列改进最终形成了一种简便、通用且高效的分析方法，可用于解析简单分子的结构。
首款商用拉曼光谱仪于 20 世纪 50 年代面市。20 世纪 60 年代，激光器的普及度逐步提升。到了 70 年代，滤光片技术又实现进一步改良。这一系列发展推动拉曼光谱法逐渐成为一项适用于各类化学分析场景的热门技术。20 世纪 90 年代，拉曼光谱仪首次出现集成式系统。21 世纪初，相关仪器的小型化进程正式开启。
拉曼光谱仪的小型化进程
二极管激光器是手持式拉曼光谱仪得以实现的首要关键技术。对于特定年龄段的读者而言，或许会记得这类激光器体积小巧、发热量低且能耗较小，曾被应用于光盘播放器中。这类激光器通过一种特殊的衍射光栅，可在光源处实现稳定输出。
高性能且高性价比的滤光片同样助力仪器小型化，其作用是控制光谱仪内部的激光散射。高灵敏度、小体积的电荷耦合器件（CCD）的研发也起到了关键作用。这类器件如今普遍应用于手机摄像头，它不仅能够实现拉曼散射信号的检测，还可将采集到的信号高效传输至计算机进行后续处理。
像散光谱仪简化了拉曼光谱仪内部诸多组件的结构布局与校准流程，这项设计是手持式拉曼光谱仪研发进程中的最后一项关键技术突破。
从美国怀俄明到瑞士
到 20 世纪 90 年代，多个行业催生出的新技术开始被整合应用于拉曼光谱领域。彼时，在美国怀俄明州拉勒米市，基思・卡伦博士担任分析化学教授，研究方向聚焦于表面增强拉曼散射技术（SERS）。卡伦博士已成功开发出成熟可靠的表面增强拉曼散射检测方法。他构想打造一套低成本的拉曼光谱系统，推动这项检测技术进入工业、医疗以及国防安全市场。他接下来的一系列举措，就此为拉曼光谱技术带来了革命性的变革。
卡伦博士及其团队采用商用现货部件，研发出一款经济型台式拉曼光谱仪。该仪器大幅降低了拉曼分析的成本门槛，助力这项技术被纳入高校相关课程体系。21 世纪初，随着拉曼光谱技术从仅用于高端场景的冷门技术，转变为可服务于各类检测任务的通用技术，相关的科研与教学领域迎来了发展热潮。卡伦博士是推动拉曼光谱技术迈入当下发展阶段的核心功臣。后续的一项技术合作促成了便携式拉曼光谱系统的问世，并最终催生出一款搭载全新像散光谱仪设计的超小型仪器。
2001 年 9 月 11 日的美国恐怖袭击事件，推动相关反恐检测技术的研发进入紧急攻坚阶段。几乎与此同时，炭疽粉末恐慌事件的发生，进一步凸显了研发 “白色粉末” 检测分析仪的迫切需求，现场便携化的化学分析技术成为彼时的研发目标。
卡伦博士受此启发，着手研发一款真正可手持、电池供电的拉曼检测设备，用于爆炸物及其他违禁品的定性鉴别。历经多轮技术迭代与产品优化，斯诺伊伦奇仪器公司于 2012 年 2 月成功推出掌心大小的拉曼光谱系统 CBex—— 其体积甚至比 MIRA 更为小巧。这款产品引起了瑞士万通股份公司的关注，2013 年 8 月，瑞士万通向卡伦博士发出了合作邀约。
MIRA 应运而生
2015 年，MIRA 正式问世。它不仅是一款创新型分析仪器，在手持式拉曼光谱仪领域中更是独树一帜，拥有商用拉曼光谱仪领域精巧的机身设计。
MIRA 真正脱颖而出的核心优势，在于其内置的智能采集程序（Smart Acquire）—— 借助该功能，任何人在任何场景下，都能获取高精度的分析结果。仪器机身坚固耐用，符合MIL-STD 810G 及 IP67 防护等级标准，即便不慎跌落或浸入液体，仍可正常完成物质定性鉴别。
自拉曼光谱技术突破实验室的场地限制后，其应用潜力被彻底激活，非专业操作人员也能借助这类设备，安全、快速、精准地完成高专业性的分析检测，拉曼光谱技术也因此迎来了全新的应用场景。
事实上，拉曼光谱仪的小型化从多个维度推动了安全检测领域的变革：
- 直接分析模式规避了人员接触实验室溶剂及其他化学试剂带来的暴露风险；
- 透过包装检测模式可防止操作人员接触潜在危险物质；
- 简化的现场物质定性鉴别流程，能对食品、药品、膳食补充剂、化妆品及护肤品中的原料品质进行快速验证；
- 对麻醉药品、爆炸物、化学战剂等违禁品的快速定性，为军方及民用执法机构的快速处置提供技术支撑。
希望本文能让你对拉曼光谱技术从台式系统到如今手持式仪器的发展历程有全面的了解。我们将持续发布更多关于 MIRA 的专业文章，深入解析手持式拉曼光谱技术的各类典型应用场景。以下为您精选部分相关文章，供您参阅：
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