拉曼光譜可以高靈敏度分析化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，具有非接觸、非侵入性和無損性，無需樣品制備(或者只需簡單樣品制備)等特點。隨著儀器開發(fā)和分析方法等方面的突破，如熒光校正技術(shù)等，拉曼光譜得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括醫(yī)療診斷、藥物分析、假冒藥品鑒定、爆炸物探測、文物檢測等多個領(lǐng)域。

　　近年來，發(fā)展高效和易于使用的小型便攜式或手持式拉曼系統(tǒng)是拉曼光譜一個很重要的發(fā)展方向。大多數(shù)這樣的手持系統(tǒng)能夠直接分析容器和包裝袋中的樣品，不需要任何樣品制備，同時也避免了對化學(xué)物質(zhì)的接觸。

　　目前，市場上已經(jīng)有來自于10多個生產(chǎn)廠家的20多款商品化的手持式拉曼分析儀。

　　研究目的

　　那么，選擇一款適合的手持拉曼光譜儀需要考慮哪些關(guān)鍵因素?本文的一個重要目的就是給出半理論、半經(jīng)驗的注意事項，幫助用戶選擇一款最適合其應(yīng)用的手持式拉曼光譜儀，表1和圖1對性能比較進(jìn)行了匯總：

圖1: 532nm、785 nm、1064 nm手持式拉曼儀性能對比(單位激光功率)：(a)光學(xué)透過率(b)純分析物 (c)分析物在水中 (d)分析物在乙醇中。

　　手持拉曼的激發(fā)波長很大程度上決定了拉曼信號的強(qiáng)度(分析速度和精度)。此外，還會影響到光學(xué)元件的效率和相關(guān)檢測器的量子效率 (CCD、InGaAs)以及光譜分辨率等。目前，大多數(shù)商品化的手持拉曼光譜儀采用785nm或1064 nm的激發(fā)。只有少數(shù)最近生產(chǎn)的手持式拉曼系統(tǒng)使用其他激發(fā)波長，包括532nm。

　　此外，本文還通過實驗特別介紹了使用532 nm激光的手持式拉曼分析儀在假藥檢測以及爆炸物檢測方面的性能表現(xiàn)(與785、1064 nm進(jìn)行對比)。

　　532nm，785nm，1064nm，哪個更適合手持拉曼?

　　雖然多個商業(yè)化激光在技術(shù)上可以滿足給定的應(yīng)用，但對于一個特定的應(yīng)用來說，通常只有一個可以提供最好的解決方案。所以選擇最佳激發(fā)波長時要考慮多方面的因素:每個激發(fā)波長對應(yīng)的分析速度和準(zhǔn)確度、樣品的熒光背景、樣本基質(zhì)的透明度(容器壁、溶劑、被測物)等等。

　　在分析速度和準(zhǔn)確度方面，532nm激光得到的拉曼信號強(qiáng)度(單位激光強(qiáng)度)是785nm或者1064nm的5-16倍，這是因為拉曼強(qiáng)度與激發(fā)波長的四次方成反比：IRaman≈(1/λEx)4。此外,在532nm處，先進(jìn)的光探測器和光學(xué)器件具有更高的量子效率(與785和1064 nm相比)，可以進(jìn)一步提高拉曼信噪比。

　　相比之下，在降低熒光背景方面，1064nm是首選。然而，1064nm在分析速度方面比532nm、785 nm系統(tǒng)(單位激光功率)分別慢16倍和3倍。因此，1064nm激光適合具有非常強(qiáng)烈熒光的樣品，其他情況下，785nm，特別是532 nm的激光可以提供更快的分析。

　　為了考察樣品基質(zhì)對拉曼信號的影響。圖1a給出了幾個典型樣本的透射情況：透明玻璃 (實驗室小瓶或一般瓶子)、琥珀玻璃(小瓶或一般瓶子)、透明塑料(培養(yǎng)皿、塑料瓶、證據(jù)袋或罩板包裝)、仿琥珀塑料 (醫(yī)療處方瓶)、水和乙醇等。

　　根據(jù)圖1a的數(shù)據(jù)，圖1b-d給出了幾種典型分析得到的相對拉曼強(qiáng)度 (歸一化到532nm)：純被分析物，以及處于一系列不同容器中的被分析物(圖1b);分析物在水溶液中，以及處于不同容器中的情況(圖1c);分析物在乙醇溶液中，以及處于不同容器中的情況(圖1d)。圖1表明532nm的拉曼信號強(qiáng)度比其他情況要高出25-1600%。

　　表1對圖1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的總結(jié)，通過比較發(fā)現(xiàn)，在9類不同條件的樣品中，有7類使用532nm激發(fā)時的效果明顯優(yōu)于785和1064 nm，這其中包括不發(fā)熒光和弱熒光樣品、一部分中等熒光樣品;通過最常見的玻璃和塑料容器（包括琥珀）進(jìn)行測量的樣品;以及水溶液和大多數(shù)有機(jī)溶劑中分析物的檢測和定量分析。

　　實驗

　　所有樣品分析均使用RamTest手持式拉曼 (BioTools,Inc .);激光：532 nm;光譜范圍120-4000cm-1;光譜分辨率~4 cm-1。

　　所有測試都是在自動模式下運(yùn)行，所有測量參數(shù)自動調(diào)整以優(yōu)化信噪比，減少熒光，剩余的熒光背景(如果存在)自動扣除。

　　(1)手持式拉曼用于假冒生物制劑檢測（532nm激光）

　　532 nm手持式拉曼最有前途的一個新應(yīng)用就是對假冒生物制劑的檢測。532 nm手持系統(tǒng)的優(yōu)越性能包括：更強(qiáng)的拉曼信號，水對532nm激光更低的吸收 (圖1)。這兩個因素的結(jié)合使532nm手持式拉曼光譜在水溶液中各種肽或蛋白質(zhì)的定量分析方面具有無與倫比的能力。

圖2:手持式拉曼(532 nm)對兩種暢銷生物制劑的檢測：(a)生物制劑1;(b)生物制劑2。綠色：原藥;紅色：假藥;黑色：緩沖或安慰劑。

　　所有案例都使用自動取樣的方法，不需要很多的拉曼知識。結(jié)果顯示，532nm手持式拉曼可以快速、簡單、明確的鑒別原藥和假冒藥。同時結(jié)果也證明，532nm手持式拉曼可以為制藥公司、藥房等提供強(qiáng)大的、低成本的解決方案。

　　(2)手持拉曼用于爆炸物的檢測（532nm激光）

　　全球恐怖主義數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表明, 過去十年使用爆炸裝置進(jìn)行恐怖襲擊的數(shù)量大大增加，包括便攜式拉曼等很多分析方法都被開發(fā)用來進(jìn)行爆炸物以及前體和分解產(chǎn)物的檢測。

　　圖3顯示：532nm手持式拉曼可以對炸藥進(jìn)行快速、可靠和安全的檢測、鑒定和定量分析。值得注意的是，實驗中的一些炸藥或前體曾被認(rèn)為具有“強(qiáng)烈熒光”(如二硝基萘)或使用手持式拉曼“很難檢測” (如環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)、氨和硝酸銨)。

圖3: 利用532nm手持式拉曼得到的爆炸物的光譜:(a)粉末狀爆炸物;(b)液體爆炸物前體;(c)過氧化氫水溶液 (d)過氧化氫自動定量分析(3200-3400 cm-1 OH-s water);(c)中放大的插圖為~874 cm –1 OO-s H2O2。

　　應(yīng)該注意的是，532nm激發(fā)可以在1-5s內(nèi)可靠的識別和檢測上述所有物質(zhì)，而且與785和1064nm相比，532nm得到的拉曼信號更強(qiáng)。

　　相比785nm和1064nm ，532 nm的激光具有更強(qiáng)的散射，同時手持式拉曼系統(tǒng)具有更寬的光譜范圍的100-4000cm-1, 更好的光譜分辨率：4-6cm-1。如此寬的光譜范圍也為手持式拉曼拓展了一些新的應(yīng)用，包括水溶液中分析物的自動定量。圖3d直接顯示了水溶液中過氧化氫的自動定量，低至< 0.1%。

　　結(jié)論

　　分析結(jié)果表明，作為手持拉曼的一個極具吸引力的選擇，532 nm激發(fā)應(yīng)該被重新審視，其優(yōu)勢包括：儀器成本降低兩倍， 很多實際應(yīng)用分析速度提高5-16倍， 激光功率降低 (實現(xiàn)炸藥的安全檢測，減少激光安全問題和激光誘導(dǎo)的樣本退化，延長電池連續(xù)操作時間)，進(jìn)行水和大多數(shù)有機(jī)溶劑中被分析物檢測時性能優(yōu)越，能夠通過各種各樣的玻璃和塑料容器(包括琥珀)進(jìn)行分析, 光譜范圍和光譜分辨率得到改善，同時也改善了光譜檢測限，提高了分析精度。

　　因此，532 nm手持式拉曼光譜可以顯著改善很大一部分實際應(yīng)用，并擴(kuò)展新的應(yīng)用領(lǐng)域。適合的應(yīng)用包括但不限于假冒生物制劑、炸藥的快速檢測、復(fù)雜混合物單個成分的識別、水溶液中分析物的自動定量、在水或有機(jī)溶劑中稀釋的被分析物檢測，以及之前一些使用手持式拉曼認(rèn)為“很難檢測”的多個化合物等。

　　(作者：Aleksandr V. Mikhonin, Susan Hodi, Laurence A. Nafie, Rina K. Dukor)