便携式拉曼光谱仪和便携式近红外光谱仪
1 拉曼光谱的原理和应用
拉曼光谱和近红外光谱都属于分子光谱，他们有着广泛的相似性，例如都不需要太多的样品前处理，几乎是实时的检测，与色谱质谱等设备相比，具有巨大的速度优势。

便携式拉曼光谱是最近二十年内随着激光技术、CCD的发展而得到快速发展的光谱技术。

激光的单色性好、能量高，而CCD灵敏度高，检测速度快，适合于快速检测要求。

下图为便携式拉曼光谱仪器的示意图。

图1 便携式拉曼的示意图
不同物质具有不同的拉曼特征光谱，因此可以通过对拉曼谱图的分析了解物质的振动转动能级情况，达到鉴别不同物质的目的。

此外与化学计量学紧密结合，拉曼光谱可以对混合物不同组分进行定量检测。

例如采用拉曼光谱仪可以直接检测皮肤中的胡萝卜素含量、检测水果表面的农药残留等等。

相比于近红外等其他光谱检测方法，拉曼光谱有着独有的优势：
最适合于水溶液中的测量
谱图信息丰富
基本无需进行样品特殊制备
但是拉曼也有着一些缺点，例如其散射的效率约在10‐8，因而通常信号都比较弱，另外，由于诸多共轭结构的物质会造成荧光的干扰，也会使得拉曼检测出现困难。

因此，现在的拉曼光谱仪的检测器多采用高灵敏度的CCD，或者背照式CCD检测器，并且大多数采用了不同的致冷手段，已达到提高灵敏度，增加信噪比的目的。

而对于会产生荧光的物质，可以采用不同的激发波长来激发，也会适当减少荧光背景的干扰，此外，还可以在软件上通过背景扣除等方法来减小荧光背景造成的数据处理的困难。

拉曼的光谱谱图信息丰富，其特征峰大多反映了样品化合物结构的信息。

例如，不同的键的不同的振动方式即会在拉曼的谱图上直观的反映出来。

因此，可以利用物质的拉曼的谱的信息来对物质进行快速的定性和鉴别。

目前，世界上已经有不少专门的拉曼光谱库在售，利用这些标准的拉曼光谱库或者自行建立的光谱库，用户就可以对物质进行快速高效的定性检测。

例如，在FDA对制药厂的来料进行全鉴别，采用拉曼光谱仪就是非常好的方法。

这在欧盟和美国的药典上均有相应的规定。

简单概括下来，拉曼光谱的主要应用方向如下： 制药领域
CGMP (Current Good Manufacturing Process):
在线分析 ：在线的过程监控和控制
质量控制: 入库原料的100%检验
地质学和地理学
矿物和岩石分析
宝石鉴定和检验
颜料分析
法医分析和检测
安检领域有毒物质、爆炸物等检测
增强拉曼光谱检测 (SERS)
例如下图是用拉曼测试的几个爆炸物的光谱，从光谱上即可很显著的区分这几类爆炸物，并且通过拉曼光谱的测试，可以很容易的对这类危险物品进行预先判断，进而排除潜在危险。

图1 C4 塑料炸药，TNT和硝酸盐炸药的拉曼光谱
此外，SERS的研究是拉曼有别于近红外的重要的方向。

由于拉曼光谱对于纳米金或纳米银的增强效应，可以用于甚至低至ppb级别的浓度检测。

这使得拉曼光谱近似于分子级别的光谱检测，具有极大的应用前景，例如在农药残留，食品添加剂残留等关系国计民生的领域有着广阔的前景。

下图为Q-SERS公司的芯片的检测原理和检测低浓度三聚氰胺的效果图，可以发现其在低浓度检测时的巨大潜力。

2..近红外光谱的原理和应用
近红外光谱是近几十年内随着化学计量学的发展而迅速发展的检测技术。

由于近红外由于反应含氢基团的倍频和合频，因而信号比较弱，谱图比较稳定，不会因为组分微小的变化而导致谱图发生较大的变化，因而，可以通过化学计量学方法对光谱进行重建，以最大限度的保留有效信息，过滤噪音信息，实现准确的定性定量检测。

近红外最早应用于农产品成分的分析，目前已经在肉类、食用油、奶制品、酒类、饮料等食品领域得到大量的应用。

例如可用于肉制品中蛋白、脂肪、水分等成分的测定，在模型建立完成后，只需一张谱图即可得同时得到肉制品的不同指标。

与很多传统的分析方法和手段相比，近红外仪器可与计算机结合进行分析，不但能大大加快检测速度，而且避免了化学分析法容易产生的污染和人为分析的误差。

因此，近红外非常适合于各类指标的同时检测、在线检测及商检。

此外，近红外也可用于奶制品、饮料中蛋白质、脂肪、水分、乳糖等理化指标的检测。

在选择近红外作为应用手段时，要关注的包括：
z 关心的测量对象是否在近红外区域有相应的吸收峰（含氢基团）
z 是否是微量物质（近红外是常量检测手段）
z 对检测速度是否有要求
下图为拉曼和近红外简单的比较。

Structure and SEM image of a Q ‐SERS ™ SERS active gold substrate Average SERS spectra (n = 4) acquired from extracts of wheat gluten containing different concentrations of melamine: 2.0% (a), 1.0% (b), 0.5% (c), 0.1% (d), 0% (e).
在应用领域中，拉曼和近红外有很多重合的部分，相当多的应用，即可以采用近红外来进行检测，也可以采用拉曼光谱的方法进行研究。

对于选择何种方式来进行样品的检测应用，要具体问题具体对待。

例如对于中药材的检测，通常拉曼的检测受荧光的干扰比较大，因而多选择近红外来进行测试，而对于含水多的样品，则多选择对水不敏感的拉曼光谱来进行检测。

•激光波长、拉曼位移范围的选择
•检测对象的状态、浓度
•检测对象是否有拉曼信号产生
•是否有强荧光干扰
•分辨率要求
•是否需进行定性定量分析
便携式的光谱仪特别是近红外和拉曼光谱仪有了很大的技术进步，但是与大型仪器相比还有不足，因此不管是企业用户还是科研院校，首先要考虑的就是自身的应用特点，然后根据应用需求来选择是采用便携式小型化光谱仪，还是大型仪器。

其次，还要了解评价光谱仪质量高低的常用指标，如波长范围、光谱分辨率、波长准确性、波长重现性以及杂散光等。

在充分了解各性能指标的基础上，还要考虑自己的经济效益，在满足自身应用的情况下购买性价比最高的产品。

一味追求产品的性能指标，追求价格高功能全的仪器，势必造成仪器的浪费，因为很多的应用采用便携或小型仪器足以胜任。

此外，用户在购买时还要考虑到仪器的附件、价格，售后服务等。

例如对于近红外光谱仪，在饲料、奶粉等等样品的检测中便携式光谱仪都取得了较好的结果，若适合要求，就无需选择大型近红外光谱仪。

而为了确保定性定量检测的准确性，需要更多考虑波长重复性、吸光度重复性，光谱仪的动态范围等指标；而要做模型传递，吸光
度和波长准确性就要求较高了。

无论是拉曼光谱仪还是近红外光谱仪，选择合适的应用软件也是非常必要的，例如是选择通用型的商用建模软件还是选择专用的应用软件，也是用户在购买光谱仪器时需要考虑的问题。

总的来说，不管是企业还是科研院校，在选择光谱仪时，都需要综合考虑自身的应用和仪器的实际情况。