《探秘拉曼光谱Raman，一文尽览其奥秘》

拉曼光谱检测：生物医药与多领域的检测利器

在生物医药研究和生产领域，“质量源于设计”（QbD）和过程分析技术（PAT）由美国食品和药物管理局（FDA）与欧洲药品管理局（EMA）在相关指南中提出，旨在确保过程的稳健性和最终产品的质量。PAT作为技术集成系统，通过实时测量关键质量属性实现对过程的设计、分析和控制。随着光纤技术发展，原位在线光谱技术应运而生，适用于反应监控，主流方法包括近红外光谱（NIR）、中红外光谱（MIR）和拉曼光谱检测等，在制药行业广泛应用。其中，拉曼光谱检测以其独特优势脱颖而出。

拉曼光谱检测的技术原理与本质

拉曼光谱检测属于光散射技术，是一种无损分析技术。其基于光与材料内化学键的相互作用，当激光光源的高强度入射光被分子散射时，大部分散射光为与入射激光波长相同的瑞利散射，无法提供有用信息。而约1/10⁹的散射光波长与入射光不同，这部分散射光即相干拉曼散射光谱仪所检测的相干拉曼散射，其波长改变由测试样品的化学结构决定。相干拉曼散射光对称分布在瑞利散射光两侧，强度比瑞利散射光弱得多，通常为瑞利光强度的10⁻⁶至10⁻⁹。

拉曼谱线频率随入射光频率变化，但相干拉曼散射光与瑞利散射光的频率差基本不随入射光频率变化，此频率差被称为拉曼频移（Raman shift），是拉曼光谱检测的横坐标。拉曼位移取决于分子振动能级的改变，是表征物质分子振动、转动能级特性的物理量，且拉曼光谱检测与入射光波长无关，适合分子结构分析。航鑫光电的ATR6600 1064nm手携式拉曼光谱仪，利用1064nm激发光的超高荧光抑制效果，适合高荧光产品的检测，正是基于拉曼光谱检测的这一技术原理。

拉曼光谱检测提供的信息与鉴别机制

一张拉曼光谱图由若干拉曼峰组成，每个拉曼峰代表相应相干拉曼散射光的波长位置和强度。这些谱峰对应特定的分子键振动模式，涵盖单一化学键（如CC、CC、NO、CH等）和多个化学键组成的基团振动（如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以及晶格振动等）。

拉曼光谱检测可视为特定分子或材料独有的化学指纹，能快速确认材料种类或区分不同材料。拉曼光谱数据库包含数千条光谱，通过快速搜索匹配光谱数据，即可鉴别被分析物质。这种基于分子振动信息的鉴别机制，为物质分析提供了高效、准确的方法。

激光拉曼光谱仪的组成与发展

自20世纪60年代激光器应用于拉曼光谱仪后，其发展迅速。现代拉曼光谱仪在检测精度和测试范围上远超以往仪器。全自动拉曼光谱仪主要由光源、外光路系统、样品池、单色器以及信号处理与输出系统五个核心部分组成。光源提供高强度的入射光，外光路系统将光引导至样品池，样品池容纳待检测样品，单色器对散射光进行分光处理，信号处理与输出系统则对分光后的信号进行处理并输出光谱图。

拉曼光谱检测与红外光谱的比较优势

拉曼光谱检测和红外光谱都是分析分子内部简正振动频率及振动能级、鉴定分子官能团的强大工具。二者虽都能提供分子振动信息，但产生原理和机制不同，在分子结构分析中互为补充。

红外光谱侧重检测极性基团的振动，适用于含极性键的化合物，多用于有机物分析。而拉曼光谱检测专注于分子骨架检测，适用于非极性键分析，不仅可用于有机物，对无机物的测试也很有效。此外，由于拉曼光谱检测对水不敏感，在含水体系下拉曼定量模型相比红外光谱更具优势。这种优势使得拉曼光谱检测在生物制造等含水体系较多的领域具有更广泛的应用前景。

拉曼光谱检测的行业应用场景

生物医药领域

在生物制造领域，拉曼光谱检测在线检测技术发挥着重要作用。它可用于细胞培养过程监测与工艺开发、微生物发酵过程监测与工艺开发、分离纯化过程监测与工艺开发以及生物制造过程监控与质量控制。例如，在线拉曼光谱检测技术可在线检测发酵过程中的营养物、代谢物、产物以及细胞生长参数等指标，为生物制造过程的优化提供关键数据。

其他领域

航鑫光电的ATR6600 1064nm手携式拉曼光谱仪整机尺寸极小，不到1.2kg，携带方便，可用于海关、公安、实验室、车间、仓库、码头等现场，对毒品、易制毒化学品、爆炸物、珠宝玉石、原料等物品进行快速识别，也可用于检测食品中的添加剂、农药残留、兽药残留等。同时，显微荧光拉曼光谱仪在微观层面的检测也有着独特的应用，可用于对生物样本等进行更精细的检测分析。

拉曼光谱检测的技术优势与解决方案

沃钛思 航鑫光电拉曼光谱检测在线检测解决方案

航鑫光电与相关企业合作，为生物制造过程在线监测和自动化控制提供解决方案，助力过程分析技术（PAT）实施和产业智能化转型。该方案基于在线拉曼光谱检测技术，从目标产品的工艺特性出发，实时在线监测微生物和细胞培养过程的关键变量，利用定制化培养基进行自动化反馈补料控制，实现智能感知、智能分析、智能预测和智能精准控制。此系统可减少过程取样的染菌风险，提高生产效率，确保批次间产品质量的稳定性。

高实时性和准确性

拉曼光谱检测技术能以秒级或分钟级的频率实时监测关键过程变量的变化趋势。通过自主开发的专业多元变量建模方法，确保模型预测准确。这种高实时性和准确性使得拉曼光谱检测技术能够及时发现生产过程中的异常情况，为及时调整工艺参数提供依据。

过程曲线可视化和智能化补料控制

自主开发的反应器控制软件集成拉曼光谱检测过程预测数据的可视化功能，可实时、高效展示过程曲线变化趋势。与生物反应器控制单元协同作用，可实现数据采集、参数预测和反馈控制的闭环，助力工艺开发和智能生物制造平台建设。通过可视化的过程曲线，操作人员可以直观地了解生产过程的状态，实现智能化的补料控制。

定制化无忧服务

航鑫光电提供包括拉曼光谱检测设备、生物反应器设备、高精度的多元回归预测模型和智能化过程控制软件在内的全套解决方案。可快速进行实验和工业规模部署，无需用户具备专业化建模知识和从业经验。此外，航鑫光电还提供全面的技术支持和服务，如谱图库的建立、方法和验证、IQ/OP/PQ认证支持等，为用户提供一站式的解决方案。

拉曼光谱检测以其独特的技术原理、丰富的信息提供能力、与其他技术的互补优势以及广泛的行业应用和显著的技术优势，成为生物医药和多个领域中不可或缺的检测工具。随着技术的不断发展，拉曼光谱检测有望在更多领域发挥重要作用，推动相关行业的发展和进步。

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