撰写拉曼光谱分析长期以来与生物光子学有着密切的联系，使该技术在生物医学成像和传感中不可或缺的相同特性，现在正在推动工业领域的实时过程洞察。拉曼技术在灵敏度、速度和坚固性方面的进步正在使其更深入地整合到材料科学、失效分析、化学、药理学、法证学等领域。
材料洞察
拉曼监测在制造业的兴起，至少部分地源于自动化浪潮在工业中的传播。越来越自动化的和受监管的过程需要高效和实时的过程监测解决方案。从生物技术到石油和天然气等各个领域的技术提供商都专注于寻找和实施创新的分析工具。
随着制造过程变得更加自动化和受监管，技术提供商认识到高效、实时的过程监控的持续需求。重点是开发支持从生物技术到石油等各个行业的创新分析工具。
据布鲁克光谱公司业务发展总监马克·肯珀（Mark Kemper）称，要实现对一组过程的完全理解，从而达到对其最大控制，这是至关重要的。“拉曼技术在这种情况下可能具有非凡的价值。拥有一种工具，可以帮助从分子角度诊断正在发生的情况，这可能是无价的，从而为过程理解与控制的整体拼图增加一块拼图。
提高性能并不是终端用户采用拉曼系统唯一的动机；便携性和价格优势同样具有说服力。这些特性共同使拉曼技术本身具有吸引力。
一个拉曼光纤探针被插入生物反应器中，以在无菌条件下监测细胞生长。
在过去的二十年里，拉曼光谱的受欢迎程度也因为组件创新而激增，例如在光源、光学元件和传感器方面的进展。紧凑型和坚固型激光器、滤波器、透镜和检测器的进步尤为显著。同时，随着硬件的改进，扩展的光谱库和更复杂的匹配算法也扩展了拉曼光谱的能力。这些进步的领域已经融合成一种趋势，使越来越复杂的分析任务成为可能。与此同时，行业需求的变化正将拉曼技术进一步引入生产现场。更快、更准确的分析不再仅仅是一种愿望——从检测非法芬太尼类似物和化学战剂到下游生物处理的实时监控，越来越多的关键应用已经变得必不可少。
在系统性能方面，采用者正在转向拉曼解决方案，看中的是它们能够检测什么，以及它们能够快速且清晰地讲述一个完整的故事的能力。
“工艺人员需要关注他们的工艺，” Kemper 说。“他们的过程分析技术PAT工具只需要正常工作。一旦制造商必须更多地担心他们的分析工具而不是工艺，这些仪器就会被闲置。
”制药生产中的自动化
拉曼光谱广泛用于小分子反应监测和结晶。随着制药生产对连续过程监测的需求日益增加，拉曼的角色也在扩展，涵盖上游和下游过程。
具体来说，制造商越来越多地实施基于拉曼的解决方案来处理小分子制造操作，例如混合、搅拌、片剂包衣、造粒和挤出。
在化学泄漏响应期间，一名第一响应者使用手持式拉曼分析仪识别化合物二甲苯。光纤浸入探头附件具有高化学抗性，可以直接与样品接触使用。
“生物制造自动化整合是生物制药行业的一项前沿追求，”赛默飞世尔科技公司高级应用 PAT 专家尼梅什·哈德卡 (Nimesh Khadka) 说。“在线拉曼过程监测的可靠、准确、实时和频繁的数据是实现自动化目标的关键。”拉曼光谱具有高度特异性和可追溯性，可以追踪到材料中的分子键。这一特性使得制药公司等能够在必要时，即使从几百米外也能进行定性和定量测量。这对于制药行业的连续过程监测至关重要。传统分析方法通常需要离线分析，这通常只能通过耗时的过程来完成，可能导致延迟反馈和潜在的产品变异。
一个例子是制造业中的原材料识别。“传统上，一个包裹会被打开，取一个样本，送到实验室，同时，材料会被隔离，”Crocombe Spectroscopic Consulting的主管Richard Crocombe说。“有了便携式光谱仪（拉曼或近红外），材料可以通过聚乙烯内衬或浸没探头进行扫描，并立即验证并投入生产。
”拉曼散射也可以用于进行单变量测量；这些测量专注于单个峰值的区域或强度，比多变量方法更容易理解和使用。此外，非破坏性光纤耦合探头测量使原位测量变得更加容易和简单，从而获得比传统离线测量更好的数据。
对于高产量的制药和聚合物行业中的挤出过程，结合光纤拉曼探头的在线拉曼光谱仪正在帮助制造商实时监测挤出物的化学成分，并确保均匀性和准确浓度。
“这对于一致的药物释放曲线和治疗效果至关重要，” Thermo Fisher Scientific的高级科学家Tom Dearing说。“过程拉曼光谱仪还可以监测多晶型转变、固体分散体的形成，以及包含多种活性药物成分的组合产品的分布和化学成分。”Dearing说。这些光纤探针本身也是正在进行设计创新的主题。这些组件现在专门设计用于卡入芯片或中段筒的端口。
快速追踪化学变化
目前市场上的拉曼板读取器能够实时监测96孔板中的反应。这一功能对药物开发者来说非常有利，并且与最初用于和适用于PAT的拉曼系统相比，标志着显著的改进。
这也使拉曼光谱能够超越近红外技术，这些技术据Metrohm Spectro Inc.的副总裁Michael Allen称，使制造商能够率先开发出PAT解决方案。
“近红外光谱具有非常宽的峰，必须进行积分和反卷积以建立有意义的分析模型，”Allen说。“相比之下，拉曼光谱表现出更尖锐的特征，便于方法开发，更准确的分析和更高的信息密度。
”虽然存在监测化学变化的例子，但 HORIBA Scientific 的首席应用科学家 Fran Adar 认为，这一套应用还有进一步发展的空间。她指出，最近的软件开发即使在复杂的光谱中也能解析化学变化，例如通常与化学反应相关的光谱。Adar 提到了由 Procter & Gamble 的 Isao Noda 开发的 2D-相关光谱软件，作为用户分析光谱演变的解决方案。
“即使光谱特征严重重叠，该软件也能让人们跟踪光谱中揭示的化学变化序列，”Adar 说。
总部位于北卡罗来纳州的Wasatch Photonics提供开放访问软件、软件开发工具包和插件，这些工具旨在简化和简化特定应用仪器开发人员的软件开发。该公司还提供光谱校准和光谱响应校正，以确保用户从单个仪器或一千个仪器中获得一致且高可靠性的结果。
“我们的目标只有一个：让我们的PAT和其他领域的OEM客户能够专注于他们的应用，而不是其核心的拉曼硬件，并且给他们提供原始数据和软件工具，以便他们能够完全控制他们的分析，并开发他们自己的方法学，”该公司营销副总裁Cicely Rathmell说。
能源：生产、储存和回收
拉曼光谱在追求大规模高性能能源储存以及电池材料的开发和生产中被证明是无价的。该技术提供了阳极材料（如石墨和硅）、阴极材料（如锂钴氧化物和镍锰钴氧化物）和某些电解质的成分和均匀性方面的见解。
根据HORIBA科学家Miao Peng的说法，用于锂和钠电池的硬碳的拉曼光谱可以通过光谱分析有效地进行分析，因为该方法可以监测和预测有机材料是否可以石墨化。特别是，粒度可以从拉曼光谱中推导出来，这预测了电子导电性和离子迁移率。
手持式拉曼分析仪用于通过不透明容器测量以可靠地识别汽油（顶部）。将液体样品放入拉曼分析仪的玻璃瓶配件中进行识别（中间）。拉曼分析仪用于确定塑料袋中是否有毒品（底部）。直角采样配件允许操作员在不暴露的情况下接触样品。
对于这一应用，根据Thermo Fisher Scientific的Dearing的说法，基于拉曼的技术可以帮助检测杂质，分析固态电解质界面层的形成，并提供在电池循环过程中分子相互作用和相变的信息。“这有助于优化制造过程，最终为从消费电子到电动汽车的各种应用提供更可靠和高效的电池，”他说。
拉曼光谱在电池寿命终结时的回收中也起着关键作用。它有助于识别和表征回收的阳极和阴极材料以及电解质，以确保其纯度和再利用的准备状态。
然而，拉曼技术在更广泛的清洁能源领域中也有更广泛的应用；支持现代能源生产的解决方案正在不断涌现。在其他终端应用中，拉曼技术为分析太阳能电池中的材料和过程以及表征石油和天然气工业中的烃类和污染物提供了必要的多功能性。例如，在碳捕获、利用和储存中，拉曼光谱技术对于分析捕获的二氧化碳的化学成分、监测捕获过程的效率以及确保储存的二氧化碳的完整性至关重要。
配置权衡
终端用户决定系统级进步在与特定解决方案的先前版本相比代表了多大程度的改进。虽然升级的系统必须在与早期版本相比提供具体的好处，但它还必须保留特定过程监控任务中最有用的属性。
在拉曼仪器方面，高通量虚拟狭缝的开发已经提高了各个应用领域的结果。该技术基于传统的光纤耦合色散拉曼光谱仪。这些设备在灵敏度（信号强度）和光谱分辨率（仪器区分紧密间隔峰值的能力）之间存在权衡。减窄光谱仪狭缝可以提高分辨率。然而，系统设计同时限制了进入系统的光量，从而降低了灵敏度。 相反，加宽狭缝可以提高吞吐量。但这会降低分辨率。
布鲁克的Tornado高通量虚拟狭缝（HTVS）技术是实现这一权衡的商业产品之一。“HTVS通过最大收集拉曼光并保持高光谱分辨率，而不是仅仅依赖物理狭缝来定义分辨率，布鲁克的Kemper说道。
规格在评估系统设计师在多大程度上需要权衡这种权衡中起到了作用。据Metrohm Spectro的Allen所说，配置系统时通常会做出权衡。
同时，追求顶级参数往往是没有必要的，他说。 “例如，实现快速、高分辨率的测量对于过程监控来说更具挑战性且通常没必要。总体而言，所有组件的小型化和低功耗要求使得收集‘不仅仅足够好’的拉曼光谱成为可能。”一些拉曼峰很宽，艾伦说——因此增加系统的分辨率不会提高性能。
“设计便携式拉曼系统需要在相互竞争的需求之间进行平衡，遵循‘足够好’以满足特定应用的原则，”Wasatch Photonics的Rathmell说。
存在的局限性
尽管拉曼技术（特别是拉曼光谱）取得了令人印象深刻的增长，但仍然存在一些限制。荧光仍然是最顽固的瓶颈。在复杂生物、粗混合物和/或深色材料中，它是一个显著的障碍。
引用例子，Kemper说，“像原油分析和某些食品及咖啡的分析这样的应用 generally 不适合拉曼技术。在某些情况下，荧光是一个太大的障碍。
”诸如1064-nm激发、门控检测和移位激发拉曼等进步有助于减少这种影响，尽管行业仍然没有找到万灵药。成本是另一个需要考虑的因素。虽然拉曼仪器通常比其他选择更昂贵，但它能够同时测量多种分析物的能力可以帮助抵消成本问题。但这不是简单的一对一权衡。在某些情况下，设备成本仍然难以承受。
在制药和工业市场之间继续进行的研究、合作和监管支持可能会促进拉曼光谱作为关键工艺分析（PAT）的更广泛采用。此外，下一代技术（如人工智能）的引入和最终整合将使监测和控制过程进一步自动化。
为工厂环境而建
几十年前，拉曼仪器是巨大的系统——缓慢、脆弱，最适合在受控的实验室条件下使用。“我在20世纪60年代开始进行测量，当时拉曼仪器是一个非常大的双单色仪，并且只有一个通道检测器，”HORIBA Scientific的首席应用科学家Fran Adar说。“产生光谱需要一个小时左右，输出是一个条形图记录器。
”数字相机、单单色仪系统和边缘滤波器触发了重大转折点。“第一个改变这一切的发展是显微镜作为采样装置的引入，然后是数字相机，它被用作多通道（多波长）检测器，”Adar说。
根据Adar的说法，紧凑型滤波器、台式计算机和多变量分析技术加速了这一转变。“终于，化学计量学的发展，也被称为多变量分析，使得从具有多个组分的复杂光谱中提取信息成为可能。
”当代拉曼系统得益于高通量光学引擎——例如虚拟狭缝架构——以及稳定的二极管激光器和超灵敏的探测器。这些进步支持在更快的时间尺度和更复杂的介质上进行测量，这对于过程监控所需的连续和下游操作至关重要。
苏州长显