Quantum Design公司一直致力于引進先進的紅外光譜技術(shù)，其中neaspec納米傅里葉紅外光譜儀、微秒級時間分辨超靈敏紅外光譜儀在探尋紅外光譜測量極限上展現(xiàn)了獨特的魅力，先后獲得科學(xué)儀器“優(yōu)秀新品獎”。
近年來，在多領(lǐng)域大發(fā)展及各類新技術(shù)不斷進步的形勢下，傳統(tǒng)的紅外光譜技術(shù)已經(jīng)從單純的紅外光譜儀、顯微鏡與紅外光譜聯(lián)用，發(fā)展到了紅外成像系統(tǒng)，并在信噪比、空間分辨率、時間分辨率、測量模式等方面呈現(xiàn)了新的發(fā)展活力。同時，在新技術(shù)的助力下，紅外光譜在應(yīng)用方面也得到了很大的拓展。
Quantum Design公司一直致力于引進先進的紅外光譜技術(shù)，其中neaspec納米傅里葉紅外光譜儀、微秒級時間分辨超靈敏紅外光譜儀在探尋紅外光譜測量極限上展現(xiàn)了獨特的魅力，先后獲得科學(xué)儀器“優(yōu)秀新品獎”。業(yè)界評價：Quantum Design在產(chǎn)品的選擇上頗具眼光!
為了多方位展現(xiàn)我國在紅外光譜領(lǐng)域的最新成果，媒體特別策劃制作《穩(wěn)中求新紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用進展》網(wǎng)絡(luò)專題，特別邀請Quantum Design中國表面光譜銷售總監(jiān)韓鐵柱博士為大家介紹紅外光譜儀的最新技術(shù)及應(yīng)用情況，并探尋紅外光譜的測量極限。
紅外光譜技術(shù)發(fā)展需求：高敏感度、高空間和高時間分辨率
媒體：從儀器發(fā)展及應(yīng)用的角度分析，您認為目前紅外光譜儀器及技術(shù)走到了哪一個階段?
韓鐵柱博士：人類對紅外光的認識已經(jīng)超過兩個世紀，1800年，英國科學(xué)家W.?Herschel在研究溫度計對紫色到紅色光照射變化時，就已經(jīng)意識到紅色末端區(qū)域外仍然存在著看不到的輻射區(qū)域。九十年后，瑞典科學(xué)家Angstrem利用CO和CO2首次證明了不同分子具有不同的紅外譜圖，并在此基礎(chǔ)上進一步建立了現(xiàn)代分子光譜學(xué)。在此之后的一個多世紀里，人類科學(xué)家已經(jīng)可以利用紅外光手段，對大量的分子振動和轉(zhuǎn)動信息進行譜學(xué)分析和鑒別。上世紀50年代，雙光束紅外光譜儀的問世，意味著紅外檢測已無需由經(jīng)過專門訓(xùn)練的光譜學(xué)家進行操作，也能輕易獲取數(shù)據(jù)。該設(shè)備的商業(yè)化及暢銷普及標志著紅外譜學(xué)門檻的極大降低，在科學(xué)研究、社會實踐及工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)⒂瓉盹w躍式發(fā)展。
現(xiàn)代紅外光譜議主要指由上世紀80年代發(fā)展建立的以傅立葉變換為基礎(chǔ)的儀器。該類儀器不用棱鏡或者光柵分光，而是用干涉儀得到干涉圖，采用傅立葉變換將以時間為變量的干涉圖變換為以頻率為變量的光譜圖。與更早期的雙光束紅外儀器相比，傅立葉紅外光譜儀具有快速、高信噪比等特點，并且隨之催生了許多新技術(shù)，諸如步進掃描、時間分辨和紅外成像等，從而拓寬了紅外的應(yīng)用領(lǐng)域，使得紅外技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。
然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的進一步細分，特別近年來納米材料、拓撲材料、二維材料等新材料的興起，傳統(tǒng)傅立葉紅外光譜儀光源亮度弱、光斑范圍大、邁克爾遜干涉儀平動速度慢等缺陷開始顯現(xiàn)，逐漸不能滿足紅外光譜科學(xué)研究中高敏感度、高空間和高時間分辨率的需要。
媒體：目前紅外光譜的測量極限發(fā)展到了什么程度?可以給大家?guī)硎裁礃拥捏w驗?
韓鐵柱博士：目前，傳統(tǒng)紅外光譜的空間分辨測量極限在幾微米到幾十微米，時間分辨測量極限在幾十毫秒的量級，這主要是由于光源本身及步徑位移機制限制。20世紀60年代開始，隨著第一臺紅寶石激光器的問世，科學(xué)領(lǐng)域得益于激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對光譜研究的空間分辨和時間分辨也得以大幅提高。由于激光器的高線性特點，非接觸式的紅外光譜技術(shù)空間分辨率可達500nm，如果進一步搭配近場探針突破衍射極限，空間分辨可進一步提升至10nm。利用QCL激光的雙光梳設(shè)計，目前激光base的紅外光譜可以完全拋棄步徑位移，將時間分辨提高到us級，如果將超快激光引入pump-probe體系，時間分辨可以達到fs級別。
媒體：相對于其它的分析儀器，紅外光譜的應(yīng)用市場活力如何?哪些應(yīng)用領(lǐng)域會有大的發(fā)展空間?為什么?
韓鐵柱博士：相對于其他分析儀器，紅外光譜分析技術(shù)具有使用成本低、操作和維護簡單、靈敏度和分辨率較高、特征性強等優(yōu)點，能提供包含化合物官能團、類別、立體結(jié)構(gòu)、取代基種類和數(shù)目等多種信息。近年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展帶來了分析儀器數(shù)字化和化學(xué)計量學(xué)科的同步發(fā)展，加之紅外光譜技術(shù)獨有特點，使得其應(yīng)用范圍進一步拓寬。
紅外光譜既可以用于定性分析，也可以用于定量分析，還可以對未知物進行剖析，廣泛應(yīng)用于化工、制藥、農(nóng)業(yè)和食品、半導(dǎo)體、寶石鑒定、質(zhì)檢、地礦和環(huán)境等領(lǐng)域，是科學(xué)研究的有力技術(shù)手段，也是常規(guī)應(yīng)用分析和生產(chǎn)不可缺少的分析技術(shù)。譬如在中醫(yī)藥領(lǐng)域，作為一個復(fù)雜的混合體系，中藥的鑒別和質(zhì)量控制，以及有效成分的確定和質(zhì)量分析，一直是個難題，紅外光譜技術(shù)的特點使得其作為指紋分析手段并結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法，成為中藥研究不可或缺的工具;在農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域，近年來得益于焦平面陣列檢測器、可調(diào)諧濾光器、化學(xué)計量學(xué)方法和計算術(shù)的提升，紅外光譜和成像技術(shù)有機結(jié)合發(fā)展成為一種多信息融合檢測技術(shù)。除了進行農(nóng)產(chǎn)品和食品的品質(zhì)分析外，紅外光譜的應(yīng)用還擴展到了污染物檢測、產(chǎn)品分類和來源鑒別、土壤的物理和化學(xué)變化、以及食品加工過程中組成變化的監(jiān)控和動力學(xué)行為等。
Quantum Design紅外產(chǎn)品著眼紅外光譜測量極限
媒體：請介紹貴公司在紅外光譜產(chǎn)品的定位及發(fā)展歷史?有哪些獨具優(yōu)勢(里程碑式)的技術(shù)(ZL技術(shù)，獨有技術(shù))?
韓鐵柱博士：我們公司一直貼合最新研究前沿和熱點課題，結(jié)合紅外光譜的應(yīng)用與現(xiàn)代尖端科學(xué)研究的需要，專注最新、最先進紅外光譜技術(shù)和產(chǎn)品的引進，先后引進了德國neaspec公司的nano-FTIR 10納米超高空間分辨的新型傅里葉紅外光譜儀、美國PSC公司的mIRage非接觸式亞微米分辨觸紅外拉曼同步測量系統(tǒng)，2019年又引進了瑞士IRsweep公司的IRis-F1微秒級時間分辨超靈敏紅外光譜儀。這三款主推產(chǎn)品從空間分辨率、非接觸測量、時間分辨等維度，極大推動了紅外光譜測量極限。
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nano-FTIR納米傅里葉紅外光譜技術(shù)是由德國neaspec公司基于其首創(chuàng)的散射型近場光學(xué)技術(shù)發(fā)展出來的、具有10納米超高空間分辨的新型傅里葉紅外技術(shù)，使得納米尺度下的化學(xué)鑒定和成像成為可能。這一技術(shù)綜合了原子力顯微鏡的高空間分辨率和傅里葉紅外光譜的高化學(xué)敏感度，實現(xiàn)對幾乎所有材料的化學(xué)分辨和成分分析。它不受被檢測樣品厚度制約，可廣泛適用于有機物、無機物、半導(dǎo)體材料、二維范德華材料的納米分辨紅外光譜分析，并同時提供納米空間分辨的紅外吸收譜和反射譜。
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全新一代mIRage非接觸式亞微米分辨觸紅外拉曼同步測量系統(tǒng)，是美國PSC公司基于ZL的光學(xué)光熱紅外技術(shù)(O-PTIR)，將光學(xué)顯微與微區(qū)紅外結(jié)合，一舉突破了傳統(tǒng)傅里葉紅外光譜(FT-IR)及衰減全反射紅外光譜(ATR-IR)的分辨局限,實現(xiàn)了500nm的空間分辨率;它具備非接觸式/反射模式測量，對樣品表面無嚴格要求，可直接對厚樣品進行測試;可搭配液體模式和與拉曼聯(lián)用，直接觀察液體生物樣品，并對樣品進行同時同地同分辨率下的紅外拉曼同步光譜和成像分析，無熒光風(fēng)險。
瑞士IRsweep公司推出的IRis-F1微秒級時間分辨超靈敏紅外光譜儀，榮獲了由媒體主辦2019年度科學(xué)儀器“優(yōu)秀新品獎”，它是一種基于量子級聯(lián)激光器頻率梳的紅外光譜儀，突破了傳統(tǒng)光譜儀需要幾秒鐘或者更長的測量時間來獲取一個完整的光譜的限制，能實現(xiàn)高達1μs時間分辨的紅外光譜快速測量。它測量數(shù)據(jù)信噪比高，易于微量及痕量光譜分析，兼容常用紅外光譜儀插件，方便易用、可靠性高。
媒體：貴公司紅外光譜儀應(yīng)用最具優(yōu)勢的領(lǐng)域?主推的解決方案?
韓鐵柱博士：我們公司近幾年在紅外光譜領(lǐng)域銷售保持持續(xù)地穩(wěn)定增長，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域和具體的技術(shù)需求，我們推出了對應(yīng)的解決方案。
1、nano-FTIR是我們針對傅里葉紅外光譜空間分辨率在10nm量級，所推出的成熟技術(shù)方案，它利用AFM探針突破紅外光斑的限制，并利用激光光源的高亮度和穩(wěn)定性可進超高空間分辨下的物質(zhì)微納組分研究和表征。并后期結(jié)合飛秒激光器，可實現(xiàn)fs級的紅外光譜測量表征。
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美國NASA于2014年從太空帶回了直徑約為10um的彗星碎片。由于傳統(tǒng)紅外分辨率受制于光斑大小，該樣品內(nèi)部成分無法進一步檢測。利用上述內(nèi)容提到的納米傅里葉紅外技術(shù)10nm空間分辨率，科學(xué)家可以很好的對彗星碎片內(nèi)主要5種礦物進行有效分析，并能就其組分的空間分布進行具體的表征。進一步地，在10nm超高空間分辨率的基礎(chǔ)上，nano-FTIR還可以與50fs的時間分辨超快激光技術(shù)進行結(jié)合，同時達到紅外設(shè)備的“超高空間分辨”和“超高時間分辨”。該工作在2014年由Eisele等人在實驗室實現(xiàn)，作者利用pump激光和我們的納米傅立葉紅外光譜進行同步，在InAs納米線上由-5ps到1050fs分別延遲激發(fā)樣品，得到了納米線上載流子形成和衰減的全過程紅外光譜圖。
2、當紅外光譜空間分辨率要求在亞微米量級，且傳統(tǒng)傅里葉變換紅外光譜和ATR技術(shù)應(yīng)用受限或者樣品制備困難情況下，mIRage非接觸式亞微米分辨觸紅外拉曼同步測量系統(tǒng)無疑是一個最好的選擇。它的高空間分辨率、非接觸式的測量方法以及可與拉曼聯(lián)用的特點，可以快速獲取材料的二維紅外光譜和組成分布信息。
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越來越多的塑料產(chǎn)品的使用引發(fā)了人們對于其在環(huán)境中累積所引發(fā)的環(huán)境和生態(tài)污染問題的擔(dān)憂，迫使科學(xué)家盡快找到可替代性的新型材料。而生物塑料, 如聚乳酸(PLA)和聚羥基烷酸酯(PHA)等均來源于天然資源(如糖，植物油等)，在適當條件下可發(fā)生生物降解，成為最近研究的熱點話題。為了更好地理解這兩種材料在微觀上的相互作用，美國特拉華大學(xué)Isao Noda教授課題組使用mIRage系統(tǒng)對PLA和PHA的復(fù)合薄片進行紅外拉曼同步成像分析，探究了這兩種材料結(jié)合的方式和內(nèi)在擴散機制，為未來研究生物微塑料的演變和降解過程提供數(shù)據(jù)和理論上的支持。
3、為精準描述生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等許多變化過程中的紅外光譜情況，我們推出了IRis-F1微秒級時間分辨超靈敏紅外光譜儀解決方案。
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斯坦福大學(xué)的Nicolas H.Pinkowski研究團隊利用IRis-F1實現(xiàn)了高能氣相反應(yīng)中的微秒分辨單次測量。他們在壓力驅(qū)動下的高溫、高壓反應(yīng)釜中研究了一種劇烈的丙炔氧化化學(xué)反應(yīng)，以4μs時間分辨測量速率，解析了丙炔與氧氣之間1.0 毫秒高溫反應(yīng)的詳細動力學(xué)光譜。來自IRis-F1的量子級聯(lián)激光的雙梳狀光譜儀(DCS)測試數(shù)據(jù)表明：在反應(yīng)早期(0-0.6 ms)能觀察到寬帶丙炔吸收特征峰，而在0.75 ms之后可以觀察到水的精細特征光譜。
未來：通用型和專用型紅外光譜協(xié)同發(fā)展
媒體：目前國內(nèi)外紅外光譜儀的技術(shù)及市場發(fā)展態(tài)勢有什么不同?您如何看待未來中國市場的需求及發(fā)展?jié)摿?
韓鐵柱博士：當前市場上紅外光譜儀可以大致分為通用型和專用型兩大類，體現(xiàn)了紅外光譜儀的發(fā)展與工業(yè)化需求以及科學(xué)研究需求是密切相連的。進口通用型紅外光譜儀市場主要以傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)為主，制造廠家主要來自于歐美等國，而色散型紅外光譜儀比較少見;近些年來國產(chǎn)的FTIR廠家逐漸嶄露頭角，盡管技術(shù)和世界主流公司相比還有一定差距，但差距正在不斷縮小。其新型干涉光路的搭建，有效降低了振動和導(dǎo)軌偏移引發(fā)的干涉變形，結(jié)合眾多新型紅外附件的開發(fā)，目前國內(nèi)紅外光譜議產(chǎn)品正在走出國門，遠銷歐美和東南亞;專業(yè)的研究型紅外光譜儀主要在一些科研機構(gòu)使用，存在一定的定制化，它可以與紅外顯微鏡、熱分析、氣相色譜等外聯(lián)附件聯(lián)合使用，實現(xiàn)多種分析手段的同步進行和數(shù)據(jù)交叉對比。
作為普適性的一種分析手段，紅外光譜儀在國內(nèi)有較大的潛在市場，未來紅外光譜儀技術(shù)，無論是智能化程度、產(chǎn)品聯(lián)用、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)化還是小型化上都存在很強的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗猓t外光譜與成像相結(jié)合的多信息融合檢測技術(shù)，也是當前紅外技術(shù)的主要發(fā)展方向。未來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，制造技術(shù)的不斷變革以及計算機技術(shù)的發(fā)展，更多成本更低的研究型和專用型紅外成像光譜儀預(yù)計將會陸續(xù)出現(xiàn)，被更多的應(yīng)用于過程分析和高通量分析中，如制藥，農(nóng)業(yè)，食品，高分子和催化材料等領(lǐng)域，成為傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)的一種有力互補技術(shù)。
媒體：針對當前的市場格局，貴公司在紅外光譜產(chǎn)品方面有什么樣的布局?重點拓展的新領(lǐng)域有哪些?
韓鐵柱博士：針對當前的市場格局，我們公司繼續(xù)結(jié)合科研用戶的技術(shù)需求，引進一系列紅外產(chǎn)品引入中國市場，比如基于AFM探針技術(shù)的超高納米空間分辨率的近場光學(xué)顯微系統(tǒng)、散場式光學(xué)顯微鏡、納米傅里葉紅外光譜儀等;同時，我們也將開展通用型紅外光譜儀的布局，引入適合普通科研用途和工業(yè)應(yīng)用的光譜儀，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域范圍，解決一系列應(yīng)用中的實際問題，具體體現(xiàn)在：
1)針對傳統(tǒng)傅里葉變換和衰減全反射紅外光譜限制的亞微米分辨光學(xué)光熱紅外顯微技術(shù)，提高其空間分辨率；2)簡化樣品制備過程，避免樣品污染和接觸引發(fā)的紅外贗相；3)拓展紅外樣品的適用范圍，包括一些常規(guī)紅外無法檢測的厚樣品，透明樣品，液體樣品等；4)努力發(fā)展與其他技術(shù)的聯(lián)用，實現(xiàn)多種技術(shù)的交叉互補使用，全面了解樣品表面的化學(xué)信息，如紅外和拉曼光譜技術(shù)聯(lián)用，對有機無機樣品的各種分子振動進行全面的分析和相互驗證。
通過以上布局，我們一方面注重拓展高新技術(shù)領(lǐng)域的紅外光譜應(yīng)用，如納米紅外光譜和成像，超快/時間分辨紅外光譜等，用于納米材料的高分辨表征和化學(xué)過程的監(jiān)測;另一方面拓展實際應(yīng)用領(lǐng)域的紅外技術(shù)應(yīng)用，包括制藥、化工、半導(dǎo)體、農(nóng)業(yè)和食品、地質(zhì)和環(huán)境、法醫(yī)鑒定等，解決科研和生產(chǎn)過程中遇到的一系列實際問題，推動紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用。
后記：
習(xí)近平總書記非常重視科技創(chuàng)新能力，他在重要講話中指出“自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路”，“當今世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，我們要增強使命感，把創(chuàng)新作為最大政策，奮起直追、迎頭趕上”。Quantum Design中國也以此為己任，在公司的建設(shè)和發(fā)展過程中，致力于為中國科研工作者的成功提供專業(yè)支持和服務(wù)。
韓鐵柱博士介紹說，“我們深深理解國內(nèi)科學(xué)家和學(xué)者們從不缺乏創(chuàng)新性的科研想法和構(gòu)想，如何借助先進儀器幫助科學(xué)家將這些想法付諸于實踐，是Quantum Design中國一直在思考的問題。”據(jù)悉， Quantum Design中國建立了超過300萬美元的樣機實驗室，為國內(nèi)科學(xué)家嘗試自己的想法提供了舞臺和施展的空間。就尖端紅外光譜分析儀器而言，Quantum Design中國樣機實驗室引進了德國neaspec公司的nano-FTIR 10納米超高空間分辨的新型傅里葉紅外儀，以及美國PSC公司的mIRage非接觸式亞微米分辨觸紅外拉曼同步測量系統(tǒng)，并向國內(nèi)科學(xué)家開放。截至2020年6月，Quantum Design中國樣機實驗室測量的數(shù)據(jù)已經(jīng)協(xié)助科學(xué)家在Nature正刊、Nature子刊、ASC等著名國際期刊上發(fā)表多篇創(chuàng)新性的科研成果，得到了廣大科學(xué)家的認可和贊譽。
