近年來，在多域大發展及各類新技術不斷進步的形勢下，傳統的紅外光譜技術已經從單純的紅外光譜儀、顯微鏡與紅外光譜聯用，發展到了紅外成像系統，并在信噪比、空間分辨率、時間分辨率、測量模式等方面呈現了新的發展活力。同時，在新技術的助力下，紅外光譜在應用方面也得到了很大的拓展。 　

    Quantum Design公司直致力于引進進的紅外光譜技術，其中neaspec納米傅里葉紅外光譜儀、微秒時間分辨超靈敏紅外光譜儀在探尋紅外光譜測量限上展現了*的魅力，后獲得科學儀器“新品獎”。業界評價：Quantum Design在產品的選擇上頗具眼光!

    為了多方位展現我國在紅外光譜域的新成果，儀器信息網別策劃制作《穩中求新紅外光譜技術及應用進展》網絡題，別邀請Quantum Design中國表面光譜銷售總監韓鐵柱博士為大家介紹紅外光譜儀的新技術及應用情況，并探尋紅外光譜的測量限。 　　

    紅外光譜技術發展需求：高敏感度、高空間和高時間分辨率  

    儀器信息網：從儀器發展及應用的角度分析，您認為目前紅外光譜儀器及技術走到了哪個階段?

    韓鐵柱博士：人類對紅外光的認識已經超過兩個世紀，1800年，英國科學家W.?Herschel在研究溫度計對紫色到紅色光照射變化時，就已經意識到紅色末端區域外仍然存在著看不到的輻射區域。九十年后，瑞典科學家Angstrem用CO和CO2*證明了不同分子具有不同的紅外譜圖，并在此基礎上進步建立了現代分子光譜學。在此之后的個多世紀里，人類科學家已經可以用紅外光手段，對大量的分子振動和轉動信息進行譜學分析和鑒別。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過門訓練的光譜學家進行操作，也能輕易獲取數據。該設備的商業化及普及標志著紅外譜學門檻的大大降低，在科學研究、社會實踐及工業控制等域將迎來飛躍式發展。

    現代紅外光譜議主要指由上世紀80年代發展建立的以傅立葉變換為基礎的儀器。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、高信噪比等點，并且隨之催生了許多新技術，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用域，使得紅外技術的發展產生了質的飛躍。

    然而，隨著科學技術的不斷發展和應用域的進步細分，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，逐漸不能滿足紅外光譜科學研究中高敏感度、高空間和高時間分辨率的需要。

    儀器信息網：目前紅外光譜的測量限發展到了什么程度?可以給大家帶來什么樣的體驗?

    韓鐵柱博士：目前，傳統紅外光譜的空間分辨測量限在幾微米到幾十微米，時間分辨測量限在幾十毫秒的量，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，隨著紅寶石激光器的問世，科學域得益于激光技術的廣泛應用，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點，非接觸式的紅外光譜技術空間分辨率可達500nm，如果進步搭配近場探針突破衍射限，空間分辨可進步提升至10nm。用QCL激光的雙光梳設計，目前激光base的紅外光譜可以*拋棄步徑位移，將時間分辨提高到us，如果將超快激光引入pump-probe體系，時間分辨可以達到fs別。

    儀器信息網：相對于其它的分析儀器，紅外光譜的應用市場活力如何?哪些應用域會有大的發展空間?為什么?

    韓鐵柱博士：相對于其他分析儀器，紅外光譜分析技術具有使用成本低、操作和維護簡單、靈敏度和分辨率較高、征性強等點，能提供包含化合物官能團、類別、立體結構、取代基種類和數目等多種信息。近年來計算機技術的迅猛發展帶來了分析儀器數字化和化學計量學科的同步發展，加之紅外光譜技術*點，使得其應用范圍進步拓寬。

    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，廣泛應用于化工、制藥、農業和食品、半導體、寶石鑒定、質檢、地礦和環境等域，是科學研究的有力技術手段，也是常規應用分析和生產*的分析技術。譬如在中醫藥域，作為個復雜的混合體系，中藥的鑒別和質量控制，以及有效成分的確定和質量分析，直是個難題，紅外光譜技術的點使得其作為指紋分析手段并結合化學計量學方法，成為中藥研究*的工具;在農業和食品域，近年來得益于焦平面陣列檢測器、可調諧濾光器、化學計量學方法和計算術的提升，紅外光譜和成像技術有機結合發展成為種多信息融合檢測技術。除了進行農產品和食品的品質分析外，紅外光譜的應用還擴展到了污染物檢測、產品分類和來源鑒別、土壤的物理和化學變化、以及食品加工過程中組成變化的監控和動力學行為等。

    Quantum Design紅外產品著眼紅外光譜測量限

    儀器信息網：請介紹貴公司在紅外光譜產品的定位及發展歷史?有哪些*勢(里程碑式)的技術?  

    韓鐵柱博士：我們公司直貼合新研究前沿和熱點課題，結合紅外光譜的應用與現代科學研究的需要，注新、進紅外光譜技術和產品的引進，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，2019年又引進了瑞士IRsweep公司的IRis-F1微秒時間分辨超靈敏紅外光譜儀。這三款主推產品從空間分辨率、非接觸測量、時間分辨等維度，大大推動了紅外光譜測量限。

    nano-FTIR納米傅里葉紅外光譜技術是由德國neaspec公司基于其散射型近場光學技術發展出來的、具有10納米超高空間分辨的新型傅里葉紅外技術，使得納米尺度下的化學鑒定和成像成為可能。這技術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敏感度，實現對幾乎所有材料的化學分辨和成分分析。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。

    全新代mIRage非接觸式亞微米分辨觸紅外拉曼同步測量系統，是美國PSC公司基于光學光熱紅外技術(O-PTIR)，將光學顯微與微區紅外結合，舉突破了傳統傅里葉紅外光譜(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，無熒光風險。

    瑞士IRsweep公司推出的IRis-F1微秒時間分辨超靈敏紅外光譜儀，榮獲了由儀器信息網主辦2019年度科學儀器“新品獎”，它是種基于量子聯激光器頻率梳的紅外光譜儀，突破了傳統光譜儀需要幾秒鐘或者更長的測量時間來獲取個完整的光譜的限制，能實現高達1μs時間分辨的紅外光譜快速測量。它測量數據信噪比高，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。

    儀器信息網：貴公司紅外光譜儀應用勢的域?主推的解決方案?

    韓鐵柱博士：我們公司近幾年在紅外光譜域銷售保持持續地穩定增長，針對不同的應用域和具體的技術需求，我們推出了對應的解決方案。

1、nano-FTIR是我們針對傅里葉紅外光譜空間分辨率在10nm量，所推出的成熟技術方案，它用AFM探針突破紅外光斑的限制，并用激光光源的高亮度和穩定性可進超高空間分辨下的物質微納組分研究和表征。并后期結合飛秒激光器，可實現fs的紅外光譜測量表征。

    美國NASA于2014年從太空帶回了直徑約為10um的彗星碎片。由于傳統紅外分辨率受制于光斑大小，該樣品內部成分無法進步檢測。用上述內容提到的納米傅里葉紅外技術10nm空間分辨率，科學家可以很好的對彗星碎片內主要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。進步地，在10nm超高空間分辨率的基礎上，nano-FTIR還可以與50fs的時間分辨超快激光技術進行結合，同時達到紅外設備的“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，作者用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，且傳統傅里葉變換紅外光譜和ATR技術應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無疑是個好的選擇。它的高空間分辨率、非接觸式的測量方法以及可與拉曼聯用的點，可以快速獲取材料的二維紅外光譜和組成分布信息。

    越來越多的塑料產品的使用引發了人們對于其在環境中累積所引發的環境和生態污染問題的擔憂，迫使科學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)，在適當條件下可發生生物降解，成為近研究的熱點話題。為了更好地理解這兩種材料在微觀上的相互作用，美國拉華大學Isao Noda教授課題組使用mIRage系統對PLA和PHA的復合薄片進行紅外拉曼同步成像分析，探究了這兩種材料結合的方式和內在擴散機制，為未來研究生物微塑料的演變和降解過程提供數據和理論上的支持。

3、為描述生物醫學、化學動力學等許多變化過程中的紅外光譜情況，我們推出了IRis-F1微秒時間分辨超靈敏紅外光譜儀解決方案。

    斯坦福大學的Nicolas H.Pinkowski研究團隊用IRis-F1實現了高能氣相反應中的微秒分辨單次測量。他們在壓力驅動下的高溫、高壓反應釜中研究了種劇烈的丙炔氧化化學反應，以4μs時間分辨測量速率，解析了丙炔與氧氣之間1.0 毫秒高溫反應的詳細動力學光譜。來自IRis-F1的量子聯激光的雙梳狀光譜儀(DCS)測試數據表明：在反應早期(0-0.6 ms)能觀察到寬帶丙炔吸收征峰，而在0.75 ms之后可以觀察到水的精細征光譜。

    未來：通用型和型紅外光譜協同發展

    儀器信息網：目前國內外紅外光譜儀的技術及市場發展態勢有什么不同?您如何看待未來中國市場的需求及發展潛力?  

    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型兩大類，體現了紅外光譜儀的發展與工業化需求以及科學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;近些年來國產的FTIR廠家逐漸嶄露頭角，盡管技術和主流公司相比還有定差距，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軌偏移引發的干涉變形，結合眾多新型紅外附件的開發，目前國內紅外光譜議產品正在走出*，遠銷歐美和東南亞;業的研究型紅外光譜儀主要在些科研機構使用，存在定的定制化，它可以與紅外顯微鏡、熱分析、氣相色譜等外聯附件聯合使用，實現多種分析手段的同步進行和數據交叉對比。

    作為普適性的種分析手段，紅外光譜儀在國內有較大的潛在市場，未來紅外光譜儀技術，無論是智能化程度、產品聯用、應用域業化還是小型化上都存在很強的發展潛力。另外，紅外光譜與成像相結合的多信息融合檢測技術，也是當前紅外技術的主要發展方向。未來隨著應用域的不斷擴展，制造技術的不斷變革以及計算機技術的發展，更多成本更低的研究型和型紅外成像光譜儀預計將會陸續出現，被更多的應用于過程分析和高通量分析中，如制藥，農業，食品，高分子和催化材料等域，成為傳統紅外光譜技術的種有力互補技術。

    儀器信息網：針對當前的市場格局，貴公司在紅外光譜產品方面有什么樣的布局?重點拓展的新域有哪些? 

    韓鐵柱博士：針對當前的市場格局，我們公司繼續結合科研用戶的技術需求，引進系列紅外產品引入中國市場，比如基于AFM探針技術的超高納米空間分辨率的近場光學顯微系統、散場式光學顯微鏡、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應用的光譜儀，拓展其應用域范圍，解決系列應用中的實際問題，具體體現在：

    1)針對傳統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光熱紅外顯微技術，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的紅外贗相；3)拓展紅外樣品的適用范圍，包括些常規紅外無法檢測的厚樣品，透明樣品，液體樣品等；4)努力發展與其他技術的聯用，實現多種技術的交叉互補使用，全面了解樣品表面的化學信息，如紅外和拉曼光譜技術聯用，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，我們方面注重拓展高新技術域的紅外光譜應用，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過程的監測;另方面拓展實際應用域的紅外技術應用，包括制藥、化工、半導體、農業和食品、地質和環境、法醫鑒定等，解決科研和生產過程中遇到的系列實際問題，推動紅外光譜技術的應用。

后記：

    習非常重視科技創新能力，他在重要講話中指出“自主創新是我們攀登科技高峰的必由之路”，“當今科技革命和產業變革方興未艾，我們要增強使命感，把創新作為大政策，奮起直追、迎頭趕上”。Quantum Design中國也以此為己任，在公司的建設和發展過程中，致力于為中國科研工作者的成功提供業支持和服務。

    韓鐵柱博士介紹說，“我們深深理解國內科學家和學者們從不缺乏創新性的科研想法和構想，如何借助進儀器幫助科學家將這些想法付諸于實踐，是Quantum Design中國直在思考的問題。”據悉， Quantum Design中國建立了超過300萬美元的樣機實驗室，為國內科學家嘗試自己的想法提供了舞臺和施展的空間。就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，并向國內科學家開放。截至2020年6月，Quantum Design中國樣機實驗室測量的數據已經協助科學家在Nature正刊、Nature子刊、ASC等著名期刊上發表多篇創新性的科研成果，得到了廣大科學家的認可和贊譽。