賽默飛世爾科技傅立葉變換紅外光譜儀的緣起、發展與展望

　　1. 引言

　　紅外光譜分析技術的優點是靈敏度高、波數準確且重複性好，廣泛用於樣品的定性、定量分析。紅外光譜可以分析常規的固體、液體或氣體樣品，也可以利用紅外光譜附件或聯機技術(如紅外顯微鏡、氣相色譜紅外光譜聯機等)分析微克級，甚至納克級的樣品。同時，紅外光譜法即可以對單一組分的純淨物進行分析，也可以對多種組分的混合物進行測定，所以紅外光譜的應用範圍非常廣泛。紅外光譜技術可以用於有機物、無機物、聚合物、配位化合物的分析，也可用於複合材料、木材、糧食、飾物、土壤、巖石、各種礦物、包裹體等的分析。因此，紅外光譜是教學、科研領域必不可少的分析技術，在化工、冶金、地礦、石油、煤炭、醫藥、環境、農業、海關、寶石鑑定、文物、公檢法等部門也得到了廣泛的應用^【1】。

　　2. 賽默飛 Nicolet致力傅立葉紅外技術發展

　　從上世紀七十年代到現在的五十年，傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術發展迅速，FTIR光譜儀的更新換代很快。隨著FTIR光譜儀器技術的不斷發展，紅外採樣附件、聯機技術、應用軟體等也在不斷地發展，不斷地更新換代。使紅外光譜儀的功能、性能不斷地提高，也促使紅外光譜技術得到更加廣泛的應用。

　　在FTIR光譜儀發展歷程中，賽默飛世爾科技(Nicolet)作為FTIR光譜儀的最主要製造廠商，見證和踐行了FTIR光譜儀產品的誕生和發展，並且為FTIR光譜儀技術的發展^【2】做出了巨大貢獻。因此，通過了解賽默飛世爾科技的FTIR光譜儀技術發展可以窺見整個FTIR光譜儀發展歷程。

　　賽默飛世爾科技FTIR產品製造部門的前身是美國尼高力(Nicolet)儀器公司。Nicolet成立於1967年，其總部位於美國威斯康星州的麥迪遜。早期致力於全數碼化的高科技產品開發，並於七十年代初已經擁有超小型計算機快速傅立葉變換(FFT)信號轉換處理技術，也是Nicolet擁有 FTIR光譜儀產品製造的核心競爭力的緣起。

　　FTIR光譜儀能夠全面取代光柵型紅外光譜儀的關鍵源於發展的光學技術與計算機技術的結合，FTIR光譜儀初始產品是基於 Nicolet 的計算機技術。1970年世界上第一臺FTIR產品的FFT信號轉換處理系統是Nicolet 1070/pdp-8系統，時隔不久Nicolet就推出680處理系統，將1070/pdp-8系統需要1小時進行的FFT數據運算縮短至不到1秒鐘，具有獨到的技術優勢。1975年Nicolet以領先的1180FFT處理系統自主生產從可見至遠紅外全光譜波段、光譜解析度達0.06cm-1的高端7199型系列FTIR光譜儀;1979年除推出了第一臺成本較低的MX-1型FTIR光譜儀之外，還相繼推出的真空型的Nicolet 200SXV系列FTIR光譜儀，從而擁有了最完整的FTIR系列儀器產品，成為了世界上最大的FTIR製造廠商。

　　到了八十年代，Nicolet FTIR的技術更展現出創新能力：1)1981年推出第一臺桌面臺式的FT-IR儀器(5MX) 。2)推出油品分析專用FT-IR系統(8210)、氣體分析專用FT-IR系統(8220)、專用半導體矽晶圓測量的ECO FT-IR設備、FTIR顯微鏡及FTIR遙感監測系統。3)Nicolet根據PC的應用前景，收購IBM公司分析儀器部，獲得PC平臺的多項技術，最早推出了PC-FTIR光譜儀以及基於PC機光譜軟體。 4) Nicolet推出全新型的G-Series整體鑄造的光學臺底座(named「Gopher」)，使儀器的穩定性和密封性能增強。5)1986年Nicolet的製造專家受到美國「挑戰者」號太空梭事件的啟示，開始投入FTIR光譜儀的可靠性、耐用性、故障提示及故障預排除等功能的設計，1991年推出了全然改變的Magna系列FTIR光譜儀，儀器整體採用了「對針定位」無需手動調整的光學部件、合金高精度切削製作的光學鏡、DSP控制高速動態調整幹涉儀、高能量長壽命的紅外光源、無鼓膜效應的遠紅外固態分束器等全新專利技術。從此FTIR光譜儀可對各種來源的幹擾進行實時監測、同步校準。隨著計算機技術的高速發展，幹涉儀動態調整頻率可達十三萬次每秒，確保高解析度光譜採集、步進掃描及納秒級時間分辨等FTIR極限實驗都可以輕鬆實現，並降低了對實驗操作人員自身專業的要求。同期開發的OMNIC系列紅外光譜軟體則成為業界的經典，沿用至今。6)Nicole不斷推出FTIR與GC、GPC、TGA、Raman、流變和顯微等各種聯用檢測分析新技術，擴展FTIR光譜儀的功能。

　　進入新千年，隨著計算機電子和光學技術的發展，Thermo Nicolet以不斷提升和完善的FTIR核心技術作後盾，保證Nicolet FTIR光譜儀的技術領先，努力打造高性能、穩定、方便使用的智能型FTIR光譜儀，淘汰操作繁瑣、穩定性差的常規技術，所有的Nicolet FTIR光譜儀核心部件均採用高性能的動態調整控制。Thermo Nicolet首次提出基於集成紅外主機、附件、軟體的 「Total Solution」設計理念。使高質量光譜一鍵即得，用戶只需結合自己專業、專注於光譜信息解析，而不必為儀器狀態花費精力。Nicolet FTIR技術面對日益增長的、多樣化的測試需求，推出可「無限升級」的Nexus與X700系列，在中科院、高校等科研單位獲得廣泛應用。Nicolet紅外採樣技術推出了以多功能歐米採樣器為代表的一系列智能附件。附件模塊化設計、自動識別、即插即用、使用極其方便。Thermo Nicolet智能的高級ATR校正功能實現了ATR譜圖與透射法採集的標準譜圖庫的直接檢索，消除了制樣技術對使用者的禁錮;高級材料分析功能，一鍵可自動給出清晰的疊譜解析。與此同時，Thermo Nicolet的 FT-NIR光譜儀，創建了工業解決方案，2000年以全新的工業標準，推出模塊化設計Antaris 系列FT-NIR儀器，分別在2001和2002年連續獲得「R&D」大獎。Thermo Nicolet FTIR的技術革新有力推動了整個FTIR光譜儀技術的快速發展，Nicolet FTIR的歷程是FTIR光譜儀的發展史。

　　3. 賽默飛紅外光譜產品及特點

　　目前賽默飛Nicolet FTIR光譜儀的均採用傅立葉紅外儀器採用最新一代麥可遜幹涉儀，具有三維雷射控制實時監測自動調整和每秒130,000次掃描控制高速動態準直調整功能,幹涉儀超高的控制精度和穩定性，使紅外光譜檢測技術達到更高水準。

　　其中 Nicolet iS50系列是目前Nicolet最具代表性的FTIR光譜儀，是FTIR技術之集大成者。一經推出即獲得「R&D 100」大獎。Nicolet iS50系列已經不僅僅局限在紅外光譜測試本身，而是一個高性能、穩定、自動化的全功能分析工作站，可滿足紅外及各種聯用方式、特殊應用等多種分析需求，創立了智能化高端研究型傅立葉紅外光譜儀技術的更高標準。完全自動化設計可實現多個光源、分束器、檢測器等光學器件的自動切換，光譜範圍可覆蓋中紅外、近紅外、遠紅外、太赫茲、可見光甚至紫外等多個譜段，紅外與Raman、樣品倉與內外光路轉換皆可「一鍵式」自由選擇。光學倉「背景保持」技術，結合主機一體式ATR配置可輕鬆實現同一測試位置的中遠紅外光譜範圍的樣品測試。該設計對於遠紅外測試是一個極大地進步，特別是液體樣品的遠紅外測試。即使昂貴的真空型紅外光譜儀也無法如此方便的獲得相同測試效果。依照模塊化智能附件的設計思路，甚至如顯微傅立葉拉曼、熱重聯機等複雜的大型聯機模塊也被設計成智能附件，直接放置於樣品倉，極大提高了光學效率與聯機穩定性，推動了相關技術的發展。更多的聯機技術：熱重分析儀、氣相色譜、凝膠色譜、液 相色譜、超臨界色譜、Stop Flow、流變儀、橢偏儀、同步輻射光源、IRRAS、振動圓二色等;通過步進掃描可實現的應用：納秒級的時間分辨、脈衝雷射器的光譜特性、光化學反應、液晶的TRS光譜、晶體雷射材料的發射光譜，以及幅調製光譜、相分辨光譜(光聲深度斷面圖分析、聚合物拉伸分析)等。針對用戶如發射光譜測試、光致發光光譜、光電流譜、超高真空原位聯合表徵等特殊檢測需求，Nicolet iS50也可以通過靈活的開放光路搭建多種客戶需要的光學系統。

　　為滿足不同應用的需求，賽默飛世爾科技傅立葉紅外光譜儀設計了Nicolet Summit/iS5、Nicolet iS20、Nicolet iN10系列、Anatirs II系列、Antairs IGS等一系列產品。

　　- Nicolet Summit/iS5 是針對中紅外典型光譜測試開發的專用FTIR光譜儀。因其光學效率高、操作簡便、堅固耐用、體積小巧、方便攜帶等特點深得用戶喜愛。是目前FTIR市場中臺數最多的FTIR產品;

　　- Nicolet iS20為從事分析服務、質量控制和法醫應用的實驗室而設計,其良好的性能為材料驗證和識別提供充足保障，伴隨重新設計的Thermo Scientific™LightDrive™光學引擎和集成觸摸操作面板，其高解析度與快速掃描能力滿足了原位反應監測的需求，是最高效的研究級FTIR光譜儀。其穩定的光學輸出，是構建等效雙光路光學測試系統的基礎。基於Nicolet iS20、創新的雙光束FTIR原位監測系統為催化劑原位表徵添加新手段;

　　- Nicolet iN10系列紅外成像系統是針對紅外微區或微小樣品測試設計的專用顯微紅外光譜儀。創新的「一體化」設計是專門滿足紅外光譜成像對能量與穩定性的需求。以其超高的光學效率即使是室溫DTGS檢測器也可獲得有效光譜。完整光學平臺獲得的穩定性結合自動化控制系統是「超快成像」功能的保證。極大提升了紅外光譜成像速度。該系列一經推出即獲得「R&D 100」大獎，並在之後直接拓展了顯微FTIR光譜儀的市場。

　　- Antairs IGS專用氣體分析儀獨特的「雙光路設計」是依據氣體分析特點專門開發的。可隨時消除大氣背景變化對測試結果的幹擾。特別適合流動氣體、反應氣體的實時監測。

　　4. 賽默飛傅立葉紅外光譜儀助力中國用戶

　　賽默飛世爾科技作為科學服務的領導者，是儀器的生產製造者，更是分析應用的服務者。回顧Nicolet的FTIR光譜儀發展歷程，關注用戶體驗，將應用要求作為儀器設計的定位是Nicolet FTIR技術始終保持市場領先的原因。根據世界著名諮詢公司 SDi 撰寫的關於化學分析儀器「市場分析與前景報告」，賽默飛世爾科技的FTIR光譜儀自2000年至今，全球佔有率仍處於第一位。並且給出了「Thermo Fisher leads the market」^【2】的極高評價。

　　賽默飛世科技在中國開展業務已有四十多年，Nicolet首批MX-1 FTIR光譜儀在中國的推廣可以溯源到上世紀七十年代，當時其中三臺突破了技術封鎖才運抵國內實驗室。進入80年代，中國開始大批量引進Nicolet FTIR光譜儀。目前Nicolet FTIR光譜儀已遍布我國高等院校、科研機構、廠礦企業和分析測試部門，為我國的先進材料、前沿科學、高等教育、國家政府管理技術以及工農業各領域的發展發揮了不可或缺的作用。

　　賽默飛世科技在中國具有業內用戶首肯的最強最健全的應用技術支持、銷前售後的服務體系。處於市場領先地位的FTIR產品的全面服務是根據用戶的應用需求量身定製，幫助用戶提升分析工作的生產效率。內容從技術諮詢、方案開發，到儀器維修和優化，幫助用戶分析測試創建完全自定義、可擴展、高效率的解決方案，為用戶科研和分析工作提供更自信的保障。賽默飛世科技為促進用戶間的FTIR的技術交流，定期舉辦用戶交流會和各種操作、制樣及應用學習班，參與出版了《傅立葉變換紅外光譜技術及應用研討會論文集》、《實用傅立葉變換紅外光譜學》和《傅立葉變換紅外光譜分析》等專著，組織全國四十多位紅外光譜專家撰寫出版了《近代傅立葉變換紅外光譜技術及應用》(榮獲了中宣部頒發的中國圖書獎)。對Thermo Nicolet FTIR光譜儀的用戶而言，不僅意味著擁有一臺高質量和良好售後服務的儀器，而且在整個使用過程中還將不斷得到多方面的幫助和支持，能更好地開發儀器功能，解決工作中遇到的實際問題。

　　縱觀整個分析儀器行業，儘管傅立葉變換紅外光譜技術(FTIR)發展非常迅速，但相比同樣在2000年以後開始高速發展的色譜、質譜技術則緩慢了很多。作為多年從事相關工作的從業人員認為傅立葉變換紅外光譜技術存在更大的發展空間。這是因為紅外光譜可以直接得到化學鍵與官能團等分子結構信息，無需前處理，也是可以在大多數條件下真正實現原位、現場檢測的技術。特別是現在的FTIR光譜儀不僅僅是一個單一分析技術，而是一個涵蓋廣泛應用的光學平臺。可以同時在非常寬的光譜範圍內收集高光譜解析度數據。其可覆蓋的光譜範圍不僅僅是傳統的中紅外，而是在中紅外、近紅外、遠紅外、可見光、紫外、太赫茲多個波段都可以利用此平臺進行光譜採集;固體、液體、氣體全態樣品都可直接測試;既可以將樣品放置在樣品倉，也可以將檢測光束引到儀器外部的測試位置;溫度、壓力、真空、電場、磁場等檢測條件也可以在樣品測試中實現。因此，FTIR光譜儀理應獲得更大發展。

　　目前，從Thermo Nicolet的FTIR光譜儀發展情況，FTIR光譜儀的核心技術已經相當成熟。更多的發展空間在於應用開發。特別是樣品處理、光譜採集、數據分析及綜合控制的自動化與智能化應用。做好這些就可能開發出基於FTIR技術的全新市場。一直以來，Thermo Nicolet都是致力於與用戶一起開發新應用，通過新應用開拓新市場。例如，瀝青檢測，原先沒有適合的技術符合現場、快速的檢測要求。甘肅暢隴公路養護技術研究院有限公司率先使用Nicolet iS5 紅外光譜主機結合Nicolet專屬的Foundation附件研發的瀝青指紋識別技術在天定、成武、臨合等六條高速公路成功推廣使用，並協助甘肅公路管理局對全省二級公路瀝青使用進行監控。瀝青指紋識別技術具有操作簡便快捷的特點，從取樣、測試到分析3分鐘完成，基於採集的紅外譜圖資料庫，建立了紅外光譜自動分析系統，通過測試可自動確定瀝青品牌。有效解決了常規國標檢測耗時長、美國SHRP測試價格昂貴等問題^【3】。截止到現在，該系統已在檢測現場成功裝備了一百餘臺。包括國內的其他FTIR製造商看到此中商機也相繼開發基於FTIR技術的瀝青快速檢測儀。新市場就這樣開拓出來了。

　　作為製造商，推出更合適的、方便用戶參與的FTIR硬體與軟體是將來FTIR光譜儀發展方向。硬體上，Thermo Nicolet不刻意追求功能強大，而是在所有機型核心部件具備最高性能的情況下給予用戶最經濟的成本;軟體上，OMNIC軟體系列幾乎涵蓋了所有紅外光譜數據處理功能，方便用戶方法開發。除此之外，為了配合於2015年5月19日由國務院正式印發《中國製造2025》計劃，賽默飛特別推出「OEM Technology Partner Program」項目，致力於與中國客戶打造中國自己的專用產品。專門設計推出了適用於 OEM 應用的新型模塊化 FTIR 光譜學平臺，該光譜平臺可供您搭建獨特的基於 FTIR 技術的分析儀。快速將您的思想轉變最終產品。

　　實現用戶的夢想是我們的目標。賽默飛世爾科技非常願與中國用戶一起不斷開發FTIR應用，拓展FTIR市場。

　　【1】《傅立葉變換紅外光譜分析》(第三版)翁詩甫、徐怡莊編著

　　【2】The 2017 Global Assessment Report – January 2017，Page 296

　　【3】http://www.gansu-hc.com/info/1051/7375.htm

（賽默飛投稿）