大力發(fā)展光譜學(xué)儀器

摘要：追溯了紅外光譜儀和顯微鏡的發(fā)展過(guò)程，指出了每種技術(shù)發(fā)展的一般產(chǎn)品生命周期。相信通過(guò)擴(kuò)展應(yīng)用范圍以及加強(qiáng)教育工作者、研究人員、開(kāi)發(fā)者和儀器制造者間的合作，光譜學(xué)儀器能夠獲得新生。

Abstract：The author traces the evolution of infrared spectroscopy and microscopy, pointing out the normal product life cycle that every technology goes through．He believes that renewed growth is possible through novel applictions and partnerships among educators，researchers，developers，and instrument manufacnturers．

    大力發(fā)展光譜學(xué)儀器對(duì)于改善我們的生存環(huán)境是必需的�？茖W(xué)家、教育工作者和研發(fā)人員必須善于迎接發(fā)明新技術(shù)、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍的挑戰(zhàn)。光譜學(xué)儀器處在一個(gè)關(guān)鍵的階段，其發(fā)展是緩慢的，儀器都已趨向成熟，只有富有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)才能取得成功。光譜學(xué)儀器不是孤立的，這一點(diǎn)同樣適用于很多傳統(tǒng)的分析儀器。在最近的文獻(xiàn)型lI，安捷倫(Palo Alto，CA)化學(xué)分析組副總裁Chirs Van lngen聲明： “時(shí)代在前進(jìn)，傳統(tǒng)的分析儀器市場(chǎng)已經(jīng)成熟，所以今天所銷(xiāo)售的大部分產(chǎn)品都處在被替代的位置�！爆F(xiàn)在就是賦予光譜學(xué)儀器以新的生命的時(shí)刻。

1 增長(zhǎng)的特點(diǎn)

　　產(chǎn)品生命周期的市場(chǎng)理論假定所有的產(chǎn)品都將經(jīng)歷研制、成長(zhǎng)、成熟和淘汰四個(gè)明顯階段。這種增長(zhǎng)方式就像自然科學(xué)的原則一樣是最基本的。產(chǎn)品可以是任何被出售的實(shí)物、應(yīng)用、思想或服務(wù)。這個(gè)周期中的每一個(gè)階段都有各自的特點(diǎn)和潛在的趨勢(shì)，或是增長(zhǎng)，或是停滯，最后將由于競(jìng)爭(zhēng)、創(chuàng)新、市場(chǎng)轉(zhuǎn)移等原因不可避免的被淘汰。

　　一種技術(shù)，一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，一件儀器，一種應(yīng)用，它們的生命周期都開(kāi)始于一個(gè)概念，接著是它的研制、認(rèn)可、快速發(fā)展、成熟和衰落。圖1描述了一個(gè)分析儀器在各階段常規(guī)生命周期的曲線形式。產(chǎn)品生命周期的范圍只是相對(duì)的，它的階段性是一個(gè)基本的原則，從一個(gè)概念到一個(gè)被認(rèn)可的產(chǎn)品可能會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間。例如，從Coblentz在紅外光譜方面的探索工作到第一臺(tái)商品化紅外光譜儀的出現(xiàn)經(jīng)歷了30年的時(shí)間。一個(gè)新產(chǎn)品的設(shè)想就像一粒種子，沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)，它的生長(zhǎng)就會(huì)停滯不前。但是，一旦有了營(yíng)養(yǎng)，發(fā)展馬上就會(huì)開(kāi)始。研發(fā)工作可能需冒一定的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自資金、設(shè)計(jì)思想，或兩者兼而有之。發(fā)人員必須接受持反對(duì)意見(jiàn)者的挑戰(zhàn)。如果有10位專(zhuān)家來(lái)評(píng)價(jià)我們認(rèn)為的最佳設(shè)計(jì)，他們可能會(huì)提出100個(gè)理由，來(lái)說(shuō)明這個(gè)設(shè)計(jì)將會(huì)失敗。

　　研發(fā)階段是一個(gè)沮喪、刺激和令人興奮的階段。研發(fā)道路上的每一步常常就像在籠罩死亡陰影的山谷中行走一樣。當(dāng)產(chǎn)品的失敗是一個(gè)設(shè)定的冒險(xiǎn)活動(dòng)而且不是個(gè)人化的，那這樣一個(gè)研發(fā)過(guò)程的挑戰(zhàn)將是非常令人興奮的。研發(fā)項(xiàng)目導(dǎo)致一個(gè)獲得認(rèn)可的產(chǎn)品或是一種應(yīng)用，是值得慶幸的事情。

　　在一個(gè)構(gòu)想和一個(gè)認(rèn)可的產(chǎn)品之間，市場(chǎng)是跨越障礙的橋梁。對(duì)于任何一種產(chǎn)品、服務(wù)、應(yīng)用，都要通過(guò)市場(chǎng)來(lái)評(píng)價(jià)它的價(jià)值，尋找客戶(hù)和進(jìn)行宣傳活動(dòng)。市場(chǎng)要發(fā)揮效能，必須與開(kāi)發(fā)過(guò)程緊密聯(lián)系。市場(chǎng)人員必須了解這種產(chǎn)品及其應(yīng)用才能發(fā)現(xiàn)潛在的客戶(hù)并與其進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性的交流。

　　一種被認(rèn)可的產(chǎn)品的快速增長(zhǎng)需要營(yíng)銷(xiāo)手段、不斷上升附加值以及規(guī)�；�的生產(chǎn)。這種快速增長(zhǎng)階段是產(chǎn)品生命周期中利潤(rùn)最豐厚的階段。產(chǎn)品一旦開(kāi)發(fā)成功，殘酷的競(jìng)爭(zhēng)也就隨之開(kāi)始。成功之后，產(chǎn)品的改進(jìn)和提高就是必然的，具有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品會(huì)很快產(chǎn)生。然而對(duì)于初始研發(fā)者，由于競(jìng)爭(zhēng)使成本升高，產(chǎn)品價(jià)格下降，利潤(rùn)必然會(huì)降低。

　　在產(chǎn)品成熟期，市場(chǎng)占有的爭(zhēng)奪與產(chǎn)品的降價(jià)、改進(jìn)、包裝和分化是相伴在一起的。產(chǎn)品的成熟期會(huì)維持多久?

　　在成熟期，產(chǎn)品的增長(zhǎng)是緩慢的，也許會(huì)保持不變，或是螺旋式下降，或是重新增長(zhǎng)。如果沒(méi)有采取任何舉措來(lái)刺激增長(zhǎng)，則這一成熟的產(chǎn)品注定要被淘汰。對(duì)于一個(gè)特定的產(chǎn)品，淘汰階段是不可避免的。如果你承認(rèn)這一點(diǎn)，你就會(huì)在投資、研發(fā)、創(chuàng)立品牌、尋求客戶(hù)這一系列的過(guò)程中游刃有余。

　　產(chǎn)品生命周期理論早在20世紀(jì)70年代就已出現(xiàn)。在今天的分析儀器市場(chǎng)里，產(chǎn)品的生命周期更短，而且更加有活力。然而，如果你能確定產(chǎn)品處于哪一個(gè)階段，你就能采用一個(gè)明智的策略。為了把產(chǎn)品的生命周期理論應(yīng)用到分子光譜學(xué)儀器上，首先必須確定我們的產(chǎn)品處在哪個(gè)階段，然后才能制定出相應(yīng)的策略。圖2展示了17家美國(guó)公司報(bào)道223的紅外光譜儀(IR)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)以及近紅外光譜儀的銷(xiāo)售情況(不包括化學(xué)過(guò)程儀器)，平穩(wěn)的銷(xiāo)售狀況清楚地表明了分子光譜儀已經(jīng)是一個(gè)成熟的市場(chǎng)。有三條路擺在這個(gè)市場(chǎng)的前面??保持、下降、重新增長(zhǎng)，這取決于我們下一步采取什么行動(dòng)。在這樣一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)期，如果沒(méi)有采取一種積極的措施來(lái)促使新的增長(zhǎng)。那么分子光譜儀就會(huì)進(jìn)入到淘汰階段。

　　在此以前的一個(gè)生命周期里，IR也曾經(jīng)面臨這樣一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)期。盡管Coblentz以為早在20世紀(jì)初的幾年里，IR就已在分析中有了應(yīng)用。但是直到30年代，儀器才進(jìn)入研發(fā)階段。第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，使具有高辛烷值的燃料和合成橡膠成為戰(zhàn)略需要，研發(fā)人員需要借助IR來(lái)分析這些復(fù)雜的碳?xì)浠�合物，這是一個(gè)巨大的增長(zhǎng)刺激。在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，商品化的IR已經(jīng)可以買(mǎi)到。然而，直到PerkinElmer(Shelton，CT)在1951年推出了21型雙波IR^[3]，IR才被廣泛接受。隨著對(duì)FTIR的認(rèn)可，在接下來(lái)的20年里，IR飛速增長(zhǎng)并進(jìn)入到復(fù)興時(shí)期�，F(xiàn)在又是一個(gè)新的平臺(tái)期，說(shuō)明FTIR已經(jīng)進(jìn)入成熟期。

2 紅外顯微光譜儀

　　回顧紅外顯微光譜儀的生命周期，就會(huì)看出其對(duì)IR增長(zhǎng)產(chǎn)生的影響。紅外顯微光譜儀的歷史與IR的發(fā)展是平行的，技術(shù)上的障礙不僅阻礙紅外顯微光譜儀被人們接受，而且也限制了其應(yīng)用。隨著技術(shù)障礙的突破，新的產(chǎn)品和應(yīng)用又刺激了增長(zhǎng)。

　　1949年的兩篇文獻(xiàn)^[4，5]闡明了采用顯微鏡采集到少量樣品高品質(zhì)光譜圖的可能性。R．C．Gore在American Cyanamid (Stamford，CT)工作時(shí)，進(jìn)行了顯微鏡的探索工作。圖3為該顯微鏡。采用紫外放射線來(lái)增加分辨率和對(duì)比度的全反射顯微鏡首次被Polaroid公司(Cambridge，MA)的D．S．Grey開(kāi)發(fā)出來(lái)。然而當(dāng)采用紫外放射線來(lái)增加分辨率的電子顯微鏡推出來(lái)時(shí)，中紅外光譜儀已經(jīng)需要配備這種全反射顯微鏡了。

　　Vincent J．Coates領(lǐng)導(dǎo)的PerkinElmer工作人員開(kāi)發(fā)出來(lái)了第一臺(tái)商品化的IR用顯微鏡^[6]。PerkinElmer在1953年推出85型儀器。然而這并不是一個(gè)完全革新的產(chǎn)品，由于配套技術(shù)沒(méi)有跟上，該產(chǎn)品沒(méi)有能贏得市場(chǎng)。并且，顯微鏡是與單波束IR配套的，而此時(shí)IR已經(jīng)進(jìn)入了雙波束光譜儀時(shí)代。1951年，PerkinElmer公司推出了21型雙波束IR，并立即獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可，成為曾開(kāi)發(fā)的眾多科學(xué)儀器中最成功一種儀器。當(dāng)這種儀器的市場(chǎng)火爆時(shí)，紅外顯微鏡的市場(chǎng)已萎縮到幾乎要消亡的邊緣。

　　紅外顯微光譜儀在整個(gè)60年代和70年代早期已處于停滯階段，直到V．J．Coates在1978年推出了Nanometrics(Sunnyvale，CA)20型紅外顯微鏡系統(tǒng)，該類(lèi)產(chǎn)品才進(jìn)入新的增長(zhǎng)期。這種系統(tǒng)通過(guò)顯微鏡簡(jiǎn)化了紅外光譜圖的采集。微處理技術(shù)被同時(shí)用于數(shù)據(jù)的采集、紅外光譜計(jì)算、數(shù)字譜圖存儲(chǔ)并進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。紅外顯微光譜儀開(kāi)始被市場(chǎng)認(rèn)可，新的應(yīng)用也相應(yīng)地得到發(fā)展。在20型IR達(dá)到最大市場(chǎng)容量前，它又被新的FTIR技術(shù)取代了。

　　在塑料食品包裝、故障分析、產(chǎn)品污染鑒定及材料分析領(lǐng)域里也有類(lèi)似的增長(zhǎng)報(bào)告。FTIR微探針與一個(gè)同步回旋加速器光源相連，這個(gè)加速器提供一個(gè)獨(dú)特的紅外輻射超亮源，可使直徑為幾個(gè)微米的樣品就能滿足要求。這些實(shí)例說(shuō)明了新的應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)及其與其他技術(shù)聯(lián)合都會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)增長(zhǎng)。

3 紅外顯微光譜儀的未來(lái)

　　有了過(guò)去的基礎(chǔ)，如果采取行動(dòng)來(lái)提高技術(shù)，擴(kuò)展應(yīng)用，開(kāi)發(fā)新的市場(chǎng)，紅外顯微光譜儀未來(lái)的增長(zhǎng)是肯定的。新產(chǎn)品正在被開(kāi)發(fā)，這一點(diǎn)就是繼續(xù)增長(zhǎng)的強(qiáng)有力標(biāo)志。采用紅外陣列檢測(cè)器可產(chǎn)生光譜圖像，該技術(shù)已導(dǎo)致了新一類(lèi)紅外微探針的開(kāi)發(fā)。在最近的進(jìn)展中，小規(guī)模叮IR已經(jīng)能通過(guò)配備商品化的光學(xué)顯微鏡而成為紅外顯微光譜儀。這些發(fā)展都可能擴(kuò)展IR的市場(chǎng)。

　　國(guó)家健康研究中心的研究人員(Bethesda，MD)發(fā)明了對(duì)紅外光譜成像的陣列檢測(cè)技術(shù)^[7]。采用此技術(shù)Digilab和Spectral Dimensions(Olney，MD)開(kāi)發(fā)出光譜成像產(chǎn)品。最近，PerkinElmer基于線性陣列檢測(cè)器和快速繪圖技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種新的紅外光譜成像顯微鏡。這些成績(jī)的取得標(biāo)志著產(chǎn)品水平已經(jīng)達(dá)到光譜成像階段，而產(chǎn)品生命周期也已經(jīng)從開(kāi)發(fā)進(jìn)入到認(rèn)可階段，但高昂的價(jià)格限制了它的增長(zhǎng)。因?yàn)殛嚵袡z測(cè)器的價(jià)格計(jì)劃要降低，這將刺激光譜成像儀器未來(lái)的增長(zhǎng)。光譜成像儀器已經(jīng)在材料科學(xué)及生物科學(xué)領(lǐng)域里發(fā)現(xiàn)了新的應(yīng)用^[8]。在光譜成像方面已經(jīng)有一個(gè)非常大的投資，這暗示了它的未來(lái)有巨大希望。

　　大部分紅外顯微光譜儀的應(yīng)用重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)小樣品量的紅外分析，這不能滿足顯微鏡使用者的需求。顯微鏡市場(chǎng)要比IR市場(chǎng)大得多。在紅外顯微光譜儀的參與者中顯微鏡專(zhuān)家僅是很小的一部分。接近80％的掃描電子顯微鏡(SEM)是與元素分析用的帶有減振器的X射線光譜儀一起銷(xiāo)售，SEM的使用者已經(jīng)認(rèn)可了X射線光譜儀。直到最近，所有的FTIR顯微鏡都作為實(shí)驗(yàn)室光譜儀的配件來(lái)銷(xiāo)售。SensIR Technologies(Danbury，CT)推出了一種FTIR光譜儀與商品化的光學(xué)顯微鏡相連接的配件(圖5)。這種發(fā)光的IR擴(kuò)展了光學(xué)顯微鏡的性能，為顯微鏡專(zhuān)家的樣品進(jìn)行化學(xué)分析提供了一種新技術(shù)。該產(chǎn)品有可能成為紅外顯微光譜儀用戶(hù)所青睞的產(chǎn)品。