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科学仪器如何实现“合纵连横”?

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科学仪器如何实现“合纵连横”?

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【摘要】:

科学仪器如何实现“合纵连横”?

 

仪器技术的发展始终顺应科学前沿的潮流,进而发展出新一代的“高精尖”的高端仪器,而高端仪器的价格也随之水涨船高。目前,技术壁垒较高的尖端科学仪器目前还是以进口仪器为主,国产化替代尚在稳步向前发展。

“合纵连横”是战国时期古代兵法家提出的外交军事智慧。现代社会中,合纵连横又有了新的解读和释义。在科学仪器的发展中,同样蕴含着“合纵连横”的理念。科学仪器不仅仅在技术上朝着极限突破,科学仪器之间也存在着“合纵连横”的趋势,即发展出仪器间的联用技术,通过多台仪器的联用实现传统技术不能实现的功能,藉此丰富并拓展了仪器的使用范围。

以热分析技术为例,热分析技术是指在程序控温和一定气氛下,测量物质的物理量(如质量等)和温度或时间关系的一类技术,常见比如差热分析(DTA)、热重法(TGA)、差示扫描量热法(DSC等)。传统的热分析可能是一种热分析技术对应着一台仪器,随着技术的成熟,现在多种热分析技术(如DTA、TGA、DSC等)可能集成在一台仪器中,使得一台仪器能完成多个图谱的测量。随着联用技术的诞生,热分析技术不单单能够实现多种单一技术的联用,同时也能与光谱(如FTIR、Raman)、显微技术、气相色谱(GC)、质谱(MS)、X射线衍射等通过同时联用、串接联用、间歇联用等方式进行结合。传统热分析技术可以用于与物质转变、物质反应、物质特性参数的测定,新型的联用技术提高了测试的效率,拓宽了仪器的应用范围。

以下列举几种常见的热分析联用技术:

热分析+热分析

常见的比如TGA-DTA、TGA-DSC等,现在的同步热分析仪往往就是两种或多种热分析技术集成在一台仪器中,能够实现多种热分析方法的同时测量。目前主流的厂商有TA、耐驰、梅特勒-托利多、珀金埃尔默等。热分析技术间的联用,如TGA-DSC等,由于是同一温度区间,成倍提高了测试的效率,广泛应用于聚合物、药物、食品、化学品等的质量控制和研究开发。

热分析+光谱

热分析与光谱技术联用也是当前最常见的热分析联用技术。热分析技术包括TGA、DSC、STA等,光谱技术主要是红外光谱,也包括拉曼光谱等。典型的例子包括耐驰和布鲁克的热分析-红外光谱联用以及珀金埃尔默的热分析-红外联用系统。热分析-红外系统广泛应用于材料分解机理、氧化还原反应、气-固反应、燃烧产物、溶剂残留量、前驱体反应、挥发、脱气过程的研究。在聚合物制造、有机合成、化学与药物工业等领域,热分析仪器与傅立叶变换红外光谱(FTIR)联用已成为一种不可或缺的研究工具。

耐驰 STA/TG-FTIR 热分析与红外联用系统(左)珀金埃尔默热重红外联用TG-IR(右)

热分析+显微技术

热分析与显微技术的结合能够实现对热分析过程的观察,比较典型的如日立推出的RealView® 试样实时观察系统,能够实时查看样品在程序控温过程中的样品图像,并与温度和时间数据链接,在进行材料研究、故障排除、发生突发状况时非常有用。相比于传统的热分析技术,能够通过图像数据进行更加深入的样本分析。

热分析+质谱

热分析-质谱联用可以检测低含量的杂质,在产品的质量控制和产品研发中有广泛的应用,典型的仪器比如耐驰与安捷伦、JEOL联合的TGA-GC/MS以及珀金埃尔默的联用系统。

耐驰 STA/TG-MS 热分析与质谱联用系统(左) 珀金埃尔默热重气质联用TG-GC/MS(右)

热分析+光谱+气相色谱+质谱

最常见的一般是TGA/STA-FTIR-GC-MS,可以说是目前热分析联用里面最高的配置,因为四台仪器的联用,这样的联用仪器的采购价格轻松突破百万级。该仪器可用于分析未知混合物确定其主要成分、鉴别其中的添加剂或污染物种类以及含量等信息。

珀金埃尔默热重红外气相色谱质谱联用TG-IR-GC/MS(左)耐驰 STA/TG-FTIR-GC-MS 热分析与红外气质联用系统(右)

总之,对于科研而言,联用技术拓宽了科学家的视野,逐渐成为科学家观测物质世界的重要工具;对于仪器企业而言,联用技术为仪器企业的产品研发和开发行业解决方案提供了新的思路。

联用技术的优势:

1.联用技术增加了获取信息的维度和信息的丰富程度,推动了相关产品线的研发以及仪器企业间的密切合作;

2.联用仪器提升了仪器的附加价值,提高了企业的利润率。

联用技术的缺点:

1.联用技术需要多套仪器的协作,是一种相对高端的仪器技术,但同时对兼容性有要求;

2.联用仪器的价格较高,增加了企业成单交易的难度。

作者:管晨光  来源:仪器信息网

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