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杨军涛先生:从精密制造到拉曼光谱

2008.10.28

——第十五届全国分子光谱学学术会议仪器厂商访谈

光谱学在我国已经历了几十年的历程,光谱仪器的发展也从另一个角度见证了光谱学科的发展史。第十五届分子光谱学学术会议胜利召开之际,我们对参展的厂商做了一些即兴的采访,希望能从另一个角度来诠释和纪念我国光谱学发展的三十年。

在采访雷尼绍公司时,我们有幸见到了雷尼绍公司的拉曼技术经理杨军涛先生,杨先生本人是光谱的技术专家,他娓娓道来,为我们展开了一幅描绘光谱技术发展的画卷。

杨军涛先生:从精密制造到拉曼光谱

记者:请您简单地介绍一下雷尼绍?譬如说她在拉曼领域的地位,历史等等。

杨先生:雷尼绍的历史非常长,我们涉足拉曼领域大概有15年左右,90年代初,和利兹大学合作,搞新型的拉曼光谱仪器的开发。雷尼绍在拉曼光谱的行业有历史性的意义,传统的拉曼光谱仪的一个关键设计,是依靠多光栅系统分光来滤除干扰的锐利线,收集拉曼光谱。但系统的效率非常低,所以传统的拉曼光谱需要大功率激光器和多级光栅。一般的样品禁不住激光的照射就烧掉了,所以能够普及的效率很小。雷尼绍利用了新的滤光片技术,当时这种滤光片用于军事,对于特定波长的激光有很高的反射效率,但是波长变了,它的透过率又非常高,即具有很单一的选择性。利用滤光片后,不再用光栅分光了,它的效率得到几个数量级的提高。从此以后,拉曼光谱仪一下子上了一个台阶,其应用就迅速地普及开了,现在可以说能应用到任何领域:制药、公安、材料、表面增强、生物、催化等各种领域,都可以应用拉曼光谱。

从雷尼绍仪器本身的特点来讲,发明这种新型光谱仪时刚好赶上几大技术的革命,计算机技术、CCD技术,在90年代初都获得突破的发展,所以说雷尼绍的起步非常高。加上它发明的ZL技术和这些技术的配合,所以雷尼绍的光谱仪有明显的优越性。这么多年来,雷尼绍光谱仪在新型光谱仪领域一直处于领先地位,如果你在网上搜索:“雷尼绍 拉曼光谱”,你会看到很多文献和报道。

记者:那雷尼绍就成立在80年代末90年代初么?

杨先生:雷尼绍公司的历史很长,开发光谱仪是在90年代初。

记者:那雷尼绍公司其它部分专注在什么领域?

杨先生:雷尼绍最有名的是做精密测量和精密加工,比如利用激光的干涉原理,去做距离和空间的测试。应用如对于航天飞机,它的一个骨架有几十米长;而由于航天飞机的特殊性,对它的加工精度要求特别高,一般机械的尺子测量是远远不够的,所以我们就利用激光精确的干涉原理,可以把它的长度测得非常精确。几十米大的部件,精确程度可以达到微米量级以下。所以现在世界上精密加工行业,譬如说飞机制造、汽车制造等等,雷尼绍的产品特别多。我们其中有一个产品叫做触发式测头,它是搞工件的三维测量的,现在占到全世界80%的市场,基本上垄断了这个领域。

记者:精密加工刚好是中国比较缺的一项技术。前段时间,我经常听致力于做中国质谱的研究者说,四极杆的加工和装配中国根本做不了。即使做,成品率非常低,导致最终加起来比买进口的还要贵。请问有这种现象吗?

杨先生:确实是有这种现象。不但是贵,而且现在国外很多公司的产品对中国都是禁运。国外有些公司做这些确实是很成熟了,但他对中国就是禁运。当然,我们也在做一点对中国精密制造有利的事情。

记者:这次雷尼绍展出的主要是什么产品和技术?今天到场的用户比较关心这些产品的哪些性能?

杨先生:对于拉曼光谱,最关键的一个问题就是灵敏度。因为拉曼光谱,从原理及应用历史来看,它的信号弱是一个最大的矛盾;所以仪器的灵敏度就成了用户普遍关心的一个问题。各个拉曼光谱仪的生产厂家都在竭力去解决这个问题,尽量提高仪器的通光效率,提高它的灵敏度。雷尼绍从一开始涉足这个领域,就首先把提高灵敏度摆在第一位。所以它从谱仪的设计到新技术的发展和开发,都着重于提高它的灵敏度。目前在市场上,在相同条件下,雷尼绍产品的灵敏度可以说是最高的。

记者:能给我们普及一下,拉曼光谱仪的灵敏度水平是在什么级别上?换言之就是说能测到多少毫克或微克的样品?

杨先生:从这点来说,拉曼和其它的仪器设备有很大的差别,拉曼没办法用这种方式来表达。因为不同的物质,虽然都有拉曼光谱,但是它们对拉曼的激发的活性千差万别。说到最好的灵敏度,比如目前流行的纳米管研究领域,单根纳米管一般直径大约几个纳米~几十个纳米,可能不到一微克,拉曼光谱测定单根碳纳米管已经很普及了,即都能测出来,虽然信号比较弱。

记者:那么雷尼绍的光谱仪从设计到开发上,是如何提高仪器的灵敏度的呢?

杨先生:首先雷尼绍光谱仪的设计和其它厂家的区别是:它所使用的收集光的方式是聚焦透镜,在九十年代以前,透镜的材料和加工技术都不行,很难达到比较好的聚焦效果和比较高的通光效率。后来在1991年,在我们开发谱仪的时候,增透技术和大尺寸镜头的加工技术都达到了比较高的水平。以前都是用凹面反射镜来收集光谱,但是凹面反射镜是一块金属镀膜,金属镀膜能达到的最高反射效率也只是90%多一点,但是透镜后来能达到97%~98%,基本上就是全透了。所以这一点是雷尼绍设计光谱仪时比较好的特征。

其次,随着应用领域的拓宽,对光谱仪的要求配一个激光已经不行了,通常一台仪器要好几个激光,那么对光学元件的要求也不一样了。如果几个激光全用一套元件,将会导致有的激光效率高,有的效率低。雷尼绍采用分立光路,也就是说一个激光就配备一套光路。现在很多科研工作者都是一套仪器两个激光、三个激光,如果采用分立的光路,每个波长的激光都能达到很高的效率。通过这个可以提高仪器的整体效率。

 

拉曼光谱技术的发展方向


记者:
现在利用拉曼光谱仪的一些主流的技术发展方向有哪些呢?

杨先生:这些年新技术的发展方向主要有两个方向,一个是针对老概念做的表面增强技术(SERS),到现在的针尖增强技术(TERS)。这方面的工作主要来自于研究者,他们做了很多的工作,开发了一些增强技术,一些增强试剂。

另外一个方向是我们今天的Poster展示的,涉及到更广的测试范围如近红外。拉曼主要集中在紫外到近红外这个波段,到红外一个微米以上的波长,传统的仪器就不行了,所以就必须加以改造,加第二个探测器;还有就是和其它的分析手段联用。今天展出的这款仪器就是和傅立叶红外联用。因为红外的空间分辨率比较差,聚焦的光斑比较大;拉曼空间分辨率比较好。把这两个结合起来,同一个微区,红外和拉曼光谱能同时获得。

另外还有成像。红外成像非常普遍,可以直观地反映结构的空间分布;拉曼的成像技术这几年也发展起来了。与红外相比,它能更精细、更准确地反映结构的信息。比如说一个晶格局部有缺陷,这种红外很难反映出,但是用拉曼就可以很清晰地反映出来。

联用技术也是一个方向。比如拉曼和扫描电镜联用,在获得微区形貌特征和元素特征的同时,还可以获得它的化学结构信息。即大型技术联用也是将来一个发展方向。

记者:您刚才提到了联用技术,那么联用技术的困难在于什么呢?

杨先生:联用技术一直是厂商多年来致力于做的一件事情。但是由于既要不破坏原来的功能,又要获得您想要的数据,这确实是一项技术难度很大的事情。

记者:现在拉曼有没有和色谱联用呢?

杨先生:目前还没有色谱和拉曼联用的仪器,但从技术上,色谱和拉曼联用是可以实现的,拉曼比红外的速度还要快。推动这项技术的实现还在于用户,如果用户有这种需求,厂商就会去做。如果说到在线检测,类似的技术已经有了,比如做催化研究的,它实际上是一个在线过程,样品就是从管道中通过的,拉曼就可以在管道上面有一个窗口,实现实时检测。

记者:今年光谱会议的一个主题是纪念我国光谱发展30年,在这种背景下,想问问您最想对大家说什么?

杨先生:说句实在的,最希望民族工业能把这种高、尖、精的仪器研发出来,为国内的科研工作者提供更好的支持。

 

附:
雷尼绍(香港)有限公司简介

雷尼绍公司在计量学和拉曼光谱仪器领域居世界领先地位。总部 (Renishaw plc) 位于英国伦敦西部的格劳斯特郡(Gloucestershire)。她是一家跨国公司,在世界各地有14家子公司。公司约有雇员1500多人,年销售额为125,300,000英镑(2001年度)。雷尼绍(香港)有限公司主要负责东南亚及澳新地区的业务,中国大陆的业务由雷尼绍(香港)有限公司归口负责。

公司的主要产品有:实验室研究用拉曼光谱仪和工业在线用拉曼光谱仪、激光器和CCD探测器;坐标测量机上的测量系统,工件安装基准设定;在机对刀系统及在机零件检验;扫描和数字化系统;机床测量和校准用的激光干涉仪和球感仪系统;高精度定位反馈编码器系统(钢带光栅尺)等产品。雷尼绍公司是通过了ISO9001质量认证的单位。
  
在拉曼光谱仪领域,雷尼绍公司与英国的利兹大学(Leeds University)合作,在世界上首先研制成功新型的激光共聚焦显微拉曼光谱和光谱成像仪,领先革新了拉曼光谱技术。因此,于1993年获得查尔斯王子科学发明奖,1995年获得英国女皇技术奖和最佳科学仪器制造商奖。在此后的十几年中,雷尼绍公司在技术革新上始终保持着领先地位。
  
雷尼绍激光拉曼光谱仪以其配置灵活性,高灵敏度及可靠性,成为用户的首选设备。
  
2003年,雷尼绍公司推出了配置更加灵活,使用更加简单,自动化程度更高的InVia系列拉曼光谱仪。用户可根据自己的需求选择不同的功能模块,及相应的自动化程度。inVia系列显微激光拉曼光谱仪的最高配置 - inVia Reflex提供上述包括全自动化的所有功能;其它的inVia系统随时可以逐步升级至inVia Reflex。所有的inVia拉曼系统把具有极高的灵敏度作为标准,将配置灵活和高灵敏度集中于同一套拉曼谱仪上。

分布在世界各地的子公司和代理商为用户提供优质服务和技术支持。


专题:第十五届分子光谱学学术会议

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