大力發(fā)展光譜學(xué)儀器

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。相信通過擴(kuò)展應(yīng)用范圍以及加強(qiáng)教育工作者、研究人員、開發(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，只有富有競爭力的技術(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： “時代在前進(jìn)，傳統(tǒng)的分析儀器市場已經(jīng)成熟，所以今天所銷售的大部分產(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刻。

1 增長的特點

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

　　一種技術(shù)，一個科學(xué)領(lǐng)域，一件儀器，一種應(yīng)用，它們的生命周期都開始于一個概念，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的，它的階段性是一個基本的原則，從一個概念到一個被認(rèn)可的產(chǎn)品可能會經(jīng)歷很長時間。例如，從Coblentz在紅外光譜方面的探索工作到第一臺商品化紅外光譜儀的出現(xiàn)經(jīng)歷了30年的時間。一個新產(chǎn)品的設(shè)想就像一粒種子，沒有營養(yǎng)，它的生長就會停滯不前。但是，一旦有了營養(yǎng)，發(fā)展馬上就會開始。研發(fā)工作可能需冒一定的風(fēng)險，風(fēng)險來自資金、設(shè)計思想，或兩者兼而有之。發(fā)人員必須接受持反對意見者的挑戰(zhàn)。如果有10位專家來評價我們認(rèn)為的最佳設(shè)計，他們可能會提出100個理由，來說明這個設(shè)計將會失敗。

　　研發(fā)階段是一個沮喪、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)品的失敗是一個設(shè)定的冒險活動而且不是個人化的，那這樣一個研發(fā)過程的挑戰(zhàn)將是非常令人興奮的。研發(fā)項目導(dǎo)致一個獲得認(rèn)可的產(chǎn)品或是一種應(yīng)用，是值得慶幸的事情。

　　在一個構(gòu)想和一個認(rèn)可的產(chǎn)品之間，市場是跨越障礙的橋梁。對于任何一種產(chǎn)品、服務(wù)、應(yīng)用，都要通過市場來評價它的價值，尋找客戶和進(jìn)行宣傳活動。市場要發(fā)揮效能，必須與開發(fā)過程緊密聯(lián)系。市場人員必須了解這種產(chǎn)品及其應(yīng)用才能發(fā)現(xiàn)潛在的客戶并與其進(jìn)行專業(yè)性的交流。

　　一種被認(rèn)可的產(chǎn)品的快速增長需要營銷手段、不斷上升附加值以及規(guī)模化的生產(chǎn)。這種快速增長階段是產(chǎn)品生命周期中利潤最豐厚的階段。產(chǎn)品一旦開發(fā)成功，殘酷的競爭也就隨之開始。成功之后，產(chǎn)品的改進(jìn)和提高就是必然的，具有競爭力的新產(chǎn)品會很快產(chǎn)生。然而對于初始研發(fā)者，由于競爭使成本升高，產(chǎn)品價格下降，利潤必然會降低。

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

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

　　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)品處于哪一個階段，你就能采用一個明智的策略。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)品處在哪個階段，然后才能制定出相應(yīng)的策略。圖2展示了17家美國公司報道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售情況(不包括化學(xué)過程儀器)，平穩(wěn)的銷售狀況清楚地表明了分子光譜儀已經(jīng)是一個成熟的市場。有三條路擺在這個市場的前面??保持、下降、重新增長，這取決于我們下一步采取什么行動。在這樣一個關(guān)鍵的時期，如果沒有采取一種積極的措施來促使新的增長。那么分子光譜儀就會進(jìn)入到淘汰階段。

　　在此以前的一個生命周期里，IR也曾經(jīng)面臨這樣一個關(guān)鍵的時期。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來分析這些復(fù)雜的碳?xì)浠�合物，這是一個巨大的增長刺激。在戰(zhàn)爭結(jié)束時，商品化的IR已經(jīng)可以買到。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FTIR的認(rèn)可，在接下來的20年里，IR飛速增長并進(jìn)入到復(fù)興時期�，F(xiàn)在又是一個新的平臺期，說明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，就會看出其對IR增長產(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。

　　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，進(jìn)行了顯微鏡的探索工作。圖3為該顯微鏡。采用紫外放射線來增加分辨率和對比度的全反射顯微鏡首次被Polaroid公司(Cambridge，MA)的D．S．Grey開發(fā)出來。然而當(dāng)采用紫外放射線來增加分辨率的電子顯微鏡推出來時，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工作人員開發(fā)出來了第一臺商品化的IR用顯微鏡^[6]。PerkinElmer在1953年推出85型儀器。然而這并不是一個完全革新的產(chǎn)品，由于配套技術(shù)沒有跟上，該產(chǎn)品沒有能贏得市場。并且，顯微鏡是與單波束IR配套的，而此時IR已經(jīng)進(jìn)入了雙波束光譜儀時代。1951年，PerkinElmer公司推出了21型雙波束IR，并立即獲得了市場的認(rèn)可，成為曾開發(fā)的眾多科學(xué)儀器中最成功一種儀器。當(dāng)這種儀器的市場火爆時，紅外顯微鏡的市場已萎縮到幾乎要消亡的邊緣。

　　紅外顯微光譜儀在整個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)，該類產(chǎn)品才進(jìn)入新的增長期。這種系統(tǒng)通過顯微鏡簡化了紅外光譜圖的采集。微處理技術(shù)被同時用于數(shù)據(jù)的采集、紅外光譜計算、數(shù)字譜圖存儲并進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。紅外顯微光譜儀開始被市場認(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)域里也有類似的增長報告。FTIR微探針與一個同步回旋加速器光源相連，這個加速器提供一個獨特的紅外輻射超亮源，可使直徑為幾個微米的樣品就能滿足要求。這些實例說明了新的應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)及其與其他技術(shù)聯(lián)合都會導(dǎo)致市場增長。

3 紅外顯微光譜儀的未來

　　有了過去的基礎(chǔ)，如果采取行動來提高技術(shù)，擴(kuò)展應(yīng)用，開發(fā)新的市場，紅外顯微光譜儀未來的增長是肯定的。新產(chǎn)品正在被開發(fā)，這一點就是繼續(xù)增長的強(qiáng)有力標(biāo)志。采用紅外陣列檢測器可產(chǎn)生光譜圖像，該技術(shù)已導(dǎo)致了新一類紅外微探針的開發(fā)。在最近的進(jìn)展中，小規(guī)模叮IR已經(jīng)能通過配備商品化的光學(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。

　　國家健康研究中心的研究人員(Bethesda，MD)發(fā)明了對紅外光譜成像的陣列檢測技術(shù)^[7]。采用此技術(shù)Digilab和Spectral Dimensions(Olney，MD)開發(fā)出光譜成像產(chǎn)品。最近，PerkinElmer基于線性陣列檢測器和快速繪圖技術(shù)，開發(fā)出一種新的紅外光譜成像顯微鏡。這些成績的取得標(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)從開發(fā)進(jìn)入到認(rèn)可階段，但高昂的價格限制了它的增長。因為陣列檢測器的價格計劃要降低，這將刺激光譜成像儀器未來的增長。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)有一個非常大的投資，這暗示了它的未來有巨大希望。

　　大部分紅外顯微光譜儀的應(yīng)用重點強(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。顯微鏡市場要比IR市場大得多。在紅外顯微光譜儀的參與者中顯微鏡專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顯微鏡都作為實驗室光譜儀的配件來銷售。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所青睞的產(chǎn)品。