需求导向 拓展革新 人机互融——13位专家寄语热分析仪器与技术

丁延伟:

概括来说，在热分析仪器方面，未来热分析仪器的发展应在以下几个方面有所突破：

1.提高仪器的准确度、灵敏度以及稳定性。

提高仪器的灵敏度和稳定性是多年来热分析仪器研发人员的一直努力的目标，随着电子技术和自动化技术的发展，这些性能指标还有提升的空间。

2.扩展仪器功能

例如：

（i）在不影响灵敏度的前提下拓宽温度范围；

（ii）可实现超快的加热/降温温度调制、热惯性能的快速等温实验；

（iii）配置自动进样装置来提高仪器的利用率；

（iv）开发适用于仪器的光照装置、温度控制装置、高压实验装置、真空实验装置、电磁物装置等可用于特殊用途的实验附件。

在研发时，应注重加强热分析仪器标准化、全局化、微型化、智能化，实现高新技术的集成，加强仪器网络化和测控软件的研发。

3.加强并推广与其他分析方法的联用

目前热分析仪可以实现与红外光谱、质谱、气相色谱、气相色谱质谱联用仪、拉曼光谱、显微镜、X-射线衍射仪等技术的联用，由于联用时连接部件的不完善以及成本和应用领域等多方面的限制，联用技术自二十进纪五六十年代出现以来，直到近二十年才开始出现速建发展，这类方法，由于功能较常规仪器强大，有着十分远大的发展前景。

4.拓展软件功能

随着计算机的硬件和软件的飞速发展，实验数据的记录和分析显得越来越方便。随着热分析技术在不同领域的应用的不断深入，这些需求对热分年的数据处理的要求是动力学方需求越来越小。

目前的动力学分析虽有商品软件，但由于动力学方法本身的复杂性和快速的发展，一款成型的商品软件很难满足大多数要求，这就要求商品化的动力学软件要能够功能强大并且可以及时反映出动力学最新发展。

5.开发可以满足特殊领域需求的新型热分析仪

为了满足一些特殊的测试需求，近年来新型的热分析仪不断出现，如Mettler Toledo公司推出的一种可以实现每分钟几百万度加热速率的差示扫描量热仪，这些仪器有的已经实现商品化，有的仅限于实验室使用，使用这些新型仪器完成的科研论文在一些学术期刊中经常可以见到。

6.在不影响仪器性能的前提下减小仪器的体积，节约成本、提升产品的竞争力。

7.不断拓宽热分析技术的应用领域

随着科技的进步，人们生活质量的不断提高，热分析仪器的应用范围得到了快速扩展，市场需求呈现出良好态势。随着科学研究的进一步发展，热分析技术有望在这些新的领域中发挥其独特的作用。

我们有充分理由相信，在全球热分析工作者的共同努力下，热分析技术将继续保持现有的高速发展势头，其在各领域中将得到更加广泛和更加深入的应用。

韩婷:

热分析技术起源于130年前，近60年商业化的热分析仪器问世并高速发展。1977年在国际热分析协会会议上才有了统一定义。现在，计算机技术和智能化数据处理快速发展，热分析测量技术也变得更加准确和便捷。当下，随着人们对物质表征的需求、对机理分析研究的深入，对分析仪器的依赖度和要求也越来越高，热分析仪器逐渐往高精度、高灵敏度、多功能化、小型化的方向发展。在仪器的软件操作性方面，逐渐在向全自动化、智能化和合规化发展。与此同时单一的技术已经不能满足当下的全部需求，发展与完善热分析技术与其他分析测试手段的多种联用技术必是大势所趋。热分析与红外、质谱、气质、湿度、紫外、显微镜等仪器的联用技术均已出现，未来诸如与拉曼、XRD等更多仪器的联用方案也将随着特定测试的需求陆续登场，同时多级联用的方案也会越来越完善，各类表征方式百家争鸣，相得益彰。

夏红德:

热分析技术的目标在于发现热反应过程动态规律，而同步热分析技术虽然提供了检测手段，但是该技术仅给出反应过程在某一时刻的两个参数，质量与能量的标量数值信息，从理论上讲仅能分析两个同时发生的过程，但是实际的样品及其反应过程的复杂动态变化的，需要依靠气体组分的产率（非浓度参数）标量信息，才可解析反应过程特征。

为了适应解析复杂反应过程特征的广泛需求，未来热分析技术的发展将侧重以下几点：

1.完善热分析技术背后的基础理论体系。尽管热分析技术发展了几十年，各类操作标准与规范在形式上内容丰富，数据分析以花样翻新的数学手段为主，存在大量默认的逻辑误区及失真假设，失去了真正的物理意义。未来将发展基于热力学规律与质量守恒的科学基础理论体系。

2.联用检测手段应建立反应过程的质量平衡体系。热分析联用技术形式较多，但GC、FTIR、GCMS等从原理上给出的是气相组分浓度，无法建立反应过程质量平衡体系。质谱定量分析应基于科学原理，构建主动面对复杂未知反应过程的同时多组分检测技术，避免传统“黑箱”逻辑与线性假设造成的不良影响，而ECSA®定量分析方法将不仅改变热分析研究体系，还将深入各类反应过程的机理分析。

3. 能量（DSC、DTA）的热力学方程将引入物质变化项。反应过程的发生伴随物质种类变化，未来DSC、DTA分析理论中将考虑物质质量、种类的变化项，理论基础将更符合实际。

4.应用层面将以质量能量耦合分析解析复杂反应过程。对于复杂反应过程将原位检测全组分质量变化，而非浓度、相对转化率等相对参数，结合能量标量信息变化特性，利用质量、能量守恒等解析基元反应，并促进反应动力学的全新认识。

曾洪宇:

热分析及微量热是普适性的经典分析测试技术，是材料、化学、生物、安全等研究领域的有力工具。但广泛的应用不代表不存在局限性，当前制约热分析及微量热进一步提升应用价值的因素暨热分析及微量热仪器未来的发展方向有如下几点：

1.应用的普适性。首先是对样品的普适性，即通过传感器，样品容器及仪器总体设计优化以适应各类型样品；然后是测试条件的普适性，即在单一主机基础适应各种气氛/真空、温度条件，摆脱束缚；最后是对对“操作者”普适性，即提升人机界面效能，简化操作流程，提升售后支持服务效能，降低对使用者专业技能要求的门槛。

2.功能的拓展性。即走出传统热分析及微量热的思维定式，提升与其他分析测试手段、仪器装置等联用的能力，从而获得更加丰富的原位数据，更加全面解读材料及相关物理化学变化的本质。

3.仪器的智能化。综合以上两点，仪器自动识别样品，自主选择条件，并进行初步数据分析及筛选，最终做到样品放进去-测试报告/文章送出来，实现家用电器级别的使用体验。这不单单是热分析仪器制造商的梦想，也应该是是所有仪器供应商对产品的终极目标。当然达成这一目标的路还很漫长，需要业内外有识之士的共同努力。

于惠梅:

热分析技术是在程序温控下，测量物质的物理性质与温度或时间关系的一类技术。它可以用于研究材料的各种转变，例如熔融、相变等过程，是一种十分重要的分析测试方法。随着材料科学的发展，在这些单一热分析的基础上，出现了联用技术。例如热分析跟质谱分析和红外光谱联用，可以实现对逸出气体产物的质荷比和有机物官能团的表征分析，同时热分析还实现了同色谱质谱联用。这些联用技术拓展了热分析的表征范围，成为热分析学科发展的重要方向。除了联用技术，动力学也是热分析学科的研究热点之一。单一热分析和联用技术，以及热分析动力学这三部分，未来将成为研究材料的热分解过程、热动力学、热化学反应机制的重要研究手段，发展前景良好。

刘文广:

EGA联用技术涉及到热分析、光谱学、 色谱学的内容，对检测分析人员的综合素质要求比较高，未来的仪器与软件发展应该会进一步提高仪器操作和数据分析的自动化，完善各模块的谱库等基础资料，减轻操作人员学习上手和日常使用的难度；另外使用GCMS对逸出气体混合组分进行分离与鉴别是非常重要的，但是受限于色谱分离的效率，目前Offline模式的质谱分析要花费很多时间，随着色谱技术的发展，比如珀金埃尔默公司的Fast GC技术，会大幅缩短气相色谱分离分析的时间，显著提高EGA分析的效率。

王晓红:

1. 多机联用技术会进一步扩展和发展，原来的DSC-TG，发展到DSC-TG-MS， DSC-TG-FTIR, 进一步发展到DSC-TG-MS-FTIR，DSC-TG-GC-MS, DSC-TG-TPR-GC等。以后会有更多的联用仪器加入其中。同时，联用方式也会变得多样化，有串接方式，并行方式，连续和间断方式等。

2. 仪器工作温度范围也会变得更加宽泛，选择余地更大。温度范围不仅有室温到600摄氏度低温段，还有室温到1650摄氏度高温段，－150摄氏度到1650摄氏度范围。

3. 未来的仪器一定需要自动测量技术成熟，减轻人力的压力。仪器自动化进样技术的发展和自动谱图分析技术结合联用新技术将是是未来的发展趋势。

4.数据库的进一步完善和应用必将变得普遍，谱图分析技术会更加快捷便利。

李忠红:

热分析技术发展到今天，已经有了很长足的进步。从网上可以看到国内各大分析测试平台以及各大高校的热分析仪器有很多种，例如闪速差示扫描量热仪（Flash DSC）、超高温同步热分析仪（带自动进样器）、热膨胀仪、热流法导热系数测量仪、激光闪射法导热系数测量仪、闪射法导热仪、动态热机械分析仪、反应量热仪、绝热加速量热仪等，以及热分析法与其他各种仪器的联用仪，例如热重分析与质谱联用（TG-MS）、热重分析与气相色谱联用（TG-GC）、热重分析与气相色谱-质谱联用（TG-GC-MS）、热重分析与红外光谱联用（TG-IR），等等。另外，一些原位X-射线衍射仪也有温度控制装置，可以被认为是热分析联用技术的一种。

上面这些仪器，可以说完全能够满足新药研究的需求。当然，如果从药品质量控制的角度来看，热分析仪要成为药物分析实验室日常用的仪器，我个人认为还需要向小型化发展。虽然从广义来说，实验室常用的熔点仪和现在一些企业用作中间体水分控制的快速水分测定仪（水分天平）也属于热分析仪器，但是我们作药物研究的人提及的热分析仪，主要还是指的热重分析仪、差热分析仪与差示扫描量热仪。热分析仪在药物研发过程中的应用还是不少的，在药品质量标准中被使用的也越来越多，目前来说，在我们药品检验工作中采用热分析法对药物进行质量控制的应用主要有：原料药熔点的测定（DSC仪）、化学对照品的纯度测定（DSC仪）、药物水分的测定（TG仪）等，然而具体应用的品种与项目还未被《中国药典》所收录。所以，一个分析方法要被国家药品标准——《中国药典》广泛采用的话，需要仪器的普及，要将热分析仪从大型仪器的角色转化为小型仪器的形象，这样才能被药企普遍接纳，大量采购。从另一方面来说，仪器的普及也可以促进药品质量控制水平的提升，促进国家药品标准的提升。

还有，我一直想了解一点，在热分析领域国产仪器是否能达到与进口仪器同等的精度，是否可以在检测领域占领一定份额的中低端市场。实验室的能力验证是仪器比对的一种形式，很期待在药品检验这个领域也有热分析相关的能力验证，这样可以给国产仪器一个展示性能的机会。

总结一下，我认为未来热分析技术的发展应该有两个方向：一是研究型，继续发展各种联用技术，尤其是原位联用技术，争取在更少的实验步骤中得到更多的信息；二是实用型，向仪器小型化、普及化方向发展。

李琴梅:

经过多年发展，热分析仪器在微型化、自动化、灵敏度方面得到了很大提高。近年来，随着计算机技术和智能化数据处理技术的快速发展，热分析仪器通过结合先进技术实现了快速、准确、便捷地测量，热分析技术的应用领域也更加广泛。

随着热分析仪从单一功能、低精度、使用温度低逐渐发展到联用技术、高精度、高灵敏、使用温度达2800℃，热分析仪器的功能越来越强大。与此同时，科学技术的进步与应用领域的发展对热分析技术也提出了更高的要求。为了得到准确的分析结果，揭示热过程的本质，单靠一种或两种热分析技术已不能满足技术需求。热分析联用技术可以同时采用多种热分析技术或热分析与其它分析技术联用，测量物质物理和化学性质随温度变化的关系，能得到更为丰富的信息。作为现代高新技术的集成，联用技术的发展势在必行。

曾智强:

热分析是一种宏观的材料分析方法：通过施加“热扰动”，观测材料的“宏观”物化性能，从而分析材料的成分/结构变化或者反应。传统意义上的热分析往往用来发现变化，然后一般需要通过其它手段才能对变化本身进行研究。例如，DSC能够观测到相变反应并且测量到相变温度，但需要结合XRD等方法才能确认从某A物相转变到某B物相。个人浅见，热分析技术发展目标无外乎使得热分析方法在材料研究工作中更深入、更有效、更简便。

在硬件方面，热分析技术的一个重要发展方向应该是“耦合”。也就是说将更多的方法结合在一起，同步测量，同时从多个角度观测同一个样品，将得到更综合的信息，对材料的研究将更加透彻。同步热分析（TG-DSC）、逸出气分析（TG-FTIR\MS\GCMS）就是耦合，由此得到的数据，无论是丰富程度还是深入程度，远优于单独的热分析数据。我期待将来会出现更丰富、更“奇葩”的耦合技术，例如将热、声、光、电技术的充分结合…… 必将打破传统热分析的壁垒，让热分析为更多人服务。

在软件方面，发展的方向应该是如何更直接地解读热分析谱图，并将热分析图谱更直接地应用于实践。目前市场上已经出现了适用于热分析谱图的检索软件，这可以说是迈出了里程碑的一步。但是路还很长，因为热分析图谱有其特殊性，而且非常容易受到测量条件的影响，所以提高识别可靠性、普适性是不小的挑战。另外，尤其对于企业用户，如何通过适当的算法，把热分析谱图直接转化为工艺相关的数据，例如某成分的含量、用于QC的某个参数等等，这也是很有潜力以及挑战性的课题。

李照磊:

差式扫描量热技术是高分子物理尤其是高分子结晶学相关问题研究的重要实验手段。随着高分子结晶研究的进一步深入，差示扫描量热仪的扫描速率正面临越来越高的要求。首先，高分子熔体以不够快的冷却速率降温时，人们很难实现对高分子在较低温度区域成核行为的研究； 其次，常规仪器所能提供的降温速率很难模拟高分子材料在诸如注射、吹拉膜和纺丝等实际加工过程中的结晶行为；第三，半结晶高分子折叠链片晶处于亚稳状态，常规升温扫描过程中将不可避免地伴随高分子片晶由亚稳态向更稳定状态的转变，从而使研究人员难以获得最原始高分子样品的相关信息。经过近三十年的发展，超高速扫描量热技术逐渐成熟，并发展出了商业化的产品，已经能够很好地解决前述高分子结晶研究中面临的诸多问题。同时，超高速扫描量热技术不仅使得对一些非常重要但是热信号较为微弱的物理化学行为的研究变得可能，其微量样品的特点也使其在纳米材料领域具备了突出应用潜能。作为热分析技术发展的重要分支，高速扫描量热技术的发展与应用值得领域内研究人员重点关注。

苍飞飞:

热分析技术与橡胶行业性能测试息息相关，目前橡胶行业包括6个子行业：轮胎、橡胶板/橡胶管/橡胶带、橡胶零件、再生橡胶、日常及医用橡胶制品以及其他橡胶制品制造。热分析技术在橡胶行业中应该广泛，如热重、差热、动态粘弹谱等等，让我们从数据上了解不同配方、不同橡胶性能的差异，但热分析技术还需要根据橡胶的特点，设计不同的模具及参数，让配方工程师更全面、更深入的了解橡胶的特性。联用技术也是热分析发展的一个方向，单纯的热分析只能从单一（如：数值变化）角度了解橡胶样品的变化，没有直观的表征变化的化合物类别或种类，联用技术让我们的想象有了理论依据，通过合理的利用联用技术，可以使微量的样品带给我们巨大的资料，让我们从中解读更多的信息。希望热分析技术能够有更多的联用技术诞生，为测试工程师提供更多的帮助。