红外平衡仪原理

p 　　电子被发现一个多世纪以来，人类社会对它的依赖程度越来越大，如今，它已成为微电子和光电子技术的物理基石。随着微电子器件尺度按摩尔定律不断向纳米尺度减小，对于电子运动规律的认识将面临着从平衡态理论向非平衡态理论的发展。正如美国基础能源科学顾问委员会报告中指出，当前科学上面临的5大挑战之一就是对非平衡态尤其是远离平衡态的表征和操控。 /p p 　　按平衡态理论，人们预测在微电子器件中电流最大的位置往往会是电子温度最高的地方。中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室陆卫研究员和复旦大学安正华研究员的科研团队共同合作，利用非平衡输运热电子的实验检测在技术，通过散粒噪声对非局域热电子能量耗散进行空间成像研究，发现在纳米尺度结构中，电子温度最高之处并非局域在电流最大位置，而是明显地向电流的流动方向偏离了，而且电子的温度高于晶格温度很多倍。从理论和实验两方面证实了这种奇异特性就来自热电子的非平衡态特征。 /p p 　　该研究工作的最大挑战来自于非平衡输运热电子的实验检测技术上。实验室采用了自主研发的超高灵敏甚长波量子阱红外探测器的扫描噪声显微镜(SNoiM)技术，称为扫描噪声显微镜技术。其基本机理是非平衡态电子的电流强烈涨落形成的散粒噪声会直接导致近场甚长波红外辐射，通过高灵敏的红外近场检测可实现仅测量到非平衡态电子特性，从而为直接观察在纳米结构中电子的非平衡态乃至远离平衡态的特性提供了独特的方法。 /p p 　　相关研究成果“Imaging of nonlocal hot-electron energy dissipation via shot noise”(DOI: 10.1126/science.aam9991)已于2018年3月29日获得《Science》杂志在线发表，将对认识和操控非平衡热电子进而增强器件功能发挥重要作用。 /p p 　　这项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委重大项目、中国科学院海外科学家计划等资助。 /p p 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/a4df0693-4a72-453f-81b5-9f6fe7165ff9.jpg" title=" 1.jpg" / /p p br/ /p p 　　应用扫描噪声显微镜(SNoiM)进行的超高频率(~21.3THz)噪声的纳尺度成像，(A)扫描噪声显微镜的实验装置示意图。(B) GaAs/AlGaAs量子阱纳米器件的电子受限区域的SEM图。(C和D)相反偏置电压(6V)下二维实空间的近场噪声强度信号成像，近场信号由针尖高度调制模式获得，其中彩色表达了电子的等效温度。(E) 近场信号与针尖高度关系，近场信号是由电压调制模式获得。 /p p 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/8edf4c2f-af08-4a76-9da3-10ee26f8f1fb.jpg" title=" W020180506601359218862.jpg" / /p p br/ /p p 　　噪声强度随偏置电压增大的演变。(A-F)由针尖高度调制模式获得的二维成像图。(G)y方向(平行于[100])一维近场信号随位置变化图。(H)近场(圆和三角形点表达)和远场(方形点表达)探测到的噪声强度随着偏置电压的变化规律。 /p p br/ /p

什么是汽液相平衡？汽液相平衡，即汽相与液相间的相平衡。对于二元或者多元体系的混合物，在封闭条件下，存在汽-液两相共存的现象，一定的温度和压力下，两相达到一种动态平衡时，即该混合物的汽相和液相组成趋于稳定，不随时间变化，此时这种动态平衡即为该混合物在该条件下（一定温度和压力）的汽液相平衡。为什么要收集汽液相平衡数据？1. 相平衡在自然界和工业界都是非常重要的，在石油和化工领域有重要指导意义。物质的相平衡并不是独立的，而是与空间、压力、温度和组成相关。相平衡研究从二元体系的汽液相平衡到多元体系的相平衡慢慢发展。虽然二元或者三元组分的相平衡只是实际情况的一种简化，因为在通常情况下，会有更多组分是共同存在的。但是，相关研究表明这些二元或三元组分的相平衡数据对于多元体系的相平衡研究是有代表性和指导意义的。2. 作为化工热力学的主要研究内容之一，测量、关联和推算不同体系在不同条件下的理化性质具有重大意义。其中，相平衡研究在化工热力学研究领域占有重要位置。作为化工基础数据的重要组成部分，相平衡数据具有重要的理论和实际价值。相平衡数据不仅对化工设备选型有重大意义，而且对分离单元等操作过程的设计也非常重要，如精馏、萃取和结晶等过程。相平衡数据对化工过程工艺的优化，如温度、压力等条件的选取也具有指导意义。对生产装置的设计与评估、相平衡理论的发展，这些都需建立在相平衡数据的测定和研究的基础之上。3. 二元或多元体系混合物的汽液相平衡是确定理论蒸馏级数及其他蒸馏条件的重要基础。 图1：相图与蒸馏理论塔板数的关联尽管通过文献查询、理论计算能得到大量的汽液相平衡数据，但随着化工生产的不断发展，这些数据远不能满足需求。许多物系的相平衡数据，很难由理论直接计算得到，须由实验测定分析。因此，越来越多的学者通过实验获取或验证相平衡数据。鉴于此，相平衡装置是化工实验室必备的基础设备。如何测定汽液相平衡数据？目前最常用测定汽液相平衡的方法是循环法——即在常压或减压条件下，采用玻璃制作的平衡釜，利用循环法建立体系相平衡，从而获得汽液相平衡数据。 图2：罗斯釜（Rose Kettle）1-釜液 2-加热丝 3-液相取样口 4-液相液体 5-汽液提升管 6-汽液分隔器7-温度计套管 8-汽相取样口 9-汽相冷凝液 10 -球形冷凝管 11-加料口汽液相平衡时同时进行汽相和液相双循环，从而使汽液两相的平衡时间变短，尽可能缩短实验时长，提高实验效率。汽液相平衡实验常用到的玻璃平衡釜主要为罗斯釜(如上图所示）。在工作时，罗斯釜的釜内循环为： 物料在釜内的底部被加热至沸腾→汽液相混合物通过汽液分隔器→液体完成回到釜内，完成液体循环→汽相通过球形冷凝器冷凝回到釜底，完成回流。由循环法测定汽液相平衡数据的方法有很多，我们提到的罗斯釜也是基于该原理，基本原理如下图3所示：由A到B为蒸汽循环线，B到A为液体循环流，在到达平衡时，A和B容器的组分不随时间变化，这时从中取样并进行GC分析组成，即可以得到一组汽液相平衡数据。 图3：循环法的工作原理在进行汽液相平衡实验时往往遇到以下问题：● 因样品组成沸点较高，常压条件已不能满足使用要求，要求装置配备真空系统，同时也要求装置的密封性和完整性；● 对于一些气体样品，常温常压不能进行测试，要求装置配备过压系统，也要求装置的密封性和耐压性；● 建立相平衡的速度慢，而且没有配备双循环的冷凝装置，导致汽相有可能混入小液滴，液相有可能出现返混；● 需要大量且繁琐的重复性验证实验，耗时耗力，要求装置自动化程度高；● 取样效率低，而且准确度和重复性都不好，特别是真空或者过压操作时。这些问题，Pilodist自动汽液相平衡装置VLE110统统可以解决！ Pilodist 自动汽液相平衡装置VLE11001 相平衡装置配备真空操作模块、过压操作模块以及相平衡釜的伴热装置，最 低真空度到1mbar，过压操作到3bar（绝压）。02 相平衡装置需为一体化设计，集成相平衡釜、混合室、加热系统、汽液两相冷却系统等，其中相平衡釜为双层夹套设计，且外层镀银，尽可能维持绝热操作。03 仪器特有的设计，样品在进入相平衡釜之前，汽液混合物在扩展交换区强烈传质，使得汽液两相之间能迅速达到平衡，汽液分离室的设计维持液滴不会进入汽相，液相出来后不会返混。而且汽液两相可单独取样，均为液体，方便GC进样分析。 图4：VLE循环主体结构图仪器能够迅速的达到相平衡状态：这是由于体系中同时有汽相和液相两相在体系内循环，在冷凝后，同时回到混合仓内（1.1）中。在进入汽液分离室之前（1），汽液相的混合物会经过一个加长的接触区域（1.2）以保持汽液间进行强烈的传质，该汽液分离室的设计可以有效的避免液相被夹带进入汽相。随后经过各自的冷凝器，汽相和液相又会回到混合仓中。04 仪器配备相平衡控制系统，基于windows操作系统的相平衡控制软件，操作简便，过程参数可追溯，查看过程压力稳定性；可显示设置值和实际值；控制加热温度、真空度、控制电磁阀取样等。同时配备工业触摸屏，防尘和防水等级为IP65。 图5：VLE控制系统参数设置 图6：IP65工业触摸屏05 三种取样方式收集汽相、液相样品，通过控制电磁阀分别从汽相或液相取样；也可以使用气密性的注射器直接从流体循环回路中抽取汽液两相样品；针对存在混溶间隙的样品可以通过取样针取样。● 通过控制电磁阀，分别从接收器5A汽相取样，接收器5B液相取样；● 通过气密性注射器，分别从1.15汽相取样口取样，1.16液相取样口取样；● 针对不互溶体系，可以用取样针从取样口1.5汽相取样，从1.14液相取样。如果您对上述产品感兴趣，欢迎随时联系德祥科技德祥科技德祥集团成立于1992年，总部位于香港特别行政区。作为科学仪器供应商和服务商,德祥服务于大中华区和亚太地区，每年都为数以千计的客户提供全套解决方案。公司业务包含仪器代理，维修售后，实验室咨询与规划，CRO冻干工艺开发服务以及自主产品研发、生产、销售、售后。作为深耕科学仪器行业的供应商与服务商，德祥现已服务于政府、高校、科研、制药、检测、食品、医疗、工业、环保、石化以及商业实验室等众多领域。公司目前在亚太地区设有13个办事处和销售网点，3个维修中心和1个样机实验室。2009至2021年间，德祥先后荣获了多项奖项。我们始终秉承诚信经营的理念，致力于成为优 秀的科学仪器供应商，为此我们从未停止前进的脚步。我们始终相信，每一天都在使这个世界变得更美好！PILODIST德国PILODIST是德祥集团旗下代理品牌之一。德国PILODIST公司源自于全球实力强悍的蒸馏及精馏设备供应商。公司传承原Fischer公司专业的蒸馏及精馏设备制造技术，为全球石油化工、精细化工行业及科研院所客户提供高品质的原油蒸馏系统、精馏系统、溶剂回收系统、汽液相平衡和分子蒸馏等。

红外光谱作为“分子指纹”，最初被应用于有机化合物分析，对有机合成化学的发展起了重大推动作用。随着红外光谱仪性能的不断提高，测定技术以及附件的日益完备，红外光谱的研究对象已扩展到金属有机化合物、络合物、无机化合物等，应用范围已渗透到所有的化学及其相关领域。红外光谱仪已成为现代实验室的主要分析仪器。 　　赛默飞分子光谱部前身为美国尼高力(Nicolet)仪器公司，是世界上最大的傅立叶红外光谱仪的专业生产厂家。据不完全统计，在全球红外光谱仪市场中，赛默飞以30%左右的比例一直占据第一的位置。在中国红外光谱仪市场中，赛默飞保守估计能够占到50%左右。 　　2012年5月18日，赛默飞再次给大家带来了惊喜——隆重推出了业内首台一键式操作智能研究级红外光谱仪——赛默飞Nicolet iS50红外光谱仪。借此机会，仪器信息网编辑就新品iS50的革新技术、赛默飞的研发理念以及红外光谱技术未来发展趋势等问题采访了赛默飞分子光谱产品中国区商务运营经理吴秋波先生。 赛默飞分子光谱产品中国区商务运营经理吴秋波先生 赛默飞红外研发理念：我们不想说“me too” 　　回首赛默飞红外光谱技术的发展，就可发现其产品获奖无数，如： 　　1999年，Nexus FT-IR获得了匹兹堡展会红外“最好的新仪器”设计奖； 　　2001年，近红外光谱仪Antaris获R&D100大奖； 　　2009年，傅立叶变换显微红外光谱仪iN10系列获R&D100大奖； 　　2011年， Nicolet iS5 FT-IR荣获“2010 年科学家的选择之最佳新光谱仪产品”、“2010科学仪器优秀新产品”称号等。 　　“获多少奖对我们来说只是对其工作的认同，我们并不会以此为骄傲” 　　“还在推广新产品时，我们就在想下个目标是什么?” 　　“想要成为一项技术的领导者，就要想到别人没有想到的东西” 　　历数赛默飞红外光谱所获得的奖项时，吴秋波先生说到，“其实这些奖并没有在公司内部引起太大的激动，当然这些奖对我们来说是不小的鼓励，但我们的目标并不是说要拿多少奖，公司产品的发展方向也不是朝这个方向走的。我们工程师‘可爱’的地方是——他们喜欢埋头苦干，但是不喜欢出名，追求的是一种满足感。获多少奖来说对我们来说，只是对其工作的认同，我们并不会以此为骄傲。我们内部的工作氛围很好，大家互相鼓励，目标只有一个——‘如何把工作做好’，这很难得。” 　　“2008年我们推出了iS10等新产品，但还在推广新产品时，我们就在想下个目标是什么?经过不断倾听用户意见与回馈、内部与外部人员对产品的看法，最终将目标定在了区别于传统思维，研发一个具有突破性、革命性、全新的红外产品。研发过程中，我们经常考虑的是有哪些现有的新技术、新科技是否可以引入到仪器中?人的行为方式有什么改变，相应的仪器应做哪些改变?于是iS50就应运而生了。” 　　“从硬件来看，iS50并不是赛默飞之前的高端红外光谱8700/6700的延展，但从创新角度来衡量的话，iS50确实是沿用了其概念。说到研发iS50的出发点，第一，现在人们的时间比较紧张、工作的心态也不同以往，他们要求自己在仪器操作方面耗时尽可能少 第二，解释清楚复杂的红外光谱图谱给人们提出了很大的挑战，人们希望仪器能够直接给出结果，无需调整或去推算。” 　　“想要成为一项技术的领导者，就要想到别人没有想到的东西。人家已经想到的技术，我们就只能说是‘me too，我们也有’，但这做不成领导者。一般来说领导者只会有1-2个，还会不断换位，保持领导地位是一件很难的事情，稍微停下来看看风景的话，就会被落下。” 新品Nicolet iS50：四大革新性技术 　　5年前，赛默飞计划研发新一代红外光谱仪，并聆听了众多客户的反馈意见，最终经过4年的努力研发，高智能、集多重技术于一体的iS50傅立叶变换红外平台正式问世。 　　第一个：三个分束器自动转换，20秒完成 　　“分束器转换以前大部分以手动为主。而为了保证、考察iS50分束器自动转换的可靠性，我们做了80000多次重复测试。”而谈到因增加了众多转换部件，iS50的成本如何控制?吴秋波先生说到，“我们在保证仪器可靠性的情况下，尽量控制成本。现在iS50的报价已经陆续发布出去了，我们希望它能保持价格方面的竞争力。” 　　第二个：红外光源采用新材料——氮化硅，没有热点效应 　　“以往红外光谱仪光源采用的材料多是发热材料碳化硅。在iS50中，我们采用了长寿命氮化硅材料，并且以独特设计消除了碳化硅的热点效应，这是其它公司从来没想到的一点。” 　　第三个：放进主样品仓的傅里叶变换拉曼模块 　　“这是我们第一次推出这种拉曼模块设计，也是目前唯一一家能做到这种设计的公司。拉曼光源最大功率为0.5W，预计其寿命3年以上，甚至会更长。” 　　第四个：内置一体化金刚石ATR 　　“ATR以前是放进去再提出来，很多用户感觉这是一个很大的干扰。现在我们将其整体放到仪器里面，再有一个独立的检测器，暂时我们在其它公司产品里面也没看到这种设计。” 　　另外，iS50内置有3个检测器位置，加上拉曼检测器与独立的一体化检测器，一共可配备5个检测器。” 　　采访过程中，吴秋波先生谈到，“过去4年来，我不断接触到研发中的iS50，很喜欢它。iS50的独特设计可以满足很多用户的需求，我相信用户也会喜欢。iS50未来的销售额将会占到我们分子光谱业务的一半以上。” 　　对于iS50在中国市场上的推广，吴秋波先生谈到，“我们会通过发布会等一系列活动积极向用户介绍产品，并且希望能够覆盖更多的二线城市，因为目前来看二线城市的潜力很大，对很多分析手段的需求也很大。另外，目前我们在上海及北京的应用实验室分别放了iS50样机，希望用户能够带着自己的样品前来体验。” 红外光谱未来发展趋势：人机对话成为可能 　　对于红外光谱未来发展趋势，吴秋波先生指出： 　　已有一些仪器设备引入了触摸屏、iTouch技术。 　　在仪器中安装3G卡，利用网络传输进行远程监控，直接与技术工程师联系。 　　还有就是人们现在常常谈到的云端技术，这种技术如能用到仪器中将会展现很强大的功能。 　　功能拓展，使数据分享更快更直接。 　　人与仪器直接对话，并非简单的文字式对话，而仪器能够分析你的想法。我们也在考虑引入这种技术。 　　机械化，例如在仪器上安装机械手，分析人员只要将样品交给机械手，就可以等仪器给出最终结果，而你可以通过云端技术远程看到。 　　多种技术联用，例如，iS50可以和红外显微镜、流变仪、气相、液相、热重等联用。而现在已经有两个用户将iS50红外与气相、质谱三机联用了。 　　最后，吴秋波先生强调，“红外技术难点主要在于突破红外光谱仪器灵敏度弱于质谱等仪器的‘瓶颈’，以及开拓红外光谱新的应用领域。” 　　后记 　　通过此次采访吴秋波先生，笔者有以下三点感想： 　　(1)Nicolet iS50在简单与复杂中获得了最好的平衡 　　Nicolet iS50给编辑印象最深的有二点：其一，一键式操作——三个分束器自动切换，一键式启动ATR、拉曼和近红外模块…… 其二：研究级、集多重技术于一体——多重采样方式、外接接口多、多个模块、光谱范围可拓展到远红外甚至可见光区、联机多种仪器、个性化定制……总的来说，就是iS50着眼于帮助用户通过极为简易的操作，解决各种挑战性分析课题，即，在简单与复杂中获得了最好的平衡。 　　(2)期待更多分析仪器在简单与高端之间取得突破 　　谈到分析仪器未来发展方向时，众多业内专家都指出：方向一向高端发展，如高灵敏度、高分辨率……，方向二简便易用。貌似二者不可调和，但iS50的成功推出则代表二则的关系取得了突破。我们可以期待，未来更多分析仪器取得类似的突破。 　　(3)高端并不代表市场小 　　iS50提供丰富的附件，用户可以按照不用应用来选择相应的模块，其应用范围非常广泛。研究型用户用起来会很方便，常规检测的用户也会喜欢这种仪器设计。所以，吴秋波先生对iS50未来的市场前景具有无比的信心，其认为“iS50未来的销售额将会占到我们分子光谱业务的一半以上。” 　　采访编辑：刘丰秋 　　 　　附录：赛默飞分子光谱产品中国区商务运营经理吴秋波先生简历 　　吴秋波先生是赛默飞世尔科技在中国的商务运营经理，负责分子光谱和表面分析产品。于1982年加入尼高力仪器公司(现为赛默飞世尔科技的分子光谱产品)。在过去的29年间，担任过中国和亚洲的销售和客户服务代表等不同的职位。 　　在此以前，吴秋波先生于1980年首度来到中国在贝克曼仪器公司任职，那时中国刚刚对外开放市场。 　　吴秋波先生在香港理工大学获电子工程学士学位。