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许多化学反应是在电极表面进行的，了解这些反应过程，研究反应的动力学问题是化学家们长期研究的题目。吸附物质将于表面形成吸附层，吸附层的原子分子结构，分子间相互作用是研究表面化学反应的前提与基础。在超高真空环境下，科学家们使用蒸发或升华的方法将气态分子或原子吸附在基底（一般为金属或半导体）上，再研究其结构。

在溶液中，原子分子将自动吸附于电极表面。在电位的控制下，吸附层的结构将有不同的变化。此种变化本身与反应的热力学与动力学过程有关，由此可以研究不同种类物质的相互作用及反应。电化学扫描隧道显微镜 在这一领域的研究中已有很好的成果。例如：硫酸是重要的化工原料，硫酸在活性金属表面（如铑、铂等）上的吸附一直是表面化学和催化化学中的研究热点。尽管有关硫酸吸附的研究报告已有很多，但是其在电极表面的吸附是否有序，结构如何，表面催化变化过程，硫酸根离子与溶液中水分子的相互作用，水分子在硫酸的吸附结构形成中的作用等，长期没有明确结论。

利用电化学扫描隧道显微镜，我们在溶液中原位研究了这一体系的吸附及结构变化过程。研究发现，硫酸根离子在Rh(111)以及Pt(111)等表面与水分子共同吸附，水分子与硫酸根离子通过氢键结合形成有序结构。

基于实验结果，我们提出了硫酸根离子与水分子菜吸附的理论并给出了模型。

利用电位控制表面吸附分子是电化学扫描隧道显微镜 在化学研究中的又一成功应用范例。利用此技术，可以控制表面吸附分子在材料表面的结构及位向等。例如控制分子与基底平行的取向变为与基体垂直的取向。这种取向变化完全可逆，且只受电位影响，其行为类似于原子分子开关。这一研究为原子分子器件的发展提供了新的途径。

光电反应是涉及到生物、化学、环境、电子等众多学科的一类常见的重要化学反应，利用电化学扫描隧道显微镜 可以跟踪监视光电化学反应过程，研究反应物分解与转化的微观机制，如分子吸附层结构，分子间的相互作用，分子分解，以及生成物的结构等。现已受到众多领域学者的重视。

总之，用扫描隧道显微镜 技术研究表面化学反应已获得了许多成功，并展现了极具魅力的广阔前景。在未来的研究中，肯定会有更多的实验结果问世。

量子级联激光器（QCL）在痕量气体检测中的优势，主要是自带的中红外BUFF，让它妥妥出了圈。不过圈是出了，但舞到底怎样，还是要拉出来跳跳才行。

滨松QCL产品

今天就给大家带来了滨松QCL在N₂O、CO、¹³CO₂/¹²CO₂、NH₃、CO₂几种气体检测中的实际应用，还有QCL线宽的测试。啥都不说了，话都在下面的案例里啦~

大气污染物监测

# N₂O & CO测量

在大气监测中，同时监测大气中的“氧化亚氮（N₂O）”和“一氧化碳（CO）”这两种物质，可以更好地了解人类活动（如燃烧）对气候变化的影响。其中， N₂O是第三大人为温室气体，它引起的温室效应，大概是CO₂的300倍。大气中N₂O浓度约325ppbv，而且呈逐年递增的趋势；CO则是一种与燃烧有关的人类活动的重要示踪剂，比如化石燃料的燃烧，大气中CO浓度约为40ppbv~ppmv量级。

美国普林斯顿大学的MarkA. Zondlo等人采用滨松TE制冷HHL封装CW DFB型QCL ，搭建了一个N₂O和CO气体传感系统。

N₂O和CO气体传感系统

实验中所使用的QCL工作波长为4.54 um，15cm长的气体吸收池实现16m光程用于测量大气中N₂O和CO。基于波长调制光谱（WMS）技术可以同时检测二次和四次谐波吸收光谱。实验室条件10Hz响应频率下实现了0.15ppbv-N₂O和0.36ppbv-CO的检出限。该传感系统已开始在户外长时间连续测量，实验结果如下：

（a）N₂O和CO峰值

（b）CO/N₂O浓度增加相关性

这是基于QCL开放光路的小型N₂O传感器，功耗低、体积小、性能稳定，方便携带，也易于校准和维护，便于户外测量。

该课题组还对于滨松QCL和某T公司QCL的光学噪声进行了对比测试，通过以下的测试数据可以看到，滨松的噪声水平远低于T公司。

滨松（图左）与T公司（图右）QCL光学噪声对比

相关论文：

Tao L, Sun K, Khan M A,et al. Compact and portable open-path sensor for simultaneous measurements ofatmospheric N_2O and CO using a quantum cascade laser[J]. Optics Express, 2012,20(27):28106.

呼吸诊断

# ¹³CO₂/¹²CO₂测量

测量二氧化碳（CO₂）同位素比值已被用于许多领域，如油气勘探、大气、火山研究和医学诊断。而在医学诊断中，呼出气是不同疾病的实时指示器，大家应该对下面这个气场景不陌生吧：

体检中铆足劲吹气的你

图片来自于网络

我们都知道，这是一种检测幽门螺旋杆菌的方式。当人体摄入¹³C标记的尿素后，呼出¹³CO₂浓度的增加，与此种菌类的存在有一定的关系。此外，呼气中¹³C值，还可能是与内毒素血症的急性期反应相关的恶病质的实时生物标记物。在医学诊断中，通常要求快速实现精度为0.5~1‰的¹³C测定。

针对部分疾病，目前已有许多基于 TDLAS 技术的无创检测方法，且效果显著。英国曼彻斯特大学的Vasili L.Kasyutich采用滨松TE制冷连续型DFB QCL（工作波长2308cm-1），以及54.2cm长的气体吸收池，用于¹³CO₂/¹²CO₂气体的测量。连续80次积分时间1s，测量精度达到了0.12‰（120ppmv），测量结果我们来看看：

呼吸气¹²CO₂测量结果

基于滨松4.3μm波长QCL的¹³CO₂/¹²CO₂同位素比值测量示意图

相关论文

Kasyutich V L , Martin PA . 13CO2/12CO2 isotopic ratio measurements with a continuous-wave quantumcascade laser in exhaled breath[J]. Infrared Physics & Technology, 2012,55(1):60-66. 

# NH₃测量

人体呼吸中含有约500种不同的化学物质，通常处于超低浓度水平，可作为识别和监测人类疾病或健康状况的生物标志物。其中，监测呼气中NH₃的浓度水平，则是一种快速、无创的肝肾疾病诊断方式。

美国莱斯大学的FrankK. Tittel等人就搭建了一套这样的测试系统，其中采用到了滨松TE制冷连续型DFB QCL（工作波长10.34 μm）。该系统包括一个参考池，在130Torr气压下填充2000 ppmv NH₃:N₂混合物，用于吸收线锁定。时间分辨率为1s时最小检出限（1σ）为6ppbv。

氨呼吸传感器示意图

相关论文

Tittel F K , Lewicki R ,Dong L , et al. Real time detection of exhaled human breath using quantumcascade laser based sensor technology[J]. Proceedings of Spie the InternationalSociety for Optical Engineering, 2012, 8223:9.

CO₂测量

采用了滨松室温工作CW DFB QCL （工作波长4.33 μm），意大利巴里理工大学和滨松ZY研究所搭建了一套高灵敏度的CO₂测量系统。利用石英增强光声光谱（QEPAS）技术，结合高精度腔式传感器平台，来实现痕量气体探测，即腔内QEPAS（I-QEPAS）。

基于I-QEPAS技术CO₂测量示意图

该方案将QCL耦合到蝶形光腔中，检测2311.105cm-1处P(42)CO₂吸收线，在50mbar气压下通过20s积分时间实现了300pptv的最小检测限。

基于I-QEPAS（红色曲线）和QEPAS技术（黑色曲线）的阿伦方差对比

相关论文

Patimisco P, Borri S,Galli I, et al. High finesse optical cavity coupled with a quartz-enhancedphotoacoustic spectroscopic sensor[J]. Analyst, 2015, 140(3):736-743.

滨松QCL线宽测试

“窄线宽”是滨松QCL一个很重要的性能加分项，在实际使用中有怎样的展现呢？意大利国家光学研究所INO-CNR和滨松ZY研究所一起，对室温工作峰值波长4.36um的滨松DFB QCL频率噪声功率谱密度进行了测量。

滨松DFB QCL频率噪声功率谱密度测量示意图

通过计算，得到了260Hz的本征理论线宽值（市面上大多数DFB QCL线宽值为MHz量级或更高）。测量系统中，光束经非球面ZnSe透镜准直后，进入一个10 cm长的气体吸收池测量CO₂气体直接吸收光谱，吸收信号由HgCdTe探测器和实时FFT光谱仪进行处理。

滨松DFB QCL频率噪声功率谱密度高频部分测量结果

今天我们快速地为大家过了5个滨松QCL的实际应用案例，想要进一步了解每一个实验的具体内容，可以根据提供的题目去查找论文原文来阅读。而QCL的应用不止于此，总体说来，以下这些应用都可能是它的目标领域：

国防

IRCM（红外热辐射干扰系统）、目标指示/目标照射、远距离爆炸探测、毒气侦测、集装箱检查

医学

气氨检测（肝肾疾病）、葡萄糖检测、呼吸诊断、麻醉检测、医院空气质量检测

环境监测

环境空气质量、碳排放监测、海洋船舶排放遥测、烟气排放监测、汽车尾气排放遥测

工业检测

天然气含量监测、泄露检测、石油化工监测、制药工艺质量控制

半导体行业

设备气体监测控制、晶圆传递、原位污质监测、内部气体污染监测

滨松QCL应用相关文献

滨松的激光技术衍生自与日本大阪大学合作的激光核聚变研究，目前拥有多种类的半导体、固体激光器及其相关产品。QCL就是其中一员，可提供CW（连续型）QCL器件及模块，近年还推出了波长可调谐的EC-QCL模块、低成本蝶形封装QCL、QCL一体化功能模块等新品。

ACE HILIC法开发平台和工作实例

图17显示了HILIC方法开发的流程图。
一般方法是：收集分析物相关的信息（如果已知的话），针对三个ACE HILIC相（用三款不同的ACE HILIC色谱柱在不同的pH洗脱液条件下）执行梯度或等度HILIC筛选实验（取决于样本分析物的亲水性范围），然后再优化色谱法以达到可接受的HILIC法。
表1中列出了ACE HILIC筛选条件。

这些设计旨在探索广泛的选择性范围，以及为达到所需分离提供一个良好的起点。

图17
ACE HILIC 方法开发流程图

表1
ACE HILIC筛选实验的条件

ACE HILIC色谱柱保存方法

使用之后，ACE HILIC色谱柱应使用体积比为7:3的乙腈和水进行冲洗，清除掉所有的缓冲盐。

然后，使用的异丙醇、以更低的流速进行冲洗，以便贮存。应往回拧紧色谱柱端盖（拧紧色谱柱端盖），并将色谱柱放回盒内。

每次分析运行之后，除非第二天要使用，否则建议采用密闭法（按长期保存的方法）清洗色谱柱，然后用异丙醇冲洗。

实例1 – 咖啡茵和相关化合物

方法开发中所需的咖啡茵和四种相关化合物（可可碱、茶碱、次黄嘌呤和黄嘌呤）这些化合物都是极性的中性物质，其中负log P值表示合理的亲水性（log P为负值明确的表明其亲水性），因此适用于HILIC（图18）。

图18
咖啡茵和相关物质的结构和log P数据

咖啡茵和相关化合物在pH为3-6的情况下不可电离，因此洗脱剂的pH几乎不会直接影响分子。

为此，选择pH 3.0和4.7。

固定相会受洗脱剂pH变化的影响，这可能是有利的一面。

固定相的电离变化将影响粒子周围的水合层，这会影响分析物分散到相中（分配在固定相上）或形成氢键的程度。

因此，在pH3.0和pH4.7的情况下对三个固定相进行筛选，结果如图19中所示。
新的ACE HILIC色谱柱使用60倍柱体积相互平衡（平衡），以在粒子周围形成水合层。表1中显示了流动相、梯度和温度。
筛选结果显示：三个固定相与两个pH值之间观察到一些选择性差异（三个固定相在两个pH值下的筛选结果可以看出彼此间具有选择性的差异）。

基于筛选数据的Z有效分离是针对pH为3.0下的（pH为3.0下的）ACE HILIC-N相。

这些数据选择（选定这些条件）用于进一步优化。

图19
ACE HILIC色谱柱的梯度筛选

条件如表1中所述，275nm条件下的检测除外。进样25mg/mL的咖啡茵混合物2μL（使用pH3.0和pH4.7的甲酸铵，以0.5%w/w的比例混合相关物质和MeCN/H2O（90:10 v/v））
样本：
1) 咖啡茵

2) 茶碱
3) 可可碱
4) 黄嘌呤
5) 次黄嘌呤

较早洗脱峰的保留窗口（时间段）非常窄，这表示：等度HILIC可用于分离分析物。（等度方式的HILIC可以被用于分离这些化合物）10mM甲酸铵，pH3.0（溶于MeCN/H2O中）（94:6 v/v）被选为等度条件（图20）。

在这些条件下，峰4和5要保留得更多（好），但峰2和3仍未解析出（被分离）。
根据梯度运行的结果，乙腈含量更高似乎不会提高峰2和3的解析度（高的乙腈含量没有提高2与3峰的分离度），所以梯度HILIC分析得到改善（所以梯度分析是对混合物分离有更合适的，温度将被研究），从而开发出Z终方法，如图21所示。

图20
ACE HILIC-N相中咖啡茵和相关化合物的等度分析

ACE HILIC-N相中咖啡茵和相关化合物的等度分析
色谱柱：ACE 5 HILIC-N，
150 x 4.6 mm
流动相：10 mM甲酸铵，pH3.0（溶于MeCN/H2O中）（94:6 v/v）
流速：1.5 mL/min
温度：25 °C
检测：UV, 275 nm
进样：2 μL
样本：
1) 咖啡茵

2) 茶碱
3) 可可碱
4) 黄嘌呤
5) 次黄嘌呤

温度的降低会提高茶碱与可可碱之间的解析度（分离度），因此，Z终方法（图21）被认为适合其用途。

图21
Z终开发方法：

色谱柱：ACE 5 HILIC-N，150 x 4.6 mm
流动相：A = 10mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O中（96:4 v/v）中 B = 10mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（1:1 v/v）中
梯度：0-B在15分钟内，B持续5分钟，下一次进样维持在起始条件20分钟
流速：1.5 mL/min
温度：15 °C
检测：275 nm
进样：2 μL

实例2 – 肌酸和肌酐

肌酸（图22）是使用甘氨酸和精氨酸合成的氨基酸。

它在为体内细胞提供能量方面起着重要作用（在体内主要用于为细胞供能），并形成（生成）副产品肌酐。测定血液中的肌酐，确定肾功能是否正常，其中肌酐水平的增加表示肾可能不会完全过滤废物。（升高表明肾的过滤废物的功能有所降低）

图22
结构和log P肌酸和肌酐数据

图23
使用pH为3.0、4.7和6.0的甲酸铵对ACE HILIC范围的等度筛选对比
样本：
1) 肌酐
2) 肌酸

在三种pH值条件下，利用等度条件对三个HILIC固定相的两种分析物进行筛选。

结果表明：肌酐在三个ACE HILIC相中被适当地保留，但由于过度保留的原因，肌酸在合理的时间内没有洗脱。

根据图17中的流程图，过度保留窗口表示梯度（宽时间段表明梯度方法）可能更适宜。

图24
ACE HILIC-A相下的Z终方法

ACE HILIC-A在pH3.0下选择，进行梯度分析。

标准梯度在10分钟内析出两种目标分析物，并且解析度很高（分离度很高）（数据未显示）。因此，这使得梯度时间进一步减少（这种情况下可以使梯度运行时间进一步减少），从而缩短了整体运行时间。

Z终方法如图24中所示。

色谱柱：150 x 4.6 mm, 5 μm
流动相：
A：2 mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（90:10 v/v）中
B: 2 mM甲酸铵（pH3.0）溶于MeCN/H2O（50:50 v/v）中
梯度：5-55%B，在10分钟内
流速：1.5 mL/min
检测：230 nm
进样：5 μL
样本：
1) 肌酐
2) 肌酸

结论

HILIC是一种用于多用途的极性分析物色谱分析法（对于极性化合物来说是一种通用的色谱分析模式）。

这种方法比较复杂，但如果遵循简单规则，则可实现可再现的HILIC方法（HILIC方法是可以重现性的）。

三个ACE HILIC相（固定相）设计用于HILIC方法开发期间研究选择性，并尽可能快地提供实现所需分离的选项。

ACE HILIC方法验证协议（规程）已成功用于开发一系列的HILIC方法，应为HILIC方法开发活动提供一种结构化的方法。

表面张力分为静态（平衡）表面张力和动态表面张力(dynamic surface tension, DST)。静态表面张力是指表面活性剂在界面达到吸附平衡时的Z低表面张力，而DST是指表面活性剂在达到平衡吸附前某一时刻的表面张力，是一个变化的值。

当研究的液体吸附过程在快速、持续进行, 且短时间内无法达到平衡时, 对液体DST的研究比静态表面张力更有意义。如在农药喷洒、喷墨印刷、织物快速润湿, 以及摄影用薄胶片制备中。图1对比了近10年 (2008～2018年) 国内外发表的以DST为主要考察项的论文数。数据显示国内在DST方面的研究较少且总体波动不大，而国外则呈持续上升趋势。

图1   2008～2018 年国内外发表的DST 文章数量对比图

研究液体在药物制剂过程中的DST, 可挖掘DST与制剂过程、制剂产品之间的关系, 进而优化制剂过程、改进工艺参数。

一、动态表面张力的测定

由于对DST时间范围界定的不同，可运用的测量手段也有所不同。王建坤等认为，在达到静态表面张力前的表面张力变化都可算是DST，这个时间范围以几毫秒到几小时计。可用Wilhelmy吊片法、DuNouy吊环法、滴重法、滴体积法、悬滴法、Z大气泡压力法测定DST。

图2 不同的DST 测定方法的适用时间范围示意图

根据Rosen描述的动态吸附过程可知在新表面形成后1 s内，是表面吸附的关键期，体系的DST变化迅速。中药水提液的表面张力在5~100 ms内具有较大变化，大多数在1 s内都已达到平衡。因此，用于测量DST的方法应具有连续、精确、快速测量1 s内数据能力。

二、Z大气泡压力法

通过毛细管将气体注入到待测液体中时，在毛细管的端部重复形成气泡，根据气泡压力的Z大值和毛细管半径，计算得到表面张力。通过改变气流流速控制气泡的年龄，可测量不同时间尺度的表面张力。目前实验室中多用KRÜSS公司的BP100气泡压力张力仪测定1 s内DST。

三、DST 在药物制剂领域的潜在应用价值

近10年，DST已受到化工、涂料、印染等领域的广泛关注。药物制剂领域也有很多液体瞬时运动的过程，如喷雾干燥雾化，流化床制粒的粘合剂雾化，关注DST在液体雾化及扩散润湿过程中的作用，是精细控制制剂工艺的手段之一。

四、 结语

综上所述，DST作为一项重要的物理参数，在细微之处影响着药物制剂的品质与生产。关注DST对制剂过程的影响，拓展固有的药剂研究思路是十分必要的。

参考文献

施晓虹，李佳璇，洪燕龙，赵立杰，冯怡，王优杰. 动态表面张力在药剂学研究中的应用前景[J].国际药学研究杂志,2019.