Аналитические данные от представителей отрасли
Ричард Крокомб
руководитель
Crocombe Spectroscopy Consulting
В этом интервью, которое мы взяли у Ричарда Крокомба на выставке Pittcon 2024 в Сан-Диего, он рассказал о своём пути в области спектроскопии, уделив особое внимание разработке портативных спектрометров и их преобразующему потенциалу в сфере носимых устройств для здоровья и фитнеса.
Не могли бы вы начать с того, чтобы представиться и рассказать нам о своём пути в области спектроскопии и о том, что побудило вас заняться разработкой портативных спектрометров?
Меня зовут Ричард Крокомб. Я защитил докторскую диссертацию по неорганической химии и колебательной спектроскопии в эпоху, когда всё было на миллиметровой бумаге и в основном аналоговое. В качестве постдока я использовал один из первых компьютеризированных ИКФурье-спектрометров, что было значительным достижением для того времени. У него было 32 килобайта памяти, и всё, включая операционную систему, программное обеспечение и данные, хранилось на диске объёмом 5 мегабайт.
Тем не менее это послужило основой для всего, что мы делаем сегодня в плане сбора, обработки данных и получения результатов. Поисковые системы, методы количественного анализа и другие функции были разработаны на ранних этапах создания этих систем. Это было очень интересное время.
Затем я устроился в компанию, занимающуюся FTIR-спектроскопией, где проработал около 20 лет, в основном занимаясь разработкой приложений и инструментов. Кульминацией моей работы стала коммерциализация гиперспектральной визуализации в среднем инфракрасном диапазоне с использованием двумерных лучевых детекторов. В тот момент я почувствовал, что эта область становится технологически зрелой. Каждый спектрометр представлял собой бежевую коробку размером 60 на 60 сантиметров. Однако появлялись технологии, которые позволяли уменьшить его размеры.
Я устроился в телекоммуникационную оптическую компанию, которая разработала множество миниатюрных оптических технологий. Мы создали спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, в котором вся оптика была размещена на небольшом чипе. После этого я работал в других компаниях и использовал множество других миниатюрных технологий.
Я устроился в Thermo Fisher Scientific и начал работать с портативным рентгеновским флуоресцентным анализатором, который работает с элементами, а не с молекулами. После этого я работал в компании PerkinElmer, которая приобрела портативный масс-спектрометр для газовой хроматографии, используемый в полевых условиях. В результате я досконально изучил все аспекты портативных приборов, включая их технологии и области применения.
Учитывая ваш обширный опыт в разработке спектрометров, какие из наиболее значимых достижений в области миниатюрных оптических технологий вы можете назвать?
Первая волна состояла из оптических компонентов, разработанных для оптических телекоммуникаций, таких как диодные лазеры и детекторы. Это позволило в 1990-х годах создать портативные рамановские спектрометры, диодные лазеры, системы оптической фильтрации и ПЗС-детекторы. Бытовая электроника, вычислительные мощности и карманные дисплеи существенно повлияли на развитие портативных приборов.
В вашей обзорной статье 2018 года, опубликованной в журнале Applied Spectroscopy, подробно рассматривается портативная спектроскопия. Как, по вашему мнению, развивалась эта область с тех пор, особенно с точки зрения технологических достижений?
Во-первых, он сильно вырос. Закончив эту статью, я понял, что мне ещё многое нужно сказать. В соавторстве с Полин Лири и Брук Каммрат я отредактировал двухтомную книгу объёмом около тысячи страниц с 40 главами о портативных инструментах.
Поскольку эти инструменты используются в различных условиях, люди спрашивают: «Можете ли вы сделать X? Можете ли вы сделать Y? Мы хотели бы сделать это». Производители часто пересматривают свои процессы, разрабатывая новые базы данных, калибровки, алгоритмы и методы отбора проб. Однако основная технология остаётся прежней, что позволяет использовать её в новых сферах.
Этот цикл также применим к портативным рентгеновским флуоресцентным и портативным рамановским спектрометрам, поскольку сфера их применения продолжала расширяться, пока они были представлены на рынке.
В своём выступлении на Pittcon 2024 вы упомянули стремительное развитие портативной спектроскопии. Не могли бы вы подробнее рассказать о том, что способствовало этому развитию и с какими трудностями пришлось столкнуться?
Я упомянул этот цикл: представление прибора, ответы на вопросы о его применении и доработка. Однако технологии в области фотоники и бытовой электроники продолжают стремительно развиваться, что позволяет приборам постоянно уменьшаться в размерах.
Поразительно, насколько искушёнными в создании таких приборов стали инженеры. Благодаря интеграции новых технологий им удалось уменьшить размеры приборов, не снижая их производительности. Это может показаться нелогичным, но теперь вы можете приобрести портативный прибор ближнего инфракрасного диапазона размером с компьютерную мышь, который будет отлично работать.
Портативные спектроскопические приборы размером примерно с половину кирпича. Некоторые из них ещё меньше, и они работают лучше своих предшественников. Это большое достижение для производителей приборов и инженеров. Они также расширили спектр применения приборов за счёт встроенных библиотек.
Проблема в том, что в конечном счёте у вас просто не останется сил. Когда прибор становится меньше, количество света, которое он может улавливать, то есть оптическая пропускная способность или этендю, резко снижается, что сказывается на производительности. Поэтому следующим шагом станет внедрение технологий фотонного типа следующего поколения, и здесь есть несколько вариантов.
Один из них — недорогой мультиспектральный датчик, который не является полноценным спектрометром, но при этом обладает ценными мультиспектральными возможностями. Этот датчик, вероятно, подходит для различных областей применения. Ещё одна новая технология, которая пока не получила широкого распространения, — кремниевая фотоника или фотонные интегральные схемы.
Обычный спектрометр обычно имеет форму куба, чтобы свет мог проходить сквозь него, поэтому его сложно встроить в смартфон или другое подобное устройство. Преимущество фотонных интегральных схем в том, что они плоские. Их можно легко встроить в часы, носимые устройства, кольца или смартфоны. Это станет следующим шагом, но на это потребуется несколько лет.
Мультиспектральные датчики теперь достаточно дешевы, чтобы их можно было использовать в потребительских товарах. Уже существуют прототипы, в которых спектроскопические датчики встроены в робот-пылесос. Это позволяет определять тип поверхности, на которой находится пылесос, например ковер, плитка, дерево и т. д. Таким образом, он может соответствующим образом корректировать свои рабочие параметры. Он также может обнаруживать пятна и уведомлять вас о необходимости более тщательной уборки в этих местах.
Существуют различные идеи относительно «умных» зубных щёток и холодильников. Эта технология внедряется в носимые устройства, спортивные часы и кольца.
В вашем выступлении также упоминается применение портативной спектроскопии в фитнес-продуктах и системах мониторинга здоровья. Не могли бы вы подробнее рассказать о том, как эти приложения меняют наш подход к индивидуальному здоровью и благополучию?
Некоторые носимые устройства, такие как смарт-часы и кольца, могут выполнять несколько функций. Они могут измерять частоту пульса, уровень насыщения крови кислородом и гидратацию тканей. Многие спортсмены, особенно марафонцы и велосипедисты, которые следят за своими результатами, проявляют большой интерес к этим устройствам, которые сейчас распространяются повсеместно.
Эти методы можно использовать для мониторинга общего состояния здоровья. Разработчики носимых устройств также ищут способы расширить возможности этих технологий.
Святой Грааль — это оптическое неинвазивное измерение уровня глюкозы в крови, которое избавляет от необходимости прокалывать палец. Люди работают над этим уже несколько десятилетий. Это очень сложная задача. Однако новые фотонные технологии могут помочь решить эти проблемы. Возможно, уже через несколько лет мы увидим продукты, проходящие клинические испытания.
Вы упомянули новые технологии в области портативной спектроскопии. Какие из них обещают революционные изменения в ближайшие несколько лет?
Если говорить о революционных изменениях, то существующее поколение портативных приборов, используемых специалистами по работе с опасными материалами, военными и для идентификации сырья, станет более совершенным. Я считаю, что ключевую роль сыграет интеграция мультиспектральных датчиков и фотонных интегральных схем.
Этот переход к использованию спектроскопических датчиков в повседневной жизни поистине удивителен. В качестве примера можно привести концепцию «умных» туалетов, которая звучит необычно, но одна компания уже выпустила продукт в этой сфере.
Вы отметили значительное снижение стоимости производства мультиспектральных устройств. Как, по вашему мнению, это повлияет на доступность и внедрение этих технологий в повседневную жизнь?
Я думаю, что как только цена снизится до менее чем 10 долларов за устройство при оптовых закупках, станет возможным встраивать их в различные товары для дома, потребительские устройства, носимые гаджеты, кольца и смартфоны. Эту задачу невозможно решить с помощью большого спектрометра и при высокой стоимости товара, будь то 10 000 или даже 2000 долларов. Для внедрения спектроскопических датчиков необходимо достичь этих конкретных показателей.
Что для вас наиболее ценно в участии в таких конференциях, как Pittcon, и выступлениях на них, особенно в том, что касается обмена знаниями в области спектроскопии?
Эта конференция отличается разнообразием участников. Здесь крупнейшие производители инструментов демонстрируют свои последние разработки. На конференцию также приезжает много представителей химической и фармацевтической промышленности, а также научных кругов.
Я считаю, что такое взаимное обогащение очень полезно и редко встречается на других научных конференциях. Некоторые конференции посвящены исключительно технологиям, в то время как другие имеют более академическую направленность. Однако эта конференция находится где-то посередине. Широкий круг участников и докладов очень ценен.
Профессиональные сообщества также активно работают в этой сфере. Общество Кобленца, Общество прикладной спектроскопии и Королевское химическое общество являются партнёрами Pittcon. Они вносят свой вклад в программу, организуя симпозиумы. Эти сообщества также предоставляют возможности для налаживания связей и установления ценных контактов. Если объединить всё это, получится очень ценный опыт.
В честь 75й годовщины Питткона не могли бы вы поделиться своими первыми воспоминаниями или впечатлениями от участия в этой конференции и рассказать, как она повлияла на ваше представление о научном сообществе?
До этого я посещал более традиционные встречи. Первая конференция, на которой я побывал, проходила в Кливленде. Если посмотреть на её историю, можно понять, как давно я являюсь частью этого сообщества. Меня впечатлило уникальное сочетание специалистов-практиков, производителей инструментов и учёных, а также невероятное взаимное обогащение идеями.
Чего вы больше всего ждёте от Pittcon 2024 в Сан-Диего?
Погода здесь намного лучше, чем в Чикаго. Окружающая среда вокруг конференц-центра тоже очень приятная. Мне очень нравится бывать на Западном побережье, и я должен сказать, что конференц-центр довольно приятный.
Мне нравятся конференции, на которых можно ходить пешком повсюду: от отеля до конференц-центра и близлежащих ресторанов, без необходимости пользоваться автобусами или другим транспортом. Это способствует более тесному общению и получению более ярких впечатлений.
О Ричарде Крокомбе
Ричард Крокомб — директор компании Crocombe Spectroscopic Consulting. Он работает как с начинающими, так и с уже состоявшимися производителями оборудования в сфере миниатюрных оптических технологий и портативных спектрометров, стратегий выхода на рынок и новых областей применения портативных спектрометров, а также с компаниями, желающими использовать портативные спектрометры в своих процессах.
До этого он работал в нескольких компаниях, включая PerkinElmer, Thermo Fisher Scientific, Axsun Technologies, Digilab и Bio-Rad Laboratories. В основном он занимался разработкой новых спектрометров и их применением, в том числе для получения изображений методом ИК-Фурье с использованием матричных детекторов в фокальной плоскости.
Он является бывшим президентом (2020) Общества прикладной спектроскопии (SAS), а в настоящее время является главным редактором нового журнала SAS Applied Spectroscopy Practica.
Он опубликовал множество работ, посвященных технологиям и применению миниатюрных и портативных спектрометров, в том числе обширную обзорную статью в журнале Applied Spectroscopy в 2018 году. Ричард Крокомб, Полин Лири и Брук Каммрат являются соредакторами двухтомника «Портативная спектроскопия и спектрометрия», опубликованного издательством John Wiley в апреле 2021 года.
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся