中國原子吸收的「前世今生」——訪北京瑞利分析儀器有限公司前...

　　1954年，澳大利亞物理學家A.Walsh提出了有關原子吸收光譜(Atomic Absorption Spectroscopy，AAS)分析方法的理論。1958年，第一臺商品型火焰AAS 儀器問世。自此，開啟了原子吸收光譜的發展歷程。

　　談到中國原子吸收的生產製造歷史，不得不提到北京第二光學儀器廠(二光)，很多的「第一」發生在二光。而對於中國原子吸收儀器的研發、製造歷史的親身經歷，對於未來技術發展方向的了解̷̷莫過於北京瑞利分析儀器有限公司的前總工章詒學。

　　到2014年，章詒學研製原子吸收光譜已有33年歷史，親身經歷、參與和見證了中國的原子吸收光譜儀器怎樣從無到有，從簡單到複雜，從低端到高端，產量和市場從少到多，成為一種量大面廣、可以和國外儀器一比高下的科學儀器。而如今，章詒學還工作在研發的第一線，另外，每年參加PITTCON等光譜方面學術會議與展覽會，積極了解原子吸收的最新進展。

　　日前，儀器信息網的編輯就中國原子吸收的過去、現在與未來，採訪了章詒學。

北京瑞利分析儀器有限公司的前總工 章詒學

中國原子吸收的「裡程碑」

　　國內第一臺商品原吸

　　上世紀60年代，在中國，分析儀器市場需求已經打開，但是商品化的光譜儀器國內幾乎沒有。當時原子吸收正經歷從科研裝備向商品化儀器轉變的過程。據章詒學回憶，根據國家規劃，當時機械工業部向北京市機電工業局下達了建立「物理光學儀器生產基地」的任務。北京光學儀器厂部分物理光學儀器、北京科學儀器廠物理光學儀器的研發人員、裝配人員、設計圖紙、裝配工具以及初步樣機等全部打包「搬」到了二光。二光成立於1968年12月， 1988年更名為北京瑞利分析儀器有限公司，現歸屬北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司公司(文中統稱「二光」)。

　　我國原子吸收商品儀器的研製始於北京科學儀器廠的倪國棟(浙大光儀系畢業)原子吸收研發團隊，該團隊1971年加入到二光。在已有研發的基礎上，1972年即推出了國內第一臺商品原子吸收WFX-Y2型，火焰原子化方式。不過據章詒學介紹，這款儀器並沒有大批量推向市場，只生產了10多臺。是什麼原因導致了中國第一臺原子吸收沒有成功產業化呢?章詒學說，Y2的研製過程中，有色院、礦冶院作為合作方試用了Y2，而試用結果是認為Y2有不太成熟的地方，需要繼續改進。

　　獲得國家科學技術獎項、國內第一臺石墨爐原吸

　　在從原子化、火焰穩定性、噴霧器供氣等方面不斷對Y2改進的同時，國際上出現了石墨爐原子吸收儀器，專家們和研發團隊建議我國開展石墨爐技術的研製。

　　說到這裡，章詒學是1972年加入到了原子吸收團隊，Y2研製時處於學習階段;在1973年初開始石墨爐原子吸收WFX-Y3型研製的時候，章詒學已經開始負責Y3石墨爐機械設計;1979年倪國棟由於個人原因離開二光的時候，章詒學開始擔任原子吸收團隊的負責人。

　　Y3的研製中，中科院環境化學所倪哲明團隊的馬怡載先生起到了非常積極的作用，馬怡載先生對石墨爐原子化技術非常感興趣。當時由於中國還沒有開放，很多工作都需要自己動手。中國石墨爐原子吸收的研製是從尋找高純度、高密度、高強度要求的石墨材料開始的，馬怡載先生與章詒學分別趕赴蘭州炭素廠和哈爾濱電炭廠，最終從蘭州炭素廠找到了符合要求的石墨材料。之後，在大量的石墨爐分析試驗中，了解到熱解鍍層石墨管的壽命長、靈敏度高，章詒學找到了北京電子管廠和航天部1院703所王恩福，正巧王恩福與章詒學二人是北大校友，其部門是研製火箭頭上使用的石墨部件，巧的是為響應軍轉民號召，正在積極尋找民用項目。二人交流了原子吸收儀器中石墨管的技術需求，王恩福部門的大型進口設備、技術能力完全可以解決該問題。說起來非常有意思的是，後來王恩福看到了原子吸收石墨管的市場空間和前景，自己成立了專門公司，一直運營到現在。

　　歷經了兩年的時間，解決了石墨材料、熱解石墨管加工、電源設計等技術難題，1975年二光推出了WFX-Y3型石墨爐原子吸收。Y3技術革新的地方不只是增加了石墨爐法，還實現了數位化。當然，這個數位化和現在所說的數位化不一樣，原來的Y2是指針顯示，Y3則實現了數碼管顯示。這兩方面的技術進步，都是填補了國內空白，並且可以說與國際先進技術保持了同步。令人印象深刻的是，Y3還在1978年獲得了第一屆科學大會獎，科學大會獎是現在國家科學技術獎項的前身，Y3能夠獲得國家級大獎，其意義和分量不言而喻。

　　計算機化的原吸

　　1978年，由於改革開放，中國很多行業受到了巨大衝擊，其中，電子工業首先垮臺。如現在很火的798文化創意園的前身是中國電子元器件產業園，目前主要依靠收取文化創意工作室的租金生存。這種衝擊肯定是給國家工業發展帶來負面影響，不過換個角度來講，例如，對於分析儀器行業來說，大量國外的質量好、價格也不貴的電子元器件湧進來，使得電路板整體故障率下降，促進了分析儀器質量的提升。

　　章詒學一直堅持「追尋國際先進技術不斷改進」的觀念，認為產品改進是無止境的。改革開放之後，中國與國際接軌、信息更通暢，原子吸收的研發人員積極地學習電子、光學等方面先進技術。「當時原子吸收的市場、應用已經多起來了，普及程度大，已被列為量大面廣的分析儀器。」 章詒學說道，「當時在原子吸收技術進步方面，最主要的發展是計算機化。」

　　1985年二光推出了採用計算機進行控制的WFX-1F型原子吸收產品。當然，當時還是286、386等單板機;並且儀器內置了一個9寸電視機顯示屏幕。由於計算機的引入，可以實時檢查原子化過程中信號變化，達到了毫秒級響應速度，發現了一些原理性問題。另外，1F還推出了自吸收扣背景技術，說到自吸，當時是與廣西化工所馬治中先生合作的。馬治中先生實驗室有一臺二光的Y2，馬先生雖然是研究分析化學的，但是對電子技術很感興趣，他通過改動Y2的電路實現了自吸收背景校正。

　　WFX-1F的技術進步較多，在1986年獲得了國家科技進步三等獎，是原子吸收光譜歷史上獲得的第二個國家級獎項。

　　在1984年國家鼓勵技術引進的時候，原子吸收方面也引進了日立、精工等產品。對於技術引進，章詒學說從中學到了很多，如一種新型的原子化技術——鎢舟電熱原子化，才知道原來原子化方式不只有火焰和石墨爐，後來，這種原子化技術的變更-鎢絲電熱原子化應用在了二光後來的910型便攜原子吸收儀器上。另外，更主要的還是學到了裝配、機械加工技術，在工業設計等方面也受到了啟發。

　　發展塞曼原吸

　　塞曼效應背景校正是近年來最受關注的原子吸收扣背景技術，章詒學對於恆磁場塞曼效應背景校正技術一直比較偏愛，尤其關注日立公司的恆磁場技術。可以說二光的塞曼原子吸收儀器研發上受日立公司技術影響較多。章詒學介紹，日立的原子吸收從170、180、5000、2000，一直到3000型，始終堅持在恆磁場塞曼效應背景校正技術方向上改進，並且不斷有新「東西」出來，「這種堅持自己技術路線不斷進步的理念值得學習。」

　　二光的塞曼背景校正技術是與廣州測試所的何華焜先生合作的，何先生是中國最早研究塞曼背景校正技術的人之一。1988年的時候何華焜先生與二光合作推出了交變磁場塞曼背景校正技術的WFX-1G，不過，雖然該樣機通過了鑑定，但在後期的試驗中發現由於交變磁場部件振動導致基線「振蕩」顯著，並且由於該技術不能應用於火焰原子吸收上，最終，WFX-1G沒有批量生產。不過這也為二光繼續研究塞曼背景校正技術打下了基礎，仍然是與何華焜先生合作，經過了3年研究，在2006年，二光推出了並列式火焰與石墨爐原子化系統、恆定磁場橫向塞曼效應背景校正WFX-810。

　　1975年WFD-Y3石墨爐、1985年WFX-1F計算機、2006年WFX-810塞曼代表了中國原子吸收的技術進步的步伐。其中，像石墨爐技術、自吸收扣背景技術等的研發幾乎與國際同步，而自吸扣背景還可能早於國外。

　　中國原子吸收早期的應用領域主要是冶金、地質，後來擴展到了環境、食品、醫藥等領域。國產廠商除了二光之外，還有北分、上分、南分、沈分等。

原子吸收技術的「現在與未來」

　　「單光束與雙光束」之爭

　　「單光束與雙光束」之爭這個話題是章詒學提出的，她還自豪的說在單光束與雙光束的光路設計方面是我們中國影響了外國。事件源於上世紀八十年代初，當時大量的進口原子吸收產品湧進了中國，進口原子吸收多採取了雙光束的光路設計，而大部分國產原子吸收則是採取單光束設計方式。單光束光路設計簡單、光強高，弱點是基線漂移、穩定時間長。而雙光束的基線穩定性好，弱點是光路複雜、光強弱，砷等弱光元素受影響較大。

　　當時國外公司極力宣傳雙光束的優勢，基線穩定、不用預熱、開機就能使用等。當時，鄧勃、馬怡載、何華焜、吳廷照等老一輩原子吸收學者們組織了一次PK活動，現場測試、比較國內外原子吸收儀器的穩定性。PK的結果是，單光束的原子吸收儀器效果更好，雖然其基線漂移是缺陷，需要穩定一定時間才能使用，而且當時的元素燈穩定性沒有現在的好，穩定時間多在十五或二十分鐘。但是單光束原子吸收的光能量強、信噪比好。如今，隨著光源製作技術的發展，元素燈的預熱時間變短了很多，性能更穩定;而且由於計算機技術的引進，調零方便，基線漂移很容易解決。

　　相反，雙光束儀器設計的鏡子多，而多一塊反射鏡最少也要損失15%~20%的能量，原子吸收本就是減弱光強度的過程，如此導致檢測到的信號非常弱。那次PK之後，可以說，國外儀器公司也有不堅持雙光束的了，至少將雙光束當作賣點進行大力宣傳的少了很多。

　　原吸「短板」之多元素同時檢測

　　分析速度慢、一次只能分析一個元素是原子吸收的固有缺陷。而2004年，德國耶拿公司在世界上首次推出了連續光源火焰原子吸收光譜商品儀器。耶拿的連續光源原子吸收是通過採用脈衝氙燈作為連續光源、中階梯光柵的分光系統、CCD 檢測器等技術，實現了多元素連續檢測。

　　不過，不同元素的原子化條件差異很大，即使是採用連續光源，真正實現多元素同時測定仍有難度，仍需要發展新的技術。另外，連續光源原子吸收儀器的結構與運行都相對複雜，而且，中階梯光柵等技術具有一定難度，國內短時間內無法達到。

　　在這種情況下，國內的原子吸收走了另外一條技術路線：多元素燈+CCD。多元素燈，用兩種以上金屬合金製作的空心陰極燈，據了解相關部件供應商現在最多已經可以做到8元素燈。「今後可以根據用戶的需求定製特色多元素燈，不過哪些元素適合組合在一起還需要進一步研究開發，」章詒學說。

　　大勢所趨之現場檢測、小型化

　　就像標題所說的，小型化、便攜化，能夠現場檢測，是分析儀器「大」的發展方向，也是原子吸收的發展方向之一。

　　隨著全社會對於環境健康和人類健康問題越來越重視，包括原子吸收光譜儀在內的各類重金屬檢測儀器發揮的作用越來越大，現場小型化、可攜式、車載等專用的重金屬檢測儀也得到長足的發展。從另一個方面來講，隨著大型直讀光譜、質譜儀器的迅速發展，原子吸收要保持其儀器和操作上簡便易用的特長，應使原子吸收儀器向小型化、專用化方面發展。

　　2010年，二光推出了可攜式原子吸收WFX-910型，採用CCD檢測器和鎢絲電熱原子化器，實現了三元素同時檢測。不過，章詒學也說道，仍然有許多的工作要做，如：真正實現多元素的同時檢測;軟體和整體結構的繼續改進;目前910在現場還是手動操作，未來可以自動化程度更高些，如遠程控制、無線網絡數據傳輸等，逐步實現江河湖海的實時監測，因為我國的很多江河的源頭都是在遠離人煙的地方，如果儀器能夠遠程控制開機、採樣、運行、報數據等將為國家水環境事業解決了實際問題;樣品處理和分析條件方面需要進行更深入的研究，以便實現真正能拿到野外使用。

　　章詒學還遺憾地說道，910推出後，由於沒有方法標準的支持，檢測出的結果不被認可，使得該儀器的市場推廣成了大問題。

　　多功能化是方向嗎?

　　近年來一些儀器公司推出了多功能的原子吸收，如瀋陽華光推出過一臺集合了火焰原子吸收、石墨爐原子吸收、氫化物發生原子螢光、紫外可見分光光度計、火焰光度計於一身的原子吸收。北京華夏科創公司推出主要用於飲用水標準中11項指標檢測的原子吸收和原子螢光「二合一」的多功能原子吸收光譜儀。

　　不過，對於這種多功能的原子吸收，其實用性、客戶反應如何，還有待進一步的考察。

　　「樣品前處理儀器化」缺乏

　　樣品前處理技術的儀器化，是所有分析儀器都面臨的問題，章詒學指出，「前處理技術是開啟新應用市場的關鍵。」樣品前處理是分析工作的一道坎，分析化學的人不會「搞」儀器，「做」儀器的人不了解分析，所以，目前，樣品前處理屬於兩邊都夠不著的「空白區」。

　　說到這裡，章詒學舉了一個例子，當時910便攜原子吸收推出後，蔣仕強老師非常看好910在飼料行業原料進廠前的檢測應用，推薦去聯繫廊坊一家飼料企業，該企業質控經理看過測試數據後，認為910 能夠滿足企業的需求。不過，企業的分析人員水平較低，無法勝任複雜的樣品前處理技術，對此，質控經理提出了一個要求，能否將910的前處理做成自動、「傻瓜相機」式的?對於這樣的要求，章詒學說自己受到了「刺激」，「太難了，儀器廠家對於這方面很外行，不過這一定是一個方向。」

　　儀器小型化的目的是為了在現場能夠進行檢測，恰恰目前還缺少了一個環節——樣品前處理，未來在這方面有大量的工作可做。全自動化、半自動化的前處理技術或發現新的處理方法解決傳統方法不好解決的問題，再或者，另闢蹊徑——發展直接進樣技術。

也談國內外的差距

　　「總的來說，中國的原吸與國際發展方向一致、同步，」章詒學說道，「國產原子吸收儀器研發力量越來越弱，國內儀器企業的光機系統、分析軟體、電路設計的人才很缺乏。」

　　長期穩定性之殤

　　總體來說，國內外原子吸收之間最大的差距是在於長期穩定性。國產原子吸收的長期穩定性較差，這也是用戶購買國產原子吸收不自信的地方。用戶普遍反應是「使用時間長了之後，故障多，數據重現性差。」

　　國內外製造水平存在差距之外，關鍵零部件如光電倍增管、固態檢測器等目前幾乎都是進口的。很多業內人士建議，國家應該大力扶持關鍵零部件產業的發展。

　　一攬子解決方案的「真與假」

　　國產原子吸收的用戶多是縣級單位、企業的用戶，儀器操作人員的技術水平較低，更加需求全面解決方案。國外廠家的一攬子解決方案真正做到了包含前處理方法、配套試劑等環節。而國內真正能夠做到全面解決方案的廠家還不多。

　　究其原因，章詒學認為，國產儀器廠家的人才結構上存在缺陷，不願意養、也養不住分析化學人才;而且對於「不只造儀器，還要教用戶用儀器，最好還能配套前處理設備或方法」這種需求缺少意識，然而恰恰這些方面對於佔領市場很重要。

　　同質化、低價競爭的怪圈

　　「國產原子吸收的現狀不是很好，同質化、低價競爭現象較嚴重，」章詒學說道。國產原子吸收多是中低檔產品，低價競爭的結果是利潤薄、研發投入下降。對於相關產業聯盟一直沒能真正建起來，章詒學感到困惑，「不形成聯盟，在應對國外競爭時將毫無優勢可言。」

　　另外，章詒學也談到目前在儀器招投標中存在的一些弊端，如「明明兩個燈就夠了，偏偏要配八個燈?!燈多了之後，穩定性變差、儀器結構與運行都變得複雜。還有狹縫的個數也是，並不是越多越好，一些儀器廠家往往將這些參數宣傳成了『噱頭』。」

　　採訪編輯：劉豐秋