1954年，澳大利亞物理學(xué)家A.Walsh提出了有關(guān)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(fā)展歷程。

      談到中國原子吸收的生產(chǎn)制造歷史，不得不提到北京第二光學(xué)儀器廠(二光)，很多的“第一”發(fā)生在二光。而對于中國原子吸收儀器的研發(fā)、制造歷史的親身經(jīng)歷，對于未來技術(shù)發(fā)展方向的了解……莫過于北京瑞利分析儀器有限公司的前總工章詒學(xué)。

      到2014年，章詒學(xué)研制原子吸收光譜已有33年歷史，親身經(jīng)歷、參與和見證了中國的原子吸收光譜儀器怎樣從無到有，從簡單到復(fù)雜，從低端到高端，產(chǎn)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(xué)儀器。而如今，章詒學(xué)還工作在研發(fā)的第一線，另外，每年參加PITTCON等光譜方面學(xué)術(shù)會議與展覽會，積極了解原子吸收的最新進(jìn)展。

      日前，儀器信息網(wǎng)的編輯就中國原子吸收的過去、現(xiàn)在與未來，采訪了章詒學(xué)。

中國原子吸收的“里程碑”

國內(nèi)第一臺商品原吸

      上世紀(jì)60年代，在中國，分析儀器市場需求已經(jīng)打開，但是商品化的光譜儀器國內(nèi)幾乎沒有。當(dāng)時原子吸收正經(jīng)歷從科研裝備向商品化儀器轉(zhuǎn)變的過程。據(jù)章詒學(xué)回憶，根據(jù)國家規(guī)劃，當(dāng)時機(jī)械工業(yè)部向北京市機(jī)電工業(yè)局下達(dá)了建立“物理光學(xué)儀器生產(chǎn)基地”的任務(wù)。北京光學(xué)儀器廠部分物理光學(xué)儀器、北京科學(xué)儀器廠物理光學(xué)儀器的研發(fā)人員、裝配人員、設(shè)計圖紙、裝配工具以及初步樣機(jī)等全部打包“搬”到了二光。二光成立于1968年12月， 1988年更名為北京瑞利分析儀器有限公司，現(xiàn)歸屬北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司公司(文中統(tǒng)稱“二光”)。

      我國原子吸收商品儀器的研制始于北京科學(xué)儀器廠的倪國棟(浙大光儀系畢業(yè))原子吸收研發(fā)團(tuán)隊，該團(tuán)隊1971年加入到二光。在已有研發(fā)的基礎(chǔ)上，1972年即推出了國內(nèi)第一臺商品原子吸收WFX-Y2型，火焰原子化方式。不過據(jù)章詒學(xué)介紹，這款儀器并沒有大批量推向市場，只生產(chǎn)了10多臺。是什么原因?qū)е铝酥袊谝慌_原子吸收沒有成功產(chǎn)業(yè)化呢?章詒學(xué)說，Y2的研制過程中，有色院、礦冶院作為合作方試用了Y2，而試用結(jié)果是認(rèn)為Y2有不太成熟的地方，需要繼續(xù)改進(jìn)。

獲得國家科學(xué)技術(shù)獎項、國內(nèi)第一臺石墨爐原吸

     在從原子化、火焰穩(wěn)定性、噴霧器供氣等方面不斷對Y2改進(jìn)的同時，國際上出現(xiàn)了石墨爐原子吸收儀器，專家們和研發(fā)團(tuán)隊建議我國開展石墨爐技術(shù)的研制。

     說到這里，章詒學(xué)是1972年加入到了原子吸收團(tuán)隊，Y2研制時處于學(xué)習(xí)階段;在1973年初開始石墨爐原子吸收WFX-Y3型研制的時候，章詒學(xué)已經(jīng)開始負(fù)責(zé)Y3石墨爐機(jī)械設(shè)計;1979年倪國棟由于個人原因離開二光的時候，章詒學(xué)開始擔(dān)任原子吸收團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人。

     Y3的研制中，中科院環(huán)境化學(xué)所倪哲明團(tuán)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(shù)非常感興趣。當(dāng)時由于中國還沒有開放，很多工作都需要自己動手。中國石墨爐原子吸收的研制是從尋找高純度、高密度、高強(qiáng)度要求的石墨材料開始的，馬怡載先生與章詒學(xué)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。之后，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(xué)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(xué)二人是北大校友，其部門是研制火箭頭上使用的石墨部件，巧的是為響應(yīng)軍轉(zhuǎn)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(shù)需求，王恩福部門的大型進(jìn)口設(shè)備、技術(shù)能力完全可以解決該問題。說起來非常有意思的是，后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(yùn)營到現(xiàn)在。

     歷經(jīng)了兩年的時間，解決了石墨材料、熱解石墨管加工、電源設(shè)計等技術(shù)難題，1975年二光推出了WFX-Y3型石墨爐原子吸收。Y3技術(shù)革新的地方不只是增加了石墨爐法，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。當(dāng)然，這個數(shù)字化和現(xiàn)在所說的數(shù)字化不一樣，原來的Y2是指針顯示，Y3則實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管顯示。這兩方面的技術(shù)進(jìn)步，都是填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并且可以說與國際先進(jìn)技術(shù)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(xué)大會獎，科學(xué)大會獎是現(xiàn)在國家科學(xué)技術(shù)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(jī)化的原吸

     1978年，由于改革開放，中國很多行業(yè)受到了巨大沖擊，其中，電子工業(yè)首先垮臺。如現(xiàn)在很火的798文化創(chuàng)意園的前身是中國電子元器件產(chǎn)業(yè)園，目前主要依靠收取文化創(chuàng)意工作室的租金生存。這種沖擊肯定是給國家工業(yè)發(fā)展帶來負(fù)面影響，不過換個角度來講，例如，對于分析儀器行業(yè)來說，大量國外的質(zhì)量好、價格也不貴的電子元器件涌進(jìn)來，使得電路板整體故障率下降，促進(jìn)了分析儀器質(zhì)量的提升。

      章詒學(xué)一直堅持“追尋國際先進(jìn)技術(shù)不斷改進(jìn)”的觀念，認(rèn)為產(chǎn)品改進(jìn)是無止境的。改革開放之后，中國與國際接軌、信息更通暢，原子吸收的研發(fā)人員積極地學(xué)習(xí)電子、光學(xué)等方面先進(jìn)技術(shù)。“當(dāng)時原子吸收的市場、應(yīng)用已經(jīng)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(xué)說道，“當(dāng)時在原子吸收技術(shù)進(jìn)步方面，最主要的發(fā)展是計算機(jī)化。”

      1985年二光推出了采用計算機(jī)進(jìn)行控制的WFX-1F型原子吸收產(chǎn)品。當(dāng)然，當(dāng)時還是286、386等單板機(jī);并且儀器內(nèi)置了一個9寸電視機(jī)顯示屏幕。由于計算機(jī)的引入，可以實(shí)時檢查原子化過程中信號變化，達(dá)到了毫秒級響應(yīng)速度，發(fā)現(xiàn)了一些原理性問題。另外，1F還推出了自吸收扣背景技術(shù)，說到自吸，當(dāng)時是與廣西化工所馬治中先生合作的。馬治中先生實(shí)驗室有一臺二光的Y2，馬先生雖然是研究分析化學(xué)的，但是對電子技術(shù)很感興趣，他通過改動Y2的電路實(shí)現(xiàn)了自吸收背景校正。

      WFX-1F的技術(shù)進(jìn)步較多，在1986年獲得了國家科技進(jìn)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(shù)引進(jìn)的時候，原子吸收方面也引進(jìn)了日立、精工等產(chǎn)品。對于技術(shù)引進(jìn)，章詒學(xué)說從中學(xué)到了很多，如一種新型的原子化技術(shù)——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，后來，這種原子化技術(shù)的變更-鎢絲電熱原子化應(yīng)用在了二光后來的910型便攜原子吸收儀器上。另外，更主要的還是學(xué)到了裝配、機(jī)械加工技術(shù)，在工業(yè)設(shè)計等方面也受到了啟發(fā)。

發(fā)展塞曼原吸

     塞曼效應(yīng)背景校正是近年來最受關(guān)注的原子吸收扣背景技術(shù)，章詒學(xué)對于恒磁場塞曼效應(yīng)背景校正技術(shù)一直比較偏愛，尤其關(guān)注日立公司的恒磁場技術(shù)。可以說二光的塞曼原子吸收儀器研發(fā)上受日立公司技術(shù)影響較多。章詒學(xué)介紹，日立的原子吸收從170、180、5000、2000，一直到3000型，始終堅持在恒磁場塞曼效應(yīng)背景校正技術(shù)方向上改進(jìn)，并且不斷有新“東西”出來，“這種堅持自己技術(shù)路線不斷進(jìn)步的理念值得學(xué)習(xí)。”

      二光的塞曼背景校正技術(shù)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(shù)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(shù)的WFX-1G，不過，雖然該樣機(jī)通過了鑒定，但在后期的試驗中發(fā)現(xiàn)由于交變磁場部件振動導(dǎo)致基線“振蕩”顯著，并且由于該技術(shù)不能應(yīng)用于火焰原子吸收上，最終，WFX-1G沒有批量生產(chǎn)。不過這也為二光繼續(xù)研究塞曼背景校正技術(shù)打下了基礎(chǔ)，仍然是與何華焜先生合作，經(jīng)過了3年研究，在2006年，二光推出了并列式火焰與石墨爐原子化系統(tǒng)、恒定磁場橫向塞曼效應(yīng)背景校正WFX-810。

      1975年WFD-Y3石墨爐、1985年WFX-1F計算機(jī)、2006年WFX-810塞曼代表了中國原子吸收的技術(shù)進(jìn)步的步伐。其中，像石墨爐技術(shù)、自吸收扣背景技術(shù)等的研發(fā)幾乎與國際同步，而自吸扣背景還可能早于國外。

      中國原子吸收早期的應(yīng)用領(lǐng)域主要是冶金、地質(zhì)，后來擴(kuò)展到了環(huán)境、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。國產(chǎn)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(shù)的“現(xiàn)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(xué)提出的，她還自豪的說在單光束與雙光束的光路設(shè)計方面是我們中國影響了外國。事件源于上世紀(jì)八十年代初，當(dāng)時大量的進(jìn)口原子吸收產(chǎn)品涌進(jìn)了中國，進(jìn)口原子吸收多采取了雙光束的光路設(shè)計，而大部分國產(chǎn)原子吸收則是采取單光束設(shè)計方式。單光束光路設(shè)計簡單、光強(qiáng)高，弱點(diǎn)是基線漂移、穩(wěn)定時間長。而雙光束的基線穩(wěn)定性好，弱點(diǎn)是光路復(fù)雜、光強(qiáng)弱，砷等弱光元素受影響較大。

      當(dāng)時國外公司極力宣傳雙光束的優(yōu)勢，基線穩(wěn)定、不用預(yù)熱、開機(jī)就能使用等。當(dāng)時，鄧勃、馬怡載、何華焜、吳廷照等老一輩原子吸收學(xué)者們組織了一次PK活動，現(xiàn)場測試、比較國內(nèi)外原子吸收儀器的穩(wěn)定性。PK的結(jié)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(wěn)定一定時間才能使用，而且當(dāng)時的元素?zé)舴€(wěn)定性沒有現(xiàn)在的好，穩(wěn)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(qiáng)、信噪比好。如今，隨著光源制作技術(shù)的發(fā)展，元素?zé)舻念A(yù)熱時間變短了很多，性能更穩(wěn)定;而且由于計算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，調(diào)零方便，基線漂移很容易解決。

     相反，雙光束儀器設(shè)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(qiáng)度的過程，如此導(dǎo)致檢測到的信號非常弱。那次PK之后，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(dāng)作賣點(diǎn)進(jìn)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(xù)光源火焰原子吸收光譜商品儀器。耶拿的連續(xù)光源原子吸收是通過采用脈沖氙燈作為連續(xù)光源、中階梯光柵的分光系統(tǒng)、CCD 檢測器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多元素連續(xù)檢測。

     不過，不同元素的原子化條件差異很大，即使是采用連續(xù)光源，真正實(shí)現(xiàn)多元素同時測定仍有難度，仍需要發(fā)展新的技術(shù)。另外，連續(xù)光源原子吸收儀器的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行都相對復(fù)雜，而且，中階梯光柵等技術(shù)具有一定難度，國內(nèi)短時間內(nèi)無法達(dá)到。

      在這種情況下，國內(nèi)的原子吸收走了另外一條技術(shù)路線：多元素?zé)?CCD。多元素?zé)簦脙煞N以上金屬合金制作的空心陰極燈，據(jù)了解相關(guān)部件供應(yīng)商現(xiàn)在最多已經(jīng)可以做到8元素?zé)簟！敖窈罂梢愿鶕?jù)用戶的需求定制特色多元素?zé)簦贿^哪些元素適合組合在一起還需要進(jìn)一步研究開發(fā)，”章詒學(xué)說。

大勢所趨之現(xiàn)場檢測、小型化

      就像標(biāo)題所說的，小型化、便攜化，能夠現(xiàn)場檢測，是分析儀器“大”的發(fā)展方向，也是原子吸收的發(fā)展方向之一。

      隨著全社會對于環(huán)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(nèi)的各類重金屬檢測儀器發(fā)揮的作用越來越大，現(xiàn)場小型化、便攜式、車載等專用的重金屬檢測儀也得到長足的發(fā)展。從另一個方面來講，隨著大型直讀光譜、質(zhì)譜儀器的迅速發(fā)展，原子吸收要保持其儀器和操作上簡便易用的特長，應(yīng)使原子吸收儀器向小型化、專用化方面發(fā)展。

      2010年，二光推出了便攜式原子吸收WFX-910型，采用CCD檢測器和鎢絲電熱原子化器，實(shí)現(xiàn)了三元素同時檢測。不過，章詒學(xué)也說道，仍然有許多的工作要做，如：真正實(shí)現(xiàn)多元素的同時檢測;軟件和整體結(jié)構(gòu)的繼續(xù)改進(jìn);目前910在現(xiàn)場還是手動操作，未來可以自動化程度更高些，如遠(yuǎn)程控制、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋鸩綄?shí)現(xiàn)江河湖海的實(shí)時監(jiān)測，因為我國的很多江河的源頭都是在遠(yuǎn)離人煙的地方，如果儀器能夠遠(yuǎn)程控制開機(jī)、采樣、運(yùn)行、報數(shù)據(jù)等將為國家水環(huán)境事業(yè)解決了實(shí)際問題;樣品處理和分析條件方面需要進(jìn)行更深入的研究，以便實(shí)現(xiàn)真正能拿到野外使用。

      章詒學(xué)還遺憾地說道，910推出后，由于沒有方法標(biāo)準(zhǔn)的支持，檢測出的結(jié)果不被認(rèn)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，如沈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(fā)生原子熒光、紫外可見分光光度計、火焰光度計于一身的原子吸收。北京華夏科創(chuàng)公司推出主要用于飲用水標(biāo)準(zhǔn)中11項指標(biāo)檢測的原子吸收和原子熒光“二合一”的多功能原子吸收光譜儀。

      不過，對于這種多功能的原子吸收，其實(shí)用性、客戶反應(yīng)如何，還有待進(jìn)一步的考察。

“樣品前處理儀器化”缺乏

      樣品前處理技術(shù)的儀器化，是所有分析儀器都面臨的問題，章詒學(xué)指出，“前處理技術(shù)是開啟新應(yīng)用市場的關(guān)鍵。”樣品前處理是分析工作的一道坎，分析化學(xué)的人不會“搞”儀器，“做”儀器的人不了解分析，所以，目前，樣品前處理屬于兩邊都夠不著的“空白區(qū)”。

     說到這里，章詒學(xué)舉了一個例子，當(dāng)時910便攜原子吸收推出后，蔣仕強(qiáng)老師非常看好910在飼料行業(yè)原料進(jìn)廠前的檢測應(yīng)用，推薦去聯(lián)系廊坊一家飼料企業(yè)，該企業(yè)質(zhì)控經(jīng)理看過測試數(shù)據(jù)后，認(rèn)為910 能夠滿足企業(yè)的需求。不過，企業(yè)的分析人員水平較低，無法勝任復(fù)雜的樣品前處理技術(shù)，對此，質(zhì)控經(jīng)理提出了一個要求，能否將910的前處理做成自動、“傻瓜相機(jī)”式的?對于這樣的要求，章詒學(xué)說自己受到了“刺激”，“太難了，儀器廠家對于這方面很外行，不過這一定是一個方向。”

      儀器小型化的目的是為了在現(xiàn)場能夠進(jìn)行檢測，恰恰目前還缺少了一個環(huán)節(jié)——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(shù)或發(fā)現(xiàn)新的處理方法解決傳統(tǒng)方法不好解決的問題，再或者，另辟蹊徑——發(fā)展直接進(jìn)樣技術(shù)。

也談國內(nèi)外的差距

     “總的來說，中國的原吸與國際發(fā)展方向一致、同步，”章詒學(xué)說道，“國產(chǎn)原子吸收儀器研發(fā)力量越來越弱，國內(nèi)儀器企業(yè)的光機(jī)系統(tǒng)、分析軟件、電路設(shè)計的人才很缺乏。”

長期穩(wěn)定性之殤

      總體來說，國內(nèi)外原子吸收之間最大的差距是在于長期穩(wěn)定性。國產(chǎn)原子吸收的長期穩(wěn)定性較差，這也是用戶購買國產(chǎn)原子吸收不自信的地方。用戶普遍反應(yīng)是“使用時間長了之后，故障多，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性差。”

      國內(nèi)外制造水平存在差距之外，關(guān)鍵零部件如光電倍增管、固態(tài)檢測器等目前幾乎都是進(jìn)口的。很多業(yè)內(nèi)人士建議，國家應(yīng)該大力扶持關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

一攬子解決方案的“真與假”

      國產(chǎn)原子吸收的用戶多是縣級單位、企業(yè)的用戶，儀器操作人員的技術(shù)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(huán)節(jié)。而國內(nèi)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(xué)認(rèn)為，國產(chǎn)儀器廠家的人才結(jié)構(gòu)上存在缺陷，不愿意養(yǎng)、也養(yǎng)不住分析化學(xué)人才;而且對于“不只造儀器，還要教用戶用儀器，最好還能配套前處理設(shè)備或方法”這種需求缺少意識，然而恰恰這些方面對于占領(lǐng)市場很重要。

同質(zhì)化、低價競爭的怪圈

     “國產(chǎn)原子吸收的現(xiàn)狀不是很好，同質(zhì)化、低價競爭現(xiàn)象較嚴(yán)重，”章詒學(xué)說道。國產(chǎn)原子吸收多是中低檔產(chǎn)品，低價競爭的結(jié)果是利潤薄、研發(fā)投入下降。對于相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟一直沒能真正建起來，章詒學(xué)感到困惑，“不形成聯(lián)盟，在應(yīng)對國外競爭時將毫無優(yōu)勢可言。”

      另外，章詒學(xué)也談到目前在儀器招投標(biāo)中存在的一些弊端，如“明明兩個燈就夠了，偏偏要配八個燈?!燈多了之后，穩(wěn)定性變差、儀器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行都變得復(fù)雜。還有狹縫的個數(shù)也是，并不是越多越好，一些儀器廠家往往將這些參數(shù)宣傳成了‘噱頭’。”