透析原子光譜的地位現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向

國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心研究員楊嘯濤，1970年開始從事原子光譜分析和儀器研制，至今已有40多年。楊嘯濤笑稱自己是光譜的“老兵”，光譜儀器生產(chǎn)制造相關(guān)的車鉗刨銑電都干過，從70年代開始到現(xiàn)在一直“搞”原子光譜，現(xiàn)在偶爾也涉及分子光譜。“現(xiàn)在大家目光集中于質(zhì)譜等大型儀器，真正搞光譜小儀器的不多了。我一直搞小儀器，很開心。”

“干工作像玩，玩像工作。”楊嘯濤愛好很多，旅游、攝影、音樂等讓他玩得極具專業(yè)級(jí)水準(zhǔn)。“干工作不累，因?yàn)榫拖裨谕妫怖?，因?yàn)樾枰邉澓芏嗍虑?，過程中還要不斷彌補(bǔ)技術(shù)脫節(jié)、知識(shí)面不足的地方。”

“國內(nèi)搞基礎(chǔ)研究的人少了，大多數(shù)人都是站在山頂上，‘伸手’就是創(chuàng)新;我老了，在山腳下、在別人已經(jīng)淘過金的地方再次淘金。”

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國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心楊嘯濤

技術(shù)傳承：后繼乏力，需要國家進(jìn)行指導(dǎo)、扶植

質(zhì)譜、生命科學(xué)……是現(xiàn)今科研熱點(diǎn)，那么原子光譜的地位與用武之地何在?

“原子光譜檢測的對(duì)象就是元素周期表上那些元素，看著好像少了些。但是對(duì)于元素測定，原子光譜是強(qiáng)項(xiàng)，而環(huán)境安全、食品安全中有毒有害元素檢測的需求是長期存在的。”

“與質(zhì)譜相比，原子吸收、原子熒光等小儀器會(huì)長期存在，即使中國變成發(fā)達(dá)國家，它們也會(huì)繼續(xù)存在。”楊嘯濤笑稱，“也是一百年不會(huì)變的。”

楊嘯濤認(rèn)為，分析儀器分為實(shí)驗(yàn)室儀器、現(xiàn)場檢測儀器、前沿實(shí)驗(yàn)室儀器三大類，實(shí)驗(yàn)室儀器中大型儀器占主流;現(xiàn)場檢測儀器以便攜儀器為主;而楊嘯濤所說的“前沿實(shí)驗(yàn)室”是指靠近現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)室，所用的儀器以小型的儀器為主。

“像原子吸收、原子熒光等小型的儀器正是現(xiàn)場檢測、前沿實(shí)驗(yàn)室所需的儀器，而這一市場空間廣闊。”

國產(chǎn)原子光譜相關(guān)核心部件發(fā)展現(xiàn)狀如何?

“國產(chǎn)原子光譜儀器的核心零部件技術(shù)多掌握在個(gè)人、小企業(yè)、家族企業(yè)手里，目前已經(jīng)有些技術(shù)傳承出現(xiàn)了問題，將來有可能斷鏈。其實(shí)，過去的幾十年以來，一些關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生斷裂，其中包括光學(xué)元件的冷加工技術(shù)。大家都去做‘賺錢’的了，就像搞照明的一窩蜂去搞LED一樣。 ”

“現(xiàn)狀確實(shí)如此，從儀器核心零部件來看，我國原子光譜儀器的關(guān)鍵部件如光柵、檢測器、掃描裝置都依靠進(jìn)口，尤其是原子吸收、原子熒光等儀器的檢測器——光電倍增管幾乎都是采購于日本濱松公司。”

“國產(chǎn)原子光譜需要發(fā)展和提高的有：優(yōu)質(zhì)光電倍增管檢測器;光譜分析用多維固體檢測器—線陣、面陣式CCD檢測器;高刻線密度、高光通量的全息光柵;中階梯閃耀光柵;高強(qiáng)度短弧氙燈-連續(xù)光源等，這些國內(nèi)還沒形成自主產(chǎn)品，質(zhì)量或性能不及國外產(chǎn)品。”楊嘯濤強(qiáng)烈呼吁，“雖說目前是市場經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)，但對(duì)于一些不可或缺的技術(shù)需要國家進(jìn)行指導(dǎo)、扶植。例如，在國內(nèi)形成相關(guān)的——光柵刻制、光電倍增管、CCD檢測器、短弧聚焦氙燈等專業(yè)生產(chǎn)點(diǎn)，創(chuàng)出自己的品牌。十二五科技部已經(jīng)給上述關(guān)鍵部件以極大的支持，但是這種對(duì)基礎(chǔ)元件的支持需要長期化，因?yàn)樵绞腔A(chǔ)的東西其實(shí)越難搞好，需要花的力度和投入越大。反過來，基礎(chǔ)搞好了，對(duì)一些高端儀器的開發(fā)和質(zhì)量的提高會(huì)起到?jīng)Q定性的促進(jìn)。”

創(chuàng)新：既要有中國特色，更要與國際接軌

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為原子吸收技術(shù)已經(jīng)非常成熟，那么，還有沒有技術(shù)創(chuàng)新的可能?

“只有創(chuàng)新才有出路，這是肯定的。”楊嘯濤指出，“分析儀器發(fā)展存在著內(nèi)因、外因，內(nèi)因是儀器本身局限的解決，外因就是相關(guān)器件和外圍技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)儀器的發(fā)展。外因很可能促使儀器突飛猛進(jìn)，最典型的例子就是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展所帶來的儀器自動(dòng)化、智能化的發(fā)展。目前，儀器原理性創(chuàng)新已經(jīng)很少了，現(xiàn)在進(jìn)行的多是集合創(chuàng)新，即讓外部環(huán)境、周邊技術(shù)為我所用。”

“原子吸收本身的局限與相關(guān)技術(shù)、外圍技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)繼續(xù)推動(dòng)原子吸收的發(fā)展，這個(gè)過程不會(huì)停止。”楊嘯濤在之前的一次研討會(huì)上也曾明確指出了這一點(diǎn)。

未來，原子吸收最有可能發(fā)生革新的方向有哪些?

對(duì)于原子吸收光譜未來發(fā)展趨勢(shì)，楊嘯濤談到，“原子吸收最有可能發(fā)展的方向，也就是原子吸收存在問題最大的地方。方向一是彌補(bǔ)局限，原子吸收致命的局限是一個(gè)一個(gè)元素測量，測定不同元素需要更換不同元素的空心陰極燈，速度慢;另一個(gè)方向是實(shí)現(xiàn)國際化，技術(shù)與國際接軌。”

“性質(zhì)相近的元素，其原子化條件差異不大，較易實(shí)現(xiàn)多元素同測?？梢愿鶕?jù)實(shí)際分析的需要，或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的幾個(gè)元素進(jìn)行快速掃描測定，研發(fā)有特色的多元素分析專用儀器，并且在技術(shù)上和儀器成本上也比較容易實(shí)現(xiàn)。而且，現(xiàn)場、在線檢測追求的特點(diǎn)之一就是快速，多元素同時(shí)測定是實(shí)現(xiàn)快速檢測的途徑之一，這一市場對(duì)原子吸收儀器的需求極大。”

“原子吸收若想真正打入國際市場，既要有中國特色，也要與國際接軌。例如火焰原子吸收必須具備氧化亞氮-乙炔火焰，增加輔助空氣，使空氣流量在10L以上，不只是為了提高安全性，有許多例子證明，這樣對(duì)于消除干擾也有好處。”楊嘯濤進(jìn)一步談到國產(chǎn)原子吸收與國際接軌的途徑，“與國際接軌的途徑可以采取與國外公司合作，不只是學(xué)習(xí)他們的技術(shù)，主要學(xué)習(xí)大公司的管理。”

“原子吸收的中國特色有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，優(yōu)勢(shì)在于成本價(jià)格低，性能滿足使用，與國外的差距不大。劣勢(shì)是可靠性等有待提高，一臺(tái)儀器長久發(fā)展所追求的應(yīng)該首先是可靠性，其次功能，再次才是性能。盲目追求‘指標(biāo)’不一定能促進(jìn)原子吸收儀器技術(shù)的發(fā)展。”

原子熒光光譜是中國自主研發(fā)、可以說是獨(dú)占市場的分析儀器，目前哪些方面需要繼續(xù)革新、完善?

楊嘯濤將原子熒光光譜儀器的發(fā)展分四個(gè)階段，第一階段是創(chuàng)造氫化物發(fā)生原子熒光整個(gè)體系;階段二是空心陰極燈的使用，使得原子熒光儀器穩(wěn)定性大幅提高;第三階段是發(fā)明低溫火焰，低溫點(diǎn)火使得所有元素檢出限平均下降5倍;第四階段是原子熒光與色譜聯(lián)用進(jìn)行元素形態(tài)分析，隨著人們對(duì)元素價(jià)態(tài)特性認(rèn)識(shí)逐步深化，元素形態(tài)分析方法日漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。并且經(jīng)過色譜的分離之后，去除了原子熒光分析的光譜干擾。

“原子熒光確實(shí)是一個(gè)好東西，彌補(bǔ)了原子吸收測定困難的、ICP-AES也不擅長的幾個(gè)元素的測定，但是原子熒光具有的兩大局限制約了其發(fā)展：一是儀器沒有進(jìn)行光散射的校正，可能產(chǎn)生光譜干擾;二是低溫火焰，產(chǎn)生的化學(xué)干擾嚴(yán)重。這些缺陷也限制了原子熒光光譜儀向國際市場的推廣。”楊嘯濤說到，“這些基礎(chǔ)和原理方面的研究，需要聯(lián)合各方面的力量，同心協(xié)力解決難題。也需要國家支持這些研究，使得這一具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儀器更上一層樓。”

儀器公司研發(fā)新產(chǎn)品，應(yīng)從哪些角度出發(fā)?

楊嘯濤講述了一個(gè)小故事，“國外的儀器公司是如何考慮研發(fā)新儀器?以原子吸收為例，澳大利亞物里學(xué)家A.Walsh到當(dāng)時(shí)的珀金埃爾默，珀金埃爾默負(fù)責(zé)人問他的第一句話是，該儀器是否可以檢測血液中的鈣?因?yàn)樵谀菚r(shí)美國正迫切需要能測血鈣的方法。后來，在A.Walsh的努力下，珀金埃爾默決定開發(fā)原子吸收，并且推出了第一臺(tái)商品化的原子吸收儀器。”

“是否可以檢測血液中的鈣?”這句話表達(dá)了國外儀器公司研發(fā)新儀器的出發(fā)點(diǎn)——“需求”。而我們國內(nèi)的一些儀器公司則往往從“專業(yè)”的角度考慮，如“色譜、質(zhì)譜、光譜都要有”這樣一類思想其實(shí)并不一定正確。“真正做儀器，最好從市場需求角度考慮。”

爭奪原子吸收市場份額：高端和專用是方向

國產(chǎn)原子吸收技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，為什么進(jìn)口品牌仍然占據(jù)了很大份額?

中國是原子吸收生產(chǎn)大國，目前中國市場有原子吸收生產(chǎn)廠商30多家，其中國外廠商近10家，國內(nèi)廠商20多家。而且，國外品牌，像島津、賽默飛等也在中國建有原子吸收的生產(chǎn)廠，其產(chǎn)品供應(yīng)全球。據(jù)儀器信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)原子吸收的市場份額(臺(tái)數(shù))已由2004年的70%下降到目前的50%左右。若按金額來統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)品牌所占比例會(huì)更少。

楊嘯濤認(rèn)為進(jìn)口原子吸收品牌占據(jù)很大份額的原因是多方面的，“不完全是技術(shù)原因，因?yàn)椋瑖a(chǎn)原子吸收和進(jìn)口品牌之間，技術(shù)上雖然有差異，但是80%以上的國產(chǎn)原子吸收完全夠用。”

“進(jìn)口品牌占據(jù)大份額的原因之一是很多用戶有一種相信進(jìn)口品牌的心理。原因之二，目前，國外品牌紛紛推出低檔儀器，爭搶原國產(chǎn)品牌的份額，進(jìn)一步增大了國產(chǎn)企業(yè)的壓力。另一方面，國產(chǎn)品牌缺乏高端儀器，使得國產(chǎn)儀器經(jīng)常被屏蔽在某些大型招標(biāo)之外。”

楊嘯濤曾呼吁，“在目前形勢(shì)下，如果國產(chǎn)原子吸收光譜儀器生產(chǎn)企業(yè)不提高儀器檔次，沒有創(chuàng)新和特色，不出幾年將會(huì)遭遇滅頂之災(zāi)，這絕不是危言聳聽。”

國產(chǎn)原子光譜如何擴(kuò)大市場占有率?

“方向之一是高端化，”楊嘯濤還具體指出了目前國產(chǎn)原子吸收應(yīng)盡快研發(fā)或提高的技術(shù)——塞曼背景校正技術(shù)、石墨管生產(chǎn)制造技術(shù)等，“塞曼背景校正技術(shù)是高端原子吸收光譜儀具有的技術(shù)之一。然而，國產(chǎn)原子吸收品牌中還只有為數(shù)不多的幾家具備該技術(shù)。”原子吸收光譜法最主要的光譜干擾是分子吸收和光散射，而塞曼效應(yīng)背景校正是能較好地解決這一干擾的方法。另外，由于其雙光束特性，可以在火焰和石墨爐分析中獲得良好的信噪比，一直受到廣大分析工作者的青睞。

“另外，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，國產(chǎn)火焰原子吸收水平已經(jīng)與進(jìn)口品牌相差無幾，而國產(chǎn)石墨爐原子吸收與進(jìn)口品牌還有一定差距。其中，石墨管是個(gè)難題，需要從原料控制、加工工藝、熱解技術(shù)等三個(gè)環(huán)節(jié)把好關(guān)，才能保證石墨管的質(zhì)量。”

“方向之二是專用化，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)向?qū)Ｓ没矫姘l(fā)展。”楊嘯濤列舉了一些具體市場需求的事例，如中國有1000多家拉鏈廠，拉鏈廠通常檢測四個(gè)元素以控制產(chǎn)品質(zhì)量，ICP-AES的購買儀器成本和運(yùn)行所需氬氣成本、操作人員成本等都太高。另外，有些偏遠(yuǎn)地區(qū)購買氬氣很困難。如果開發(fā)“傻瓜型”的原子吸收，初中生水平的員工就可以操作，在企業(yè)中推廣具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。另外，上海有幾家規(guī)模不大的公司，專注于制造只用于測鉀、鈉的火焰光度計(jì)，效益非常好，就是一種證明。