略论分析仪器研发制造者的初心和使命

摘要

本文论述了分析仪器研发制造者的初心和使命；文中对分析仪器研发制造者初心和使命的内涵、价值、完成使命的机遇与挑战等及有关问题进行了讨论；文中提出了分析仪器研发制造者需牢记初心和履行使命，对于提升研发制造者自身技术水平、推动我国分析仪器行业整体进步、提高行业社会地位，乃至赋能国家科技创新与发展，均具有重要的意义。

0、前言

从仪器学理论和分析化学理论角度看、从仪器使用者要求的角度看，对分析仪器研发制造者的要求就是研发制造出的仪器“好用”，就是仪器稳定可靠、就是仪器分析测试的数据误差小！因此，仪器研发制造者的一切出发点就是应该围绕“好用”下功夫！可是，目前很多分析仪器研发制造者并没有在仪器“好用”上狠下功夫；他们往往不懂得什么叫分析仪器“好用”？没有认真研究哪些因素会影响分析仪器“好用”？不知道用户需要什么样的“好用”的分析仪器等等？所以分析仪器研发制造者研发制造出的仪器往往就不大“好用”！甚至不好用！作者认为这些是造成我国的分析仪器，长期落后于国外分析仪器的主要原因之一，是必须引起分析仪器业内的有关科技工作者高度重视的关键问题！本文根据作者的长期实践，对这些问题进行了讨论，可供有关科技工作者参考。

1、分析仪器研发制造者的初心

分析仪器研发制造者的初心，就是研发制造出“好用”的仪器。所谓“好用”，其核心内容就是分析仪器稳定可靠！这个稳定，很多人简单地认为漂移小就是稳定性好，这是不对的；因为仪器的漂移虽说很小，但是同一台仪器对同一个样品，在同一时间，你做、我做、他做、今天做、明天做、放在不同实验室做，结果都不一样！这样的仪器稳定性好吗？回答是肯定不好！为什么？因为重复性不好！所以，分析仪器的稳定性必须包含漂移小、重复性好两个方面的内容！只有漂移小、重复性也好，才可以说仪器的稳定性好！仪器研发制造者怎样保证分析仪器“好用”呢？作者认为：首先，仪器研发制造者应该懂得分析仪器稳定可靠的内涵！必须了解哪些因素会影响分析仪器稳定性和可靠性！并且努力避免或解决之。所谓分析仪器的可靠性，作者认为应该分为狭义可靠性和广义可靠性两种；我们学仪器的人，过去在大学里有一门课叫可靠性设计，讲的是仪器的零部件和整机的设计、制造工艺和检测工艺设计等问题；重点讲的是仪器不出故障或故障率小就是可靠性好！作者经过长期实践，认识到这是一种狭义可靠性的定义，这种可靠性的定义是不对的！因为没有考虑使用者的需求。广义可靠性必须包含使用者的要求；即：仪器稳定性好、仪器使用过程中分析检测的数据准确度高、分析检测数据的误差小、同时仪器的故障率小！所以仪器研发制造者一定要在广义可靠性上狠下功夫！一定要懂得什么是“好用”的分析仪器、哪些因素会影响“好用”、怎样避免影响仪器不“好用”的因素；同时，要了解用户需要或喜欢什么样的“好用”的仪器，并在这些问题上狠下功夫！这些就是分析仪器研发制造者的初心。

另外，分析仪器总是由硬件和软件组成的。有人认为硬件重要，片面强调硬件而忽视软件；有人认为软件重要，片面强调软件而忽视硬件。作者认为二者都有不妥之处；作者认为硬件很重要，因为它是信息的来源；软件也很重要，因为它的主要功能是计算和控制；如果没有硬件采集信息数据，软件算什么？控制什么？但是，随着AI技术突飞猛进的大发展，AI技术可以大大改变仪器的先进性、大大扩展仪器的功能、大大提高仪器的质量、大大提高仪器的自动化程度和可操作性。所以，作者认为仪器的硬件和软件都重要，不能忽视哪一个方面。所以，仪器研发制造工作者要不忘初心、要研发制造出“好用”的仪器，还必须重视仪器的硬件和软件两个方面！目前有人认为因为AI技术的发展，未来的仪器厂商，可以不需要销售人员宣传推销，只需要维修技术人员支撑就行了！这也是欠妥的说法。所以，作者认为仪器研发制造工作研发制造“好用”仪器的初心，应该从硬件和软件两个方面去努力才是正确的。才能实现“好用”的初心。

2、分析仪器研发制造者的使命

分析仪器研发制造者的使命，就是通过各种手段，从硬件和软件两个方面，研发制造出“好用”的仪器！首先要认真研究影响分析仪器“好用”的主要因素并认真排除之！具体讲，就是要解决好以下8个主要技术方面的问题：

1）光度准确度（Phtometric Accuracy）: 光度准确度被定义为：仪器检测出的样品实测数据与理论值（或真值）之差；用户使用仪器时，分析检测的数据准确不准确，主要看仪器的光度准确度指标好不好。所以，仪器研发制造者，必须高度重视对仪器的光度准确度这个最关键的综合性能技术指标！因为光谱分析的目的，就是得到准确可靠的分析测试数据，而这个准确可靠的数据，很大程度上取决于光谱仪器的光度准确度指标。但是，经常听到人们将分析测试数据的准确度说成“精度”；实际上“精度”一般应该是精密度（Precision）和准确度（Accuuracy）二者的综合表述，或者说是精密度和准确度都能同时达到的指标的统称；精度与精密度和准确度的概念截然不同，但是很多人泛用，这是不对的。目前，国内外的很多科技工作者，或者说大多数仪器研发者制造者、使用者都在将精度、精密度、准确度三者混为一谈。都在随意的、等同的统称精密度、准确度、精度。实际上，精密度、精度和准确度的关系和区别及其重要性可用图1表述：

图1 精密度、准确度和精度的差别

如图1所示：（a）精密度与准确度均不佳；（b）精密度良好，但准确度较差；（c）精密度较差，但准确度良好；（d）精密度与准确度均表现较好。在此情况下，可认为（d）的“精度”良好，但将其描述为准确度高、重复性好更为恰当。这种表述方式不仅更加科学严谨，也符合国际通用的术语规范。

2）噪声（Noise）: 噪声包括电噪声、光噪声、其他噪声等等；噪声是主要分析误差来源之一，仪器有多大噪声，就会增加多大分析误差。图2是噪声对Sn和Hg分析测试的影响；分析仪器研发制造工作者必须根据用户需要，认真研发制造噪声小的仪器，才能保证分析检测数据的准确性和可靠性。一般仪器研发制造者和用户，常用500nm处的噪声来定性表征仪器的噪声，用以比较仪器噪声的优劣。

图2  仪器噪声N对Sn和Hg分析测试的影响

3）基线平直度（F.B）: 基线平直度是各类光谱仪器及有关光学类仪器的、一种更加重要的噪声，它的物理意义或定义是：光谱仪器及有关仪器，在整个波长范围内的每个波长上的噪声当中，哪个波长上的噪声最大，它就是该光谱仪器及有关仪器的整机的BF。BF非常重要，BF限制仪器分析检测样品浓度的上限！仪器有多大的BF，它都会自动归一到分析测试数据的总误差中！国内有些企业（例如紫外光谱仪器生产厂）或某些标准（例如计量检定规程等），因为被检测的仪器的BF不达标；例如：计量检定规程检测在用仪器或使用已久的紫外光谱等相关仪器时，BF不达标，但是仪器还可以使用，因此就改用在整个光谱仪器的波长范围内，两端各缩短20nm，来测试BF，这样BF就达标了！（例如：波长范围为190nm~900nm的紫外可见分光光度计，改为检测210nm~880nm范围内的噪声）。但是这样做是不对的！因为违背了BF的物理概念或定义！有人问：既然BF代表了仪器整机的噪声，为什么很多仪器给出500nm处的噪声，同时还给出BF？这是因为：第一，人们的习惯喜欢用500nm处的噪声比较仪器噪声大小；它只能用来定性的比较哪台仪器噪声的大与小，不能定量给出仪器的整机噪声（BF）；第二，人们使用紫外光谱仪器时，一般不是使用在500nm！而是大多使用在紫外区；第三，500nm处的噪声一定很小（光电转换器、光源、光栅、光学原件的反射率等决定），不能代表BF。所以BF才是真正的、实用的、最重要的整机噪声（BF）！

4）杂散光（S.L）：S.L的研究者很多[7]、[14]，很多研究者的定义各异。作者定义为：不应该有光的地方有光，它就是杂散光；作者根据自己的定义建立了SL的测试方法；目前全世界大多数研发制造者基本上都在采用作者建立的SL测试方法。SL是分析仪器使用中测试数据主要分析误差的来源之一，限制分析检测样品浓度的上限；下图足以说明杂散光与分析检测误差的关系，以及杂散光的重要性！

图3  分析仪器的杂散光与噪声和分析误差的关系

使用者对杂散光要求多大为好？作者的长期实践证明，杂散光为0.05%就可以满足绝大部分分析检测工作的要求。从上图3可知：吸光度在0.05AU至1.0AU时分析检测误差最小（接近理想值）[20]！ 由于S.L的影响，样品的吸光度在1AU以上误差开始负向增大，在0.05AU以下时，误差开始正向增大！所以因为S.L的限制，样品的吸光度值不能太大，也不能太小！吸光度为0.05AU至1.0AU时为最佳值！

5）光谱带宽（SBW）：它是直接影响整机分析误差的指标之一。各类样品都有自己的最佳SBW，只有在最佳SBW检测时，才能得到最佳的（分析检测数据误差最小）分析检测数据。图4说明不同光谱带宽时，对分析测试结果的影响；1nm光谱带宽时两个峰很漂亮，但是随着光谱带宽的增大，测试结果的峰形大变化，到50nm光谱带宽时，对同一样品测试结果与1nm测试结果有天壤之别，两个峰变成了一个馒头峰。二十多年前，中国药典规定要求用1.0nmSBW做青霉素钠的分析检测；但是，作者在分析检测青霉素钠时，发现用1.0nm和0.3nm的SBW检测时，0.3nm光谱带宽的检测结果峰高最高，0.3nm和1.0nm检测的相对误差达到4.7%；说明0.3nm是分析检测青霉素钠的最佳SBW。当时，作者向有关部门进行了放应，得到了采纳并且很快进行了改进。

图 4  光谱带宽与分析误差的关系

6）扫描速度（Scan Speed）：扫描速度与噪声之间存在着固有的矛盾关系：通常扫描速度越快，噪声水平就越高，反之亦然。分析检测工作的使命是获取准确可靠的数据，而这类数据的准确性往往与扫描速度关联不大，因为有时数据来自定点检测或非常小的波长范围内检测许多测量是在特定波长点或极窄的波长范围内进行的。因此，相比于追求极致的扫描速度，分析工作者更关注的是仪器的低噪声表现。分析检测仪器只需具备满足实际工作需求的扫描速度即可。一些国外仪器制造商在宣传中过分强调其仪器的高速扫描性能，却未充分说明其可能伴随的高噪声水平和较大的数据误差，这种宣传方式存在片面性。

7）积分时间（Integral time）：分析工作者对仪器条件的选择非常重要，约占总分析误差的30%；积分时间对分析工作者能否得到最佳或最小误差数据很重要；特别是样品信号比较小时，更加显得重要！加大积分时间，可以加大信号强度、提高检出限。但是因为信号强度提高了，仪器的噪声也提高了，所以不能提高仪器的信噪比（不能提高检测限）。部分国外分析仪器制造商在宣传中强调其仪器的积分时间长、灵敏度高，这种表述存在一定片面性。请看下图5中：积分时间为50ms时噪声很小，但是信号也很小；但是5000ms时信号大了很多，这时噪声也大了很多，信噪比没有增加！灵敏度或检测限还是没有提高！所以加大积分时间可以提高检出限，但是不能提高灵敏度！

图5  积分时间与信噪比的关系

8）线性（Linear;标准曲线）、线性动态范围（LDR）:

左图为线性；右图为线性动态范围（LDR）

线性定义：线性即标准曲线；LDR的定义： LDR即Amax/Amin或Cmax/Cmin（Amax、Amin或Cmax、Cmin分别为检测数据偏离比耳定律时的最大吸光度值、最小浓度值或样品的最大浓度值和最小浓度）。

线性和LDR的区别是：线性是在同一浓度下的标样作出，用来与实际测量数据比较、判定实测数据的误差大小的重要指标。LDR则一般是用不同数量级浓度的标样、以不同数量级递增作出，用来评判仪器能检测的样品浓度范围，是判断仪器质量的重要指标，LDR越大越好；本人实测：国产UVS1901、1950保证适用比耳定律的吸光度从0.035-2.2Abs(LDR=62)；进口UVS的2401、2550保证适用比耳定律的吸光度从0.083-2.5 Abs (LDR=30）；国内某仪器保证适用比耳定律的吸光度从0.4-1.2Abs（LDR=3）；如仪器S.L.大，N也大，则LDR一定很小，此时应作LDR检测，以求将仪器用在最佳线性区。

上述8个问题，是分析仪器研发制造者保证做出“好用”分析仪器的关键问题！是分析仪器研发制造者做出“好用”仪器的初心和使命内涵的关键和核心所在！因此，所有分析仪器研发制造者应该牢记在这8个方面狠下工夫的使命。

世界著名科学家门捷列夫说：“没有测量就没有科学”。测量就是分析测试，测量就要有测量仪器。因此，分析仪器研发制造者，应该从航天科学、海洋科学、材料科学、生命科学等的全方位科学技术创新，到参与人类向未知领域迈进的一切科技活动中、从对人工智能、大数据、AI技术大发展的保驾护航工作，到每个环节的践行活动中，都应该竭尽全力努力奋斗！这就是分析仪器研发制造者的初心和使命的核心所在。我们国家非常重视分析仪器研发制造工作，目前是一个最佳的机遇期，我们要紧紧抓住这个机遇；我们必须牢记：分析仪器研发制造者既是探寻微观世界真相的科学家，又是为社会各行各业守护各类产品质量安全，提供检测工具的主力军；既是推动技术进步与产业升级的创新发动机，又是引导社会走向可持续发展的向导。目前，分析仪器研发制造者既面临良好的机遇，又面临严峻的挑战！所以，所有仪器研发制造者，都应该不忘初心牢记使命，坚守诚信、严谨、精益求精的职业道德，努力恪守与践行自己的初心和使命；分析仪器研发制造者应该始终不忘初心（研发制造出“好用”的分析仪器）、牢记使命（在认真解决分析仪器“好用”问题上狠下功夫）的同时，还应该牢记初心和使命的关系；即：分析仪器研发的初心是使命的出发点和归宿，分析仪器研发的使命是初心的实践路径。不忘初心的根本是为了更好地践行使命，而践行使命的过程必须始终坚持不忘初心。分析仪器研发制造工作者，在牢记重视初心和使命关系的同时、在履行初心和使命的过程中，应该不断加深对初心和使命的理解，特别是加深对分析仪器“好用”、分析仪器“稳定可靠”、分析仪器的主要技术指标等的“物理概念”的认识和理解；分析仪器研发制造者自身也应不断加强自律、完善体系、培育人才、提升自己。这样才能提高分析仪器研发制造工作者个人的技术水平、才能提高国家分析仪器的整体技术水平、才能为赶超国际分析仪器技术的先进水平、才能为分析仪器工作做出更多更大的贡献。同时，希望全社会应当给予分析仪器研发制造者更多的理解、尊重和支持，提升其职业荣誉感与社会地位。只有这样，分析仪器研发制造者才能更好地承担起时代的重托，不辱使命，在平凡的岗位上，谱写推动人类进步的新篇章。