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《中國環境報》專題報道蘭友科技數智化土壤監測設備創新研發成果
閱讀：883 發布時間：2024-10-10近日，中國環境APP產經頻道特開設《突破“卡脖子"系列》，北京蘭友科技有限公司創始人、總經理馬放均接受專訪，分享關鍵核心技術突破過程中的心得體會。
以下為采訪正文，一起來看看吧~
一家專精特新企業，歷經7年成功研發出國際全自動土壤、沉積物樣品制備系統，與傳統手工制樣方式相比，原來5~10個人需要10多天才能完成制備的樣品，現在一個人操作一臺設備即可在兩個多小時內完成；原來只能靠人手工記錄數據，攝像頭輔助質控，現在可以一鍵導出全部原始數據，實現全流程可追溯。企業為何要選這個方向研發，中國環境報記者為此前往北京蘭友科技有限公司，進行深入采訪。
土壤樣品制備過程既費時又費力，70%的時間、60%的成本以及80%以上的誤差都源于此
記者了解到，土壤生態環境監測工作是摸清我國土壤質量基本狀況的重要依據。土壤監測包括土壤樣品采集、制備流轉與保存、檢測分析三個環節，其中60%成本、70%時間和80%誤差來自采樣及制樣環節。通俗的說，就是土壤樣品的制備過程既費時又費力，誤差概率也大。
目前土壤樣品的制備工作主要還是依靠人工。人工制樣怎么做，為什么難？記者了解到，土壤樣品采集之后進入實驗室，會經歷這樣的一個過程：一間大的自然風干室擺滿了待干燥的樣品，每個樣品攤開，不能加風扇吹，更不能加熱鼓風，操作人員必須經常翻拌樣品，把下面濕的樣品翻上來，大塊的樣品掰成小的，把葉子、植物根莖、砂石等非土壤物質挑揀并收集起來。樣品全部干了之后，被轉移至制樣實驗室，5—10個人進行研磨、篩分、四分、裝瓶、塑封、稱量、記錄、清潔等，這些工序或是流水線式作業，或是兩人一組負責一個樣品。一個流程下來，大致需要10天半個月的時間，如果在南方梅雨季節，時間會更長。
北京蘭友科技有限公司創始人、總經理馬放均介紹說，人工制樣的痛點是，我磨的土你磨的土，沒法驗證、沒法溯源；做完了，好不好，不知道，也不可比。此外，樣品的一致性比較差，制樣效率非常低，如果嚴格按照國家標準去做，一個人一天最多做3-5個樣品，而且交叉污染嚴重，綜合成本高，有損害制樣人員健康的風險。
這種落后的工作方式，嚴重制約了國家對土壤環境監測的迫切需求，急需用標準化的智能制樣設備來代替，確保樣品制備在冬天、夏天一個樣，海南、東北一個樣——這正是馬放均帶領團隊7年前開始創業的背景。
我國對樣品制備的標準、技術規范要求非常嚴格，但手工制樣過程中很難得到貫徹實施
土壤樣品制備環節直接決定著土壤環境監測的準確性和可靠性。但是，馬放均及其團隊在大量走訪和調研中發現，由于土壤樣品制備環節不直接出實驗數據和結果，耗費大量時間和人力，因此經常被忽略，有些實驗室甚至發生跳過樣品制備環節，在樣品采集回來之后，直接抓取部分顆粒進行消解的嚴重違規現象；很多實驗室缺乏專業的樣品制備部門，人員和場地也很難滿足要求。
馬放均介紹說，各項標準規范中關于制樣的描述并不多，但是他們的團隊拜訪了多位行業內專家，對相關標準規范逐字逐句進行剖析和解讀，發現每一個字的背后都有大量實驗驗證作為支撐。例如關于樣品粗磨，對兩公斤左右的鮮樣，標準要求先用圓棍輕輕搟一遍，不能搟太細，搟完了再過2mm（10目）的篩子，一直重復這一動作直至樣品全部過篩。理想的10目樣品是類似板藍根顆粒那樣粗的顆粒度，研磨的過程應該保持土壤的團粒結構而不被破壞，這時候做陽離子交換、pH值、有效態等指標的檢測才準確。有些實驗室老師甚至對研磨工具使用桃木還是楊木，都非常嚴謹，就是為了找到軟硬度適中，既能破碎土塊，又不過度破壞土壤晶格結構；10目樣品留樣后，把剩下的樣品再用同樣的方法研磨至全部過0.25mm（60目）、0.15mm（100目），甚至有的還要到0.075mm（200目），為不同的指標分析提供相應粒度的樣品。
粗磨成品樣（板藍根顆粒）
可見，我國對樣品制備的標準、技術規范等要求非常科學，但這些標準和規范在手工制樣過程中很難得到貫徹實施，迫切需要通過智能化、全自動化的制樣設備來實現。
下決心做土壤檢測智能實驗室，在中國科學儀器領域開創了一個全新的品類
2017年，馬放均提出“土壤環境智能監測"，下決心做土壤檢測智能實驗室，希望用智能化設備跟現有的儀器形成聯用，真正解放實驗室分析工作人員。馬放均接受中國環境報記者采訪時說，7年前提出這個想法時沒人信，但團隊愣是摸著石頭過河，做正向研發。
2019年，蘭友科技全自動土壤樣品制備系統正式商業化發布，在中國科學儀器領域開創了一個全新的品類，引起了業界的廣泛關注。環境樣品采樣、制樣、前處理的規范性很重要，目前這方面存在的問題也是確保數據質量的最大瓶頸，蘭友科技在這方面取得了重大突破。
圖為蘭友科技研發生產的全自動土壤/沉積物樣品制備系統在北京市地質工程設計研究院/北京市土壤樣品庫密云分站投入使用。
馬放均介紹說：“這套全自動制樣系統，不僅模擬人手實現了土壤樣品制備全流程中的十多個步驟的自動化集成，還建立了可追溯的質量控制體系，解決了傳統人工制樣方法只能靠攝像頭記錄的質控問題。"
土壤樣品制備是復雜的系統性工作，涉及到十多個步驟，每個步驟都有不同的精細化要求。馬放均介紹說，他們在研發設備過程中總共整理研究了105個涉及土壤、固廢、森林土壤、底泥沉積物等相關的國家、行業標準，解決一個又一個棘手的問題。比如針對土壤三普的粗磨要求，蘭友科技研發的自動粗磨專用制備儀能在10分鐘內完成一個3公斤土壤干樣的自動粗磨、篩分、稱重、裝樣和清潔，制備出來的樣品形似板藍根顆粒，制樣效率比人工提高數倍，且不會研磨過細，保留了10目樣品應有的顆粒度，確保陽離子交換、速效養分等指標檢測結果的真實性。
現在，蘭友科技的一臺全自動樣品制備系統可以替代5-10個人工，實現全流程智能化、自動化完成掃碼、干燥、粗磨、精磨、混勻、篩分、稱量、四分分樣、裝樣、清潔等10個步驟，可視化、溫度、濕度、壓力、重量、時間、操作人等實驗條件都能數字化記錄，結合視頻監控全流程可追溯，報表自動生成，避免人工造假干燥及混勻期間硬件隔離，順序制樣清潔，解決交叉污染，保證制樣質量；全流程制備不接觸任何待測金屬元素，杜絕制樣過程外源性污染；研磨采用懸浮敲擊，避免摩擦生熱；低溫制備，防止樣品損失改善實驗室環境；無接觸樣品，避免操作人員受到粉塵、有害物質的傷害。蘭友科技這些核心技術，為土壤樣品制備提供了科學的質量控制方法。
目前，該系統獲得科學儀器行業的最高獎BCEIA金獎（全球四大科學儀器博覽會獎項之一）、朱良漪創新成果獎、中國優秀工業設計獎等多項大獎；成功獲得北京市、浙江省各種證書，產品的創新性和先進性得到行業的高度認可，目前這套制備系統已經成功裝備至全國22個省、市、自治區的環境監測、地礦、農業農村等政府單位和檢測機構。
業內人士評價說，國家急需集干燥-研磨-稱量-分樣-質控于一體的自動化檢測設備，蘭友科技彌補了這個空白。
“這個領域沒有前人，你是第一人"，一個一個解決困擾行業的大問題
土壤中混雜的石子、雜質怎么挑選出來？記者了解到，這么不起眼的小問題卻是困擾行業的大問題。馬放均介紹說，關鍵是要把國家標準吃透，蘭友科技在干燥罐、研磨、篩分等各個部件上都有巧妙的構思，能自動挑揀出石子等雜質，而且分揀得很干凈。有專家用戶看到蘭友科技做完的實際樣品之后評價說，“這是我們目前看到的很好的方式。"
自動篩選出的雜質
“手工制樣中10多個類似這樣困擾行業檢測的問題，我們一個一個全都解決了。比如如何解決交叉污染問題，在干燥的時候，一個樣品一個罐子，樣品跑不出來它就不會交叉污染；制樣的過程中，上一個樣品制完，系統清潔，掃-吹-吸三步法解決交叉污染問題；如何解決外源性污染問題、干燥溫度問題等，類似這些問題都是靠自動化設備、用流程保證，而不是靠人，這樣就能保證制樣的質量和效率"。
“如何研磨土壤？我們選用了氧化鋯這種硬度僅次于金剛石的材料，使用了好幾年，仍然光潔如玉，一點劃痕和殘留都沒有。此外，包括如何篩分、如何稱量、如何裝瓶、如何清潔等都一一解決。"
“類似這樣的故事太多，這個領域沒人，你就得做第一個人，這是我們做創新的艱難。"馬放均如是說。
推動實驗室智能化，擴展到礦樣、中藥、水泥等諸多領域
全自動制樣的應用場景是怎樣的？把土壤樣品往里面一塞，幾分鐘后全部指標就都出來了。裝備了這套系統后，實現全鏈條、全流程、全自動制樣，所有的動作人都不用干預，直接裝進去，等制樣完成拿出來即可。
國家環境分析測試中心主任、《水和廢水分析方法》標準制定者董亮主任專程考察蘭友時評價說，土壤（底泥沉積物）污染普查中周期最長、最費人工的工作就是樣品制備，蘭友科技做了開創性的工作，解決了行業難題。
北京礦冶研究總院檢測中心主任馮先進老師認為，國外有獨立的采制樣標準化體系，與檢測標準并存，而我國引進時把它們混在一起了。土壤（底泥沉積物）制樣自動化、智能化是未來趨勢，蘭友產品固體制樣平臺能擴展到礦樣、中藥、水泥等諸多領域。
智能實驗室是未來的發展的趨勢，這是馬放均一直堅持的判斷，他認為，儀器設備終歸會替代實驗室手工操作，把人從繁復的勞動中解放出來，讓人工作得更加安全、體面。蘭友科技致力于深耕樣品前處理領域，研發智能化實驗室設備，跟現有常規儀器形成聯用，形成完整的智能實驗室解決方案。7年前他們創業時就這么想，7年來從沒變過。
