编者按
党的二十届三中全会审议通过的《中共中央关于进一步全面深化改革 推进中国式现代化的决定》提出，健全提升产业链供应链韧性和安全水平制度。
产业链、供应链在关键时刻不能掉链子，这是大国经济必须具备的重要特征。我国制造业长期“大而不强、全而不精”的主要原因在于部分关键核心技术被国外“卡脖子”。
为此，中国环境报特开设《突破“卡脖子”系列》，聚焦生态环境领域的“卡脖子”问题，就开展的探索、取得的突破等进行深入报道，共同推动产业做大做强。
一家北京市“专精特新”企业历经7年，成功研发出全球首套全自动土壤/沉积物样品制备系统。与传统手工制样方式相比，原来5—10人需要10多天才能完成制备的样品，现在一个人操作一台设备即可在两个多小时内完成；原来只能靠人手工记录数据，摄像头辅助质控，现在可以一键导出全部原始数据，实现全流程可追溯。企业为何要选这个方向研发？本报记者前往北京兰友科技有限公司（以下简称兰友科技），进行深入采访。
图为兰友科技研发生产的全自动土壤/沉积物样品制备系统在北京市地质工程设计研究院/北京市土壤样品库密云分站投入使用。资料图片
记者了解到，土壤生态环境监测数据是摸清我国土壤质量基本状况的重要依据。土壤监测包括土壤样品采集、制备流转与保存、检测分析三个环节。其中，60%的成本、70%的时间和80%的误差来自采样及制样环节。通俗的说，就是土壤样品的制备过程既费时又费力，误差概率也大。
目前，我国土壤样品的制备工作主要还是依靠人工。人工制样怎么做，为什么难？
记者了解到，土壤样品采集之后进入实验室，会经历这样一个过程：一间大的自然风干室摆满了待干燥的样品。每个样品摊开，不能用风扇吹，更不能加热鼓风。操作人员必须经常翻拌样品，将下面湿的样品翻上来，将大块的样品掰成小的，将叶子、植物根茎、砂石等非土壤物质挑拣并收集起来。样品全部干了之后，被转移至制样实验室，5—10人进行研磨、筛分、四分、装瓶、塑封、称量、记录、清洁等。
这些工序或是流水线式作业，或是两人一组负责一份样品。一个流程下来，大致需要十天半个月的时间。如果在南方梅雨季节，所需时间会更长。
兰友科技创始人、总经理马放均介绍说，人工制样的痛点是谁磨的土没法验证、没法溯源，也不能比较效果。此外，样品的一致性比较差，制样效率非常低。如果严格按照国家标准去做，一个人一天最多做3—5份样品，而且交叉污染严重，综合成本高，且有损害制样人员健康的风险。
这种落后的方式严重制约了国家对土壤环境监测的迫切需求，急需用标准化的智能制样设备来代替，确保样品制备在冬天、夏天一个样，海南、东北一个样——这正是马放均带领团队7年前开始创业的背景。
土壤样品制备环节直接影响土壤环境监测的准确性和可靠性。马放均及其团队在大量走访和调研中发现，由于土壤样品制备环节不直接显示实验数据和结果，不容易引起重视。有些实验室甚至发生跳过样品制备环节，在样品采集回来之后，直接抓取部分颗粒进行后续操作的严重违规现象。不少实验室缺乏专业的样品制备部门，人员和场地也很难满足要求。
马放均介绍说，各项标准、规范中关于制样的描述并不多。他们的团队拜访了多位行业内知名专家，请其对相关标准、规范逐字逐句进行剖析和解读，发现这些标准、规范的背后有大量实验验证作为支撑。例如，关于样品粗磨，对两公斤左右的新鲜样品，相关标准要求先用圆棍轻轻擀一遍，不能擀太细，擀完了再过2mm（10目）的筛子，一直重复这一动作直至样品全部过筛。理想的10目样品是类似板蓝根颗粒那样粗的颗粒度，研磨的过程应该保持土壤的团粒结构不被破坏，这时候做阳离子交换、pH值、有效态等指标的检测才准确。
有些实验室工作人员甚至对研磨工具使用桃木还是杨木都有区分，就是为了找到软硬度适中，既能破碎土块，又不过度破坏土壤晶格结构的工具。10目样品留样后，把剩下的样品再用同样的方法研磨至全部过0.25mm（60目）、0.15mm（100目）的筛子，甚至有的还要过0.075mm（200目）的筛子，为不同的指标分析提供相应粒度的样品。
可见，我国有关样品制备的标准、技术规范等要求非常科学，但这些标准和规范在手工制样过程中很难得到贯彻实施，迫切需要通过智能化、全自动化的制样设备来实现。
2017年，马放均首次提出“土壤环境智能监测”的想法，下决心建设土壤监测智能实验室。马放均接受记者采访时说，7年前提出这个想法时没人信，但团队摸着石头过河，坚持做正向研发。
2019年，兰友科技全自动土壤样品制备系统正式商业化发布，在中国科学仪器领域开创了一个全新的品类，引起了业界的广泛关注。中国科学院院士、中国分析测试学会理事长、BCEIA大会主席江桂斌表示，环境样品采样、制样、前处理的规范性很重要，目前这方面存在的问题也是确保数据质量的最大瓶颈，兰友科技在这方面取得了重大突破。
马放均介绍说：“这套全自动制样系统，不仅模拟人手实现了土壤样品制备全流程中的十多个步骤的自动化集成，还建立了可追溯的质量控制体系，解决了传统人工制样方法只能靠摄像头记录的质控问题。”
土壤样品制备是复杂的系统性工作，涉及十余个步骤，每个步骤都有不同的精细化要求。马放均介绍说，他们在研发设备过程中共整理研究了105个涉及土壤、固废、森林土壤、底泥沉积物等相关的国家、行业标准，解决了不少棘手的问题。比如，针对第三次全国土壤普查的粗磨要求，兰友科技研发的自动粗磨专用制备仪能在10分钟内完成一份3公斤土壤干样的自动粗磨、筛分、称重、装样和清洁，制备出来的样品形似板蓝根颗粒，制样效率比人工提高数倍，且不会研磨过细，保留了10目样品应有的颗粒度，保障了阳离子交换、速效养分等指标检测结果的真实性。
现在，兰友科技的一台全自动样品制备系统可以替代5—10人，实现了全流程智能化、自动化完成扫码、干燥、粗磨、精磨、混匀、筛分、称量、四分、装瓶、清洁等10个步骤，可视化、温度、湿度、压力、重量、时间、操作人等实验条件都能数字化记录，结合视频监控实现全流程可追溯，报表自动生成，保证制样质量；全流程制备不接触任何待测金属元素，杜绝制样过程中的外源性污染；无接触样品，避免操作人员受到粉尘、有害物质的伤害。
土壤中混杂的石子、杂质怎么挑选出来？记者了解到，这一看似不起眼的问题却是困扰行业的大问题。马放均介绍说，关键是要把国家标准吃透，兰友科技在干燥罐、研磨、筛分等各个部件上都有构思，系统能自动挑拣杂质，而且分拣得很干净。
“手工制样中10多个类似这样困扰行业检测的问题，我们一个一个都解决了。比如，为解决交叉污染问题，在干燥的时候，一个样品一个罐子，样品跑不出来就不会产生交叉污染。制样的过程中，上一个样品制完，系统进行彻底清洁，用“扫—吹—吸”三步法解决交叉污染问题。解决外源性污染问题、干燥温度问题等都是靠自动化设备，用流程保障，而不是靠人，这样就能保证制样的质量和效率。”马放均说，“可借鉴的经验很少，我们要做开拓者，这是我们创新的艰难所在。”
全自动制样的应用场景是怎样的？将土壤样品放进去，几分钟后全部指标就出来了，实现全链条、全流程、全自动制样。所有的动作人都不用干预，制好了拿出来即可。
国家环境分析测试中心主任、《水和废水分析方法》标准制定者董亮评价说，土壤（底泥沉积物）普查中周期最长、最费人工的工作就是样品制备。
北京矿冶研究总院检测中心主任冯先进认为，国外有独立的采制样标准化体系，与监测标准并存，而我国引进时把它们混在一起了。土壤（底泥沉积物）制样自动化、智能化是未来趋势。兰友科技的制样平台能扩展应用到矿样制备、中药、水泥等诸多领域。
马放均认为，仪器设备终归会替代实验室手工操作，节省人力的同时，让人工作得更加安全、体面。兰友科技致力于深耕样品前处理领域，研发智能化实验室设备，与现有常规仪器联用，形成完整的智能实验室解决方案。7年前他们创业时就这么想，7年来从没变过。
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来源：中国环境报
编辑：周亚楠
