張卓勇：七彩光譜信息的解碼者（上）

“七彩光譜 萬象更新”主題系列訪首都師范大學張卓勇教授

　　光譜技術已邁過百年歷史長河，中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代，今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這背后，老中青科學家，克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開的第21屆全國分子光譜學學術會議，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望對廣大光譜愛好與從業者有更多的啟發。

　　首都師范大學的張卓勇教授為我們講述了自己科研之路的變化，不僅剛好印證了“七彩光譜 萬象更新”的主題，也記錄了在解碼“七彩光譜”的過程中，計算機技術、化學計量學、人工神經網絡等方法發揮的巨大作用，希望對更多的光譜研究者和應用者有啟發。

2004年張卓勇（左）在黃本立先生（中）家的合影

同光譜結緣到作為畢生事業的經歷

　　師從黃本立院士開展ICP-AES研究

　　張卓勇教授首先回顧了自己邁入光譜殿堂的早年經歷。1982年1月從吉林大學化學系畢業后，張卓勇進入中科院長春應用化學研究所，師從黃本立先生攻讀碩士和博士學位，從此開始從事原子光譜分析。眾所周知，黃本立院士是我國原子光譜分析領域的泰斗，也是我國原子光譜分析領域的第一位博士研究生導師。

　　碩士期間張卓勇的課題是：氫化物發生（Hydride generation）技術結合電感耦合等離子體發射光譜分析（ICP-AES）的研究。彼時，張卓勇對ICP-AES一無所知，完全從頭學起。

　　回顧ICP-AES的歷史，張卓勇說道：把電感耦合等離子體作為發射光譜分析的光源應當是原子光譜分析領域的一個里程碑。20世紀60年代美國的V. A. Fassel 教授和英國的Greenfield分別開展獨立研究，不過他們在實現ICP-AES時采用的實驗條件有很大的差別。從研究工作發表的時間來看，Greenfield 的文章（1964年發表）比Fassel 的文章（1965年發表）發表早了幾個月。“在我開始讀碩士時，ICP-AES比較熱門，那時候ICP-MS（1978年Houk發明）才剛開始，還沒有熱起來，而且ICP-MS非常貴，只有歐美等幾個國家的少數光譜實驗室才有。在20世紀70-80年代，我國的科研條件很差，做科研工作也很辛苦，效率也低，能做出來出色的工作很不容易，其難度是現在的年輕科研工作者難以想象的。”張卓勇回顧說。

　　黃先生領導的光譜室早在20世紀70年代就開始了ICP-AES工作，早期用購置的ICP光源與一臺攝譜儀搭建構成。“我進入應化所時光譜室剛引進一臺美國Baird 公司（后并入賽默飛）的ICP-AES光譜儀。Baird的ICP光譜儀是光電直讀型，當時非常先進，其計算機系統采用磁帶驅動、沒有硬盤，每次啟動時要插入一個磁帶，在CRT顯示出操作菜單，根據選項進行操作。數據不能保存，只能在外設的打印機打印出來，每次做完實驗，我們都要捧著一疊打印紙回宿舍處理數據。又過了幾年，Baird公司為我們升級了計算機系統，換成了美國DEC公司的PDP 11/23 小型計算機，體積大約有一張桌子大，有了20兆的硬盤。當時我們都很高興，因為有了硬盤就可以把每次做完實驗的數據保存下來，再拷貝到軟盤（9寸磁盤）了。據工程師說，大于20兆硬盤的計算機美國政府不允許賣給中國，怕我們用于軍事用途。”張卓勇仿佛回到了過去，回憶那段艱苦但快樂的科研生活：“后來我利用這臺PDP 11/23小型機學習了FORTRAN 語言編程和部分計算程序的調試與計算操作。”

　　張卓勇的碩士學位論文是：做一種進樣裝置，能使氫化物元素和非氫化物元素同時進行ICP-AES測定。黃先生最早提出創新性的idea設計一個巧妙的裝置，張卓勇按照該想法進行裝置的制作、優化、和實驗測試。在ICP-AES分析中通常采用氣動霧化裝置，霧化效率很低（3%-5%），這意味著90%以上的樣品溶液被排入廢液而浪費掉了。該裝置的基本設計思路是：在樣品引入時，先將樣品溶液進行霧化生成樣品氣溶膠，然后把霧化剩余的廢液收集起來進行氫化物元素的氫化物發生反應，使得生成的氣態氫化物與霧化后的非氫化物元素的霧化氣溶膠一起進入ICP，實現氫化物元素和非氫化物元素的同時測定。

　　經過反復改進、優化和實驗，得到的結果是：對于非氫化物元素檢出限基本不改變，而對于氫化物元素，檢出限改善20多倍。該裝置在1987年獲批了國家實用新型ZL，是我國在ZL制度剛建立的早期少有的分析儀器ZL。該工作也發表在當時原子光譜分析最高水平的雜志Spectro chimica Acta, Part B上：“A new nebulizer-hydride generator system for simultaneous multielement inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry”。

　　氫化物發生器如下圖所示：

1987年發表在SAB上的文章中的裝置示意圖

　　“我的博士學位論文繼續做氫化物發生-ICP-AES方面的研究工作，主要側重對氫化物發生過程中干擾機理的研究。比如：在氫化物發生過程中共存金屬生成硼化物及其吸附作用，以及共存金屬離子氧化還原電位對氫化物發生過程機制的影響等，在國際和國內期刊發表，得到了國內外同行們的好評。時過20多年后，還有學者來函表示對我們的工作很感興趣并與我們討論氫化物發生中干擾機制的問題。”張卓勇說。

　　留學：計算機編程和化學計量學

　　1988年獲得博士學位后的張卓勇，先留在長春應化所工作，后到加拿大滑鐵盧大學做博士后工作，繼續從事ICP-AES方面的工作，同時開始學習計算機編程和化學計量學方法。他陸續學習了QBasic，VBasic，MathCad和Matlab等，借助這些計算工具利用化學計量學方法進行光譜干擾的校正研究。例如，論文“Application of factor analysis to correction of spectral overlap interference in inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy”發表在Spectrochimica Acta, Part B (1993).

　　結合自己光譜數據分析特長進入分子光譜領域

　　1995年回國后，張卓勇到東北師范大學任教，從此開始從事分子光譜研究。談到為何轉向分子光譜，張卓勇談了兩個主要原因：“一是因為ICP-AES當時很昂貴，新到的單位沒有合適的ICP-AES可用，我必須利用當時現有的條件開展工作。而采用化學計量學方法對UV-Vis 光譜數據或其它的光譜數據進行計算是一項成本較低的工作。第二個因素是我當時思考一個問題：即原子光譜分析一般是獲得關于樣本元素組成及含量的信息，這些信息對于環境科學、生命科學等領域都屬于間接信息，如果要深入研究生命科學和環境科學等問題，僅得到元素組成和含量的信息是受到一定制約的。而分子光譜技術有可能得到分子形態、分子間作用等分子水平的相關信息，可能對生命科學、環境問題的研究更有幫助。”

　　1997年，張卓勇發表自己“轉型”分子光譜的第一篇近紅外光譜文章：“Quality control of pharmaceutical aspirin powder by near-infrared reflectance spectra and multivariate analysis”，發表在Spectroscopy Letters 上。而使用化學計量學方法還可用于ICP-AES的數據解析，如1997年在Talanta上發表的“Diagnosis of lung cancer based on metal contents in serum and hair using multivariate statistical methods”，根據人血清和毛發中元素含量對肺癌進行輔助診斷判別研究。

　　2001年，張卓勇調入首都師范大學工作，繼續從事化學計量學和光譜分析方面的科研與教學工作，主要是近紅外光譜分析方面的工作。張卓勇表示：“后來我雖然主要做分子光譜方面的工作，但是我仍然有一種原子光譜情懷，經常關注原子光譜分析領域的發展和動態，經常瀏覽原子光譜相關的文章。”

　　2004年全國分子光譜學術會議在廈門舉行，參會期間張卓勇到黃先生家做客。

2004年張卓勇（左）與黃本立先生（中）和張佩環老師（右）的合影

　　參加國際光譜大會CSI

　　在光譜分析領域，有個很重要的國際會議，即國際光譜大會Colloquium Spectroscopicum Internationale（CSI）。該會議于1950年在法國舉行第一屆，當時只有13個歐洲國家的代表參加，后來會議延續下來，并發展成為國際上重要的光譜學會議之一，會議名稱一直沿用法語的名稱。張卓勇說：“讀研究生時，我就知道國際知名的CSI會議，我國幾位光譜分析方面的前輩都很重視并多次參加CSI，如黃本立先生，單孝全先生，倪哲明先生等。”

2019年，張卓勇參加墨西哥舉辦的第41屆CSI

　　2007年，第35屆國際光譜大會（CSI）在廈門舉行，是迄今唯一一次在中國舉行，黃本立先生擔任大會主席。張卓勇還參加了最近兩期的CSI，如2017年第40屆（意大利比薩），2019年第41屆（墨西哥的墨西哥城），并應邀在會上作了特邀報告，題目是：Identification of cancer tissues by using near infrared and terahertz time-domain spectroscopy combined with chemometrics（近紅外和太赫茲時域光譜結合化學計量學對腫瘤組織的鑒定）。

　　師從黃本立院士的張卓勇老師為我國的光譜發展奉獻了畢生精力，在他的科研生涯中還對我國的光譜分析發展做出了哪些貢獻？敬請關注分析測試百科網為您帶來“張卓勇：七彩光譜信息的解碼者（下）”......