【綜述】-檢驗檢測科學儀器發展現狀及建議

作者:冉盛網 時間:2022-08-11 14:36:25

      檢驗檢測科學儀器廣泛應用于科研、國防、工業制造及人民生活等各個領域,其研發與制造能力是國家高新技術發展水平的重要標志??茖W儀器被稱作科學家的“眼睛”,被比作高端制造業皇冠上的明珠。

       習近平總書記在2018年7月13日召開的第二次中央財經委員會會議上強調“關鍵核心技術是國之重器,要培育一批尖端科學儀器制造企業”?!吨腥A人民共和國科學技術進步法(2021年修訂)》中第九十一條明確指出,對境內自然人、法人和非法人組織的科技創新產品、服務,在功能、質量等指標能夠滿足政府采購需求的條件下,政府采購應當購買;首次投放市場的,政府采購應當率先購買,不得以商業業績為由予以限制。

 在2022年全國兩會上,多位代表提出了加速國產科學儀器研制,支持國產設備和儀器采購等提案,說明不僅是中央層面,各行各業的專家也早已意識到促進國產科學儀器發展的重要意義。但目前國內檢驗檢測科學儀器與國外還存在著較大差距,是科學儀器國產化需要重點解決的問題之一。

 檢驗檢測科學儀器的行業現狀

      科學儀器是指科學技術上用于檢查、測量、控制、分析、計算和顯示被測對象的物理量、化學量、工程量和生物量等性質的器具或裝置??茖W儀器是認識世界的工具,是提高人類自身和改造世界能力的基礎與前提。

       檢驗檢測科學儀器種類繁多,各國對于科學儀器概念的界定與統計標準不同,檢驗檢測科學儀器通常是指實驗室分析儀器。主要包括:色譜、生命科學、質譜、實驗室自動化、原子光譜、分子光譜、表面分析、材料物性、通用儀器、實驗室設備10類。

       科學儀器是進行科學研究和科技創新的基礎,在當今比拼科技實力的年代,全球對于科學儀器的需求不斷增長,據專業調查公司SDI統計,2021年全球實驗室分析和生命科學儀器市場規模已超過690億美元,在全球科技快速發展的推動下,全球科學儀器行業市場規模將持續增長,預計到2026年全球實驗室分析和生命科學儀器市場規模有望增加至1020億美元,2021—2026年復合增長率為6.9%。

       隨著中國、美國、日本、歐洲各國等主要國家對于科技研發投入的增長,預計全球科學儀器行業市場規模將繼續增長。

 全球科學儀器發展現狀

       全球科學儀器的發展可以追溯到文藝復興時期,當時科學家既擅長于科學儀器使用,同時也是先進科學儀器的發明人,科學儀器和科學研究形成了明顯的伴生關系。

        進入20世紀,科學技術特別是工業的高速發展使得科學研究工作出現了明顯分工,一批高水平的科研人員獨立出來成立專門制造科學儀器的公司,如卡爾·蔡司、島津等。

        21世紀以來,美國、法國、德國、英國和日本等主要的科學儀器制造國家紛紛設立專項計劃(資金)發展“重大科學儀器”,與此同時,中國、韓國等新興國家加快科學儀器研發生產,全球科學儀器行業進入加速發展階段。

      全球科學儀器的市場區域分布主要在北美、歐洲、中國以及日本。根據SDI公布的數據顯示,北美、歐洲、中國以及日本是全球科學儀器市場的主要消費地區。2015年北美地區實驗室分析儀器市場規模占全球比重達36%,2019年這一比重下降34%,歐洲地區占比有所下滑,由2015年的29%下滑至2019年的27%。

       科技研發帶動市場增長,隨著全球科技競爭愈演愈烈,科技創新已經成為各國提高綜合國力的關鍵支撐,科學儀器作為一個國家科技進步的基石,已經被美國、日本、韓國、中國、歐盟各國等提到戰略發展的高度。

        根據OECD在2021年3月18日公布的數據顯示,2019年經合組織研發支出增長4%,研發強度(國內研發支出占國內生產總值GDP的比重)則從2018年的2.4%增長至近2.5%。其中美國首次突破3%,中國則從2.1%增長至2.2%,以色列和韓國研發強度達到了4.9%、4.6%,研發強度最高。

       全球科學儀器行業壟斷越來越高。一方面表現為10年前的TOP50榜單中,很多科學儀器企業都已經不存在了,例如:Varian、Life Technologies等被其他公司收購或兼并;另一方面表現為10年間前5家公司市場銷售份額之和占全行業的比例從28%增長到36%,并且前十家公司的銷售額之和已經占到總行業的50%。

 全球科學儀器的發展趨勢呈:

 · 自動化和智能化

       隨著人工智能的快速發展,科學儀器也顯著受其影響。這首先來自于儀器的自動化,然后是結合軟件和硬件的智能判斷和預測,未來對實驗人員的要求會越來越低,這也有利于儀器應用得越來越廣泛。

 · 更高性能的追求

     對于給出測量結果的科學儀器,大都首先追求靈敏度,其次是分辨率,然后是分析速度,這種追求沒有止境。

     儀器的快速更新迭代,主要目標就是追求更高性能。至于穩定可靠性、容錯性,是各種儀器必需的,儀器賣得越多,穩定可靠性就會越強。

 · 原位測量、追蹤測量

       目前,很多儀器都是取出樣品、處理后再分析,不足以更好地表征樣品的真實狀態。例如,對于新冠病毒,均為取樣分析,無法表征病毒在人體真實發生的原位狀態,更無法追蹤其發展過程。原位測量、對活體的追蹤測量是儀器發展的必然趨勢。

 · 便攜式檢測

       儀器的小型化研究,達到同樣性能,能夠便攜,永遠是趨勢。

       上述是儀器技術的發展趨勢,而從商業模式上看,賽默飛、丹納赫、安捷倫、Waters等成功企業的經營模式大概有幾種:

       一是數項單品持續保持全球1~2位。

      二是結合核心儀器開展消耗品業務,以提升利潤水平,獲得繼續投入的動力。而最適合儀器配合消耗品的行業是生物制藥和醫療行業。

      三是通過并購獲得更多優勢產品線。

       四是公司均已經成為公眾公司,不再主要由原創始人控制。

 中國科學儀器發展現狀

       中國科學儀器的發展可追溯到1901年上??茖W儀器館開始經銷科學儀器,新中國成立后,成立一系列的分析儀器廠,開始發展國產科學儀器。但由于歷史的原因,國產科學儀器發展相對比較緩慢;此外改革開放后,中國用戶開始大量使用進口儀器作為各行業發展工具,國產儀器研制和國產儀器企業的發展均遭受困境。

      隨著人們對發展科學儀器重要性認識的提高和國有經濟體制改革的深入及民營企業的崛起,加上整個經濟發展加速所起的帶動作用,科技部從“九五”開始把科學儀器的研制和開發列入了國家科技攻關項目并逐漸增加投入,從“十一五”開始設立重大科學儀器開發專項;國家自然科學基金委員會也設立了重大科學儀器研制專項。國家層面的投資拉動下,商業投資也開始活躍,科學儀器的研究開發和產業的發展才逐漸開始走出低谷。

      根據SDI公布的數據顯示,2009年中國科學儀器市場占全球市場的6%,2015年中國地區實驗室分析儀器市場規模占全球的比重為10.4%,近年來,中國是全球實驗室分析儀器市場增長最快的地區,2019年中國實驗室分析儀器市場規模占全球的比重將增加至15%。隨著中國對科學儀器的大力支持和發展,中國市場在全球科學儀器行業中變得越來越重要。

 中國科學儀器企業發展主要有如下形式:

 · 細分品類,慢慢擴充

       該類企業歷經多年慢慢積累,在眾多競爭中能夠在單品類中先取得國內領先,如北京普析通用儀器有限公司的紫外-可見分光光度計、北京東西分析儀器有限公司的原子吸收光譜儀、北京海光儀器有限公司的原子熒光光譜儀以及同方威視的拉曼光譜儀。然后慢慢擴充品類,擴充的速度比較緩慢。有些企業,開始擴展很快,研制推出了很多產品,但更新太慢導致失去競爭力,又砍掉了新增產品線。

 · 先發展專用儀器或前處理設備,再發展通用分析儀器

       這一類是中國特色的一種發展思路,避開國外企業的優勢領域,抓住國內有機會的領域(如環境保護、食品安全)贏得發展機會。比如,廣州禾信儀器股份有限公司在環境保護領域發展針對PM2.5和揮發性有機化合物(VOC)的質譜,獲得發展機遇后,再開始發展高端通用的科學儀器基質輔助激光解析飛行時間質譜(MALDI-TOF)、氣相色譜串聯質譜(GC-MS)、電感耦合等離子體質譜(ICP-MS);北京萊伯泰科儀器股份有限公司主攻食品安全、環境領域的前處理設備,并收購了幾家國外前處理設備公司,獲得發展后,再開始發展質譜,如ICP-MS。

 · 先上市,再利用資本擴張

      該類企業的特點是產品品類擴充快,追求快速增長;但依賴股市,在兌現利益后,技術人員流失較快,會繼續成立一系列技術類似的小公司。比如,聚光科技(杭州)股份有限公司此前側重環保設備,上市前在分析儀器中僅有近紅外(NIR)分析儀,上市后收購北京吉天儀器有限公司獲得原子熒光(AFS),收購北京盈安科技有限公司獲得X射線熒光光譜儀(XRF),后在此基礎上發展ICP光譜和ICP-MS,繼續發展GC-MS、液相色譜串聯質譜(LC-MS)等高端科學儀器。

      天美集團此前生產高壓液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、紫外-可見分光光度計(UV-Vis)、天平等儀器與實驗室設備,后在中國香港上市后,收購國外企業,分子熒光、天平、離心機比較強;GC、HPLC研發能力正在增強,并開始涉足GC-MS、同位素質譜等。

       中國科學儀器的創新首先來自于科研領域,然后逐步向各個領域擴展。國家在環境監測、軍工領域等均有特殊的準入制度,并早已明確表示支持國產設備,因此國產設備的投資發力點多在該領域。但這些領域,通用分析儀器的占比并不高,對核心分析儀器的技術提升有一定作用,但作用有限。

       近年來國內外特別重視生命科學、生物醫藥領域,國內在生物醫藥領域主要是進口儀器貼牌,國產科學儀器在該領域的發展屬于起步階段。國產前處理設備,物性材料設備,離心機等通用設備等,已經可以進入各類實驗室,包括高校、國家級省市級檢測單位、大型第三方實驗室、大型企業。食品、醫藥、石化、材料、第三方實驗室,中小型企業、區縣級單位、科研院所的小型實驗室,是國產儀器的主要使用單位。

 基于上述應用領域,國產科學儀器具有以下特點:

      一是用于科研的國產分析儀器很少。這同中國的基礎科研不足有關,中國的國產儀器,大都沒有走向國際,在國際上不被認可。

       二是前處理、生命科學的小設備,發展較快。該領域不要求準確的測量,只是輔助應用,技術含量較低,國外大型公司不太重視,僅與國外小型企業競爭,實現局部領先較容易。

      三是環境保護問題的日益嚴重,國家在環保領域投入力度加大,國產儀器制造廠商在國家政策支持下大力發展,支撐了環保領域國產儀器的發展與進步。

      四是目前國家標準、行業標準以及團體標準多維同步推進,在制定標準時也已經明確,盡量吸引更多的國產儀器廠商參加,盡可能在國產儀器技術水平提高時推出相應的標準。

 中國科學儀器的發展趨勢表現為:

       一是與標準化相關的領域,國產儀器距離科研要求尤其是尖端科研的要求較遠。在各行各業,只要有同儀器相關的標準推出,國產儀器能夠滿足相應的標準內容才會得到市場的認可,才構成一定的銷售。

       二是聚焦在樣品前處理相關設備領域,發達國家主要大型企業更關注核心儀器技術及其消耗品,而在前處理市場,國內企業基本在與國外的小型企業競爭,具有本土化的優勢,技術含量要求不高,但在樣品前處理設備中國產設備占據了一定的優勢。

       三是在線分析、便攜分析,該領域需要的儀器自身的技術水準較低,但對配套采樣和人工維護的要求較高,國內人工成本較低,在此領域依舊會占據領先優勢。

        四是國產設備優先采購政策。隨著國家優先采購國產儀器的政策出臺,國產儀器可以得到進一步發展。同時,進口儀器企業會不斷地考慮逐步在國內投產,國家的政策可以“先松再緊”,逐步吸引進口企業將核心技術的生產放在中國。

 中國科學儀器發展存在的問題

 · 自主研發不足,研究成果轉化率低

       在科研儀器進入自主研發初期,由于底子薄、欠賬多、投入相對不足,中國科學儀器設備的原始創新、集成創新和引進吸收再創新能力比較薄弱,缺乏能有效帶動和引領科學儀器產業發展的核心技術和關鍵部件,高端通用科學儀器設備研發和制造能力明顯不足,新能源、新材料、環境、公共安全等戰略性新興產業和民生領域急需的、量大面廣的科學儀器設備國產率明顯不高。

       科學研究“空芯化”現象嚴重,關系國民經濟命脈和國家安全等一些重點領域科學研究所需重要儀器設備受制于人現象已經凸現,嚴重制約著中國自主創新戰略的實施。此外,國家自然科學基金委員會和國家科技部設立的重大科學儀器研制和開發專項,一定程度上促進了科學儀器的基礎研究。但是面向市場需求,偏向應用的“產學研用”合作創新模式還未形成,科學儀器的轉化率很低。

     與美國等發達國家相比,中國科學儀器研制與應用的速度、廣度和深度仍顯不足。中國科學院上海營養與健康研究所李昌厚教授認為,目前中國科技成果轉化率大約在25%左右,真正實現產業化的不足5%,與發達國家80%的成果轉化率和產業化差距甚遠。當然科研成果轉化為技術成果是一個復雜的過程,既需要來自高校、科研院所在原始創新方面的努力,更需要能將創新成果轉化成可產業化的產品的企業的共同努力。

 · 核心零部件研發不足,產業鏈孱弱

      中國的中低端儀器特別是前處理設備已經取得了長足進步,不少品類已經實現國產化替代。一方面得益于該類儀器的技術門檻相對較低,有一部分已經實現國產化的研發;另一方得益于核心零部件可以采購,國外進口限制比較小。而對于高端科學儀器幾乎完全依賴于進口,每年都要從國外進口大量的儀器。高端科學儀器的研制主要受制于核心零部件,一方面是國外對高端儀器零部件的出口限制非常嚴,甚至有些不對外出售;另一方面更重要的是國內對核心零部件的研發不足,“卡脖子”問題明顯突出。

       此外,國內科學儀器的加工業和制造業等還相對落后,產業鏈孱弱,使得國產科學儀器在穩定性、可靠性方面與發達國家產品存在一定的差距。而國外廠商不僅能提供先進穩定的設備,還能提供高品質的儀器配套耗材和完善的售后服務,進一步限制了國產儀器的發展。

 · 市場認可度不夠,推廣應用難

      在目前國家大力推廣國產科學儀器的大背景下,國產儀器應用情況不容樂觀,尤其是高端科學儀器的應用更是匱乏。由此說明國產科研儀器應用情況較差,市場認可度不高。

      認可度低意味著使用率低,這使得國產科學儀器研發生產的單位得到用戶反饋的問題數較少,很難使企業持續改進和完善,不利于國產科研儀器行業的良性發展。造成這種局面的原因除了儀器自主研發本身的問題,還有一些客觀因素:

 · 用戶的傳統觀念根深蒂固

      在多數情況下,國產科學儀器的技術要求完全可以達到用戶的需求,有些指標甚至優于進口設備,但是很多用戶在面對國產儀器的時候存在疑慮,“國產儀器不行”的觀點在很多用戶心里根深蒂固,這對國產儀器的發展帶來很大阻礙。

 · 缺乏科學的驗證評價體系

       國內對國產科學儀器缺乏一個客觀、公正、有權威的驗證評價平臺?,F階段中國已經具備了一定的研發大型設備的能力,但由于國內沒有翔實權威技術驗證數據,無法有效幫助國產儀器驗證和推廣,導致國內的檢測機構不熟悉、不了解國產檢測儀器設備的適用范圍、穩定性和準確性。

      同時,國產檢測儀器設備生產廠商由于沒有相應的推廣平臺,也無法進行相應的對比、驗證實驗,對國產儀器設備的推廣和研發也造成了很大限制。

 · 用戶體驗差,售后服務不足

       隨著儀器設備的多樣化和高精尖的發展,用戶越來越重視設備的體驗度和售后服務。國產儀器體驗差除了研發者對設計認識不足外,軟件友好性一直是國產設備的偏薄弱環節,軟件不夠簡潔、操作復雜、與實際脫節等。

       同時,國產設備的售后服務觀念薄弱,儀器設備出了問題之后,響應速度和服務質量不盡如意。此外,國產設備售后的應用開發不足,導致設備的使用率大大降低,久而久之變成了空置的儀器。

 國產科學儀器的發展建議

 · 加大基礎研究,鼓勵“產學研用”發展模式

      國產科學儀器的創新和發展本質上依賴于基礎研究,未來應繼續加強基礎研究指導以及加大對國產科研儀器的科技投入,鼓勵科學儀器行業取得重大開創性的原始創新成果,搶占國際科技競爭的制高點。

      鼓勵“中國首創”,由中國最先創造或改進的科學儀器不僅能夠打破外國壟斷,更能在市場采納中占據先機,獲得應用迭代的初始條件,進而為借助馬太效應實現持續創新和市場擴散奠定基礎。

       由于儀器的研發技術門檻高,涉及材料、電子、機械、自動化等諸多學科和領域,研發周期漫長,回報周期長,因此,政府需要有長期持續投入的決心。此外,要特別注重知識產權保護,加強成果保護意識,為后期的成果轉化奠定基礎。鼓勵成果轉化,完善激勵政策,構建優勢互補、無縫銜接、快速響應的“產學研用”協同科技攻關體系。

       科學儀器的“產學研用”合作體系應以政府為主導,加強宏觀管理,營造有利于科學儀器開發應用的政策環境;以企業為主體,提高科學儀器的技術轉化能力與制造水平;以高校和科研機構為技術核心,實現科學儀器的理論研究突破和技術的不斷創新;以市場為導向,滿足不同細分用戶的需求。通過整合政府、企業、高校、科研機構等各方面資源,同時圍繞市場規律,在各個不同主體間形成有效互動,強強聯合。

 · 加大核心零部件基礎研究,完善產業結構

        針對科學儀器核心零部件研發不足、嚴重依賴進口的困境,要加強核心零部件的基礎研究,特別是材料、電子、機械、自動化等學科和領域的基礎研究。

     重視跨國技術并購,高端科學儀器創新所涉及的知識中,很多都是需要經過長期摸索和積累才能獲得的緘默性知識,并且往往被發達國家企業嚴密保護起來??鐕夹g并購是解決技術能力積累難題和引進一部分核心技術的重要方式。注重儀器消耗品的研發。消耗品作為儀器售后的重要組成部分,對推動儀器的發展和售后收入具有重要的作用。針對產業鏈孱弱的問題,積極鼓勵國外儀器廠商在國內建廠,不但可以汲取儀器制造上下游的核心工藝、技術,還可以培養大量的專業技術人才。

     此外,自建工藝鏈或產業鏈往往因投入大、周期長、短期回報低導致公司無法長期維持,國家應該出臺政策激勵自建工藝鏈或產業鏈的企業,在研發補貼,減稅、退稅等方面給予一定的政策支持。

 · 完善評價體系,提高服務質量

       針對國產科學儀器市場認可度不夠,推廣應用難的問題,要繼續加強并完善相關的評價體系,企業自身要提升儀器的售后服務環節。

 · 具體落實國產儀器優先采購政策

      盡管國家出臺一系列的支持國產儀器的政策,但實際效果并不明顯,相應的政策需要進一步落實。

       比如:2021年的科學技術進步法中明確提出,對境內自然人、法人和非法人組織的科技創新產品,在功能、質量等指標能夠滿足需求的條件下,應該優先采購。

       對于國產科學儀器的功能和質量等指標,行業內沒有明確的規定,建議出臺相應的團體標準等,為國產設備的采購及后續儀器評價提供參考依據。

 · 建立客觀公正的儀器驗證、評價體系

       集中對國產儀器進行參數驗證,為國產設備的推廣和應用提供數據支撐。還可對國產檢測設備的功能改進、升級換代提供發展方向。

 · 企業要提升產品的售后服務

       一方面是要提升對儀器本身的售后服務,包括對儀器本身的不斷優化,儀器故障的快速響應及維護等;另一方面要積極拓展儀器的應用服務,為客戶不斷挖掘儀器的潛在應用及滿足客戶需求的定制化服務。

 結論

        當前,新一輪科技革命和產業變革方興未艾,全球科技創新進入了空前密集的活躍期,科學技術以前所未有的力量驅動著經濟社會的發展。誰擁有先進的科研儀器,誰就能在當代科學研究中掌握主動權和話語權。近幾十年來,國家設立了一系列支持科學儀器研發的資金和政策支持,促進了國產科學儀器的巨大發展。

       近年來,國家又出臺多項政策支持國產設備采購,國產科學儀器迎來進一步發展的大好局面。與此同時,也應該清楚地認識到,國產科學儀器尤其是高端科學儀器,跟國外還有不小差距。唯有通過科技創新,以企業為主體以市場為導向,面向世界科技前沿,面向廣大用戶需求,投入研發資金,才能提高中國科研儀器研發水平。