我国科学仪器的技术差距,产业状况和逐步提升产业化水平的建议

1我国科学仪器的技术差距、产业状况和逐步提升产业化水平的建议蒋士强中国仪器仪表学会、中国农业科学院，北京（100081）前言总体而言，我国科学仪器基础薄弱，研发力量和投入不足，生产企业虽多，但规模不大，产值和水平还很落后，仪器的稳定性、可靠性及功能均有待急速提高。但具体到各类科学仪器的技术差距和现有基础各不相同的，只有明晰我国各类科学仪器技术上的具体差距，才能使用户不盲然，产界、业界和决策者不茫然。本文试图剖析应用面广、量大的八大类科学仪器的技术差距、产业状况和市场需求，提出近期或后续以提升技术水平为目标、实施产业化和有待进一步研发的一些具体建议。1光谱类仪器光谱类仪器是应用面最广、起步早、企业多、基础较好、产量也最多的科学仪器。中、低挡光栅光谱仪年产1万以上。中低挡原子吸收光谱仪年产也达1300台以上。原子荧光光谱议已销往国外。但是光谱仪中的关键部件、如高挡光栅、特别是中阶梯光栅和CCD检测器等完全依赖进口，导致我国高挡光谱仪的技术性能和价格均无竞争的实力。现对各种光谱仪分叙如下：1.1紫外/可见光分光光度计（U/V）。（1）低档U/V。国产品性能已接近国外水平，且价低，已占据国内市场。（2）中档U/V仪器。是市场竞争的热点，我国骨干企业产品的技术指标已与国外相近，价格便宜，为国内用户认可，已小批量打入欧美和东南亚，宜进一步提升技术和扩大产业化规模。（3）高档U/V仪。关键性技术指标（杂散光、噪音、线性动态范围等）比国外产品要差一个级次，有待继续研发。21.2红外光谱仪红外光谱仪突出两分支，即近红外光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪、均被公认为快速分析检测技术，应用极广泛。（1）近红外光谱仪（NIR）。如今几乎所有国外厂家的都在抡占我国市场，应用于各种农产品、食品、化工产品、饲料、农业育种、粮食购储等领域。“九五”“十五”国家已多次立项、研发成功5种专用近红外光谱仪，主要技术指标（波长范围和精度、波数精度、信噪比等）和功能已接近国外产品，且应用软件更适合我国实情，但工艺水平、生产能力、产品可靠性和稳定性有待改进。鉴于其具有极广泛的应用前景和良好的研发基础，极宜实施产业化，提升技术和工艺，形成批量生产规模。（2）傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR/NIR）属第三代红外光谱仪，广泛应用于石油、化工、医药、环保、食品、农业、公安、国防等，对各种化合物进行快速鉴定、分析。我国北二光的产品已经历三代更新，主要技术指标：分辨率0.65cm-1；波数精度±0.01cm-1；信噪比15000：1，已接近国外中档水平，但尚须对干涉仪等关键部件和联机技术全面攻克，“十·五”国家科技攻关项目中已进一步立项研发。可列为后续产业化项目。1.3激光拉曼光谱仪（Raman和FT-Raman）。随着小型、高强度、高单色性、高定向性激光器的出现，荧光干扰、检测器噪音和线性等问题的解决，90年代以来开创了激光拉曼新时代，由于它具有与红外光谱仪极强的互补性，可对固体、液体、粉末等材料直接分析，可望广泛地应用于有机物的结构鉴定；生命科学中对基本物质、生物大分子活性状态下的结构和功能鉴定；生物医学中分析鉴定病毒、细菌、DNA和致病分子间的作用，以及对高聚物异构体的鉴定。并可配置显微镜和光纤附件，构成拉曼显微镜和遥测系统。“十·五”后二年国家科技攻关项目中已列项研发，可望成为未来产业化项目之一。31.4原子吸收和原子荧光光谱仪（AAS和AFS）原子吸收光谱仪（AAS）、我国已有十多家生产企业，其主要技术指标：分辨率优于0.3mm；基线稳定性0.005A/30min；检出限0.006mg/L(Cu)，已接近国外中档水平，且价格便宜，具有一定的竞争力。高档AAS仪国产品的技术差距主要是石墨炉加热方式、火焰和石墨炉的切换方式、综合扣背景能力以及检出限水平等有待进一步完善。原子荧光光谱仪（AFS）、我国虽起步晚，但从基础研究到应用技术，从研发到商品的转化却很快，产品不断更新。如今我国AFS仪的技术已处国际领先水平，形成了几个骨干生产企业，不仅满足国内需求，且已有外商代理、销往国外。AAS和AFS两种仪器是我国科学仪器中基础最好的产品，其中、AAS的技术差距不很大，而AFS已处领先水平的科学仪器，很值得在实施产业化中予以有力支持，扩大产业化规模，不断提升技术水平，势必能与国外产品抗衡。1.5电感耦合等离子体和微波等离子体光谱仪（ICP和MPT）可以进行多元素同时快速分析，且检出限好、灵敏度高、动态范围宽、基体效应低，已成为冶金、地矿、农业、环保、化工、生物等领域快速分析微量元素的有力手段。近年来我国每年需进口约100多台ICP光谱仪。针对国内的需求，国家重大科技攻关项目中立项、研发成功MPT微波等离子体炬光谱仪和ICP光谱全谱仪，前者获取了多项专利权，具有自主知识产权，技术性能处于国际领先水平，后者技术性能与国际上中高档ICP很相近，ICP和MPT都已具备产业化条件，建议实施产业化中进一步提升技术水平和工艺，扩大产业化规模。1.6X射线衍射仪X射线衍射仪是分析鉴定固态物质微观结构的最重要、有效、普遍应用的仪器，广泛应用于地矿、建材、冶金、化工和特种材料等领域，是研究固体材料结构、岩石结构、金属材料结构、高分子和玻璃态物质的结晶度、亚微观晶粒大小及分布或晶粒中缺稻等方面的有力工具已在国家重大科技攻关项目中研发成功、并小批量试生产、但未能产业化。目前我国在用的约1200台仪器几乎全是进口的，建议对多晶X衍射仪实施产业化，将很快能形成产业化规模，在短时期内可占据国内50%的市场。42色谱类仪器2.1气相色谱仪（GC）我国GC的研发、生产和技术引进并不晚，但是技术提升不快，如今虽然低中档及专用GC仪，国产品尚占有主要份额，但部分中档和高档GC、几乎被国外厂家所占有。国产GC的技术差距：（1）国内产品均无多路气体压力、流量电气控制系统；（2）国外GC的柱温箱控温精度为0.01oC，国产GC多为0.1oC；（3）国外GC柱温箱升温速度为100oC/min，国产GC多为40~50oC/min；（4）国产GC的检测器灵敏度、检出限不如国外产品（见表1）。（5）进样技术和各部件耐压性、可靠性以及软件系统国产GC不如国外产品。鉴于我国GC已有一定的产业化基础，且GC是工、农、医、食品、环保、国防、科、教等各领域中应用极广的科学仪器，故建议以提升技术水平为目标加大产业化力度。表1检测器灵敏度，检出限的性能对比检测器名称国产GC的检测器灵敏度、检出限国外GC的检测器的灵敏度，检出限TCD≥5000mv.ml/mg(苯)≥20000mv.ml/mgECD≤1.0×10-13g/ml(666)≤0.008pg/s(六氯化苯)NPD≤5×10-12g/s(N);≤5×10-12g/s(p)≤4×10-13g/s(N);≤5×10-14g/s(P)FPD≤1×10-11g/s(P);≤5×10-11g/s(S)≤9×10-13g/s(p);≤2×10-11g/s(S)52.2高效液相色谱仪（HPLC）是应用面极广的科学仪器之一，我国HPLC市场的约80%国外厂家占有，我国产品的技术差距主要表现在：（1）国产的高压泵耐压低、耐磨性和密封性差，（见表2）。表2泵的技术性能对比技术指标国产HPLC产品国外HPLC产品泵的最大压力40~42MPA5000~6000Psi流速范围0.01~10ml/min0.001~10ml/min梯度混合重现性0.5%RSD0.15~0.2%RSD系统死体积200~500ul（2）国产的U/V检测器，荧光检测器性能仍有明显差距（见表3）。二极管阵列U/V检测器、示差检测器、电化学检测器、化学发光检测器和蒸发激光光散射检测器等，我国近几才着手研发。表3U/V和荧光检测器性能对比检测器和技术指标国产检测器产品国外检测器产品U/V检测器的波长精度≤±2nm≤±1nmU/V检测器的噪音≤1×10-5AU≤0.35×10-5AUU/V检测器的基线漂移≤1.5×10-4AU/h≤1×10-4AU/h荧光检测器波长重现性±2nm荧光检测器的灵敏度S/N≥300~400（3）HPLC的自动进样器、高性能柱的填料、软件系统，不如国外。我国家重大科技攻关项目：“HPLC及其专用部件的研发”中，泵系统、自动进样器、各种检测器、柱、软件等关键部件都有所进展、并带动了一些相关企业。“十·五”后二年，又启动研发制备色谱、蒸发光散射检测器和多维液相色谱。HPLC是各领域应用面极广的科学仪器，应针对各项技术差距进一步研发并尽快实施产业化。62.3微型电动色谱仪我国首先研发并生产微型电动色谱仪，具有我国自主知识产权，获多项国际发明专利，已小批量生产、并出口。它具有毛细管电泳及高效液相色谱的一些优点，具有高柱效、高选择性、高分辩、快速、低耗的特点。可应用于多领域。其市场潜力有待迅速挖掘。目前高压电源、微流控系统、软件工作站系统等已实现产业化，建议将高压泵和检测器国产化，以降低成本，扩大市场。2.4离子色谱仪（IC）我国起步比国外晚了十年，它广泛应用于环保、医疗卫生、食品、农业、水文地质、化工、半导体等领域，“九·五”、“十·五”国家重大科技攻关等项目中曾多次立项研发，并已小批量生产。但目前国内市场的95%以上仍为国际上2-3家公司占据，建议在实施产业化中，进一步提升高效阴阳离子抑制器、泵、阀和检测器的技术水平，以及拓宽应用于氨基酸直接分析测试等应用功能。3质谱类仪器（MS）由于能准确地定性、定量分析和结构鉴定，应用范围极其广泛，上至太空探测、下到地矿和环保监测，从人们密切关注的食品安全和药物检测、到当今生物技术的尖端蛋白组学，MS的应用范围可说涵盖了农、工、商、医、国防、反恐等众多领域和学科，所以国外一直快速发展，年销售额达数十亿美元。但是正如我国质谱界的许多专家、学者所说的，“始于80年代我国质谱仪的研发基本上处于真空状况”，“质谱仪制造业基本上已全军覆灭”。实际上由于各领域、行业、学科的急需，据海关资料，2002年进口352台质谱仪，进口量还在上升，每台进口价为10~80万美元，即每年付出外汇约达7000万美元，折合人民币6亿多元。为此众多专家、学者强烈呼吁，并提出建议：选择当前急需的量大面广、技术成熟、面向食品安全、医药检测、生物和健康相关的质谱仪产品（如台式GC/MS、LC/MS等）为起步和突破口，重新扶植我国质谱仪产业。该建议已为国家科技部采纳，已列入国家“十·五”重大科技攻关。74电化学仪器以实际需求和市场为导向，电化学仪器已归纳为二大类。（1）工农业生产和科教常用的酸度计、离子计、电导仪、滴定仪等。（2）以新型电化学传感器为基础的环保检测仪（BOD、COD、OD）、以及以新型选择性电极为基础的土肥、食品卫生、医疗等专用电化学仪器。第一类仪器的主要技术性能和指标与国外产品相当，而价格约低30~40%，国内市场占有率已达60%，主要技术差距：（1）传感器的稳定性、响应时间，仪器的可靠性尚不如国外；（2）国外产品普及采用专用芯片电路、贴膜元器件，仪器更趋微型化、智能化、更具多功能等特点；第二类仪器、国内近几年才研发成功、急待产业化。建仪：（1）大幅度提升量大面广的酸度计、离子计、电导仪、电位自动滴定仪等传统电化学仪器水平，与国外名厂家抗衡，（2）以近几年研发成功、具有自主知识产权的各种新型电化学传感器为基础，开拓出工农业生产和环保水质监测中广泛应用的新型化学需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、溶氧量（DO）检测仪和具有独创性的毛细管电泳/电化学发光仪（CE/ECL）。5生化仪器用于研究生物体所特有的生物化学反应和特征，广泛应用于生物学科、医疗、防疫检疫、农业、畜牧兽医等，同时又是生物技术（生物工程）中的初始设备，国外早已形成巨大产业，我国起步很晚、企业小而少，国家重大科技攻关等项目中完成了离心机、生化仪等研发，起到一定的带动作用，鉴于生化仪、离心机、超低温冰箱、酶标仪和电泳仪应用面广、量大，建议选择这五种仪器实施产业化，并着力提高技术水平和产业化规模。85.1全自动生化分析仪是各级医院必不可少的临