基于專利分析的科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

梁玲玲 孫立桐 武思宏 吳愛華

（1.科技部科技評估中心，北京 100081；2.中國儀器儀表學(xué)會分析儀器分會，北京 100085）

1 前言

科學(xué)儀器是指對事物組成、結(jié)構(gòu)相互作用機理與機制、變化規(guī)律趨勢等進行檢測表征獲得相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)、圖像等信息并用來指導(dǎo)科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的工具，是科技創(chuàng)新、經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展的先導(dǎo)和條件保障。近年來，在國家一系列政策舉措支持下，我國科學(xué)儀器的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸走出低谷，研發(fā)出一批性能先進、質(zhì)量穩(wěn)定、具有市場競爭力的科學(xué)儀器設(shè)備以及關(guān)鍵部件，在支撐科技創(chuàng)新、支持國家重點工程等方面發(fā)揮了積極作用。然而，我國依然是科學(xué)儀器進口大國，以分析儀器為例，在高校院所采購科學(xué)儀器種類中，進口比例高達(dá)86.2%。因此，高端科學(xué)儀器“ 國產(chǎn)化 ”仍然是我們面臨的重大挑戰(zhàn)。

開展科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究有利于了解相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)、技術(shù)熱點、競爭對手等，為行業(yè)、企業(yè)及科研人員提供技術(shù)參考，進一步促進構(gòu)建科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)。國內(nèi)學(xué)者聚焦科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展開展了相關(guān)研究，部分學(xué)者從宏觀層面提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路，如李天柱[1]等通過分析科學(xué)儀器的創(chuàng)新特性提出要鼓勵首創(chuàng)、產(chǎn)業(yè)與商業(yè)接力創(chuàng)新等；部分學(xué)者從區(qū)域角度開展研究，如陳茂清[2]等通過對粵港澳大灣區(qū)儀器產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)分析，提出區(qū)域優(yōu)勢、不足及相關(guān)對策；部分學(xué)者從專利角度開展科學(xué)儀器細(xì)分領(lǐng)域態(tài)勢分析，如張樹良[3]等聚焦于地球物理儀器開展專利分析，王云飛[4]等主要分析海洋環(huán)境監(jiān)測儀器專利競爭態(tài)勢。

文獻(xiàn)研究表明，國內(nèi)學(xué)者未廣泛開展科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究，且缺乏從專利角度開展科學(xué)儀器全領(lǐng)域的針對性分析。為此，本文通過從發(fā)展趨勢、技術(shù)熱點、國內(nèi)重點地市和申請人等維度開展領(lǐng)域?qū)＠治?，以期形成科學(xué)的技術(shù)情報信息，為指導(dǎo)我國科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要依據(jù)和參考。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

為更好描述科學(xué)儀器行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新程度，分析行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)領(lǐng)域，本文將從專利角度進行分析。專利數(shù)據(jù)庫選用incoPat專利數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫收錄了全球157個國家、組織、地區(qū)的1億余件專利信息。

本文除對不同國家、地區(qū)和組織公布的科學(xué)儀器發(fā)明專利進行發(fā)展趨勢分析和技術(shù)熱點分析外，同時對世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）的PCT專利進行重點分析，在國際專利范圍內(nèi)分析科學(xué)儀器行業(yè)創(chuàng)新程度情況。

本文專利檢索范圍主要包含申請、公開及授權(quán)的發(fā)明專利。專利檢索采用國際通用IPC分類，篩選科學(xué)儀器領(lǐng)域分類號，其中主要以G部為主，也包含A、B、C、H部相關(guān)分類號。同時，在incoPat專利數(shù)據(jù)庫檢索典型科學(xué)儀器企業(yè)（包括：伯樂、布魯克、HORIBA、Illumina、珀金埃爾默、沃特世、安捷倫、丹納赫、島津、帝肯、卡爾蔡司、凱杰、羅氏診斷、日本電子、賽默飛、杭州譜育等）專利，對篩選的分類號進行核驗，去除非儀器、非儀器部件器件、非檢測方法及裝置等專利IPC小組分類號，最終形成總計448項科學(xué)儀器IPC分類號（具體到小組），因篇幅關(guān)系，本文節(jié)選部分相關(guān)分類號含義示例，見表1。

表1 科學(xué)儀器領(lǐng)域相關(guān)IPC分類號（具體到小組）示例

3 科學(xué)儀器領(lǐng)域?qū)＠治?/h2>

3.1 發(fā)展趨勢分析

通過對比2003～2021年期間科學(xué)儀器發(fā)明專利公開數(shù)量位居前10位的國家和地區(qū)，可以看到我國科學(xué)儀器發(fā)明專利公開數(shù)量逐年上升，在2011年超越日本和美國成為科學(xué)儀器發(fā)明專利年公開數(shù)量最多的國家，見圖1。不僅如此，在發(fā)明專利總數(shù)量上，中國以857011件排在榜首，其次分別是美國和日本，專利總數(shù)量分別是579648件、468507件，見表2。

圖1 TOP 10國家或組織的科學(xué)儀器發(fā)明專利公開數(shù)量趨勢（2003～2021年）

表2 2003～2021年排名前10的發(fā)明專利公開國家、地區(qū)和組織

在PCT國際專利范圍內(nèi)，2005～2021年期間美國不管是在科學(xué)儀器發(fā)明專利年申請數(shù)量和總量均據(jù)榜首。日本和中國呈上升趨勢，我國年增長率高于日本。從2015年開始，中國科學(xué)儀器發(fā)明專利年申請數(shù)量超過德國，2021年超過日本，列位第二。但我國專利申請數(shù)量基數(shù)較低，總申請數(shù)量低于日本排在第三位，見圖2。

圖2 TOP 10國家科學(xué)儀器PCT申請數(shù)量趨勢（2005～2021年）

從圖3中各國PCT申請數(shù)量占比來看，美國和日本仍是申請大國，兩國總申請數(shù)量占總數(shù)量的62.7%，其中，美國占比38.0%，日本占比24.7%。而我國占比僅約11.4%，可見，PCT專利申請作為各國重要戰(zhàn)略資源和競爭熱點，我國還存在明顯差距，這也可能構(gòu)成高端科學(xué)儀器依賴進口的重要影響因素，因此我國在高價值專利或在海外專利布局方面應(yīng)持續(xù)加強。

圖3 TOP10國家科學(xué)儀器PCT申請數(shù)量占比（2005-2021年）

3.2 技術(shù)熱點分析

通過對不同國家、地區(qū)和組織2003～2021年公開的科學(xué)儀器發(fā)明專利進行統(tǒng)計分析，繪制2003～2021年科學(xué)儀器發(fā)明專利的技術(shù)構(gòu)成情況（圖4）和TOP20 IPC分類（小組）專利申請趨勢（圖5），可知專利數(shù)量排名前三的IPC分類為G01N21/64（熒光、磷光）、A61B6/00（用于放射診斷的儀器）、A61B1/00（用目視或照相檢查人體的腔或管的儀器），分別為91159件、87627件和84351件，且這3類是年公開數(shù)量常年保持高位的發(fā)明專利，預(yù)計與其相關(guān)的科學(xué)儀器技術(shù)和產(chǎn)品將保持蓬勃發(fā)展。

圖4 2003～2021年科學(xué)儀器發(fā)明專利的技術(shù)構(gòu)成情況

圖5 TOP20 IPC分類（小組）專利申請趨勢圖

為了更清晰的分析這3類IPC小組分類發(fā)明專利主要應(yīng)用領(lǐng)域，采用incoPat的聚類主題及沙盤項目分析軟件，去除失效專利及外觀專利，以被引證次數(shù)降序選取前10000篇專利分析。分析如下：

G01N21/64，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括熒光圖像/圖像/成像系統(tǒng)、熒光傳感器、激勵光/熒光測量/檢測器、光學(xué)系統(tǒng)/激發(fā)光/激發(fā)光束、熒光信號/細(xì)胞、微流體/微粒體通道/毛細(xì)管、試劑盒/PCR/熒光定量、納米顆粒/納米粒子/光致發(fā)光等，見圖6。

圖6 G01N21/64專利主要應(yīng)用領(lǐng)域

A61B6/00，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：輻射檢測器、輻射成像/輻射檢測/輻射、射線檢測器、投影數(shù)據(jù)/計算機斷層攝影/投影圖像、相位光柵/閃爍體/相襯成像等，見圖7。

圖7 A61B6/00專利主要應(yīng)用領(lǐng)域

A61B1/00，主要應(yīng)用領(lǐng)域為圖像傳感器/成像元件/成像、熒光圖像/激發(fā)光/波長帶、工作通道/內(nèi)窺鏡器械/近端、圖像/圖像信號/圖像數(shù)據(jù)、膠囊內(nèi)窺鏡/膠囊型/引導(dǎo)系統(tǒng)等，見圖8。

圖8 A61B1/00專利主要應(yīng)用領(lǐng)域

在PCT國際專利方面，根據(jù)世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）分類，科學(xué)儀器類專利可細(xì)分為光學(xué)、測量、生物材料分析、控制、醫(yī)學(xué)檢驗五類。各國每小類中專利數(shù)量與相對應(yīng)小類總數(shù)量的占比，可在一定程度上體現(xiàn)，各國在PCT專利分布進而評估該國在該領(lǐng)域的技術(shù)實力。

美國除光學(xué)小類占比低于日本外，其他四類均處于第一的位置，最具技術(shù)實力的是醫(yī)學(xué)檢驗領(lǐng)域，生物材料分析次之，測量排在第三；日本PCT申請主要集中在光學(xué)、測量和控制小類；我國主要集中在光學(xué)和控制小類，在測量、醫(yī)學(xué)檢驗方面占比低于德國,在生物材料分析領(lǐng)域占比低于德國、韓國、法國和英國，是我國需要重點發(fā)力的領(lǐng)域，具體情況見表3。

表3 各國優(yōu)勢領(lǐng)域PCT申請占比情況（2005～2021年）

3.3 國內(nèi)行業(yè)發(fā)展情況

3.3.1 各省專利情況

2003～2021年期間，我國科學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)明專利申請總量為857911件。其中江蘇、北京、廣東專利申請數(shù)量排在前三名，分別是97486件、89020件和75494件，見表4。

表4 我國科學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)明專利省市分布（2003～2021年）

可以得出，江蘇、北京和廣東是科學(xué)儀器創(chuàng)新最活躍的地市，這也得益于各地對科學(xué)儀器行業(yè)的政策支持及營商環(huán)境的構(gòu)建。如江蘇省發(fā)布了《關(guān)于深入推進計量工作的意見》，提出要培育壯大儀器儀表產(chǎn)業(yè),引導(dǎo)儀器儀表企業(yè)集聚發(fā)展。北京市出臺了《關(guān)于支持發(fā)展高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)的若干政策措施》，以北京懷柔綜合性國家科學(xué)中心建設(shè)為契機，著力推動高端儀器裝備和傳感器產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。廣東省發(fā)布了《關(guān)于培育發(fā)展戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群的意見》，提出建立10個戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群和10個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群的意見，精密儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群定位為10個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群之一。同時，江蘇無錫量子感知產(chǎn)業(yè)園、北京懷柔科學(xué)城、廣東中山西灣國家重大儀器科學(xué)園等科學(xué)儀器園區(qū)逐漸建立并投入使用，將為科學(xué)儀器企業(yè)聚集和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

3.3.2 高校院所專利情況及應(yīng)用領(lǐng)域

通過檢索統(tǒng)計，2003～2021年期間我國科學(xué)儀器領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶?0位的申請人分別是，浙江大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、中國石油化工股份有限公司、奧林巴斯株式會社、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)，詳見圖9。其中，高校占8位，可以看出，目前，高校院所仍然是我國科學(xué)儀器開發(fā)最主要的支撐力量。

圖9 我國科學(xué)儀器發(fā)明專利TOP10 申請人情況

對排名前10位申請人中的高校申請人的發(fā)明專利，采用incoPat的聚類主題及沙盤項目分析軟件，去除失效專利，以公開日降序選取前10000篇專利分析，可得出各高校專利應(yīng)用領(lǐng)域，如浙江大學(xué)聚焦于拉曼光譜、熒光定量、PCR等領(lǐng)域，清華大學(xué)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括DNA測定、微流控芯片、離子遷移管等，天津大學(xué)在激光器等方面存在優(yōu)勢，具體詳見表5。

表5 各主要高校專利應(yīng)用領(lǐng)域

4 結(jié)論和建議

4.1 國產(chǎn)科學(xué)儀器與國外仍存在差距，應(yīng)積極探索更多國產(chǎn)儀器實現(xiàn)進口替代

我國在科學(xué)儀器領(lǐng)域有豐富的技術(shù)儲備，但在高端領(lǐng)域與美國、日本等國還存在差距，導(dǎo)致實驗室關(guān)鍵設(shè)備、高端科學(xué)儀器國產(chǎn)化率尚低。然而，近年來，國家出臺一系列政策支持國產(chǎn)科學(xué)儀器發(fā)展，要求在有供給的情況下，優(yōu)先采購國產(chǎn)儀器，國內(nèi)市場也在生物制藥、第三方檢測、環(huán)保等應(yīng)用需求拉動下保持增長態(tài)勢，在雙重利好推動下，國產(chǎn)科學(xué)儀器應(yīng)積極對標(biāo)國際水平，探索更多的國產(chǎn)化產(chǎn)品實現(xiàn)進口替代，并逐步提升全球市場占有率。

4.2 科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域呈差異化發(fā)展，建立完整的產(chǎn)品組合將利于保持長期競爭力

科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域眾多，美國、日本和我國分別在醫(yī)學(xué)檢驗、光學(xué)、控制等領(lǐng)域各具優(yōu)勢，受全球生物制藥領(lǐng)域持續(xù)繁榮等因素影響，全球光譜儀器、生命科學(xué)儀器等領(lǐng)域保持較高增長。然而，單細(xì)分領(lǐng)域市場規(guī)模有限，用戶通常需要多種產(chǎn)品組合使用以滿足應(yīng)用需求，海外科學(xué)儀器企業(yè)賽默飛、丹納赫、安捷倫等均不斷通過收并購及再研發(fā)進行產(chǎn)業(yè)布局，如賽默飛曾在2011～2017年期間依次拓展了分析儀器、生命科學(xué)、表面科學(xué)、CXO等細(xì)分領(lǐng)域。因此，國內(nèi)企業(yè)除關(guān)注未來保持增長的熱點技術(shù)領(lǐng)域外，可逐步建立較完整的產(chǎn)品組合和行業(yè)部署，從而形成長期競爭力。

4.3 部分省市科學(xué)儀器創(chuàng)新活躍，集聚式發(fā)展仍是科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑

國內(nèi)多省市如江蘇、北京和廣東等地科學(xué)儀器創(chuàng)新活躍，得益于各地逐漸加大對科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的政策支持，搭建產(chǎn)業(yè)園區(qū)，為科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造了良好的創(chuàng)新生態(tài)。科學(xué)儀器具有技術(shù)密集、產(chǎn)業(yè)鏈高度關(guān)聯(lián)的特征，通過專業(yè)化園區(qū)等方式實現(xiàn)集聚式發(fā)展是科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要途徑，同時又能吸引上下游優(yōu)質(zhì)企業(yè)集聚協(xié)同發(fā)展，全面提升地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量。通過出臺科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)專項支持政策，提供儀器設(shè)備研發(fā)、中試熟化、轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、法律、知識產(chǎn)權(quán)、人才等“ 一站式 ”成果轉(zhuǎn)化全鏈條專業(yè)化服務(wù)，有利于為科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)建良好的政策和營商環(huán)境。

4.4 高校院所是我國科學(xué)儀器創(chuàng)新源頭，要加快構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的科學(xué)儀器創(chuàng)新體系

科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋整機系統(tǒng)集成、核心技術(shù)和部件開發(fā)、工程化和可靠性開發(fā)等多方面，涉及硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)等多維度。目前，高校院所仍然是我國科學(xué)儀器開發(fā)最主要的支撐力量，浙江大學(xué)、清華大學(xué)等高校均形成了各自的優(yōu)勢學(xué)科和領(lǐng)域，而企業(yè)對市場、產(chǎn)業(yè)化、營銷等更為熟悉，了解需求、拓展應(yīng)用則更多地需要重要用戶參與。因此，加快構(gòu)建以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的科學(xué)儀器技術(shù)創(chuàng)新體系，是我國現(xiàn)階段發(fā)展科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的主要路徑。