基于專利分析的科學儀器產業發展研究

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.中國儀器儀表學會分析儀器分會，北京 100085）

1 前言

科學儀器是指對事物組成、結構相互作用機理與機制、變化規律趨勢等進行檢測表征獲得相關科學數據、圖像等信息并用來指導科學研究和生產實踐的工具，是科技創新、經濟發展和社會發展的先導和條件保障。近年來，在國家一系列政策舉措支持下，我國科學儀器的研究開發和產業發展逐漸走出低谷，研發出一批性能先進、質量穩定、具有市場競爭力的科學儀器設備以及關鍵部件，在支撐科技創新、支持國家重點工程等方面發揮了積極作用。然而，我國依然是科學儀器進口大國，以分析儀器為例，在高校院所采購科學儀器種類中，進口比例高達86.2%。因此，高端科學儀器“ 國產化 ”仍然是我們面臨的重大挑戰。

開展科學儀器產業發展研究有利于了解相關技術的發展動態、技術熱點、競爭對手等，為行業、企業及科研人員提供技術參考，進一步促進構建科學儀器產業創新生態。國內學者聚焦科學儀器產業發展開展了相關研究，部分學者從宏觀層面提出產業發展思路，如李天柱[1]等通過分析科學儀器的創新特性提出要鼓勵首創、產業與商業接力創新等；部分學者從區域角度開展研究，如陳茂清[2]等通過對粵港澳大灣區儀器產業數據分析，提出區域優勢、不足及相關對策；部分學者從專利角度開展科學儀器細分領域態勢分析，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]等主要分析海洋環境監測儀器專利競爭態勢。

文獻研究表明，國內學者未廣泛開展科學儀器產業發展研究，且缺乏從專利角度開展科學儀器全領域的針對性分析。為此，本文通過從發展趨勢、技術熱點、國內重點地市和申請人等維度開展領域專利分析，以期形成科學的技術情報信息，為指導我國科學儀器產業發展提供重要依據和參考。

2 數據來源和方法

為更好描述科學儀器行業技術創新程度，分析行業發展前沿技術領域，本文將從專利角度進行分析。專利數據庫選用incoPat專利數據庫，該數據庫收錄了全球157個國家、組織、地區的1億余件專利信息。

本文除對不同國家、地區和組織公布的科學儀器發明專利進行發展趨勢分析和技術熱點分析外，同時對世界知識產權組織（WIPO）的PCT專利進行重點分析，在國際專利范圍內分析科學儀器行業創新程度情況。

本文專利檢索范圍主要包含申請、公開及授權的發明專利。專利檢索采用國際通用IPC分類，篩選科學儀器領域分類號，其中主要以G部為主，也包含A、B、C、H部相關分類號。同時，在incoPat專利數據庫檢索典型科學儀器企業（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項科學儀器IPC分類號（具體到小組），因篇幅關系，本文節選部分相關分類號含義示例，見表1。

表1 科學儀器領域相關IPC分類號（具體到小組）示例

3 科學儀器領域專利分析

3.1 發展趨勢分析

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

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

表2 2003～2021年排名前10的發明專利公開國家、地區和組織

在PCT國際專利范圍內，2005～2021年期間美國不管是在科學儀器發明專利年申請數量和總量均據榜首。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，中國科學儀器發明專利年申請數量超過德國，2021年超過日本，列位第二。但我國專利申請數量基數較低，總申請數量低于日本排在第三位，見圖2。

圖2 TOP 10國家科學儀器PCT申請數量趨勢（2005～2021年）

從圖3中各國PCT申請數量占比來看，美國和日本仍是申請大國，兩國總申請數量占總數量的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略資源和競爭熱點，我國還存在明顯差距，這也可能構成高端科學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持續加強。

圖3 TOP10國家科學儀器PCT申請數量占比（2005-2021年）

3.2 技術熱點分析

通過對不同國家、地區和組織2003～2021年公開的科學儀器發明專利進行統計分析，繪制2003～2021年科學儀器發明專利的技術構成情況（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類是年公開數量常年保持高位的發明專利，預計與其相關的科學儀器技術和產品將保持蓬勃發展。

圖4 2003～2021年科學儀器發明專利的技術構成情況

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小組分類發明專利主要應用領域，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，以被引證次數降序選取前10000篇專利分析。分析如下：

G01N21/64，主要應用領域包括熒光圖像/圖像/成像系統、熒光傳感器、激勵光/熒光測量/檢測器、光學系統/激發光/激發光束、熒光信號/細胞、微流體/微粒體通道/毛細管、試劑盒/PCR/熒光定量、納米顆粒/納米粒子/光致發光等，見圖6。

圖6 G01N21/64專利主要應用領域

A61B6/00，主要應用領域包括：輻射檢測器、輻射成像/輻射檢測/輻射、射線檢測器、投影數據/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專利主要應用領域

A61B1/00，主要應用領域為圖像傳感器/成像元件/成像、熒光圖像/激發光/波長帶、工作通道/內窺鏡器械/近端、圖像/圖像信號/圖像數據、膠囊內窺鏡/膠囊型/引導系統等，見圖8。

圖8 A61B1/00專利主要應用領域

在PCT國際專利方面，根據世界知識產權組織（WIPO）分類，科學儀器類專利可細分為光學、測量、生物材料分析、控制、醫學檢驗五類。各國每小類中專利數量與相對應小類總數量的占比，可在一定程度上體現，各國在PCT專利分布進而評估該國在該領域的技術實力。

美國除光學小類占比低于日本外，其他四類均處于第一的位置，最具技術實力的是醫學檢驗領域，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、測量和控制小類；我國主要集中在光學和控制小類，在測量、醫學檢驗方面占比低于德國,在生物材料分析領域占比低于德國、韓國、法國和英國，是我國需要重點發力的領域，具體情況見表3。

表3 各國優勢領域PCT申請占比情況（2005～2021年）

3.3 國內行業發展情況

3.3.1 各省專利情況

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

表4 我國科學儀器領域發明專利省市分布（2003～2021年）

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

3.3.2 高校院所專利情況及應用領域

通過檢索統計，2003～2021年期間我國科學儀器領域專利申請量排名前10位的申請人分別是，浙江大學、清華大學、天津大學、哈爾濱工業大學、東南大學、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、西安交通大學、華中科技大學，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儀器開發最主要的支撐力量。

圖9 我國科學儀器發明專利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用領域，如浙江大學聚焦于拉曼光譜、熒光定量、PCR等領域，清華大學主要應用領域包括DNA測定、微流控芯片、離子遷移管等，天津大學在激光器等方面存在優勢，具體詳見表5。

表5 各主要高校專利應用領域

4 結論和建議

4.1 國產科學儀器與國外仍存在差距，應積極探索更多國產儀器實現進口替代

我國在科學儀器領域有豐富的技術儲備，但在高端領域與美國、日本等國還存在差距，導致實驗室關鍵設備、高端科學儀器國產化率尚低。然而，近年來，國家出臺一系列政策支持國產科學儀器發展，要求在有供給的情況下，優先采購國產儀器，國內市場也在生物制藥、第三方檢測、環保等應用需求拉動下保持增長態勢，在雙重利好推動下，國產科學儀器應積極對標國際水平，探索更多的國產化產品實現進口替代，并逐步提升全球市場占有率。

4.2 科學儀器產業細分領域呈差異化發展，建立完整的產品組合將利于保持長期競爭力

科學儀器產業細分領域眾多，美國、日本和我國分別在醫學檢驗、光學、控制等領域各具優勢，受全球生物制藥領域持續繁榮等因素影響，全球光譜儀器、生命科學儀器等領域保持較高增長。然而，單細分領域市場規模有限，用戶通常需要多種產品組合使用以滿足應用需求，海外科學儀器企業賽默飛、丹納赫、安捷倫等均不斷通過收并購及再研發進行產業布局，如賽默飛曾在2011～2017年期間依次拓展了分析儀器、生命科學、表面科學、CXO等細分領域。因此，國內企業除關注未來保持增長的熱點技術領域外，可逐步建立較完整的產品組合和行業部署，從而形成長期競爭力。

4.3 部分省市科學儀器創新活躍，集聚式發展仍是科學儀器產業發展的重要途徑

國內多省市如江蘇、北京和廣東等地科學儀器創新活躍，得益于各地逐漸加大對科學儀器產業的政策支持，搭建產業園區，為科學儀器產業發展營造了良好的創新生態?？茖W儀器具有技術密集、產業鏈高度關聯的特征，通過專業化園區等方式實現集聚式發展是科學儀器產業發展的重要途徑，同時又能吸引上下游優質企業集聚協同發展，全面提升地區的經濟發展質量。通過出臺科學儀器產業專項支持政策，提供儀器設備研發、中試熟化、轉移轉化、法律、知識產權、人才等“ 一站式 ”成果轉化全鏈條專業化服務，有利于為科學儀器產業發展創建良好的政策和營商環境。

4.4 高校院所是我國科學儀器創新源頭，要加快構建產學研用結合的科學儀器創新體系

科學儀器設備開發是復雜的系統工程，涵蓋整機系統集成、核心技術和部件開發、工程化和可靠性開發等多方面，涉及硬件開發、軟件開發、產品開發、應用開發等多維度。目前，高校院所仍然是我國科學儀器開發最主要的支撐力量，浙江大學、清華大學等高校均形成了各自的優勢學科和領域，而企業對市場、產業化、營銷等更為熟悉，了解需求、拓展應用則更多地需要重要用戶參與。因此，加快構建以企業為主體，產學研用相結合的科學儀器技術創新體系，是我國現階段發展科學儀器產業的主要路徑。