基于专利分析的科学仪器产业发展研究

梁玲玲 孙立桐 武思宏 吴爱华

（1.科技部科技评估中心，北京 100081；2.中国仪器仪表学会分析仪器分会，北京 100085）

1 前言

科学仪器是指对事物组成、结构相互作用机理与机制、变化规律趋势等进行检测表征获得相关科学数据、图像等信息并用来指导科学研究和生产实践的工具，是科技创新、经济发展和社会发展的先导和条件保障。近年来，在国家一系列政策举措支持下，我国科学仪器的研究开发和产业发展逐渐走出低谷，研发出一批性能先进、质量稳定、具有市场竞争力的科学仪器设备以及关键部件，在支撑科技创新、支持国家重点工程等方面发挥了积极作用。然而，我国依然是科学仪器进口大国，以分析仪器为例，在高校院所采购科学仪器种类中，进口比例高达86.2%。因此，高端科学仪器“ 国产化 ”仍然是我们面临的重大挑战。

开展科学仪器产业发展研究有利于了解相关技术的发展动态、技术热点、竞争对手等，为行业、企业及科研人员提供技术参考，进一步促进构建科学仪器产业创新生态。国内学者聚焦科学仪器产业发展开展了相关研究，部分学者从宏观层面提出产业发展思路，如李天柱[1]等通过分析科学仪器的创新特性提出要鼓励首创、产业与商业接力创新等；部分学者从区域角度开展研究，如陈茂清[2]等通过对粤港澳大湾区仪器产业数据分析，提出区域优势、不足及相关对策；部分学者从专利角度开展科学仪器细分领域态势分析，如张树良[3]等聚焦于地球物理仪器开展专利分析，王云飞[4]等主要分析海洋环境监测仪器专利竞争态势。

文献研究表明，国内学者未广泛开展科学仪器产业发展研究，且缺乏从专利角度开展科学仪器全领域的针对性分析。为此，本文通过从发展趋势、技术热点、国内重点地市和申请人等维度开展领域专利分析，以期形成科学的技术情报信息，为指导我国科学仪器产业发展提供重要依据和参考。

2 数据来源和方法

为更好描述科学仪器行业技术创新程度，分析行业发展前沿技术领域，本文将从专利角度进行分析。专利数据库选用incoPat专利数据库，该数据库收录了全球157个国家、组织、地区的1亿余件专利信息。

本文除对不同国家、地区和组织公布的科学仪器发明专利进行发展趋势分析和技术热点分析外，同时对世界知识产权组织（WIPO）的PCT专利进行重点分析，在国际专利范围内分析科学仪器行业创新程度情况。

本文专利检索范围主要包含申请、公开及授权的发明专利。专利检索采用国际通用IPC分类，筛选科学仪器领域分类号，其中主要以G部为主，也包含A、B、C、H部相关分类号。同时，在incoPat专利数据库检索典型科学仪器企业（包括：伯乐、布鲁克、HORIBA、Illumina、珀金埃尔默、沃特世、安捷伦、丹纳赫、岛津、帝肯、卡尔蔡司、凯杰、罗氏诊断、日本电子、赛默飞、杭州谱育等）专利，对筛选的分类号进行核验，去除非仪器、非仪器部件器件、非检测方法及装置等专利IPC小组分类号，最终形成总计448项科学仪器IPC分类号（具体到小组），因篇幅关系，本文节选部分相关分类号含义示例，见表1。

表1 科学仪器领域相关IPC分类号（具体到小组）示例

3 科学仪器领域专利分析

3.1 发展趋势分析

通过对比2003～2021年期间科学仪器发明专利公开数量位居前10位的国家和地区，可以看到我国科学仪器发明专利公开数量逐年上升，在2011年超越日本和美国成为科学仪器发明专利年公开数量最多的国家，见图1。不仅如此，在发明专利总数量上，中国以857011件排在榜首，其次分别是美国和日本，专利总数量分别是579648件、468507件，见表2。

图1 TOP 10国家或组织的科学仪器发明专利公开数量趋势（2003～2021年）

表2 2003～2021年排名前10的发明专利公开国家、地区和组织

在PCT国际专利范围内，2005～2021年期间美国不管是在科学仪器发明专利年申请数量和总量均据榜首。日本和中国呈上升趋势，我国年增长率高于日本。从2015年开始，中国科学仪器发明专利年申请数量超过德国，2021年超过日本，列位第二。但我国专利申请数量基数较低，总申请数量低于日本排在第三位，见图2。

图2 TOP 10国家科学仪器PCT申请数量趋势（2005～2021年）

从图3中各国PCT申请数量占比来看，美国和日本仍是申请大国，两国总申请数量占总数量的62.7%，其中，美国占比38.0%，日本占比24.7%。而我国占比仅约11.4%，可见，PCT专利申请作为各国重要战略资源和竞争热点，我国还存在明显差距，这也可能构成高端科学仪器依赖进口的重要影响因素，因此我国在高价值专利或在海外专利布局方面应持续加强。

图3 TOP10国家科学仪器PCT申请数量占比（2005-2021年）

3.2 技术热点分析

通过对不同国家、地区和组织2003～2021年公开的科学仪器发明专利进行统计分析，绘制2003～2021年科学仪器发明专利的技术构成情况（图4）和TOP20 IPC分类（小组）专利申请趋势（图5），可知专利数量排名前三的IPC分类为G01N21/64（荧光、磷光）、A61B6/00（用于放射诊断的仪器）、A61B1/00（用目视或照相检查人体的腔或管的仪器），分别为91159件、87627件和84351件，且这3类是年公开数量常年保持高位的发明专利，预计与其相关的科学仪器技术和产品将保持蓬勃发展。

图4 2003～2021年科学仪器发明专利的技术构成情况

图5 TOP20 IPC分类（小组）专利申请趋势图

为了更清晰的分析这3类IPC小组分类发明专利主要应用领域，采用incoPat的聚类主题及沙盘项目分析软件，去除失效专利及外观专利，以被引证次数降序选取前10000篇专利分析。分析如下：

G01N21/64，主要应用领域包括荧光图像/图像/成像系统、荧光传感器、激励光/荧光测量/检测器、光学系统/激发光/激发光束、荧光信号/细胞、微流体/微粒体通道/毛细管、试剂盒/PCR/荧光定量、纳米颗粒/纳米粒子/光致发光等，见图6。

图6 G01N21/64专利主要应用领域

A61B6/00，主要应用领域包括：辐射检测器、辐射成像/辐射检测/辐射、射线检测器、投影数据/计算机断层摄影/投影图像、相位光栅/闪烁体/相衬成像等，见图7。

图7 A61B6/00专利主要应用领域

A61B1/00，主要应用领域为图像传感器/成像元件/成像、荧光图像/激发光/波长带、工作通道/内窥镜器械/近端、图像/图像信号/图像数据、胶囊内窥镜/胶囊型/引导系统等，见图8。

图8 A61B1/00专利主要应用领域

在PCT国际专利方面，根据世界知识产权组织（WIPO）分类，科学仪器类专利可细分为光学、测量、生物材料分析、控制、医学检验五类。各国每小类中专利数量与相对应小类总数量的占比，可在一定程度上体现，各国在PCT专利分布进而评估该国在该领域的技术实力。

美国除光学小类占比低于日本外，其他四类均处于第一的位置，最具技术实力的是医学检验领域，生物材料分析次之，测量排在第三；日本PCT申请主要集中在光学、测量和控制小类；我国主要集中在光学和控制小类，在测量、医学检验方面占比低于德国,在生物材料分析领域占比低于德国、韩国、法国和英国，是我国需要重点发力的领域，具体情况见表3。

表3 各国优势领域PCT申请占比情况（2005～2021年）

3.3 国内行业发展情况

3.3.1 各省专利情况

2003～2021年期间，我国科学仪器领域发明专利申请总量为857911件。其中江苏、北京、广东专利申请数量排在前三名，分别是97486件、89020件和75494件，见表4。

表4 我国科学仪器领域发明专利省市分布（2003～2021年）

可以得出，江苏、北京和广东是科学仪器创新最活跃的地市，这也得益于各地对科学仪器行业的政策支持及营商环境的构建。如江苏省发布了《关于深入推进计量工作的意见》，提出要培育壮大仪器仪表产业,引导仪器仪表企业集聚发展。北京市出台了《关于支持发展高端仪器装备和传感器产业的若干政策措施》，以北京怀柔综合性国家科学中心建设为契机，着力推动高端仪器装备和传感器产业创新发展。广东省发布了《关于培育发展战略性支柱产业集群和战略性新兴产业集群的意见》，提出建立10个战略性支柱产业集群和10个战略性新兴产业集群的意见，精密仪器设备产业集群定位为10个战略性新兴产业集群之一。同时，江苏无锡量子感知产业园、北京怀柔科学城、广东中山西湾国家重大仪器科学园等科学仪器园区逐渐建立并投入使用，将为科学仪器企业聚集和产业发展发挥重要作用。

3.3.2 高校院所专利情况及应用领域

通过检索统计，2003～2021年期间我国科学仪器领域专利申请量排名前10位的申请人分别是，浙江大学、清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东南大学、中国石油化工股份有限公司、奥林巴斯株式会社、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学，详见图9。其中，高校占8位，可以看出，目前，高校院所仍然是我国科学仪器开发最主要的支撑力量。

图9 我国科学仪器发明专利TOP10 申请人情况

对排名前10位申请人中的高校申请人的发明专利，采用incoPat的聚类主题及沙盘项目分析软件，去除失效专利，以公开日降序选取前10000篇专利分析，可得出各高校专利应用领域，如浙江大学聚焦于拉曼光谱、荧光定量、PCR等领域，清华大学主要应用领域包括DNA测定、微流控芯片、离子迁移管等，天津大学在激光器等方面存在优势，具体详见表5。

表5 各主要高校专利应用领域

4 结论和建议

4.1 国产科学仪器与国外仍存在差距，应积极探索更多国产仪器实现进口替代

我国在科学仪器领域有丰富的技术储备，但在高端领域与美国、日本等国还存在差距，导致实验室关键设备、高端科学仪器国产化率尚低。然而，近年来，国家出台一系列政策支持国产科学仪器发展，要求在有供给的情况下，优先采购国产仪器，国内市场也在生物制药、第三方检测、环保等应用需求拉动下保持增长态势，在双重利好推动下，国产科学仪器应积极对标国际水平，探索更多的国产化产品实现进口替代，并逐步提升全球市场占有率。

4.2 科学仪器产业细分领域呈差异化发展，建立完整的产品组合将利于保持长期竞争力

科学仪器产业细分领域众多，美国、日本和我国分别在医学检验、光学、控制等领域各具优势，受全球生物制药领域持续繁荣等因素影响，全球光谱仪器、生命科学仪器等领域保持较高增长。然而，单细分领域市场规模有限，用户通常需要多种产品组合使用以满足应用需求，海外科学仪器企业赛默飞、丹纳赫、安捷伦等均不断通过收并购及再研发进行产业布局，如赛默飞曾在2011～2017年期间依次拓展了分析仪器、生命科学、表面科学、CXO等细分领域。因此，国内企业除关注未来保持增长的热点技术领域外，可逐步建立较完整的产品组合和行业部署，从而形成长期竞争力。

4.3 部分省市科学仪器创新活跃，集聚式发展仍是科学仪器产业发展的重要途径

国内多省市如江苏、北京和广东等地科学仪器创新活跃，得益于各地逐渐加大对科学仪器产业的政策支持，搭建产业园区，为科学仪器产业发展营造了良好的创新生态。科学仪器具有技术密集、产业链高度关联的特征，通过专业化园区等方式实现集聚式发展是科学仪器产业发展的重要途径，同时又能吸引上下游优质企业集聚协同发展，全面提升地区的经济发展质量。通过出台科学仪器产业专项支持政策，提供仪器设备研发、中试熟化、转移转化、法律、知识产权、人才等“ 一站式 ”成果转化全链条专业化服务，有利于为科学仪器产业发展创建良好的政策和营商环境。

4.4 高校院所是我国科学仪器创新源头，要加快构建产学研用结合的科学仪器创新体系

科学仪器设备开发是复杂的系统工程，涵盖整机系统集成、核心技术和部件开发、工程化和可靠性开发等多方面，涉及硬件开发、软件开发、产品开发、应用开发等多维度。目前，高校院所仍然是我国科学仪器开发最主要的支撑力量，浙江大学、清华大学等高校均形成了各自的优势学科和领域，而企业对市场、产业化、营销等更为熟悉，了解需求、拓展应用则更多地需要重要用户参与。因此，加快构建以企业为主体，产学研用相结合的科学仪器技术创新体系，是我国现阶段发展科学仪器产业的主要路径。