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RevisedbyLiuJingonJanuary12,2021
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一、分析仪器概述
(一)分析仪器定义
分析仪器是用来测定物质的组成、结构和某些物理特性的仪器,包括定性分析、定量分析、结构分析和某些物理特性的分析。
不同物质在各种物理和化学性质上都存在质的和量的差异,颜色、气味、导热系数、吸收光能的波长和磁性的不同等,分析仪器正是利用这些特点来完成定性分析和结构分析的。
根据分析仪器在检测过程中所施加能量的形式,分析仪器可以分为光能式、热能式和电磁场式等,三种的主要产品分别为光谱仪、色谱仪和质谱仪。以下分别进行介绍。
(二)分析仪器主要种类介绍
1、光谱仪
光谱仪是利用棱镜、衍射光栅等分光器件,将成分复杂的复色光按频率分解成光谱的仪器,目前已广泛应用于空间、资源、能源、石化、冶金、材料、纺织、环保、食品、医药、卫生、生命科学等诸多领域。
光谱仪主要由三部分组成:光源(为整套仪器提供原始光辐射)、分光系统(将原始复合光分解为光谱,是光谱仪的核心元件,目前主要使用光栅)、探测及信号处理系统(探测、分析和解读分解后的光谱信号,得到检测物质的信息)。
市场上主流光谱仪产品可以分为三大类:(1)分子光谱仪,主要检测分子振动、转动、分子外层价电子跃迁等分子行为产生的光谱信号,据此可以确定分子的转动惯量、分子的键长和键强度以及分子离解能等许多性质,进推测分子的内部结构。包括红外/紫外/可见光分光光度计和分子荧光光谱仪;
(2)原子光谱仪,主要检测原子在能量变化时所发射或吸收的光谱信号,进而测得待检测物质中所含微量元素的种类。包括原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪和原子荧光光谱仪;(3)X射线荧光光谱仪,主要检测物质受X射线照射后产生的荧光光谱。
2、色谱仪
色谱法是一种物质分离方法,在色谱法中存在两相,分别为固定相和流动相。使用外力使含有混合物样品的流动相通过与其互不相溶的固定相表面,由于样品各组分与固定相的吸附系数不同,经过反复多次分配后,各组分会按一定次序由固定相中先后流出,再与适当的检测方法结合后,即实现了组分的分离与检测。
按照流动相的不同,色谱法可以分为气相色谱法(GC)和液相色谱法,进而据此产生气相色谱仪和液相色谱仪。气相色谱仪主要用来分析气相样品和易挥发的热稳定样品,如弱极性小分子有机物,而不适用于分析高沸点有机物、高分子和热稳定性查的化合物,在适用于分析大约20%的有机物样品;而液相色谱主要用来分析高沸点或若不稳定样品,如核酸等,需用高压输送流动相,并且分析速度快,故又称为高压液相色谱法(HPLC)或高速液相色谱法
(HSLP),可对80%的有机物进行分离和分析。
3、质谱仪
质谱法(MassSpectrometry,MS),即用电场和磁场将运动的离子(带电荷的原子、分子或分子碎片)按它们的质荷比分离后进行检测的方法。测出了离子的准确质量,就可以确定离子的化合物组成。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子,按质荷比m/z大小分离的装置。分离后的离子依次进入离子检测器,采集放大离子信号,经计算机处理,绘制成质谱图。
质谱仪种类繁多,从应用角度,质谱仪可以分为:
(1)有机质谱仪,主要用于有机化合物的结构鉴定,提供化合物的分子量、元素组成以及官能团等结构信息。按照质量分析器的不同,有机质谱仪可以分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪和磁质谱仪等。
四极杆是小型质谱仪中最成熟、应用最广泛的质量分析器。不过,由于四极杆的制作工艺和装配精度要求很高,所以会给批量生产带来困难。与单级相比,三极串联无论是在定性或定量方面均得到大幅度提高,这种仪器目前在我国的商检部门已得到了较为广泛的应用。但采用三级串联的方式进一步增加了仪器的技术难度和制造成本。
离子阱质谱仪具有质量范围宽、灵敏度高、结构简单、维护方便等优点,特别是离子阱可以通过软件实现串联质谱的功能。随着近十年来的不断研究,离子阱质谱仪的性能得到很大提升,应用领域也扩展到分子结构鉴定、定量分析、化学反应机理研究等方面。
近年来随着电喷雾、基质辅助激光解吸、大气压化学电离等离子源的不断发展,飞行时间质谱与各种分离手段得到了很好的结合,因而其自身也得到了很好的发展,成为当今最有发展前景的质谱方法之一。与其他类型的质谱仪相比,飞行时间质谱仪具有操作简单、维护成本低、分析速度快、质量分析范围宽,以及灵敏度和质量分析精度高等优点。而Q-TOF技术的出现,则进一步改善了飞行时间质谱仪的质谱分辨率。
(2)无机质谱仪,主要用于无机元素微量分析和同位素分析等方面,它与有机质谱仪工作原理不同的是物质离子化的方式不一样,无机质谱仪可以分为火花源质谱仪、离子探针质谱仪、激光探针质谱仪、辉光放电质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪。、
有机质谱仪与无机质谱仪相比用途更加广泛,市场接受度更高。可用于有机化学、生物学、地球化学、核工业、材料科学、环境科学、医学卫生、食品化学、石油化工等众多领域。目前一个很重要的发展方向是与色谱联合使用形成联用仪,即将色谱仪作为质谱仪的“给样器”,将有机混合物分离成纯组分后再进入质谱仪,分析每个组分的分子量和分子结构信息。这样,色质联用仪就将色谱分离能力强和质谱定性鉴定能力强的优点结合起来。
实现联用的关键是硬件接口,其功能是协调两仪器输入及输出之间的矛盾。例如,在气相色谱一质谱联用仪(GC-MS)中,主要问题是工作气压。通常色谱仪的出口气压为lOOKPa左右,而质谱仪却在地域10-3真空下操作,所以
必须有一个接口系统将载气压强降低8个数量级,并将样品送入,或经浓缩后送入质谱仪,以保证两种仪器都能在所需正常条件下工作。
二、分析仪器行业分析
(一)上下游产业链构成及分析
1、上游产业链构成及分析
分析仪器上游行业主要是为其提供核心部件、分析软件、标样、原材料的行业。
单元
部件名称
功能
气流系统
气源、稳压阀、稳流阀、流量计
提供载气气源,控制气压和流量,指示载气流量
进样系统
进样器、气化室
引入试样、使试样瞬间气化
柱系统
色谱柱
分离试样
检测系统
检测器、放大器
将浓度信号转换为电信号,主要是
数据处理系统
数据处理系统
数据采集和处理
温控系统
温控器
控制系统温度
色谱仪的核心部件较多,以气相色谱仪为例,如下表所示:
光谱仪的核心部件主要是光源(元素灯、X光管等,可提供紫外、红外、可见、X射线原始光辐射)、分光系统(主要是光栅)、探测系统(主要是CCD、PDA、光电倍增管等光电转换器件)。
质谱仪的核心部件包括离子源(对样品分子进行电离,使其分解成离子,主要器件为采用不同原理的电离盒)、质量分析器(离子经历质量分离过程,包括串联四级杆、离子阱等)、检测器(常用的有直接电检测器、电子倍增管、闪烁检测器和微通道板等)。
分析软件主要是适应各种行业分析需求并配合分析仪器使用的各种软件产品。大部分核心部件技术和分析软件为海外企业所垄断,价格昂贵,我国大部分企业所使用的核心部件和分析软件以进口产品为主,成本较高。
标样产品主要由专业生产标样的机构和企业提供,具有充分的市场,价格稳定;一般标样单价较高,仅有少部分标样属于耗材,需要持续购买。原材料主要包括集成电路、半导体、绝缘材料以及钣金件、电子元件等其他材料,均为常规产品,有充分竞争的市场,价格稳定。
2、分析仪器产业一般性特征分析
首先,不同于传统制造业,本行业呈现出“两头大,中间小”的特征,即公司竞争力主要依赖研究开发实力和销售服务,生产制造地位相对较弱,主要原因如下:
(1)参与本行业竞争必须具备强大的研发实力
本行业的研发需要投入量大,主要在以下方面:需要不断进行硬件研发以提升核心部件的硬件性能,降低制造成本;不断开发分析软件,提高产品便捷性和分析效率,改进分析方法;不断加强应用方法和标样的研究,提升产品的分析准确性,扩展应用范围;个性化产品研发,不断满足新领域客户的个性化需求。以上方面对人员素质、研究环境、仪器配置等方面均有较高要求,人力、资本的投入量均非常大。
(2)生产以部件、配件的组装和集成为主本行业的生产环节主要是部件组装和集成,部分掌握核心部件制造技术的企业也会进行一些部件的自主生产。
3、下游产业链构成及分析
分析仪器的下游产业十分丰富,几乎包括了国民经济的所有领域,下游市场的巨大需求为公司提供了广阔的发展空间。目前重点运用包括三大类:1、环境保护领域,主要的行业有电子、电器、玩具、食品等;2、工业测试与分析领域,主要的行业有钢铁、水泥、石化、冶金、镀层、地质、矿产、合金、首饰、医药等;3、其他应用领域还有考古、政府监管、科学研究、资源勘探等应用领域。下游企业分布十分广泛,具有极大的差异性,给本行业产品提出了多样化、个性化的需求。下游行业应用的普及和下游产业的成长刺激了本行业的发展。
以光谱仪为例,首先,原子吸收法在许多领域已经作为标准分析方法,如化学工业中的水泥分析、玻璃分析、石油分析、电镀液分析、食盐电解液中杂质分析、煤灰分析及聚合物中无机元素分析;农业中的植物分析、肥料分析、饲料分析;生化和药物学中的体液成分分析、内脏及式样分析、药物分析冶金中的钢铁分析、合金分析;地球化学中的水质分析、大气污染物分析、土壤分析、岩石矿物分析;食品中的微量元素分析等等。因此,原子吸收光谱仪用途非常广泛。
综合分析仪器上下游产业特征,可以得出以下结论:(1)分析仪器技术含量较高,需要经过长时间的积累才能达到一定的技术水平,所以虽然行业进入门槛不是很高(相对于钢铁厂、汽车厂来说),但持续性投资要求很高,国际上成功的仪器厂商研发投资一般维持在年销售额的8%-10%。行业内的竞争格局变化缓慢。
(2)属于技术密集型产业,技术为第一生产要素。
(3)下游客户非常广泛,需求量大,用分散,故而面对下游行业仪器厂商具有一定的议价能力,可以在激烈竞争的同时稳定价格,保持一定的利润率。分析仪器行业的利润率比机械行业平均水平高6个百分点。
(二)国内行业状况分析
1、上游零配件状况分析
国内分析仪器上游行业因仪器不同而异,但总体而言,水平低下,性能弱于国外同类产品是普遍状况。通常,中高端核心部件均需进口,低端可由国内供应商供给。
以光谱仪和质谱仪为例。首先,光谱仪的核心零部件是光栅和光电探测器。高档光栅只能依赖进口,主要有法国的
JobinYvon公司,美国的RichardsonGratingLab公司,德国的Zeiss公司和日本的shimadze公司四家最接近的厂商,其产品价格仅为国际同类产品的1/3。但衍射效率、鬼线、杂散光水平等关键性能指标仍有一定差距,可以满足工业级光谱仪的要求,但无法满足高档的科研级光谱仪的要求。除此之外,国内一些科研院所也从事颜色光栅的刻制工作,但或水平较低,或产量较少,均无法有效影响市场供给。光电探测器状况更是如此,几乎90%以上的光谱仪均采用日本滨松、东芝、索尼等少数几家的探测器产品,国内在此领域几乎空白,偶有科研院所取得成果的相关报道,但都仅仅实验室产物,距离真正商业化市场化非常遥远。
其次,到目前为止,国内质谱仪依旧处于实验室研发或初步成品化的阶段,质谱仪的关键部件:离子源、质量分析器、检测器更是与中国制造毫无关系。这些零配件制造工艺复杂,技术含量高,所以一般都是由质谱仪生产商自行研制。
由此可以看出,分析仪器的上游产业基本被国外把持,而且每种重要配件均只有若干家固定的供应商,基本不受市场波动影响。这样,国外供应商就可以提高价格,挤压仪器产品利润率,而仪器厂商却缺乏议价能力,只能接受高价购买配件的结果。
2、仪器技术状况分析
总体而言参差不齐,有些领域几乎达到了世界先进水平,有些领域虽然仍有一些差距,但已经可以满足大部分工业用途,有些领域国内刚刚起步,远未市场化和商品化。
以光谱仪和质谱仪为例。
首先,光谱仪由于技术相对简单,发展时间长,国内很多厂商已经具有与国外厂商同台竞技的实力,其产品已经广泛应用在中低端的科学研究、工业生产中。大部分厂商往往在某一种光谱仪上具备较强的实力,再将产品线拓宽到整个光谱仪范畴。例如,天瑞的X射线荧光光谱仪较为先进,占据国内市场大部分份额;普析通用的紫外原子吸收光谱仪市场地位较高;上海光谱的紫外分子吸收光谱仪和原子荧光光谱仪获得了欧洲着名检测机构的认证与授权。
但与此同时,光谱仪领域重集成轻器件、重模仿轻设计的问题依旧非常普遍。第一,大部分国内厂商只具备系统集成能力,关键零部件需向国外采购,关于这一点前文已有详述;第二,国内厂商开发仪器思路是对国外同类仪器进行反向工程,模仿其内部光路设计和电路设计,知其然不知其所以然,不能真正领会仪器设计的关键所在,于是在分辨率、杂散光、信噪比等关键性能指标上始终落后外国厂商。
其次,质谱仪技术最为复杂,国内大部分企业和研究所仍处于实验室研究阶段,若干领先的企业,如东西分析仪器,已经有若干中低端产品,但距离成熟的市场化仍旧有相当距离。也就是说,在未来一段时间内,市场上依旧看不到成熟的国产质谱仪。
尽管发展迅速,但国内分析仪器存在以下几个问题:
(1)大多数企业为前两类企业,产品线很广,规模不大但都想去做“麻雀”,于是竞争就会非常激烈,导致整个分析仪器市场发展疲软状态,
200多家分析仪器企业产值上亿的很少。
(2)研发投入的重视度依旧不高,国内仪器厂家每年投入到研发领域中的资金占利润比例低于国外同行,初步估计在2%-5%。本来就已经落后于人,不在技术研发上投入更多的力量,谈何追赶?
(3)大部分技术都是由高等院校和科研机构来承担。但是目前高校与企业之间技术性的合作十分有限,从而导致科技成果转化率不高。
(4)对国外先进产品的学习不够,仿制能力弱。
(5)产品质量不够稳定,国产品牌HPLC在质量上的反响普遍不如进口品牌,经常有不合格的产品流入市场造成极大危害,首先是对品牌的影响,会造成国产仪器的信任危机;其次就是利润的降低,不合格的产品换货时的运费和工程师多次去现场安装调试的路费,还有人力成本的增加,降低国产仪器的利润率。所以把好产品的质量关,至关重要。
3、下游市场购买行为分析
虽然市场广泛,但分析仪器企业仍必须具备强大的销售和服务体系。这是因为分析仪器技术含量较高,客户对各种品类的分析仪器接受和了解必须依赖强大的技术服务体系;很多客户缺乏利用分析仪器解决实际问题的能力,需要供应商按照客户需求选择仪器、定制解决方案;分析仪器价格往往较高,用户购买前需要进行产品体验、试用等,需要具备销售网络的支持;产品保质期较长,各行业客户会持续的提出各种各样的问题和需要,需要技术支持人员长期跟踪客户,为客户提供长期的持续的服务;下游用户具有高度分散的特性,需要大量市场人员进行各区域的销售和跟踪。由于以上行业特征,化学分析仪器供应商必须有大量的销售和技术服务人员和健全的销售网络才能有力的推动公司产品的应用,为客户提供优良的技术服务
(三)国家政策分析
本行业的主要法律法规有《中华人民共和国计量法》及其实施细则、《中华人民共和国进口计量器具监督管理办法》、《计量器具新产品管理办法》、《制造、修理计量器具许可监督管理办法》等。
本行业是国家重点发展的行业,现有产业政策均体现了国家对本行业的鼓
励、支持:
年份
政策文件
内容
1986
《高技术研究发展计划(“863计划”)纲要》
提到“在航天计划等国家科技发展计划中支持加快发展仪器仪表”
2005
《产业结构调整指导目录》
将“安全生产及环保检测仪器设计制造”、“食品质量安全检验检测相关技术及设备”列为鼓励类产业
2006
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》
提出“发展重大工程自动化控制系统和关键精密测试仪器,满足重点建设工程及其他重大(成套)技术装备高度自动化和智能化的需要”
2007
《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》
将“近红外光谱仪、等离子体光谱仪、金属原位分析仪、辉光光谱仪、激光光谱仪等光谱分析仪器,气相色谱仪、液相色谱仪等色谱分析仪器”列为当前优先发展的咼技术产业化重点领域
2008
《咼新技术企业认定管理办法》
将“等离子光谱仪、近红外光谱仪、微型专用色谱仪;特定领域的专用仪器,如农药及残留量检测等农业和食品专用仪器。”列为国家重点支持的高新技术领域
2008
《关于加强创新工作的若干意见》
提到“积极推进重要科学仪器设备的自主研发,加强科学仪器升级改造技术研究开发和二次创新,积极推进国产科学仪器的应用。”
2009
《装备制造业调整和振兴规划》
提到:“1、振兴装备制造业中的环境在线监测仪器仪表;2、加快发展工业自动化控制系统及仪器仪表、中高档传感器等。”
三、分析仪器市场现状分析
(一)国际市场规模
国际分析仪器领域技术更新快、高科技含量增长迅猛,是典型的高附加值、知识密集型产业。近年来市场规模持续扩大,进入了高速发展时期。从全球化学分析仪器销售增势来看,在农业、能源、信息、环境、材料、生物、医学等领域快速发展的需求刺激下,近年来世界化学分析仪器市场销售额保持10%左右的年增长率,处于高速发展时期。,预计到2015年,。
美国分析仪器厂家最多,%,%,%,%,%。国际上代表性的企业有安捷伦(在气相色谱仪、液相色谱仪、单级气质联用仪、单级液质联用仪均是全球最大供应商)、Thermal-fisher、Waters、岛津等。
国际分析仪器最大的市场是美国市场,其次是欧洲和日本市场。Thermal%,%,%,%。近几年国际大品牌之间的横向收购兼并频频发生,进一步提升了这些跨国巨头的市场份额,增强了这些国际巨头的竞争优势。最着名的案例就是安捷伦收购了Varian。
(二)国内市场规模及详细状况
1、基本状况
我国一直重视化学分析仪器的研制与开发工作,“九五”和“十五”期间都将其列为国家科技攻关计划的重要组成部分。通过科技攻关,国内分析仪器市场正逐步改变着技术密集的高端仪器长期以来完全依赖进口的市场格局。随着我国对化学分析仪器行业的重视以及下游需求的不断增加,化学分析仪器市场发展速度高于,整体规模快速扩大。
2、光谱仪市场状况
以原子吸收光谱仪和X射线荧光光谱仪为例。首先是原子吸收光谱仪的状况。
国内市场上常见的原子吸收光谱仪品牌大概有二、三十种。进口厂商方面,
包括PE、Thermal、Varian、耶拿、日本岛津、日立、美国利曼、威格拉斯以及加拿大AURORA等;国产厂商方面,主要有北京瑞利(原北二光)、普析通用、东西电子、上海精科(原上分厂)、科创海光、瀚时制作所、上海天美、北京华洋、博晖创新、上海光谱等。基本上涵盖了国内外主流的原子吸收光谱仪生产厂家。
2008年,中国原子吸收光谱仪市场的销售总量接近3200台,其中国产原子吸收光谱仪所占份额在70%以上。从产品性能上看,火焰原子吸收基本上已达到进口仪器水平,且价格便宜,具有很强的竞争力。与进口高档原子吸收光谱仪相比,国产仪器主要是在自动进样器、石墨管寿命、综合扣背景能力以及自动化程度等方面还存在着一定的技术差距,有待进一步提高。
就原子吸收市场占有量而言,进口厂商方面,来自美国的三家公司:PE、Thermal和瓦里安应该是排名在前三位的厂家。据保守估计,这三家公司的原子吸收销售量之和应该占到中国进口原子吸收光谱仪市场的五分之三。此外,德国耶拿和日本日立的原子吸收在中国市场的表现也不错,尤其是在某一行业或地区,如:耶拿在中国的地质行业,日立在中国的华南市场都有着不错的原子吸收市场占有率。
国产厂商方面,普析通用已取代了北京瑞利,成为中国国产原子吸收光谱仪的最大供货商,紧随其后的是北京瑞利和另一家民营企业——东西电子。这三家原子吸收