正面突圍!中國分析儀器的破局術(shù)

落后20年

中國科學(xué)儀器，一向是觸目驚心地落后。在全球Top20的儀器廠家之中，呈現(xiàn)了85331的陣型。其中8家是美國，5家是日本，德國和瑞士各3家，還有一家英國企業(yè)，沒有一家中國企業(yè)入列。而在頭十家名單之中，六家企業(yè)是美國。美國的科學(xué)儀器，展現(xiàn)了跟半導(dǎo)體芯片一樣強(qiáng)大的實(shí)力。全球近6000億美元的半導(dǎo)體收入，美國公司的銷售額占據(jù)近一半。如果說芯片反映了美國構(gòu)建全球化底層基石的商業(yè)廣泛性，那么科學(xué)儀器則真實(shí)地代表了美國的科研水平。

科學(xué)儀器里的一個重要分支是實(shí)驗(yàn)室分析儀器，它是科學(xué)家洞察世界奧秘的最高能力，也是研發(fā)人員開發(fā)新產(chǎn)品的重要武器。全球?qū)嶒?yàn)分析儀器行業(yè)大約有700億美金的規(guī)模，而中國市場總量僅占全球的7%。在中國消費(fèi)的所有產(chǎn)品中，分析儀器是少數(shù)在全球使用占比墊底的高科技產(chǎn)業(yè)。相比于中國芯片消費(fèi)量占據(jù)全球的54%，分析儀器的消費(fèi)能力之低讓人感到驚訝。很顯然，中國是一個分析儀器使用嚴(yán)重不足的國家。

對于分析儀器而言，用于稱量分子重量的質(zhì)譜儀，是皇冠上的明亮光環(huán)。它的發(fā)展，與科學(xué)家的成就密切相關(guān)。近百年來，有10個科學(xué)家因?yàn)橘|(zhì)譜儀相關(guān)的原理而獲得諾貝爾獎。質(zhì)譜儀在上個世紀(jì)50年代就已經(jīng)開始商業(yè)化，進(jìn)入石油成分的檢測。而在七十年后的今天，推動它繼續(xù)寶刀不老的則是生物醫(yī)藥的巨大需求。

正是這種不斷進(jìn)化的能力，使得它成為引領(lǐng)分析儀器行業(yè)的龍頭。在它身上，可以看到產(chǎn)品演化的痕跡。質(zhì)譜儀的頂級標(biāo)桿是丹納赫旗下的AB Sciex。不用說，創(chuàng)始人本人也是科學(xué)家。在分析儀器領(lǐng)域，科學(xué)家與企業(yè)家的合體現(xiàn)象非常普遍。科學(xué)與商業(yè)成功聯(lián)姻，是這個行業(yè)非常成熟的一種模式。

AB Sciex在1981年就將四極桿質(zhì)譜儀商業(yè)化，這成為今后最經(jīng)典的一個系列。全球幾乎所有質(zhì)譜儀廠家的標(biāo)桿，包括美國賽默飛、安捷倫和日本島津，在這類產(chǎn)品上，都在向它對齊。

國內(nèi)質(zhì)譜儀目前能達(dá)到的成熟水平，剛好趕上AB Sciex在10年前推出的4500系列。而現(xiàn)在它已經(jīng)推出了7500。這個產(chǎn)品編號，清晰地標(biāo)定了中國質(zhì)譜儀跟國外產(chǎn)品的差距。這還只是性能參數(shù)的差異性，如果考慮到軟件、數(shù)據(jù)庫和可靠性，這個距離就會拉長到15到20年。

看得見的20年，這就是差距所在。而無法識別的差距，還有更多。在國內(nèi)用量最大的實(shí)驗(yàn)室分析儀器中，質(zhì)譜儀和以色譜法分析技術(shù)的色譜儀的國產(chǎn)化率不超過個位數(shù)。而在價值超過1000萬元人民幣以上的冷凍電鏡或核磁共振波譜儀，國產(chǎn)化率則幾乎是零。

中國科學(xué)家所能取得的頂級成就，就矗立在這樣一種幾乎完全依賴的進(jìn)口儀器的局面之上。

分析儀器的難點(diǎn)

最近兩年，科學(xué)儀器已經(jīng)引起整個社會的高度重視。但當(dāng)資本大量涌進(jìn)來的時候，也難免會感到失望。這個產(chǎn)業(yè)體量太小，似乎難以挑起大梁。

這個行業(yè)實(shí)在太小，分析儀器在中國市場近400億人民幣。這樣的總產(chǎn)值，又被近二十個不同類別的儀器來瓜分。質(zhì)譜儀已經(jīng)算大塊頭了，不到100億。而這里向來被美國賽默飛、丹納赫、沃特世、布魯克、島津等所壟斷。同一個類別的儀器，又會有很多細(xì)分的技術(shù)支流。如果一個企業(yè)只做一種產(chǎn)品，注定銷售額很難做大。

除了產(chǎn)業(yè)規(guī)模之外，這個產(chǎn)業(yè)也有著自身特有的難點(diǎn)。

人們?nèi)粘＝佑|宏觀物體重量的方式是天平。而這種宏觀重量的下限，則是由瑞士普利賽斯Precisa電子天平所完成。一個精密天平，如果可以測量1毫克（1克的千分之一）的粉狀物，這是小數(shù)點(diǎn)后面帶有3個零的1克。灰塵可以算是宏觀世界的最后一站。而測量灰塵重量的百萬級精度的微量天平，只在瑞士生產(chǎn)。這家公司在中國也有生產(chǎn)基地，但精度只有萬分之一級。

質(zhì)譜儀是高端的分析儀器，可以看成是微觀原子世界的天平。它可以通過類似對分子來量測體重的方法，測出物質(zhì)的各種組成成分。例如PM2.5到底包含哪些顆粒。

類似的分析儀器長期處于進(jìn)口壟斷的局面。中國進(jìn)入質(zhì)譜儀的時間，其實(shí)是非常短暫的。當(dāng)年傳統(tǒng)儀器的老家底，如北分、上分、南分、川分等，都未能打開這個局面，只做出了一些無法商業(yè)化應(yīng)用的樣機(jī)。時至今日，可以看到除了脫胎于當(dāng)年冶金部的鋼研納克公司，其它基本都是民營企業(yè)在攻堅(jiān)。2006年，北京東西分析儀器算是推出了第一臺商業(yè)化四極桿氣質(zhì)聯(lián)用儀。陸陸續(xù)續(xù)，北京普析通用、上海舜宇恒平、廣州禾信和杭州聚光旗下的譜育、江蘇天瑞和源自天津大學(xué)的天津智譜，正在這個領(lǐng)域進(jìn)行各自的耕耘。但目前基本還是聚集在三種精度等級中低端類型的質(zhì)譜儀。而對于高端的離子阱質(zhì)譜儀，或者是更高級的傅里葉變換質(zhì)譜儀，依然是美國賽默飛和德國布魯克的天下。中國基本尚無任何的產(chǎn)品，可以進(jìn)行對標(biāo)。

這個領(lǐng)域看似狹窄，但其實(shí)也是頂天立地之行業(yè)。既面向科研院所的科學(xué)家、面向企業(yè)研發(fā)人員，也面向第三方檢測機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)員。而很多事情，跟老百姓也有關(guān)系。除了測試環(huán)境成分，在半導(dǎo)體領(lǐng)域檢測高純度的氣體的時候，也是必不可少。很多氣體濃度是9個9（0.999999999），而這種純度之外需要摻雜的有用“雜質(zhì)”的成分和數(shù)量，就要靠質(zhì)譜儀的火眼金睛了。它需要面對的濃度是小數(shù)點(diǎn)后面10個零。

所有研發(fā)的活動里，有一大半都會跟化學(xué)檢測有關(guān)。質(zhì)譜儀就是化學(xué)檢測的終極手段。人們需要間接地偵查到，一個微環(huán)境下，有哪些分子，有多大的量。

人們是在用這種儀器，跟分子進(jìn)行對話。

奇怪的是，這種設(shè)備的制造，表面看上去卻很簡單。

質(zhì)譜儀設(shè)備的零部件，有上千個。通過購買零部件的方式進(jìn)行組裝，完成一臺機(jī)器并不復(fù)雜。這就是為什么在當(dāng)前資本的加持下，國內(nèi)質(zhì)譜儀企業(yè)居然有六十多家，這種現(xiàn)象并非正常。在全球高度壟斷的質(zhì)譜儀行業(yè)市場里，只有五家頂級的質(zhì)譜儀。即使放大到整個科學(xué)儀器行業(yè)，排名第一與排名第二十的銷售額，可以相差二十倍。如此高度壟斷的市場，很難想象小企業(yè)是如何存活下來，如何攻克技術(shù)難關(guān)。

看上去，科學(xué)儀器的零部件并不是最主要的問題。除了激光器、真空泵、高速數(shù)據(jù)采集卡、離子探針等要進(jìn)口，大部分零件都可以逆向工程破解其中之道。實(shí)際上在中國的科學(xué)儀器界，存在著一種“半國產(chǎn)”的現(xiàn)象。一些跨國品牌會向國內(nèi)合作伙伴，開放供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)，提供電路板等核心零部件，支持國產(chǎn)裝配商形成自己的品牌。在石油、天然氣行業(yè)，安捷倫會扶持不同的渠道商，開發(fā)“國產(chǎn)品牌”的在線工業(yè)色譜分析儀、可揮發(fā)性氣體分析儀等產(chǎn)品。這些渠道商往往在三桶油行業(yè)有著深厚的商業(yè)基礎(chǔ)。實(shí)際上，安捷倫也通過這種本土化的方式，擠壓包括日本島津在內(nèi)的競爭對手。

然而，機(jī)器組裝看上去并不復(fù)雜。但真正具有挑戰(zhàn)性的，是如何讓這臺儀器穩(wěn)定工作？

這正是科學(xué)儀器最難的地方。這里面有很多工藝是近乎老師傅的經(jīng)驗(yàn)。它涉及到各個領(lǐng)域：物理、化學(xué)、真空、機(jī)械、電子、軟件、自動化的綜合協(xié)調(diào)。

分析儀器都具備這種特點(diǎn)，它是一個綜合學(xué)科相互妥協(xié)的藝術(shù)。而這種妥協(xié)，正是科學(xué)家與工程師的最高智慧交融之地。

四大貧瘠阻隔突破

擁有高度壟斷地位的美國科學(xué)儀器，得益于已經(jīng)非常成熟的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在這里，科學(xué)家與職業(yè)經(jīng)理人、全球市場和成熟資本，形成了穩(wěn)定的四合一局面。科學(xué)儀器的起源，很容易找到大學(xué)科研的影子。而要成功商業(yè)化，則需要諸多因素的配合。

就質(zhì)譜儀而言，廣州禾信創(chuàng)始人源自廈門大學(xué)的科學(xué)儀器工程系。而天津智譜的創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)來自天津大學(xué)精儀學(xué)院，而它的首席科學(xué)家則是天津大學(xué)多年研究質(zhì)譜儀的資深學(xué)者。天津大學(xué)和廈門大學(xué)是國內(nèi)最早設(shè)立分析儀器專業(yè)的兩家大學(xué)，這正是“北天大、南廈大“的由來。而國內(nèi)質(zhì)譜儀的頂梁柱之一的北京萊伯泰科的創(chuàng)始人，則是開創(chuàng)質(zhì)譜儀一種技術(shù)流派的美國教授的弟子。

然而，中國學(xué)者的創(chuàng)業(yè)注定需要先趟過一條艱苦的工程化之路，這里需要補(bǔ)齊的短板實(shí)在太多。四大貧瘠之地，限制了高端儀器的發(fā)展。

首先是貧瘠的用戶奶水。工業(yè)化產(chǎn)品的進(jìn)步，高度依賴用戶的使用反饋。但這一次，靠用戶反哺是很難有機(jī)會的。搞基礎(chǔ)課題研究的學(xué)者，非常依賴工具的先進(jìn)性。電子顯微鏡多放大一倍，就能多發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)奧秘。這意味著儀器國產(chǎn)化的首批用戶，往往不能依靠一流的科學(xué)家。

其次是貧瘠的學(xué)術(shù)氛圍。對于研究分子結(jié)構(gòu)的拉曼光譜儀，這是很常見的分析儀器。由于不同分子的譜形特征不同，因此可作為分子識別的“指紋”光譜，就像人的指紋可以用來識別人的身份。而拉曼光譜最早發(fā)現(xiàn)的幾乎是100年前。很多分析儀器的原理，都有著如此古老的淵源。在這些領(lǐng)域，已經(jīng)被寫過無數(shù)篇論文。就像是被無數(shù)人挖過的礦藏現(xiàn)場，沒有多少學(xué)術(shù)“油水”。對于這種“論文飽和區(qū)”，要想搞出高引用因子的SCI文章，是非常困難的。于是，很多大學(xué)教授會避開這些領(lǐng)域的研究。然而，對于中國制造而言，這些貧瘠的學(xué)術(shù)化領(lǐng)域，正是豐富的工程化寶地。這里并不需要太多的創(chuàng)新，而更需要工程化的深挖和復(fù)耕。然而，如果科技部門的課題導(dǎo)向仍然以論文發(fā)布為導(dǎo)向，那么基礎(chǔ)研究與商業(yè)化應(yīng)用之間的橋梁，就會遲遲無法建立。

第三是貧瘠的質(zhì)量體系。中國有一條“創(chuàng)新鄙視鏈”，過分看重“技術(shù)創(chuàng)新”，而對“質(zhì)量突破”熟視無睹。實(shí)際上，儀器制造界中，人們尚不清楚，如何才能建立完整的質(zhì)量體系。

面向醫(yī)療領(lǐng)域的儀器儀表，有ISO13485這種醫(yī)療器械質(zhì)量管理體系進(jìn)行管理。然而這種國標(biāo)體系，只是一個基礎(chǔ)及格線的保障，它對行業(yè)的根本性突破幾乎不起作用。中國儀器最大的困惑是，不清楚哪些參數(shù)重要、哪些參數(shù)不重要。質(zhì)譜儀的一個重要參數(shù)就是質(zhì)量與電荷之比的質(zhì)量范圍。當(dāng)一臺四極桿質(zhì)譜儀的質(zhì)量范圍忽而是1000，忽而是2000的時候，很難搞清楚它的根本原因—是四極桿的差錯，還是電源問題。如果是由于污染，它出現(xiàn)在什么位置，電子裝置還是機(jī)械裝置？

諸如此類的問題，對于逆向工程而獲得制造是很難回答的。這是中國制造的通用內(nèi)傷，并非質(zhì)譜儀所獨(dú)有的傷疤。中國實(shí)驗(yàn)室所使用的高檔洗瓶機(jī)，都是來自德國美諾Miele。這家生產(chǎn)絕對高檔的洗衣機(jī)廠家，其實(shí)同時也是商用硬洗（燒瓶等實(shí)驗(yàn)器皿）和軟洗（紗布等織物）的全球領(lǐng)導(dǎo)者。一臺洗瓶機(jī)的空間是越大越好嗎？國內(nèi)一些洗瓶廠家的空間往往可以一次清洗180個瓶子。這個數(shù)字往往是見縫插針而給出來的。而一家洗瓶機(jī)新秀北京白小白公司，則堅(jiān)持只提供150個瓶子。這家公司是借助于跟大學(xué)的合作，通過復(fù)雜的流體力學(xué)建模過程，才發(fā)現(xiàn)了讓水流沖洗整個流槽但壓力保持不衰減的門道。當(dāng)壓力衰減的時候，最遠(yuǎn)端的瓶子就會無法保證同樣的清洗效果。而這種壓力均勻的清洗管理，決定了150個瓶子才是最佳策略。

最后一點(diǎn)，同樣是中國高端制造的通病，那就是貧瘠的供應(yīng)鏈生態(tài)。儀器的供應(yīng)鏈，如閥門可以由供應(yīng)商提供。這應(yīng)該是供應(yīng)鏈公共品。企業(yè)不能自行制造零部件，這絕非高效率的生產(chǎn)體系。

然而實(shí)際結(jié)果則證明，為分析儀器配套的供應(yīng)鏈一直非常拉胯。做一個價值高但產(chǎn)量很低的小眾市場，沒有供應(yīng)商愿意參與配套。三重四極桿質(zhì)譜儀有個零部件是T型噴嘴的鎳錐。當(dāng)企業(yè)終于選擇好4個9純度鎳合金之后，發(fā)現(xiàn)要找到合適的對鎳材料進(jìn)行機(jī)加工的單位，非常之難。誰也不愿意收到這樣的訂單：當(dāng)企業(yè)費(fèi)心千辛萬苦而調(diào)試好機(jī)床準(zhǔn)備加工的時候，發(fā)現(xiàn)訂單上面需求數(shù)量是1個。即使可以加工，在疲勞測試過程中發(fā)現(xiàn)儀器的壽命，總是不如國外。又是一段漫長的參數(shù)修改和實(shí)驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)99.99%的鎳純度是夠用了，但鎳的密度卻達(dá)不到。然而，有色金屬冶煉廠是無法為如此少量的需求而改造工藝，鍛造出符合密度要求的新鎳胚材料。高純高密度的鎳，就成了一道邁不過去的死結(jié)。

對于上市公司北京安圖的微生物質(zhì)譜儀，2022年產(chǎn)量不到100臺。如此小的產(chǎn)量，要想找到供應(yīng)鏈實(shí)在是太難了。太低的產(chǎn)量會導(dǎo)致企業(yè)的學(xué)習(xí)曲線過于陡峭。成本與質(zhì)量都難以保障。儀器儀表，雖然是中國高端制造必須攻克的巔峰產(chǎn)業(yè)，但它其實(shí)本身是一個落后的半自動化半手工業(yè)的時代。

從科學(xué)家，到商業(yè)化，這中間的工程化過程，需要企業(yè)擁有強(qiáng)大的制造能力和健康的供應(yīng)鏈公共品。而國內(nèi)，恰好都不支持。

工業(yè)化思維的高端作坊體系

實(shí)驗(yàn)室很常見的液相色譜儀，主要是美國沃特世、安捷倫和日本島津所主導(dǎo)。它有很多關(guān)鍵部件，其中之一就是柱塞泵。而凱氮分析儀，則需要隔膜泵。要做好隔膜泵，就需要很好的隔膜。

隔膜誰來提供？

這個簡單的問題，決定了中國儀器的關(guān)鍵走向。

由于儀器需求量很少，零部件的供應(yīng)都高度壟斷。中國分析儀器制造商處于一種“無米下炊”的局面，只能高價接受國外的部件。而如果進(jìn)行規(guī)格修改，就會缺乏現(xiàn)成零部件。很難找到合格的供應(yīng)商。大企業(yè)不伺候這些小訂單，小企業(yè)則質(zhì)量無法保障。

國產(chǎn)的動力電池，為中國電動汽車的崛起提供了強(qiáng)大的支撐；

國產(chǎn)的激光器，為中國激光切割設(shè)備，提供了最澎湃的國產(chǎn)動力；

而分析儀器的供應(yīng)鏈，還沒有為國產(chǎn)儀器的崛起，做好準(zhǔn)備。

于是企業(yè)家必須開始自行建立制造能力。廣州禾信開始花費(fèi)大氣力，突破制造技術(shù)。要想快速測出PM2.5顆粒物的粒徑和成分，需要用一種空氣動力學(xué)透鏡組，將這些顆粒物進(jìn)行加速、排隊(duì)和聚焦，讓分子們在賽道上奔跑。

禾信需要制造這種類似“套筒透鏡”的裝置。外部是一個長30cm左右的管道，而管道內(nèi)部則是6個逐級縮小的同軸透鏡，就像插拔的釣魚竿一樣，精密配合組成。為了實(shí)現(xiàn)顆粒物在管道中心軸線上聽話地排成一條直線隊(duì)伍，管道內(nèi)壁要實(shí)現(xiàn)鏡面微米級加工精度，而同軸透鏡內(nèi)孔之間的同軸度，也要優(yōu)于微米量級（百萬分之一米）。這種高精度的加工和裝配要求，對設(shè)備和人員是一個巨大的挑戰(zhàn)，需要超高精密的車床對同軸透鏡進(jìn)行加工，并且需要高精密的組裝、測量工裝等設(shè)備來輔助安裝，確保多節(jié)透鏡裝配到管道后，其中心軸像光線一樣直，最終實(shí)現(xiàn)顆粒物在中心軸上的排隊(duì)和聚焦。

制造這種微米級精度要求的“套筒透鏡”是一個難題，而如何檢測這些內(nèi)孔的同軸度，還需要禾信格外建立一套更高精密等級的檢測實(shí)驗(yàn)室。

這，就是人們在宏觀尺寸里想玩轉(zhuǎn)微觀分子世界所要面臨的制造挑戰(zhàn)。同樣，位于德州制造有機(jī)元素分析儀以及液相色譜儀的海能公司，要把分析儀器做好，也要成為一位制造大師。

海能旗下的悟空，則決定克服隔膜的難關(guān)。隔膜看上去呆頭呆腦，但制造非常不簡單。它一頭在化學(xué)液體中，面臨腐蝕環(huán)境，需要用一種四氟的高硬材料。而另外一面則需要使用橡膠，需要有一定的彈性，用來承接電機(jī)產(chǎn)生動能。這就需要對四氟材料成分有清楚的認(rèn)識——大量的實(shí)驗(yàn)測試來尋找最佳物性，四氟與橡膠的組合中間需要有良好的密封黏膠劑，還要涉及到橡膠的振動頻率。

四氟材料花樣繁多，選擇合適的成分比例是一個試錯篩選的過程，這就是試錯成本大坑。從坑里爬出來的過程，就是巨大的成本投入。海能公司需要集合各種力量，化學(xué)家、物理家、機(jī)械工程師要一起上場，才能組合出一個隔膜泵的隔膜。

而如此關(guān)鍵的零部件，大概有數(shù)十個。看上去都是小玩意兒，但是每一個小玩意兒都需要對材料有深刻的認(rèn)識，還要有物理系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。最后進(jìn)到了車間，各種工藝派上用場。精密加工需要用車削復(fù)合中心，加工銅、加工鋁、加工鋼、加工ABS塑料。而塑料部件需要注塑，電路板穩(wěn)定需要貼片機(jī)。儀表外殼鈑金要進(jìn)行表面的精密成型，最后要有復(fù)雜的噴涂設(shè)備。

當(dāng)供應(yīng)鏈不能有效支撐的時候，高端儀器的制造不得不進(jìn)入到作坊體系。然而，這種嘗試是值得的。

小記：靜心突圍

需要有更多的科技經(jīng)費(fèi)，投入到工程化而非原理化的創(chuàng)新。這些工程化課題的水平，不應(yīng)該由同行評議的教授來決定，而是交由企業(yè)家來評價。而一個企業(yè)家，必須變成現(xiàn)場制造大師，才能真正地搞好科學(xué)儀器。分析儀器就像是一個藝術(shù)創(chuàng)作的行當(dāng)。需要時間，才能沉淀出藝術(shù)大師和制造大師。那些卡住中國分析儀器脖子的，也并不完全都在于技術(shù)創(chuàng)新，很多突破口在于質(zhì)量創(chuàng)新。如果能夠平心靜氣地扭轉(zhuǎn)質(zhì)量這個牛鼻子，80%的卡脖子癥狀會自動消失。

值此全球供應(yīng)鏈大變局之際，分析儀器的破局之法，也是中國制造所要正視的挑戰(zhàn)。

審核編輯 ：李倩