氡钍分析仪

作 者林雪萍：北京联讯动力咨询公司总经理，天津大学精仪学院兼职教授落后20年中国科学仪器，一向是触目惊心地落后。在全球Top20的仪器厂家之中，呈现了85331的阵型。其中8家是美国，5家是日本，德国和瑞士各3家，还有一家英国企业，没有一家中国企业入列。而在头十家名单之中，六家企业是美国。美国的科学仪器，展现了跟半导体芯片一样强大的实力。全球近6000亿美元的半导体收入，美国公司的销售额占据近一半。如果说芯片反映了美国构建全球化底层基石的商业广泛性，那么科学仪器则真实地代表了美国的科研水平。科学仪器里的一个重要分支是实验室分析仪器，它是科学家洞察世界奥秘的最高能力，也是研发人员开发新产品的重要武器。全球实验分析仪器行业大约有700亿美金的规模，而中国市场总量仅占全球的7%。在中国消费的所有产品中，分析仪器是少数在全球使用占比垫底的高科技产业。相比于中国芯片消费量占据全球的54%，分析仪器的消费能力之低让人感到惊讶。很显然，中国是一个分析仪器使用严重不足的国家。对于分析仪器而言，用于称量分子重量的质谱仪，是皇冠上的明亮光环。它的发展，与科学家的成就密切相关。近百年来，有10个科学家因为质谱仪相关的原理而获得诺贝尔奖。质谱仪在上个世纪50年代就已经开始商业化，进入石油成分的检测。而在七十年后的今天，推动它继续宝刀不老的则是生物医药的巨大需求。正是这种不断进化的能力，使得它成为引领分析仪器行业的龙头。在它身上，可以看到产品演化的痕迹。质谱仪的顶级标杆是丹纳赫旗下的AB Sciex。不用说，创始人本人也是科学家。在分析仪器领域，科学家与企业家的合体现象非常普遍。科学与商业成功联姻，是这个行业非常成熟的一种模式。AB Sciex在1981年就将四极杆质谱仪商业化，这成为今后最经典的一个系列。全球几乎所有质谱仪厂家的标杆，包括美国赛默飞、安捷伦和日本岛津，在这类产品上，都在向它对齐。国内质谱仪目前能达到的成熟水平，刚好赶上AB Sciex在10年前推出的4500系列。而现在它已经推出了7500。这个产品编号，清晰地标定了中国质谱仪跟国外产品的差距。这还只是性能参数的差异性，如果考虑到软件、数据库和可靠性，这个距离就会拉长到15到20年。看得见的20年，这就是差距所在。而无法识别的差距，还有更多。在国内用量最大的实验室分析仪器中，质谱仪和以色谱法分析技术的色谱仪的国产化率不超过个位数。而在价值超过1000万元人民币以上的冷冻电镜或核磁共振波谱仪，国产化率则几乎是零。中国科学家所能取得的顶级成就，就矗立在这样一种几乎完全依赖的进口仪器的局面之上。分析仪器的难点最近两年，科学仪器已经引起整个社会的高度重视。但当资本大量涌进来的时候，也难免会感到失望。这个产业体量太小，似乎难以挑起大梁。这个行业实在太小，分析仪器在中国市场近400亿人民币。这样的总产值，又被近二十个不同类别的仪器来瓜分。质谱仪已经算大块头了，不到100亿。而这里向来被美国赛默飞、丹纳赫、沃特世、布鲁克、岛津等所垄断。同一个类别的仪器，又会有很多细分的技术支流。如果一个企业只做一种产品，注定销售额很难做大。除了产业规模之外，这个产业也有着自身特有的难点。人们日常接触宏观物体重量的方式是天平。而这种宏观重量的下限，则是由瑞士普利赛斯Precisa电子天平所完成。一个精密天平，如果可以测量1毫克（1克的千分之一）的粉状物，这是小数点后面带有3个零的1克。灰尘可以算是宏观世界的最后一站。而测量灰尘重量的百万级精度的微量天平，只在瑞士生产。这家公司在中国也有生产基地，但精度只有万分之一级。质谱仪是高端的分析仪器，可以看成是微观原子世界的天平。它可以通过类似对分子来量测体重的方法，测出物质的各种组成成分。例如PM2.5到底包含哪些颗粒。类似的分析仪器长期处于进口垄断的局面。中国进入质谱仪的时间，其实是非常短暂的。当年传统仪器的老家底，如北分、上分、南分、川分等，都未能打开这个局面，只做出了一些无法商业化应用的样机。时至今日，可以看到除了脱胎于当年冶金部的钢研纳克公司，其它基本都是民营企业在攻坚。2006年，北京东西分析仪器算是推出了第一台商业化四极杆气质联用仪。陆陆续续，北京普析通用、上海舜宇恒平、广州禾信和杭州聚光旗下的谱育、江苏天瑞和源自天津大学的天津智谱，正在这个领域进行各自的耕耘。但目前基本还是聚集在三种精度等级中低端类型的质谱仪。而对于高端的轨道阱质谱仪，或者是更高级的傅里叶变换质谱仪，依然是美国赛默飞和德国布鲁克的天下。中国基本尚无任何的产品，可以进行对标。这个领域看似狭窄，但其实也是顶天立地之行业。既面向科研院所的科学家、面向企业研发人员，也面向第三方检测机构的检验员。而很多事情，跟老百姓也有关系。除了测试环境成分，在半导体领域检测高纯度的气体的时候，也是必不可少。很多气体浓度是9个9（0.999999999），而这种纯度之外需要掺杂的有用“杂质”的成分和数量，就要靠质谱仪的火眼金睛了。它需要面对的浓度是小数点后面10个零。所有研发的活动里，有一大半都会跟化学检测有关。质谱仪就是化学检测的终极手段。人们需要间接地侦查到，一个微环境下，有哪些分子，有多大的量。人们是在用这种仪器，跟分子进行对话。奇怪的是，这种设备的制造，表面看上去却很简单。质谱仪设备的零部件，有上千个。通过购买零部件的方式进行组装，完成一台机器并不复杂。这就是为什么在当前资本的加持下，国内质谱仪企业居然有六十多家，这种现象并非正常。在全球高度垄断的质谱仪行业市场里，只有五家顶级的质谱仪。即使放大到整个科学仪器行业，排名第一与排名第二十的销售额，可以相差二十倍。如此高度垄断的市场，很难想象小企业是如何存活下来，如何攻克技术难关。看上去，科学仪器的零部件并不是最主要的问题。除了激光器、真空泵、高速数据采集卡、离子探针等要进口，大部分零件都可以逆向工程破解其中之道。实际上在中国的科学仪器界，存在着一种“半国产”的现象。一些跨国品牌会向国内合作伙伴，开放供应链环节，提供电路板等核心零部件，支持国产装配商形成自己的品牌。在石油、天然气行业，安捷伦会扶持不同的渠道商，开发“国产品牌”的在线工业色谱分析仪、可挥发性气体分析仪等产品。这些渠道商往往在三桶油行业有着深厚的商业基础。实际上，安捷伦也通过这种本土化的方式，挤压包括日本岛津在内的竞争对手。然而，机器组装看上去并不复杂。但真正具有挑战性的，是如何让这台仪器稳定工作？这正是科学仪器最难的地方。这里面有很多工艺是近乎老师傅的经验。它涉及到各个领域：物理、化学、真空、机械、电子、软件、自动化的综合协调。分析仪器都具备这种特点，它是一个综合学科相互妥协的艺术。而这种妥协，正是科学家与工程师的最高智慧交融之地。四大贫瘠阻隔突破拥有高度垄断地位的美国科学仪器，得益于已经非常成熟的产业形态。在这里，科学家与职业经理人、全球市场和成熟资本，形成了稳定的四合一局面。科学仪器的起源，很容易找到大学科研的影子。而要成功商业化，则需要诸多因素的配合。就质谱仪而言，广州禾信创始人源自厦门大学的科学仪器工程系。而天津智谱的创始人团队来自天津大学精仪学院，而它的首席科学家则是天津大学多年研究质谱仪的资深学者。天津大学和厦门大学是国内最早设立分析仪器专业的两家大学，这正是“北天大、南厦大“的由来。而国内质谱仪的顶梁柱之一的北京莱伯泰科的创始人，则是开创质谱仪一种技术流派的美国教授的弟子。然而，中国学者的创业注定需要先趟过一条艰苦的工程化之路，这里需要补齐的短板实在太多。四大贫瘠之地，限制了高端仪器的发展。首先是贫瘠的用户奶水。工业化产品的进步，高度依赖用户的使用反馈。但这一次，靠用户反哺是很难有机会的。搞基础课题研究的学者，非常依赖工具的先进性。电子显微镜多放大一倍，就能多发现一点奥秘。这意味着仪器国产化的首批用户，往往不能依靠一流的科学家。其次是贫瘠的学术氛围。对于研究分子结构的拉曼光谱仪，这是很常见的分析仪器。由于不同分子的谱形特征不同，因此可作为分子识别的“指纹”光谱，就像人的指纹可以用来识别人的身份。而拉曼光谱最早发现的几乎是100年前。很多分析仪器的原理，都有着如此古老的渊源。在这些领域，已经被写过无数篇论文。就像是被无数人挖过的矿藏现场，没有多少学术“油水”。对于这种“论文饱和区”，要想搞出高引用因子的SCI文章，是非常困难的。于是，很多大学教授会避开这些领域的研究。然而，对于中国制造而言，这些贫瘠的学术化领域，正是丰富的工程化宝地。这里并不需要太多的创新，而更需要工程化的深挖和复耕。然而，如果科技部门的课题导向仍然以论文发布为导向，那么基础研究与商业化应用之间的桥梁，就会迟迟无法建立。第三是贫瘠的质量体系。中国有一条“创新鄙视链”，过分看重“技术创新”，而对“质量突破”熟视无睹。实际上，仪器制造界中，人们尚不清楚，如何才能建立完整的质量体系。面向医疗领域的仪器仪表，有ISO13485这种医疗器械质量管理体系进行管理。然而这种国标体系，只是一个基础及格线的保障，它对行业的根本性突破几乎不起作用。中国仪器最大的困惑是，不清楚哪些参数重要、哪些参数不重要。质谱仪的一个重要参数就是质量与电荷之比的质量范围。当一台四极杆质谱仪的质量范围忽而是1000，忽而是2000的时候，很难搞清楚它的根本原因—是四极杆的差错，还是电源问题。如果是由于污染，它出现在什么位置，电子装置还是机械装置？诸如此类的问题，对于逆向工程而获得制造是很难回答的。这是中国制造的通用内伤，并非质谱仪所独有的伤疤。中国实验室所使用的高档洗瓶机，都是来自德国美诺Miele。这家生产绝对高档的洗衣机厂家，其实同时也是商用硬洗（烧瓶等实验器皿）和软洗（纱布等织物）的全球领导者。一台洗瓶机的空间是越大越好吗？国内一些洗瓶厂家的空间往往可以一次清洗180个瓶子。这个数字往往是见缝插针而给出来的。而一家洗瓶机新秀北京白小白公司，则坚持只提供150个瓶子。这家公司是借助于跟大学的合作，通过复杂的流体力学建模过程，才发现了让水流冲洗整个流槽但压力保持不衰减的门道。当压力衰减的时候，最远端的瓶子就会无法保证同样的清洗效果。而这种压力均匀的清洗管理，决定了150个瓶子才是最佳策略。最后一点，同样是中国高端制造的通病，那就是贫瘠的供应链生态。仪器的供应链，如阀门可以由供应商提供。这应该是供应链公共品。企业不能自行制造零部件，这绝非高效率的生产体系。然而实际结果则证明，为分析仪器配套的供应链一直非常拉胯。做一个价值高但产量很低的小众市场，没有供应商愿意参与配套。三重四极杆质谱仪有个零部件是T型喷嘴的镍锥。当企业终于选择好4个9纯度镍合金之后，发现要找到合适的对镍材料进行机加工的单位，非常之难。谁也不愿意收到这样的订单：当企业费心千辛万苦而调试好机床准备加工的时候，发现订单上面需求数量是1个。即使可以加工，在疲劳测试过程中发现仪器的寿命，总是不如国外。又是一段漫长的参数修改和实验，最后发现99.99%的镍纯度是够用了，但镍的密度却达不到。然而，有色金属冶炼厂是无法为如此少量的需求而改造工艺，锻造出符合密度要求的新镍胚材料。高纯高密度的镍，就成了一道迈不过去的死结。对于上市公司北京安图的微生物质谱仪，2022年产量不到100台。如此小的产量，要想找到供应链实在是太难了。太低的产量会导致企业的学习曲线过于陡峭。成本与质量都难以保障。仪器仪表，虽然是中国高端制造必须攻克的巅峰产业，但它其实本身是一个落后的半自动化半手工业的时代。从科学家，到商业化，这中间的工程化过程，需要企业拥有强大的制造能力和健康的供应链公共品。而国内，恰好都不支持。工业化思维的高端作坊体系实验室很常见的液相色谱仪，主要是美国沃特世、安捷伦和日本岛津所主导。它有很多关键部件，其中之一就是柱塞泵。而凯氮分析仪，则需要隔膜泵。要做好隔膜泵，就需要很好的隔膜。隔膜谁来提供？这个简单的问题，决定了中国仪器的关键走向。由于仪器需求量很少，零部件的供应都高度垄断。中国分析仪器制造商处于一种“无米下炊”的局面，只能高价接受国外的部件。而如果进行规格修改，就会缺乏现成零部件。很难找到合格的供应商。大企业不伺候这些小订单，小企业则质量无法保障。国产的动力电池，为中国电动汽车的崛起提供了强大的支撑；国产的激光器，为中国激光切割设备，提供了最澎湃的国产动力；而分析仪器的供应链，还没有为国产仪器的崛起，做好准备。于是企业家必须开始自行建立制造能力。广州禾信开始花费大气力，突破制造技术。要想快速测出PM2.5颗粒物的粒径和成分，需要用一种空气动力学透镜组，将这些颗粒物进行加速、排队和聚焦，让分子们在赛道上奔跑。禾信需要制造这种类似“套筒透镜”的装置。外部是一个长30cm左右的管道，而管道内部则是6个逐级缩小的同轴透镜，就像插拔的钓鱼竿一样，精密配合组成。为了实现颗粒物在管道中心轴线上听话地排成一条直线队伍，管道内壁要实现镜面微米级加工精度，而同轴透镜内孔之间的同轴度，也要优于微米量级（百万分之一米）。这种高精度的加工和装配要求，对设备和人员是一个巨大的挑战，需要超高精密的车床对同轴透镜进行加工，并且需要高精密的组装、测量工装等设备来辅助安装，确保多节透镜装配到管道后，其中心轴像光线一样直，最终实现颗粒物在中心轴上的排队和聚焦。制造这种微米级精度要求的“套筒透镜”是一个难题，而如何检测这些内孔的同轴度，还需要禾信格外建立一套更高精密等级的检测实验室。这，就是人们在宏观尺寸里想玩转微观分子世界所要面临的制造挑战。同样，位于德州制造有机元素分析仪以及液相色谱仪的海能公司，要把分析仪器做好，也要成为一位制造大师。海能则决定克服隔膜的难关。隔膜看上去呆头呆脑，但制造非常不简单。它一头在化学液体中，面临腐蚀环境，需要用一种四氟的高硬材料。而另外一面则需要使用橡胶，需要有一定的弹性，用来承接电机产生动能。这就需要对四氟材料成分有清楚的认识——大量的实验测试来寻找最佳物性，四氟与橡胶的组合中间需要有良好的密封黏胶剂，还要涉及到橡胶的振动频率。四氟材料花样繁多，选择合适的成分比例是一个试错筛选的过程，这就是试错成本大坑。从坑里爬出来的过程，就是巨大的成本投入。海能公司需要集合各种力量，化学家、物理家、机械工程师要一起上场，才能组合出一个隔膜泵的隔膜。而如此关键的零部件，大概有数十个。看上去都是小玩意儿，但是每一个小玩意儿都需要对材料有深刻的认识，还要有物理系统、化学反应的系统性设计。最后进到了车间，各种工艺派上用场。精密加工需要用车削复合中心，加工铜、加工铝、加工钢、加工ABS塑料。而塑料部件需要注塑，电路板稳定需要贴片机。仪表外壳钣金要进行表面的精密成型，最后要有复杂的喷涂设备。当供应链不能有效支撑的时候，高端仪器的制造不得不进入到作坊体系。然而，这种尝试是值得的。小记：静心突围需要有更多的科技经费，投入到工程化而非原理化的创新。这些工程化课题的水平，不应该由同行评议的教授来决定，而是交由企业家来评价。而一个企业家，必须变成现场制造大师，才能真正地搞好科学仪器。分析仪器就像是一个艺术创作的行当。需要时间，才能沉淀出艺术大师和制造大师。那些卡住中国分析仪器脖子的，也并不完全都在于技术创新，很多突破口在于质量创新。如果能够平心静气地扭转质量这个牛鼻子，80%的卡脖子症状会自动消失。值此全球供应链大变局之际，分析仪器的破局之法，也是中国制造所要正视的挑战。

作者:Olivier Savard热分析提供了关于材料特性的基本信息，以及材料在现场的可能表现。这一点及其相对简单性，使得像差示扫描量热法（DSC）和热重分析法（TGA）这样的技术对于那些开发用于苛刻应用的新型材料的企业来说非常宝贵，例如药物和医疗器械。以下仅举10个示例说明热分析仪系列如何支持全球突破性的研究。1. LED散热器新材料的发展由于铝的成本低、重量轻，且其性能可通过改变成分来定制，因此聚合物复合散热器是铝的绝佳替代品。人们有意以此方式将石墨烯用作纳米填料，但是它的大表面积使得通过聚合物基质难以均匀分散。为了解决此问题，《Graphene-based thermoplastic composites and their application for LED thermal management》作者Cho等人正在试验石墨烯和聚合物之间的桥接材料，使用差示扫描量热仪来确定复合材料的热稳定性和转变温度。2. 开发具有特定表面特性的聚合物新材料研究的目标之一是创造高强度、低重量和良好热稳定性的材料。此类特性可通过蜂窝结构表现，目前的研究集中在创建具有功能化空腔的微图案化聚合物表面。控制颗粒在此类材料中的分布对于控制它们的特性至关重要。《Amino-functionalizedbreath-figure cavitiesinpolystyrene–alumina hybrid films: effect of particleconcentration and dispersion》的作者Lakshmi等人正在研究聚苯乙烯-氧化铝杂化膜。文中运用差示扫描量热同步重量分析仪来测定苯乙烯改性氧化铝颗粒的有机含量。3. 药物释放的水凝胶表征《Analysis of Water State and Gelation of Methylcellulose Thermo-reversible Hydrogels by Thermal Analysis and NMR》的作者Nishimoto等人一直在研究在制药应用中用作水凝胶的甲基纤维素（MC）。MC水凝胶的某些特性，如凝胶温度的变化，会影响药物的释放。本研究中用差示扫描量热仪来评估MC和聚乙二醇添加剂之间的相互作用。4. 测定合成材料的基本热性质只要热行为是新型合成材料研究的关键部分，热分析即对表征热性质至关重要。例如，《Designing the thermal behaviour of aqueous biphasic systems composed of ammonium-based zwitterions》的作者Ferreira等人一直致力于设计铵基两性离子（ZIs）的热行为。差示扫描量热仪在确定ZIs的基本热性质（包括分解温度）方面发挥了很大作用。5. 壳聚糖接枝苯乙烯工艺的优化开发新型聚合物材料面临的挑战通常是获得合适的特性，在这种情况下，壳聚糖的表面特性通过在其上接枝苯乙烯来改性。对所得材料的表征进行了深入研究，并且热分析在确定共聚物材料所得的热稳定性方面发挥了作用。本研究《Amino-functionalized breath-figure cavities in polystyrene–alumina hybrid films: effect of particle concentration and dispersion》使用了差示扫描量热仪。6. 研究潜在聚变能材料的热性质钛酸锂被视为一种可提供聚变能反应堆所需的氚的潜在材料。钛酸锂通过碳酸锂和二氧化钛之间的反应产生，《Investigating thermal and kinetic parameters of lithium titanate》的作者Sharma和Uniyal对这一反应进行了研究。热重分析（TG）用于全面理解该反应中涉及的动力学机制，用于该研究的热分析仪器为差示扫描量热同步重量分析仪。7. 研究超薄材料的热性质如何变化随着材料变得越来越小，其性能越来越依赖于表面特性，而不是体积特性。这项研究（由《Morphology and phase transitions of n-alkyl alcohol microcrystals》的作者Iwasa等人完成）结合了差示扫描量热法和原子力显微镜来了解表面特性对n-烷基醇微晶相变行为的影响。8. 曝光后药物有效性分析一些药物在光照下会降解。《Photodegradation assessment of ciprofloxacin, moxifloxacin, norfloxacin and ofloxacin in the presence of excipients from tablets by UPLC-MS/MS and DSC》的作者Hubicka等人的这项研究集中于氟喹诺酮类抗菌药物的有效性。此类材料会产生光降解，这将降低其抗菌效果，并可能导致副作用。结合UPLC-MS/MS方法，运用差示扫描量热仪来比较辐照前后的样品。9. 了解片剂中的药物释放和溶出度片剂药物在体内的溶解方式是药物研究的一个重要部分。在这项研究中，《The DSC approach to study non-freezing water contents of hydrated hydroxypropylcellulose (HPC)》的作者Talik和Hubicka研究了水合羟丙基纤维素（HPC）的非冷冻水含量，以更好地了解不同溶解度的化合物和不同分子量和黏度的HPC的药物释放。用于研究的热分析仪为差示扫描量热仪。10. 影响材料多晶型转变温度的因素研究多晶型物质可以从一种晶体结构转变为另一种晶体结构。《Tunable Polymorphic Transformation Temperature》的作者Yokata等人研究了三联吡啶（terpy）的多晶型效应，发现转变温度可调，具体取决于起始晶体的研磨水平。研究中运用差示扫描量热仪测定不同条件下的转变温度。

2013年3月，上海 GE 分析仪器于3月正式启动总有机碳TOC分析仪换购项目，在活动期间换购GE TOC分析仪，能享受24%的优惠折扣，并有免费仪器配件或标准品相赠，活动时间截止至2013年12月31日。 在90年代和20世纪初，老一代GE 800/400/PPT系列总有机碳TOC分析仪曾是GE分析仪器最为热销的产品，服务着全球各行业的客户。随着GE分析仪器对研发的大力投入，越来越多分析性能更好，使用更方便的新产品推出市场, 例如GE 900/500/CheckPoint系列TOC分析仪，这些新一代产品能更好地满足客户的各种测试需求，替换渐渐退出舞台的老一代型号的TOC仪。 为了让更多客户体验GE TOC检测新技术，GE分析仪器启动了这项换购活动：GE 800系列和400系列TOC分析仪的用户，能以优惠价格分别换购Sievers 900 系列和500 RL系列产品。对于其他有意愿更换现有TOC分析仪的客户，GE也提供其他换购项目。活动期间，客户在享受优惠换购价格同时，还能免费获赠TOC标准品套装、3Q认证文件或UV灯等产品。欲了解更多信息，访问cn.geinstruments.com 或拨打800-915-9966咨询。