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樣品前處理——實驗室儀器領域的新寵
2019/12/02來源:分析儀器分會閱讀:125 次

  樣品前處理—實驗室儀器領域的新寵

  從本世紀初開始隨著全球經濟一體化進程的推進,國民經濟隨之駛入迅速增長的快車道,各行業對不同產品的需求持續增加,工業尤其是加工制造業呈現出一派遍地開花的盛景,然而經濟快速增長的同時產能過剩、資源浪費、環境污染等一系列社會問題接踵而至,并日漸成為制約經濟健康發展的重要因素。近些年,隨著 “經濟結構轉型升級”、“供給側結構性改革”、“綠水青山就是金山銀山”等大的方針政策的提出,經濟增長模式逐漸從粗放式向集約式過渡,各類社會問題正逐步得到改善。

  這些經濟問題社會問題反映到實驗室儀器儀表領域,呈現出行業整體需求快速增長—增速放緩—快速增長—增速放緩的周期性規律變化。中國進入世界經濟體之初,各項建設蓬勃發展,底子薄弱的基礎科研對實驗室儀器的需求開始增長,而國內技術落后的實驗室條件無法滿足科研工作的需求,進口儀器設備不斷涌入中國市場,并在此后的二十年牢牢占據國內實驗室高端儀器市場;此后,基礎科研實驗室建設逐步趨于完善,國內市場對高端實驗室儀器的需求增速放緩,此時國內儀器設備制造商在市場紅利下開始迅猛發展,涌現出一批知名國產儀器廠商。近幾年,隨著食品安全、環境污染問題的日益突出,各類檢測機構如雨后春筍蓬勃發展,檢測市場的繁榮帶動了實驗室儀器需求的又一次快速增長,此時市場選擇和政策導向使得實驗室儀器設備市場格局發生改變,部分實驗室檢測儀器及設備被日趨成熟的國產設備所代替。近兩年,受整體經濟增速放緩、政府采購疲軟、二手和租賃市場發展等眾多因素的影響,實驗室儀器市場年增速呈下行趨勢。然而在整體需求萎靡的環境下,智能化、自動化、高效化的實驗室儀器設備越來越受到市場追捧,實驗室儀器設備的升級換代成為行業共識。

  其中樣品前處理設備的市場表現尤為搶眼,常年保持高于行業整體增長水平的態勢,且這一增長主要來自于國內儀器廠商,這其中有技術固有因素也有市場發展因素。傳統的理化分析實驗,樣品前處理步驟繁瑣,各步驟間連續性不強,前處理所耗費的時間占整個分析過程的60%—70%,而且實驗結果的準確性和平行性往往依靠實驗人員的操作習慣和技術熟練性,不同實驗人員間實驗結果存在較大系統誤差。目前,實驗室分析儀器已經發展到了高度自動化階段,且高靈敏度的分析儀器對樣品的純凈度要求越來越高,而前處理設備卻仍停留在傳統的手動或半自動時代,樣品處理效率及效果很難與高度自動化的分析儀器同步,這嚴重制約了實驗室分析技術的發展?;诖?,國內各大儀器設備廠商開始在樣品前處理設備領域發力,來解決這一矛盾,先后涌現出萊伯泰科、普立泰科、屹堯等一批樣品前處理儀器設備廠商,樣品前處理也逐漸成為理化分析實驗領域的一個重要研究分支;而國際上實驗室儀器行業巨頭大多將精力放在了附加值較高的質譜類高端設備的研發生產中,放棄了利潤值較低的前處理設備,這給國內儀器廠商快速發展并搶占該細分領域市場制造了良好時機。國產樣品前處理設備發展越來越精細,越來越高端,越來越智能。

  顯然,樣品前處理實現自動化、智能化所帶來的優勢眾多,它既能顯著減少人工成本,降低人為誤差,還能有效降低操作人員暴露在危險化學品中的風險,同時也能控制好溶劑和強酸等化學品用量和排放量,有利于降低環境污染的風險;此外,擁有強大的軟件操作系統是自動化樣品前處理設備的另一大優勢,操作者借助軟件的輔助功能,可實現樣品圖形化、可視化管理,并可實現處理方法靈活設置,不同方法可隨時保存調用,簡單操作軟件便可完成以往高強度、高危性的樣品前處理工作。技術端的升級需求,導致市場對自動化樣品前處理設備需求旺盛,越來越多的實驗室渴望改變樣品前處理手段落后的現狀,自動化、智能化甚至定制化的樣品前處理產品成為市場追捧的“香餑餑”。

  與檢測技術相比樣品前處理方法的選擇是一個更為復雜的系統工程。一般認為有機樣品前處理方法涉及:萃取、凈化、濃縮等,無機樣品前處理方法涉及:消解、灰化、熔融等;與之相關聯的全自動實驗室設備在有機領域有:全自動固相萃取系統,全自動GPC凝膠凈化系統,自動化濃縮系統,全自動快速溶劑萃取系統等,在無機領域則主要有自動電熱消解儀和微波消解儀。根據對國內招標網和采購市場的不完全統計,上述產品市場規模在14億元以上,且市場需求在逐年增長,產品的增長主要動力來自分析測試能力建設要求的提高,以及從手工操作向自動化操作轉變所帶來的產品換代。隨著政府購買檢測服務政策的普及,第三方檢測市場成為未來拉動實驗室儀器市場的又一主力,追求“高效”成為這類企業的生存之道,實現樣品前處理自動化則是實現檢測“高效”的重要一環。而傳統的政府、高校、科研機構市場由于檢測儀器配備相對成熟,自動化前處理設備也將成為這些單位設備采購優先考慮的方面。

  樣品前處理市場前景廣闊加之低端產品技術門檻不高,國內眾多儀器廠商紛紛向前處理設備發力,市場競爭越發激烈,而高端樣品前處理設備需要廠商具備較強技術實力,市場競爭壓力較小。從長遠看,未來前處理設備將沿著多維先進技術方向發展,大致涵蓋以下方向:(1)沿著分析測試流程整合更多的產品,提高產品功能和檔次;(2)總結國內近十年實驗室自動化產品的設計經驗,提高自動化產品的適用性,改善用戶體驗;(3)推進新型技術的產品化,創新性地研發新型產品,擴展現有市場;(4)從“綠色化學”的角度研發新型實驗室設備。

  此外,分析儀器及樣品前處理產品領域的快速發展帶動了相關實驗室設備的發展,如實驗室分析活動中常用到的加熱和冷卻設備,以水循環冷卻恒溫器為例,據估計該產品的國內市場容量在20,000萬元左右,每年的市場需求在20,000臺以上,隨著國內實驗室建設標準和下游用戶體驗要求的不斷提高,這類產品的技術水平也將隨行業標準的提高而顯著改善。

  冷卻產品主要是為實驗或儀器提供低溫恒溫條件,目前該產品的發展主要呈現以下趨勢:(1)高能效性,高能效一方面要求傳熱、換熱和熱隔離設計要好,并減少能量損耗,另一方面要求產品功率規格豐富,能很好地匹配下游用戶的需求;(2)溫度可控性,普通冷卻設備要求溫度波動在±1°C范圍內,高恒溫性能儀器則要求溫控范圍在±0.1°C內,甚至更低,此外,開放冷卻時要有合理的水流(以水作為載冷劑)分配;(3)耐用性,由于絕大部分致冷產品中有壓縮機、水泵和電磁閥,三者均為機械運動件,因此耐用性是產品技術的重要基礎和保障;(4)低噪音性,同樣由于有機械運動部件,對致冷過程中的噪音需要控制好,做好減震設計;(5)易維護性,換熱器表面、水箱等處必須易于清理。

  而加熱產品主要為實驗提供高溫恒溫條件,目前的技術趨勢有:(1)安全性,由于加熱溫度常高于60°C,最高可達450°C,因此產品設計必須考慮防火因素,同時應充分提示用戶防止燙傷;(2)溫度可控性,一方面,溫度波動應足夠小,另一方面,溫度升高的過程可由程序控制,即程序升溫;(3)溫度均勻性,由于加熱為固體傳熱,加熱體表面溫度的均勻性非常重要,以免不同位置加熱效果不一致,影響實驗結果;(4)溫度范圍寬,加熱溫度可高達450°C,因此加熱體材質(主要性質有耐溫和導熱)非常關鍵;(5)耐腐性,實驗室需要加熱的情況中常常用到強酸和強氧化劑,這就要求產品整體設計要能耐受或避免化學腐蝕;(6)自動化,特別是對化學接觸風險較大的實驗,自動化設計可顯著降低化學接觸風險,同時與人工相比還提高了操作的可重復性。

  據SDI報告顯示2018年全球科學儀器市場容量約為620美元,中國市場約占全球市場的15%將近100億美元,而樣品前處理設備所占比重少之又少,但技術端和市場端需求旺盛,未來成長空間巨大。隨著國家產業政策的支持、下游行業需求的增加、行業標準的提高,樣品前處理及其他實驗室儀器設備市場容量會進一步加大,未來必將迎來新一輪的增長。


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