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落后20年
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中國科學儀器，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，沒有一家中國企業入列。而在頭十家名單之中，六家企業是美國。美國的科學儀器，展現了跟半導體芯片一樣強大的實力。全球近6000億美元的半導體收入，美國公司的銷售額占據近一半。如果說芯片反映了美國構建全球化底層基石的商業廣泛性，那么科學儀器則真實地代表了美國的科研水平。
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科學儀器里的一個重要分支是實驗室分析儀器，它是科學家洞察世界奧秘的最高能力，也是研發人員開發新產品的重要武器。全球實驗分析儀器行業大約有700億美金的規模，而中國市場總量僅占全球的7%。在中國消費的所有產品中，分析儀器是少數在全球使用占比墊底的高科技產業。相比于中國芯片消費量占據全球的54%，分析儀器的消費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重不足的國家。
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對于分析儀器而言，用于稱量分子重量的質譜儀，是皇冠上的明亮光環。它的發展，與科學家的成就密切相關。近百年來，有10個科學家因為質譜儀相關的原理而獲得諾貝爾獎。質譜儀在上個世紀50年代就已經開始商業化，進入石油成分的檢測。而在七十年后的今天，推動它繼續寶刀不老的則是生物醫藥的巨大需求。
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正是這種不斷進化的能力，使得它成為引領分析儀器行業的龍頭。在它身上，可以看到產品演化的痕跡。質譜儀的頂級標桿是丹納赫旗下的AB Sciex。不用說，創始人本人也是科學家。在分析儀器領域，科學家與企業家的合體現象非常普遍。科學與商業成功聯姻，是這個行業非常成熟的一種模式。
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AB Sciex在1981年就將四極桿質譜儀商業化，這成為今后最經典的一個系列。全球幾乎所有質譜儀廠家的標桿，包括美國賽默飛、安捷倫和日本島津，在這類產品上，都在向它對齊。
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國內質譜儀目前能達到的成熟水平，剛好趕上AB Sciex在10年前推出的4500系列。而現在它已經推出了7500。這個產品編號，清晰地標定了中國質譜儀跟國外產品的差距。這還只是性能參數的差異性，如果考慮到軟件、數據庫和可靠性，這個距離就會拉長到15到20年。
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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。在國內用量最大的實驗室分析儀器中，質譜儀和以色譜法分析技術的色譜儀的國產化率不超過個位數。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，國產化率則是零。
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中國科學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口儀器的局面之上。
分析儀器的難點
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最近兩年，科學儀器已經引起整個社會的高度重視。但當資本大量涌進來的時候，也難免會感到失望。這個產業體量太小，似乎難以挑起大梁。
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這個行業實在太小，分析儀器在中國市場近400億人民幣。這樣的總產值，又被近二十個不同類別的儀器來瓜分。質譜儀已經算大塊頭了，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，又會有很多細分的技術支流。如果一個企業只做一種產品，注定銷售額很難做大。
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除了產業規模之外，這個產業也有著自身特有的難點。
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人們日常接觸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，這是小數點后面帶有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。這家公司在中國也有生產基地，但精度只有萬分之一級。
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質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，測出物質的各種組成成分。例如PM2.5到底包含哪些顆粒。
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類似的分析儀器長期處于進口壟斷的局面。中國進入質譜儀的時間，其實是非常短暫的。當年傳統儀器的老家底，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化應用的樣機。時至今日，可以看到除了脫胎于當年冶金部的鋼研納克公司，其它基本都是民營企業在攻堅。2006年，北京東西分析儀器算是推出了第一臺商業化四極桿氣質聯用儀。陸陸續續，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的天津智譜，正在這個領域進行各自的耕耘。但目前基本還是聚集在三種精度等級中低端類型的質譜儀。而對于高端的離子阱質譜儀，或者是更高級的傅里葉變換質譜儀，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品，可以進行對標。
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這個領域看似狹窄，但其實也是頂天立地之行業。既面向科研院所的科學家、面向企業研發人員，也面向第三方檢測機構的檢驗員。而很多事情，跟老百姓也有關系。除了測試環境成分，在半導體領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”的成分和數量，就要靠質譜儀的火眼金睛了。它需要面對的濃度是小數點后面10個零。
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所有研發的活動里，有一大半都會跟化學檢測有關。質譜儀就是化學檢測的終極手段。人們需要間接地偵查到，一個微環境下，有哪些分子，有多大的量。
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人們是在用這種儀器，跟分子進行對話。
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奇怪的是，這種設備的制造，表面看上去卻很簡單。
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質譜儀設備的零部件，有上千個。通過購買零部件的方式進行組裝，完成一臺機器并不復雜。這就是為什么在當前資本的加持下，國內質譜儀企業居然有六十多家，這種現象并非正常。在全球高度壟斷的質譜儀行業市場里，只有五家頂級的質譜儀。即使放大到整個科學儀器行業，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，很難想象小企業是如何存活下來，如何攻克技術難關。
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看上去，科學儀器的零部件并不是最主要的問題。除了激光器、真空泵、高速數據采集卡、離子探針等要進口，大部分零件都可以逆向工程破解其中之道。實際上在中國的科學儀器界，存在著一種“半國產”的現象。一些跨國品牌會向國內合作伙伴，開放供應鏈環節，提供電路板等核心零部件，支持國產裝配商形成自己的品牌。在石油、天然氣行業，安捷倫會扶持不同的渠道商，開發“國產品牌”的在線工業色譜分析儀、可揮發性氣體分析儀等產品。這些渠道商往往在三桶油行業有著深厚的商業基礎。實際上，安捷倫也通過這種本土化的方式，擠壓包括日本島津在內的競爭對手。
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然而，機器組裝看上去并不復雜。但真正具有挑戰性的，是如何讓這臺儀器穩定工作？
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這正是科學儀器最難的地方。這里面有很多工藝是近乎老師傅的經驗。它涉及到各個領域：物理、化學、真空、機械、電子、軟件、自動化的綜合協調。
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分析儀器都具備這種特點，它是一個綜合學科相互妥協的藝術。而這種妥協，正是科學家與工程師的最高智慧交融之地。
四大貧瘠阻隔突破
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擁有高度壟斷地位的美國科學儀器，得益于已經非常成熟的產業形態。在這里，科學家與職業經理人、全球市場和成熟資本，形成了穩定的四合一局面。科學儀器的起源，很容易找到大學科研的影子。而要成功商業化，則需要諸多因素的配合。
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就質譜儀而言，廣州禾信創始人源自廈門大學的科學儀器工程系。而天津智譜的創始人團隊來自天津大學精儀學院，而它的首席科學家則是天津大學多年研究質譜儀的資深學者。天津大學和廈門大學是國內最早設立分析儀器專業的兩家大學，這正是“北天大、南廈大“的由來。而國內質譜儀的頂梁柱之一的北京萊伯泰科的創始人，則是開創質譜儀一種技術流派的美國教授的弟子。
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然而，中國學者的創業注定需要先趟過一條艱苦的工程化之路，這里需要補齊的短板實在太多。四大貧瘠之地，限制了高端儀器的發展。
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首先是貧瘠的用戶奶水。工業化產品的進步，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會的。搞基礎課題研究的學者，非常依賴工具的先進性。電子顯微鏡多放大一倍，就能多發現一點奧秘。這意味著儀器國產化的首批用戶，往往不能依靠一流的科學家。
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其次是貧瘠的學術氛圍。對于研究分子結構的拉曼光譜儀，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。而拉曼光譜最早發現的幾乎是100年前。很多分析儀器的原理，都有著如此古老的淵源。在這些領域，已經被寫過無數篇論文。就像是被無數人挖過的礦藏現場，沒有多少學術“油水”。對于這種“論文飽和區”，要想搞出高引用因子的SCI文章，是非常困難的。于是，很多大學教授會避開這些領域的研究。然而，對于中國制造而言，這些貧瘠的學術化領域，正是豐富的工程化寶地。這里并不需要太多的創新，而更需要工程化的深挖和復耕。然而，如果科技部門的課題導向仍然以論文發布為導向，那么基礎研究與商業化應用之間的橋梁，就會遲遲無法建立。
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第三是貧瘠的質量體系。中國有一條“創新鄙視鏈”，過分看重“技術創新”，而對“質量突破”熟視無睹。實際上，儀器制造界中，人們尚不清楚，如何才能建立完整的質量體系。
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面向醫療領域的儀器儀表，有ISO13485這種醫療器械質量管理體系進行管理。然而這種國標體系，只是一個基礎及格線的保障，它對行業的根本性突破幾乎不起作用。中國儀器最大的困惑是，不清楚哪些參數重要、哪些參數不重要。質譜儀的一個重要參數就是質量與電荷之比的質量范圍。當一臺四極桿質譜儀的質量范圍忽而是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，它出現在什么位置，電子裝置還是機械裝置？
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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傷，并非質譜儀所獨有的傷疤。中國實驗室所使用的高檔洗瓶機，都是來自德國美諾Miele。這家生產絕對高檔的洗衣機廠家，其實同時也是商用硬洗（燒瓶等實驗器皿）和軟洗（紗布等織物）的全球領導者。一臺洗瓶機的空間是越大越好嗎？國內一些洗瓶廠家的空間往往可以一次清洗180個瓶子。這個數字往往是見縫插針而給出來的。而一家洗瓶機新秀北京白小白公司，則堅持只提供150個瓶子。這家公司是借助于跟大學的合作，通過復雜的流體力學建模過程，才發現了讓水流沖洗整個流槽但壓力保持不衰減的門道。當壓力衰減的時候，最遠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。
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最后一點，同樣是中國高端制造的通病，那就是貧瘠的供應鏈生態。儀器的供應鏈，如閥門可以由供應商提供。這應該是供應鏈公共品。企業不能自行制造零部件，這絕非高效率的生產體系。
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然而實際結果則證明，為分析儀器配套的供應鏈一直非常拉胯。做一個價值高但產量很低的小眾市場，沒有供應商愿意參與配套。三重四極桿質譜儀有個零部件是T型噴嘴的鎳錐。當企業終于選擇好4個9純度鎳合金之后，發現要找到合適的對鎳材料進行機加工的單位，非常之難。誰也不愿意收到這樣的訂單：當企業費心千辛萬苦而調試好機床準備加工的時候，發現訂單上面需求數量是1個。即使可以加工，在疲勞測試過程中發現儀器的壽命，總是不如國外。又是一段漫長的參數修改和實驗，最后發現99.99%的鎳純度是夠用了，但鎳的密度卻達不到。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。
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對于上市公司北京安圖的微生物質譜儀，2022年產量不到100臺。如此小的產量，要想找到供應鏈實在是太難了。太低的產量會導致企業的學習曲線過于陡峭。成本與質量都難以保障。儀器儀表，雖然是中國高端制造必須攻克的巔峰產業，但它其實本身是一個落后的半自動化半手工業的時代。
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從科學家，到商業化，這中間的工程化過程，需要企業擁有強大的制造能力和健康的供應鏈公共品。而國內，恰好都不支持。
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工業化思維的高端作坊體系
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實驗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。它有很多關鍵部件，其中之一就是隔膜泵。而要做好隔膜泵，就需要很好的隔膜。
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隔膜誰來提供？
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這個簡單的問題，決定了中國儀器的關鍵走向。
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由于儀器需求量很少，零部件的供應都高度壟斷。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。而如果進行規格修改，就會缺乏現成零部件。很難找到合格的供應商。大企業不伺候這些小訂單，小企業則質量無法保障。
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國產的動力電池，為中國電動汽車的崛起提供了強大的支撐；
國產的激光器，為中國激光切割設備，提供了最澎湃的國產動力；
而分析儀器的供應鏈，還沒有為國產儀器的崛起，做好準備。
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于是企業家必須開始自行建立制造能力。廣州禾信開始花費大氣力，突破制造技術。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透鏡組，將這些顆粒物進行加速、排隊和聚焦，讓分子們在賽道上奔跑。
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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。為了實現顆粒物在管道中心軸線上聽話地排成一條直線隊伍，管道內壁要實現鏡面微米級加工精度，而同軸透鏡內孔之間的同軸度，也要優于微米量級（百萬分之一米）。這種高精度的加工和裝配要求，對設備和人員是一個巨大的挑戰，需要超高精密的車床對同軸透鏡進行加工，并且需要高精密的組裝、測量工裝等設備來輔助安裝，確保多節透鏡裝配到管道后，其中心軸像光線一樣直，最終實現顆粒物在中心軸上的排隊和聚焦。
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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驗室。
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這，就是人們在宏觀尺寸里想玩轉微觀分子世界所要面臨的制造挑戰。同樣，位于德州制造有機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。
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海能旗下的悟空，則決定克服隔膜的難關。隔膜看上去呆頭呆腦，但制造非常不簡單。它一頭在化學液體中，面臨腐蝕環境，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，用來承接電機產生動能。這就需要對四氟材料成分有清楚的認識——大量的實驗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。
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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，化學家、物理家、機械工程師要一起上場，才能組合出一個隔膜泵的隔膜。
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而如此關鍵的零部件，大概有數十個。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識，還要有物理系統、化學反應的系統性設計。最后進到了車間，各種工藝派上用場。精密加工需要用車削復合中心，加工銅、加工鋁、加工鋼、加工ABS塑料。而塑料部件需要注塑，電路板穩定需要貼片機。儀表外殼鈑金要進行表面的精密成型，最后要有復雜的噴涂設備。
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當供應鏈不能有效支撐的時候，高端儀器的制造不得不進入到作坊體系。然而，這種嘗試是值得的。
小記：靜心突圍
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需要有更多的科技經費，投入到工程化而非原理化的創新。這些工程化課題的水平，不應該由同行評議的教授來決定，而是交由企業家來評價。而一個企業家，必須變成現場制造大師，才能真正地搞好科學儀器。分析儀器就像是一個藝術創作的行當。需要時間，才能沉淀出藝術大師和制造大師。那些卡住中國分析儀器脖子的，也并不完全都在于技術創新，很多突破口在于質量創新。如果能夠平心靜氣地扭轉質量這個牛鼻子，80%的卡脖子癥狀會自動消失。
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值此全球供應鏈大變局之際，分析儀器的破局之法，也是中國制造所要正視的挑戰。
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林雪萍：北京聯訊動力咨詢公司總經理，天津大學精儀學院兼職教授
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