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样品前处理——实验室仪器领域的新宠
2019/12/02来源:分析仪器分会阅读:70 次

  样品前处理—实验室仪器领域的新宠

  从本世纪初开始随着全球经济一体化进程的推进,国民经济随之驶入迅速增长的快车道,各行业对不同产品的需求持续增加,工业尤其是加工制造业呈现出一派遍地开花的盛景,然而经济快速增长的同时产能过剩、资源浪费、环境污染等一系列社会问题接踵而至,并日渐成为制约经济健康发展的重要因素。近些年,随着 “经济结构转型升级”、“供给侧结构性改革”、“绿水青山就是金山银山”等大的方针政策的提出,经济增长模式逐渐从粗放式向集约式过渡,各类社会问题正逐步得到改善。

  这些经济问题社会问题反映到实验室仪器仪表领域,呈现出行业整体需求快速增长—增速放缓—快速增长—增速放缓的周期性规律变化。中国进入世界经济体之初,各项建设蓬勃发展,底子薄弱的基础科研对实验室仪器的需求开始增长,而国内技术落后的实验室条件无法满足科研工作的需求,进口仪器设备不断涌入中国市场,并在此后的二十年牢牢占据国内实验室高端仪器市场;此后,基础科研实验室建设逐步趋于完善,国内市场对高端实验室仪器的需求增速放缓,此时国内仪器设备制造商在市场红利下开始迅猛发展,涌现出一批知名国产仪器厂商。近几年,随着食品安全、环境污染问题的日益突出,各类检测机构如雨后春笋蓬勃发展,检测市场的繁荣带动了实验室仪器需求的又一次快速增长,此时市场选择和政策导向使得实验室仪器设备市场格局发生改变,部分实验室检测仪器及设备被日趋成熟的国产设备所代替。近两年,受整体经济增速放缓、政府采购疲软、二手和租赁市场发展等众多因素的影响,实验室仪器市场年增速呈下行趋势。然而在整体需求萎靡的环境下,智能化、自动化、高效化的实验室仪器设备越来越受到市场追捧,实验室仪器设备的升级换代成为行业共识。

  其中样品前处理设备的市场表现尤为抢眼,常年保持高于行业整体增长水平的态势,且这一增长主要来自于国内仪器厂商,这其中有技术固有因素也有市场发展因素。传统的理化分析实验,样品前处理步骤繁琐,各步骤间连续性不强,前处理所耗费的时间占整个分析过程的60%—70%,而且实验结果的准确性和平行性往往依靠实验人员的操作习惯和技术熟练性,不同实验人员间实验结果存在较大系统误差。目前,实验室分析仪器已经发展到了高度自动化阶段,且高灵敏度的分析仪器对样品的纯净度要求越来越高,而前处理设备却仍停留在传统的手动或半自动时代,样品处理效率及效果很难与高度自动化的分析仪器同步,这严重制约了实验室分析技术的发展。基于此,国内各大仪器设备厂商开始在样品前处理设备领域发力,来解决这一矛盾,先后涌现出莱伯泰科、普立泰科、屹尧等一批样品前处理仪器设备厂商,样品前处理也逐渐成为理化分析实验领域的一个重要研究分支;而国际上实验室仪器行业巨头大多将精力放在了附加值较高的质谱类高端设备的研发生产中,放弃了利润值较低的前处理设备,这给国内仪器厂商快速发展并抢占该细分领域市场制造了良好时机。国产样品前处理设备发展越来越精细,越来越高端,越来越智能。

  显然,样品前处理实现自动化、智能化所带来的优势众多,它既能显著减少人工成本,降低人为误差,还能有效降低操作人员暴露在危险化学品中的风险,同时也能控制好溶剂和强酸等化学品用量和排放量,有利于降低环境污染的风险;此外,拥有强大的软件操作系统是自动化样品前处理设备的另一大优势,操作者借助软件的辅助功能,可实现样品图形化、可视化管理,并可实现处理方法灵活设置,不同方法可随时保存调用,简单操作软件便可完成以往高强度、高危性的样品前处理工作。技术端的升级需求,导致市场对自动化样品前处理设备需求旺盛,越来越多的实验室渴望改变样品前处理手段落后的现状,自动化、智能化甚至定制化的样品前处理产品成为市场追捧的“香饽饽”。

  与检测技术相比样品前处理方法的选择是一个更为复杂的系统工程。一般认为有机样品前处理方法涉及:萃取、净化、浓缩等,无机样品前处理方法涉及:消解、灰化、熔融等;与之相关联的全自动实验室设备在有机领域有:全自动固相萃取系统,全自动GPC凝胶净化系统,自动化浓缩系统,全自动快速溶剂萃取系统等,在无机领域则主要有自动电热消解仪和微波消解仪。根据对国内招标网和采购市场的不完全统计,上述产品市场规模在14亿元以上,且市场需求在逐年增长,产品的增长主要动力来自分析测试能力建设要求的提高,以及从手工操作向自动化操作转变所带来的产品换代。随着政府购买检测服务政策的普及,第三方检测市场成为未来拉动实验室仪器市场的又一主力,追求“高效”成为这类企业的生存之道,实现样品前处理自动化则是实现检测“高效”的重要一环。而传统的政府、高校、科研机构市场由于检测仪器配备相对成熟,自动化前处理设备也将成为这些单位设备采购优先考虑的方面。

  样品前处理市场前景广阔加之低端产品技术门槛不高,国内众多仪器厂商纷纷向前处理设备发力,市场竞争越发激烈,而高端样品前处理设备需要厂商具备较强技术实力,市场竞争压力较小。从长远看,未来前处理设备将沿着多维先进技术方向发展,大致涵盖以下方向:(1)沿着分析测试流程整合更多的产品,提高产品功能和档次;(2)总结国内近十年实验室自动化产品的设计经验,提高自动化产品的适用性,改善用户体验;(3)推进新型技术的产品化,创新性地研发新型产品,扩展现有市场;(4)从“绿色化学”的角度研发新型实验室设备。

  此外,分析仪器及样品前处理产品领域的快速发展带动了相关实验室设备的发展,如实验室分析活动中常用到的加热和冷却设备,以水循环冷却恒温器为例,据估计该产品的国内市场容量在20,000万元左右,每年的市场需求在20,000台以上,随着国内实验室建设标准和下游用户体验要求的不断提高,这类产品的技术水平也将随行业标准的提高而显著改善。

  冷却产品主要是为实验或仪器提供低温恒温条件,目前该产品的发展主要呈现以下趋势:(1)高能效性,高能效一方面要求传热、换热和热隔离设计要好,并减少能量损耗,另一方面要求产品功率规格丰富,能很好地匹配下游用户的需求;(2)温度可控性,普通冷却设备要求温度波动在±1°C范围内,高恒温性能仪器则要求温控范围在±0.1°C内,甚至更低,此外,开放冷却时要有合理的水流(以水作为载冷剂)分配;(3)耐用性,由于绝大部分致冷产品中有压缩机、水泵和电磁阀,三者均为机械运动件,因此耐用性是产品技术的重要基础和保障;(4)低噪音性,同样由于有机械运动部件,对致冷过程中的噪音需要控制好,做好减震设计;(5)易维护性,换热器表面、水箱等处必须易于清理。

  而加热产品主要为实验提供高温恒温条件,目前的技术趋势有:(1)安全性,由于加热温度常高于60°C,最高可达450°C,因此产品设计必须考虑防火因素,同时应充分提示用户防止烫伤;(2)温度可控性,一方面,温度波动应足够小,另一方面,温度升高的过程可由程序控制,即程序升温;(3)温度均匀性,由于加热为固体传热,加热体表面温度的均匀性非常重要,以免不同位置加热效果不一致,影响实验结果;(4)温度范围宽,加热温度可高达450°C,因此加热体材质(主要性质有耐温和导热)非常关键;(5)耐腐性,实验室需要加热的情况中常常用到强酸和强氧化剂,这就要求产品整体设计要能耐受或避免化学腐蚀;(6)自动化,特别是对化学接触风险较大的实验,自动化设计可显著降低化学接触风险,同时与人工相比还提高了操作的可重复性。

  据SDI报告显示2018年全球科学仪器市场容量约为620美元,中国市场约占全球市场的15%将近100亿美元,而样品前处理设备所占比重少之又少,但技术端和市场端需求旺盛,未来成长空间巨大。随着国家产业政策的支持、下游行业需求的增加、行业标准的提高,样品前处理及其他实验室仪器设备市场容量会进一步加大,未来必将迎来新一轮的增长。


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