企谱分析

玫瑰、巧克力、烛光......　　一个最浪漫的七夕，　　我们用TI DLP NIRscanTM Nano EVM　　为你挑选最佳巧克力。　　看高科技如何证明你的爱!　　没有什么比七夕给爱人送巧克力更甜蜜了，但如何为对方挑选有着适当比例的可可和糖分的巧克力可是个“技术活。”照片1：“执行任务中”的DLP NIRscan Nano EVM.　　在TI DLP产品事业部，我们决定利用DLP NIRscan Nano 评估模块(EVM)来挑战这个“甜蜜难题”。我们将未鉴定的巧克力样本扫描，将其与资料库中已知的牛奶巧克力以及含有70%可可和85%可可的黑巧克力进行对比。　　基于资料库中已知的巧克力信息，我们有以下发现：　　 含有70%可可的黑巧克力=约27.5%糖分　　 含有85%可可的黑巧克力=约12.5%糖分　　 牛奶巧克力=约52.4%糖分　　DLP NIRscan Nano EVM对900-1,700纳米的波长范围进行了优化，并且能够带来6,000:1的信噪比(SNR)。以下图标内显示的结果直接取自EVM内的图形用户界面(GUI)。我们观察了这个波长范围内的三种不同的巧克力的吸收程度。当与资料库中的吸收范围进行对比时，我们即可分辨出70%可可的黑巧克力、85%可可黑巧克力和牛奶巧克力。照片2：此GUI的屏幕截图显示出三种不同巧克力所测出的吸收程度　　远不止一盒巧克力　　当然，NIRscan Nano EVM可以帮助测定的可不止糖分。　　EVM是一款评估工具以帮助开发者迅速利用DLP芯片设计光谱仪和化学分析仪。该工具采用DLP技术，并连同单点InGaAs检测器，以便在便携式应用中提供高性能测量，这种便携式系统的价格更加亲民。而宽近红外光窗口投射则让其在一系列诸如农业、石油化工和医疗保健领域的应用变得更有价值。　　EVM可通过USB或电池充电，并配备TI组件，包括DLP2010NIR数字微镜器件(DMD)、DLPC150数字控制器和DLPA2005电源控制以及LED/灯驱动器。DLP2010NIR芯片是当前尺寸最小、效率最高的DLP芯片，专为一系列手持近红外传感应用设计。　　现在，你已经不用担心买错巧克力，并能够为爱人挑选出甜度最合适的巧克力了，立刻让高科技证明你的爱!

作为最高端的科学仪器之一，质谱仪是直接检测物质分子量的唯一手段，具有高分辨、高灵敏、大通量和高准确度的特性。因所有分析测试领域都要用质谱仪器，其在生命科学、材料科学、食品安全、环境监测、医疗卫生、国家安全及国际反恐等领域具有不可替代的作用和举足轻重的地位。 　　伴随着质谱技术应用广泛，国际社会的重视程度日渐加强。截至目前，已有六位科学家因对质谱技术发展做出杰出贡献而获得诺贝尔奖，而我国也早在 2012年将其列入&ldquo 产业共性技术&rdquo 。然而，我国质谱研发技术水平以及产业化水平与国际领先水平差距较大：由于经济发展以及科技发展需求，目前中国已成为全球高端科学仪器的应用中心，但不是技术中心，几乎所有的商品化质谱仪器都依赖进口。具体看来，全面掌握质谱相关的精密机械、精密电子、电子离子光学、软件、自动控制等技术的团队较少，具备高性能质谱产业化能力的企业更少。 　　从仪器仪表市场前景分析预测报告了解，由于质谱仪器研发投入大、技术创新难度大，对技术创新成果的有效保护有利于持续推进技术开发及技术创新，同时企业需要通过专利保护来确保创新技术所带来的初期超额利润，所以质谱专利保护显得尤为重要。现将从质谱专利信息分析利用和保护策略、专利技术申请两个方面解读我国质谱仪器专利的现状，并针对性提出笔者的思考建议，期望对产业发展有些许启发。 　　首先，从质谱专利信息分析利用和保护现状来看，由于我国质谱产业发展尚处于起步阶段，产业重要性尚未受到充分重视，所以开展此方面深入研究的机构非常少，特别是相关企业更是空白。 　　目前从事质谱技术专利分析的团队主要为中国科学技术信息研究所战略研究中心，该中心张志娟博士发表了两篇与质谱专利分析相关的文章，是目前仅有的与质谱相关的公开发表的学术论文，主要是针对申请量随时间变化、优先权国家分布、国际专利分类分布、专利国家分布、申请人排名、申请人国家分布、同族专利国家分布等进行定量研究。但由于质谱技术非常复杂，细分技术种类繁多，仅仅通过简单分析，很难了解细分技术的发展趋势及分布情况。在此基础上，李志荣博士、梁琴琴分别做过关于《质谱仪器专利分析及技术预测》以及《质谱仪中外专利比较及境外部署专利为国产质谱产业带来的机会》的报告，其中梁琴琴在报告中将质谱技术分为离子源、分析器两大类，并将离子源细分为四种，将分析器技术分为六种，对各细分技术的专利申请人分布情况进行了分析。 　　然而，由于开展质谱技术专利分析的专业科技信息服务单位缺乏对相关领域技术的深入、全面了解，特别是缺乏对前沿技术的敏感度，相关研究很难深入到细分技术领域，研究成果在具体指导技术开发或为具体研发活动提供参考中发挥的作用较小。而真正具有技术信息需求的质谱研发企业或技术开发单位，虽然对该领域的技术了解深入全面，但缺乏技术文献分析的科学、系统方法，缺乏专利文献检索的相关知识和技巧，同时缺乏专利文献数据库等数据库资源，导致很难系统全面有针对性的进行专利信息的分析与利用。这也是我国许多战略性新兴产业、技术密集型产业在专利信息利用上普遍面临的难题。 　　其次，从质朴技术专利申请来看，情况也是喜忧参半。在质谱技术领域，由于中国本土质谱研发机构增多、相关技术的发展以及中国的分析仪器市场需求及市场量逐年增大，专利申请数量增长非常迅速。 　　我们看出特别是2009年&mdash 2011年这近三年-国内关于质谱仪器技术相关发明专利的数量增长明显(专利公布具有18个滞后性，2012年后的申请量数据不具有统计意义)。截止2011年全球质谱专利数据显示，中国的相关申请量排名达到第三位。 　　在我国境内生成的质谱仪器技术相关发明专利构成中，国外的企业和研究机构在发明专利申请、授权专利申请方面所占比例较大，特别是美国、日本，均超过了十个百分点。 　　虽然中国本土企业注重专利申请的数量，加之政府专利奖励政策等的支持，促使专利申请数量有所增加，但是我们不得不承认：创新性强及保护范围大的高质量的上游专利申请数量较少，对专利质量的重视程度也不足。同时，发明专利申请后的驳回及公开后撤回的情况较多：很多单位缺乏系统的专利申请及专利文献撰写策略。另外，中国本土企业申请美国、欧洲、日本等国家专利较少，这在一定程度上反映我国质谱研发单位的技术创新性以及国际化战略布局与西方技术发达国家存在一定的差距。 　　如何在现有条件下弥补差距，是值得深思的问题。无论是整体尚处于技术追赶型的中国质谱行业，还是初创型的质谱企业，或许可从以下几个方面着手寻求突破。 　　在专利策略上，首先，应该高效利用专利信息，借鉴国际上已有的非侵权专利技术，系统分析各细分领域的专利布局，跟踪国外专利法律状态，寻找具有市场需求但技术竞争小的领域，把握国外大企业在中国可能存在的专利空白区，以此促进我国质谱技术水平的提升 同时，加强对自主创新技术的专利保护，提高专利保护的意识，在注重专利申请数量的同时，注重专利授权率以及注重专利质量，专利申请前做好充分的在线技术的检索分析、评估授权前景，提高专利授权率及扩大权利要求的范围，对重要或创新性强的专利争取多个国家的授权，提升中国本土企业或研究机构专利影响力。 　　在具体实践中，作为专利信息分析的政府型公益事业单位应该加强与产业企业、技术研究机构的合作，针对具体的信息检索及分析的需求，开展针对性的系统培训，同时一定程度上共享文献数据库资源，真正促进专利信息利用 另一方面，产业企业、研究机构应当重视专利信息的利用工作，加强专门人才的培养，充分发挥专利信息在技术开发、产品研发、市场推广等方面的作用。 　　质谱仪器研发涉及精密机械、电子离子光学、真空技术、软件技术等，需要融合多种前沿技术，具有尖端技术密集的特点。为了实现弯道超车的愿景，未来我国在质谱领域可通过直接申请专利、购买相关核心专利等方式获得完全自主知识产权的核心技术，在面对侵权问题时，考虑无效相关专利、进行规避设计等方式解决专利侵权问题，争取用10年的时间，完成初期技术积累，到2025年努力进入世界领先技术行列。

紫外吸收光谱UV 　　分析原理：吸收紫外光能量，引起分子中电子能级的跃迁 　　谱图的表示方法：相对吸收光能量随吸收光波长的变化 　　提供的信息：吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构的信息 　　荧光光谱法FS 　　分析原理：被电磁辐射激发后，从最低单线激发态回到单线基态，发射荧光 　　谱图的表示方法：发射的荧光能量随光波长的变化 　　提供的信息：荧光效率和寿命，提供分子中不同电子结构的信息 　　红外吸收光谱法IR 　　分析原理：吸收红外光能量，引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁 　　谱图的表示方法：相对透射光能量随透射光频率变化 　　提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率 　　拉曼光谱法Ram 　　分析原理：吸收光能后，引起具有极化率变化的分子振动，产生拉曼散射 　　谱图的表示方法：散射光能量随拉曼位移的变化 　　提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率 　　核磁共振波谱法NMR 　　分析原理：在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁 　　谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化 　　提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息 　　电子顺磁共振波谱法ESR 　　分析原理：在外磁场中，分子中未成对电子吸收射频能量，产生电子自旋能级跃迁 　　谱图的表示方法：吸收光能量或微分能量随磁场强度变化 　　提供的信息：谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数，提供未成对电子密度、分子键特性及几何构型信息 　　质谱分析法MS 　　分析原理：分子在真空中被电子轰击，形成离子，通过电磁场按不同m/e分离 　　谱图的表示方法：以棒图形式表示离子的相对峰度随m/e的变化 　　提供的信息：分子离子及碎片离子的质量数及其相对峰度，提供分子量，元素组成及结构的信息 　　气相色谱法GC 　　分析原理：样品中各组分在流动相和固定相之间，由于分配系数不同而分离 　　谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化 　　提供的信息：峰的保留值与组分热力学参数有关，是定性依据 峰面积与组分含量有关 　　反气相色谱法IGC 　　分析原理：探针分子保留值的变化取决于它和作为固定相的聚合物样品之间的相互作用力 　　谱图的表示方法：探针分子比保留体积的对数值随柱温倒数的变化曲线 　　提供的信息：探针分子保留值与温度的关系提供聚合物的热力学参数 　　裂解气相色谱法PGC 　　分析原理：高分子材料在一定条件下瞬间裂解，可获得具有一定特征的碎片 　　谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化 　　提供的信息：谱图的指纹性或特征碎片峰，表征聚合物的化学结构和几何构型 　　凝胶色谱法GPC 　　分析原理：样品通过凝胶柱时，按分子的流体力学体积不同进行分离，大分子先流出 　　谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化 　　提供的信息：高聚物的平均分子量及其分布 　　热重法TG 　　分析原理：在控温环境中，样品重量随温度或时间变化 　　谱图的表示方法：样品的重量分数随温度或时间的变化曲线 　　提供的信息：曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区 　　热差分析DTA 　　分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，由于二者导热系数不同产生温差，记录温度随环境温度或时间的变化 　　谱图的表示方法：温差随环境温度或时间的变化曲线 　　提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息 　　TG-DTA图 　　示差扫描量热分析DSC 　　分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，记录维持温差为零时，所需能量随环境温度或时间的变化 　　谱图的表示方法：热量或其变化率随环境温度或时间的变化曲线 　　提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息 　　静态热―力分析TMA 　　分析原理：样品在恒力作用下产生的形变随温度或时间变化 　　谱图的表示方法：样品形变值随温度或时间变化曲线 　　提供的信息：热转变温度和力学状态 　　动态热―力分析DMA 　　分析原理：样品在周期性变化的外力作用下产生的形变随温度的变化 　　谱图的表示方法：模量或tg&delta 随温度变化曲线 　　提供的信息：热转变温度模量和tg&delta 　　透射电子显微术TEM 　　分析原理：高能电子束穿透试样时发生散射、吸收、干涉和衍射，使得在相平面形成衬度，显示出图象 　　谱图的表示方法：质厚衬度象、明场衍衬象、暗场衍衬象、晶格条纹象、和分子象 　　提供的信息：晶体形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相结构和晶格与缺陷等 　　扫描电子显微术SEM 　　分析原理：用电子技术检测高能电子束与样品作用时产生二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线等并放大成象 　　谱图的表示方法：背散射象、二次电子象、吸收电流象、元素的线分布和面分布等 　　提供的信息：断口形貌、表面显微结构、薄膜内部的显微结构、微区元素分析与定量元素分析等 　　原子吸收AAS 　　原理：通过原子化器将待测试样原子化，待测原子吸收待测元素空心阴极灯的光，从而使用检测器检测到的能量变低，从而得到吸光度。吸光度与待测元素的浓度成正比。 　　(Inductivecouplinghighfrequencyplasma)电感耦合高频等离子体ICP 　　原理：利用氩等离子体产生的高温使用试样完全分解形成激发态的原子和离子，由于激发态的原子和离子不稳定，外层电子会从激发态向低的能级跃迁，因此发射出特征的谱线。通过光栅等分光后，利用检测器检测特定波长的强度，光的强度与待测元素浓度成正比。 　　X-raydiffraction,x射线衍射即XRD 　　X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。 　　满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsin&theta =&lambda 　　应用已知波长的X射线来测量&theta 角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析 另一个是应用已知d的晶体来测量&theta 角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。 　　高效毛细管电泳(highperformancecapillaryelectrophoresis，HPCE) 　　CZE的基本原理 　　HPLC选用的毛细管一般内径约为50&mu m(20～200&mu m)，外径为375&mu m，有效长度为50cm(7～100cm)。毛细管两端分别浸入两分开的缓冲液中，同时两缓冲液中分别插入连有高压电源的电极，该电压使得分析样品沿毛细管迁移，当分离样品通过检测器时，可对样品进行分析处理。HPLC进样一般采用电动力学进样(低电压)或流体力学进样(压力或抽吸)两种方式。在毛细管电泳系统中，带电溶质在电场作用下发生定向迁移，其表观迁移速度是溶质迁移速度与溶液电渗流速度的矢量和。所谓电渗是指在高电压作用下，双电层中的水合阴离子引起流体整体地朝负极方向移动的现象 电泳是指在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同的速度向其所带电荷相反方向迁移的现象。溶质的迁移速度由其所带电荷数和分子量大小决定，另外还受缓冲液的组成、性质、pH值等多种因素影响。带正电荷的组份沿毛细管壁形成有机双层向负极移动，带负电荷的组分被分配至毛细管近中区域，在电场作用下向正极移动。与此同时，缓冲液的电渗流向负极移动，其作用超过电泳，最终导致带正电荷、中性电荷、负电荷的组份依次通过检测器。 　　MECC的基本原理 　　MECC是在CZE基础上使用表面活性剂来充当胶束相，以胶束增溶作为分配原理，溶质在水相、胶束相中的分配系数不同，在电场作用下，毛细管中溶液的电渗流和胶束的电泳，使胶束和水相有不同的迁移速度，同时待分离物质在水相和胶束相中被多次分配，在电渗流和这种分配过程的双重作用下得以分离。MECC是电泳技术与色谱法的结合，适合同时分离分析中性和带电的样品分子。 　　扫描隧道显微镜(STM) 　　扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。 　　原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy，简称AFM) 　　原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。 　　俄歇电子能谱学(Augerelectronspectroscopy)，简称AES 　　俄歇电子能谱基本原理：入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析。