常璽鳳 ，虞功亮 ，韓璐璐 ，王 濤 ，時安琪 ，喬之怡

（1.天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384；2.中國科學(xué)院 水生生物研究所，湖北 武漢 430072）

隨著國民經(jīng)濟快速增長，城市化發(fā)展速度的加快，工業(yè)廢水、生活污水在江河湖泊中大量排放等問題導(dǎo)致水質(zhì)變差[1]，對國民用水安全產(chǎn)生巨大的威脅，所以對水體進行長期連續(xù)監(jiān)測的需求急劇增加.常規(guī)的水質(zhì)監(jiān)測方法主要以實驗室分析為主，具有檢測精度高的優(yōu)點.但實驗室分析過程需要人員現(xiàn)場采樣、保存運輸水樣以及添加多種化學(xué)試劑進行樣品預(yù)處理等，處理過程繁瑣，消耗大量試劑，容易對環(huán)境造成二次污染[2].近年來，光譜檢測技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為現(xiàn)場快速檢測的主要手段之一，在食品、化工、醫(yī)療、考古、制藥、有色金屬、環(huán)境保護、珠寶玉石鑒定、月球探測、水體監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛的需求[3-9].光譜水質(zhì)監(jiān)測儀器能夠?qū)崟r、動態(tài)、多參數(shù)地對水質(zhì)狀況進行大范圍監(jiān)測，可以彌補常規(guī)水質(zhì)檢測方法的不足.基于國家現(xiàn)階段對水環(huán)境監(jiān)測的戰(zhàn)略需求，為水質(zhì)的光譜法檢測提供了非常廣闊的應(yīng)用前景[10].

近年來，隨著光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器的研制及快速發(fā)展，核心技術(shù)及裝置的知識產(chǎn)權(quán)申請數(shù)量逐年增加.本研究對知識產(chǎn)權(quán)申請與受理現(xiàn)狀進行分析，以促進光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和檢測方法更好地推廣及實施.希望通過此分析研究，能夠明晰我國光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和檢測方法的技術(shù)研發(fā)走勢，為進一步發(fā)展提供參考.

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本研究基于萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺，通過制定檢索策略，檢索時間為1993年12月至2022年4月，得出近30年內(nèi)光譜法水質(zhì)儀器和方法的專利產(chǎn)出共420篇.通過文獻全文梳理，去除主題與水質(zhì)不相關(guān)的專利，最終確定392項專利符合本課題研究內(nèi)容，被列入研究對象，其中僅包括儀器研制專利166項，檢測方法專利83項，儀器研制及檢測方法專利143項.

本文采用Office excel工具對光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法專利的申請情況、專利授權(quán)的儀器和方法所涉及儀器類型、專利權(quán)申請主體及分布區(qū)域進行統(tǒng)計分析[11]，以期揭示我國光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的技術(shù)研發(fā)走勢.

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的國內(nèi)專利授權(quán)數(shù)量發(fā)展

筆者對1993～2022年的光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的專利授權(quán)數(shù)量進行統(tǒng)計分析.30年間共計392項.從圖1可以看到，專利授權(quán)數(shù)量呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，2012年以前年度增長趨勢波動較大，自2012開始，年度增長率平均為30.4%.根據(jù)增長趨勢，可以區(qū)分為兩個發(fā)展階段.第一個階段為1993～2013年，我國光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法相關(guān)專利處于緩慢發(fā)展的新興期.自1993年出現(xiàn)首個相關(guān)專利之后，1994～2004年未申請相關(guān)專利，20年間專利授權(quán)總量僅36個.第二個階段為2014～2022年，其專利創(chuàng)新發(fā)展進入快速增長期.2014年出現(xiàn)井噴式的發(fā)展，專利授權(quán)數(shù)量達到20個，此后穩(wěn)步發(fā)展，增長率一直維持在25%以上，2021年專利授權(quán)數(shù)量達到80個的高峰.截止2022年4月，專利授權(quán)數(shù)量已達20個.由于專利申請之后授權(quán)存在審定時間差等問題，還有更多的專利申請還正在更新中，預(yù)計專利授權(quán)數(shù)量會超過2021年.近年來，專利授權(quán)數(shù)量的迅猛發(fā)展與我國這一時期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及社會對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的高要求和技術(shù)市場的需求增加有著密切關(guān)系.相信隨著當(dāng)前時期研發(fā)投入的重視，專利數(shù)量增速會更快，并保持著強勁的增加趨勢[12].

圖1 1993～2022年間專利授權(quán)數(shù)量統(tǒng)計Fig.1 Statistics of patent authorization from 1993 to 2022

2.2 專利授權(quán)的儀器和方法所涉及儀器類型

依據(jù)授權(quán)專利所涉及的光譜儀器使用形式分在線型、機載型、衛(wèi)星載荷型[13]、便攜式型、實驗室檢測型和其他等.其中，實驗室檢測型的光譜法水質(zhì)儀為138個（如圖2所示），占授權(quán)總量的35%，表明實驗室檢測仍然是光譜分析方法的主要應(yīng)用場景.這類設(shè)備雖然使用先進的光譜法，其測定精度與傳統(tǒng)化學(xué)分析方法相媲美，但是還沒有完全脫離對化學(xué)試劑的依賴，因此該類儀器雖然是當(dāng)前主要的使用類型，但隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測實時性、無污染、在線等需求[14].

圖2 光譜儀器的使用形式Fig.2 Use of spectroscopic instruments

其次，在線型光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀為130個，占授權(quán)總量的33%.該類型儀器大多采用windows中文操作系統(tǒng)，檢測響應(yīng)時間短，靈活度高，無需人員值守，可以進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，并實時獲取光譜數(shù)據(jù)和水質(zhì)指標(biāo)濃度[15-16].該類型儀器大多依賴化學(xué)試劑投入.目前已有水體接觸式在線檢測探頭，但安裝難度大，需要頻繁清洗維護.也有儀器依靠光學(xué)遙測，不依賴化學(xué)試劑和水體接觸式探頭，并可以實現(xiàn)高通量監(jiān)測，這類儀器符合未來發(fā)展趨勢，預(yù)計未來將被大量開發(fā)[17].

機載型和衛(wèi)星載荷型的光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀分別為36、14個，占分別授權(quán)總量的9%和4%.這種儀器屬于非接觸式遙測類型，檢測范圍廣，可視化效果突出，檢測效率高，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，能夠節(jié)省人力、財力，提高效率[18-19]，適應(yīng)技術(shù)市場和社會發(fā)展需求，近年來發(fā)展較快.

便攜式光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器為24個，占授權(quán)總量的7%.隨著社會發(fā)展對生活環(huán)境質(zhì)量和技術(shù)市場的要求提高，對監(jiān)測提出更靈活和便捷的檢測要求，便攜式設(shè)備需求日益上升，使得便攜型光譜法水質(zhì)儀器朝著操作簡單、使用靈活、攜帶方便、運行維護設(shè)備簡便等使用成本較低的方向發(fā)展[20-21].

其他類型的光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀為50個，占授權(quán)總量的13%，隨著人們生活水平提高和監(jiān)測場景日益多樣性，對水的質(zhì)量要求也逐步提高，使得水質(zhì)監(jiān)測儀器在用戶安全飲用水在線監(jiān)測和在惡劣環(huán)境中采集和分析水質(zhì)方面得以發(fā)展，例如，家庭水質(zhì)監(jiān)測儀和大型公共場所水質(zhì)在線監(jiān)測儀發(fā)展逐漸成為研究熱點.

依據(jù)授權(quán)專利所涉及的光譜儀器監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)數(shù)量可以分為多參數(shù)和單一參數(shù).如表1所列，多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的數(shù)量為262個，可同時檢測水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、化學(xué)需氧量(COD)等參數(shù)，測量精度高，穩(wěn)定性好[22].單一參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀為49個，主要為總氮、總磷、COD、氨氮、有機物、懸浮物、葉綠素、重金屬等，其中COD監(jiān)測儀28個，重金屬、葉綠素分別為9、8個.由于水體的多樣性和復(fù)雜性，多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀更加適應(yīng)環(huán)境監(jiān)測發(fā)展需求.

表 1 專利授權(quán)的儀器和方法所涉及的儀器類型Table 1 Types of instruments involved in patented instruments and methods

依據(jù)授權(quán)專利所涉及的光譜儀器采用的光譜類型，可以分為可見光、紫外、紅外、近紅外、拉曼、熒光光譜、激發(fā)熒光或激光光譜等.依據(jù)譜段分為高光譜、多光譜和單光譜.其中高光譜、多光譜和單光譜監(jiān)測儀的數(shù)量分別為12、227、113個.高光譜和多光譜較單光譜具有更多的特征波段，有利于提高反演結(jié)果的穩(wěn)定性和精確性，在光譜反演水質(zhì)指標(biāo)模型中得到廣泛采用.穆海洋等[23]研究開發(fā)的基于多源光譜融合便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀，是一種無需化學(xué)試劑的綠色檢測工具，測量精度顯著優(yōu)于目前市場上普遍采用的常規(guī)紫外吸收光譜儀.

依據(jù)授權(quán)專利所涉及的光譜儀器設(shè)計情況進行分類，可分為對整體設(shè)計和部件設(shè)計.此類型儀器數(shù)量分別為328、64個，其中，對儀器整體進行設(shè)計改進的居多.部件設(shè)計只是對儀器的外殼、體積、系統(tǒng)、信息處理與運算裝置、光源、探頭等其中的一部分進行詳細設(shè)計.隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，儀器的精度、靈敏度、可靠性、經(jīng)濟性、使用條件、外觀等設(shè)計都在持續(xù)進步.

2.3 專利申請主體

根據(jù)檢索的392篇專利數(shù)據(jù)繪制圖3.由圖3可見，光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的專利申請主體數(shù)量最多的為企業(yè)，共194篇，占總數(shù)量的50%.上海恒偉信息技術(shù)有限公司和南京波思途智能股份有限公司為獲得授權(quán)專利最多的研發(fā)單位，共4篇.其次中科普光科技有限公司和無錫昊瑜節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司分別2篇.從授權(quán)數(shù)量看，雖然獲得專利授權(quán)的企業(yè)整體數(shù)量較多，但沒有形成龍頭企業(yè)，主要是一些規(guī)模不大的中小企業(yè)，不具備較大規(guī)模研發(fā)能力.近年來隨著國家的鼓勵和支持，企業(yè)經(jīng)營效益增強，自主創(chuàng)新能力不斷加強，專利授權(quán)量在未來可能會大幅提高[24].

圖3 專利申請主體的授權(quán)量Fig.3 Amount of authorization of subject of patent applications

其次，獲得授權(quán)量比較多的主體是科研院所，高校共授權(quán)107項，研究所58項.其中中國計量大學(xué)獲得9項授權(quán)，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所獲得5項，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所為3項，常州大學(xué)、重慶大學(xué)、南京大學(xué)分別為2項.可見，科研院所也是光譜法水質(zhì)檢測關(guān)鍵技術(shù)的主要研發(fā)主體[25].

個人、合作研發(fā)機構(gòu)和其他一些檢測中心獲得的專利授權(quán)量分別為17、9、7個，授權(quán)數(shù)量較少，可能是由于這些群體缺乏足夠的研發(fā)基金以及技術(shù)知識儲備不充分.相信隨著國家的鼓勵政策和資本進入，這些群體將會有更多和更具創(chuàng)新性的研發(fā)成果產(chǎn)出，成為我國該領(lǐng)域?qū)＠邪l(fā)的重要補充力量[26].

2.4 專利申請區(qū)域分布

在檢索的392篇專利文獻中，其中3項是其他國家授權(quán)人申請，其余為我國自主創(chuàng)新專利.從研發(fā)授權(quán)主體的地理分布看，專利產(chǎn)出數(shù)量最多的是華東地區(qū)，有168項，占比為43%（如圖4所示）.其中，江蘇、浙江、山東、上海分別為68、52、22、21項.該地區(qū)也是中國綜合技術(shù)水平最高的經(jīng)濟區(qū)，表明專利數(shù)量與經(jīng)濟發(fā)展水平密切相關(guān)，源于東部地區(qū)有優(yōu)越的自然及交通條件和政府對東部沿海地區(qū)的改革開放的政策支持[27].其次是華北地區(qū)，有71項，占比為18%.其中京津冀地區(qū)是我國北方經(jīng)濟規(guī)模最大、最具活力的地區(qū)，北京和天津分別為56、7項.華南地區(qū)有52項，占比為13%，主要分布在廣東，占48項，地理位置優(yōu)越，擁有較多的高新技術(shù)企業(yè)和科研院所.而華中、東北、西北、西南地區(qū)中數(shù)量分別為29、14、15、40項，占比分別為8%、4%、4%、10%.其中在西南地區(qū)，重慶占據(jù)一半以上，為22項.內(nèi)蒙古、甘肅、青海、廣西等偏遠不發(fā)達省份，其光譜法水質(zhì)儀器和方法專利授權(quán)數(shù)量為零.由此表明，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展不平衡問題是制約我國光譜法水質(zhì)儀器和方法專利授權(quán)數(shù)量發(fā)展的一個重要原因.中、西部地區(qū)受制于自身的地理位置，發(fā)展緩慢，其經(jīng)濟發(fā)展水平明顯低于東部的發(fā)展水平.隨著國家對中、西部地區(qū)發(fā)展的重視，加大資金支持力度，未來該區(qū)域的有關(guān)專利將得到發(fā)展.

圖4 專利申請區(qū)域分布Fig.4 Regional distribution of patent applications

3 發(fā)展趨勢

從光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的專利授權(quán)總量來看，隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，專利數(shù)量持續(xù)上升，光譜水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法將不斷完善.本文從以下4個方面進行了闡述：

（1）監(jiān)測參數(shù)更加多元化即“一機多參數(shù)”.從單一參數(shù)的監(jiān)測對象發(fā)展為多參數(shù)同時監(jiān)測，如總氮、總磷、COD、葉綠素濃度的含量測定由原來的單一測定發(fā)展到多參數(shù)同時測定[28-29].魏康林等[30]于2019年報道了基于微型光譜儀連續(xù)光譜分析的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀器的優(yōu)勢主要有：通過改變光譜波長和標(biāo)定算法等，能夠替代多臺“點式”的光譜水質(zhì)檢測儀器，可進行功能擴展.能綠色智能快速檢測COD、總有機碳（TOC）、生化需氧量（BOD）等重要水質(zhì)參數(shù)，簡化檢測流程，節(jié)省大量時間.能通過對水體進行全光譜波段掃描，建立水質(zhì)異常在線監(jiān)測算法模型，實現(xiàn)水質(zhì)異常或突變預(yù)警.

（2）光譜技術(shù)也更加多元化，譜段選擇更加精細，并強調(diào)多波段組合.紫外可見光譜、熒光光譜、紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)有著不同的光譜信號，隨著分子光譜儀器的發(fā)展，光譜靈敏度和分辨率都有很大的提高[31].儀器和分析方法的發(fā)展是推動現(xiàn)代水質(zhì)檢測的關(guān)鍵，因此要將其應(yīng)用到水質(zhì)檢測中更寬廣的領(lǐng)域，獲得更大的收益.由單波長到多波長，通過多元化分析手段，獲取水質(zhì)中的各個參數(shù).單波長分析儀器結(jié)構(gòu)相對簡單，存在適用范圍小、測量精度低等缺點.高光譜能夠獲得水質(zhì)中連續(xù)的吸光度信息，有力地提高了測量分析的相關(guān)性[32-33].多源光譜融合水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)將會成為新的發(fā)展方向.鑒于上述儀器設(shè)備研發(fā)的快速發(fā)展及技術(shù)的多樣性，有必要制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范和引導(dǎo)該技術(shù)的發(fā)展.

（3）光譜儀器的使用形式也更加多樣化.多元化和立體化監(jiān)測需求促進儀器設(shè)備從在線型、便攜型、機載型等單一模式向交互融合發(fā)展模式轉(zhuǎn)變.在線便攜式光譜水質(zhì)儀器、在線實驗室監(jiān)測的光譜法水質(zhì)儀器和機載與衛(wèi)星結(jié)合的光譜水質(zhì)儀器等得到快速發(fā)展.目前，水質(zhì)遙感監(jiān)測不限于衛(wèi)星平臺，開始向無人機、地基在線、便攜等應(yīng)用方向發(fā)展，提出“天-空-地-水”一體化的技術(shù)應(yīng)用需求.陳潔[34]于2021年報道了使用地面便攜式和無人機平臺搭載高光譜水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，完成實驗區(qū)的總磷（TP）、總氮（TN）濃度的反演與空間分布圖制作.該研究得出空地多平臺高光譜內(nèi)陸河水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)對TP、TN含量的反演精度高、效果好等結(jié)論，為內(nèi)陸水環(huán)境保護提供了全新的解決方案.此結(jié)論可促進各種儀器的融合發(fā)展，對于水質(zhì)監(jiān)測既具有科學(xué)性，又具有可行性.

（4）更為先進或復(fù)雜的新型算法被廣泛采用.這些光譜水質(zhì)儀器和方法所使用的算法主要是以偏最小二乘法、主成分分析法、模糊綜合評價、隨機森林模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等方法對所獲取的光譜數(shù)據(jù)進行建模，通過模型來反演待測水質(zhì)樣品中一些參數(shù)的含量[35-38].武尚智[39]于2013年比較各種算法的計算速度及精度等性能，對光譜水質(zhì)檢測算法性能、所得數(shù)據(jù)及誤差原因進行深入而細致的分析.分析顯示，衛(wèi)星測量和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的結(jié)合比單獨進行實地采樣的檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，以算法反演chl-a為威斯康星州湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評估提供了支持內(nèi)陸水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用的實例[40].張棋斐等[41]于2017年分析了影響河口及近海水體葉綠素a濃度反演精度的關(guān)鍵因素，并總結(jié)歸納近十年來，水體光譜數(shù)據(jù)處理方法及河口及近岸海域水體葉綠素a濃度遙感反演方法.

綜上所述，我國光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的創(chuàng)新技術(shù)能力還處于積累狀態(tài)，專利產(chǎn)出總體呈現(xiàn)向上的趨勢，說明水質(zhì)監(jiān)測專利申請具有一定的市場需求，能為水資源質(zhì)量的科學(xué)預(yù)測、預(yù)警和水資源保護提供智能化信息支持[42].目前，光譜法在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但是依然面臨著眾多困難與挑戰(zhàn)，有待進一步地精進研究.

4 存在的問題

我國創(chuàng)新發(fā)明技術(shù)申請專利授權(quán)的意識還是比較薄弱，專利制度不夠健全，造成我國的技術(shù)盜版事件頻發(fā)，給發(fā)明創(chuàng)新主體人帶來損失，這些都大大挫敗了研發(fā)人員的積極性.要加強對國民的知識產(chǎn)權(quán)教育以及加強對剽竊行為的執(zhí)法力度.

創(chuàng)新發(fā)明技術(shù)的質(zhì)量還有待提高，加強實用性并降低成本.以沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)為例，其水體表面通常分布著各種基礎(chǔ)設(shè)施（如網(wǎng)箱、房屋和漂浮泡沫），這些設(shè)施會干擾光譜的獲取，以及光譜分辨率和噪聲信號比還有待提高[43]，且光譜儀器的維護成本較高，不易大量推廣使用.

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，機器學(xué)習(xí)不斷被應(yīng)用于水環(huán)境參數(shù)的反演，效果要優(yōu)于線性或者指數(shù)等模型.但非計算機專業(yè)的人員學(xué)習(xí)和使用計算機標(biāo)法比較困難，例如運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機和隨機森林等算法進行建模以及評估模型精度.

目前光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的專利研發(fā)群體比較分散，主要分布在經(jīng)濟發(fā)達城市以及著名的高校所在地，沒有形成規(guī)模，這不利于創(chuàng)新群體的產(chǎn)生和發(fā)展，也不利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，更談不上產(chǎn)業(yè)化集群.此外，該技術(shù)應(yīng)用的區(qū)域分布不廣泛，區(qū)域發(fā)展參差不齊，這表明與地方的科技水平和發(fā)展程度明顯相關(guān).因此，建議國家和地方應(yīng)出臺相應(yīng)的鼓勵政策、專利申請鼓勵和培育、技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)計劃、技術(shù)應(yīng)用補貼，推進這些新技術(shù)的應(yīng)用，提高我國在水環(huán)境水生態(tài)檢測水平和監(jiān)測能力.

5 結(jié)論

通過對1993～2022年在中國范圍內(nèi)授權(quán)的光譜法水質(zhì)監(jiān)測儀器和方法的專利進行分析，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的專利數(shù)量穩(wěn)步增長，年平均增長率為30.4% .隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，光譜儀所檢測的參數(shù)也更加多元化，譜段更加精細化，儀器類型更加多樣化，新型算法更加精確化.存在的問題是開發(fā)光譜儀方法的學(xué)者大多沒有專利申請意識，僅停留在理論和方法上，未真正將技術(shù)進行產(chǎn)品化.此外還存在專利實用性不高、技術(shù)受限、地區(qū)發(fā)展不平衡等問題.建議通過協(xié)同創(chuàng)新和多部門聯(lián)合研發(fā)，相互取長補短，并加強知識產(chǎn)權(quán)保護意識，促進該技術(shù)專利成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)更多的經(jīng)濟和社會效益.