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“祝融號” 火星打孔的專利奧秘

  火星已經成為航天大國創新研發的角逐場,其中物質成分探測是火星探測的基礎與重點。我國“祝融號”火星車均搭載有基于激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術的分析儀器,實現了對火星物質成分的原位檢測。今年5月,“祝融號”使用激光在火星表面打了一個孔,利用脈沖激光燒灼激發火星表面樣品產生等離子體,通過分析樣品的原子/離子發射譜線,實現了樣品中元素的高精度定性和定量檢測。筆者經過專利文獻檢索發現,國內高校、科研院所針對LIBS技術進行了大量針對性研究,取得了一定應用性成果,并在相關技術上達到了世界領先水平。筆者對相關重要專利文獻進行梳理,旨在分析LIBS技術的發展脈絡,以期為行業提供參考。


  全球專利申請量逐漸增長


  筆者統計分析了275件國外和848件中國相關專利申請發現,國外涉及LIBS技術的專利申請始于1982年。中國在該領域的首件專利申請為2006年由中國海洋大學提交的實用新型專利申請,將LIBS儀器用于海水中多種重金屬元素的實時光學測量;華南理工大學于2007年提交的發明專利申請“雙通道共振增強激光誘導擊穿光譜痕量元素分析儀及其方法”提高了儀器分析的靈敏度,于2009年獲得授權。


  2009年之后,全球關于LIBS技術的專利申請量開始大幅增長,專利申請一方面集中于提升檢測性能,研究光譜信號增強方法、自吸收校正方法、聯用技術方法等;另一方面則集中于擴展應用范圍,涉及農業、礦產、食品、環保、醫學等諸多領域。自2011年起,中國相關專利申請量超過了國外,并且差距逐漸拉大,這與2010年之后中國在激光技術領域的投入密不可分,同時也體現出中國對LIBS技術的應用研究愈加重視,未來可期。


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  LIBS技術在我國不同地區的發展情況與其區域內的高校、科研院所密切相關。LIBS技術專利申請量排名前五位的地區分別為北京、江蘇、浙江、廣東和湖北,與申請人排名前五位所在地吻合。上述結果表明了相關專利申請主要依托當地具有強大科研實力的高校、科研院所,同時也指明了需要持續加強推進產學研深度融合的發展方向。


  在北京的相關專利申請中,來自清華大學和北京理工大學兩者的專利申請占比將近一半,其中,北京理工大學在該領域的重要發明人為趙維謙,其研究重點圍繞LIBS儀器的改進,包括與拉曼光譜和質譜的聯用等。其余主要申請人還有中石化股份有限公司、北京農業智能裝備技術研究中心、中科院空天信息創新研究院等,表明了LIBS技術在能源、農業、空天等領域具有重要的應用價值。江蘇在該領域的專利申請人主要為南京信息工程大學、江蘇星帆華鐳光電科技有限公司、南京先進激光技術研究院,范圍涵蓋了高校、企業與科研院所,表現出創新主體多元化、經濟科技創新化、產業結構升級化的趨勢。


  與北京類似,浙江、廣東、湖北的相關專利申請中,來自浙江大學、華南理工大學、華中科技大學的申請分別占比超過四成。浙江大學的主要發明人為何勇,其研究涉及基于LIBS技術的農業食品安全檢測;姚順春作為華南理工大學的重要發明人,主要就LIBS技術在能源燃燒診斷與排放監測中的應用開展研究。


  申請人排名前十位中唯一的科研院所——中科院上海技術物理研究所的發明人以萬雄及其團隊為代表,深度參與國家重大科研項目“火星探測”和“嫦娥3號”,重點就LIBS技術在深空探測領域開展相關研究,由其負責研制的火星表面成分探測儀是我國首臺LIBS行星物質成分分析儀,搭載于“祝融”號火星車并成功開展科學研究。相關專利文獻主要包括“一種LIBS主被動雙模光譜探測系統與方法”。


  科研價值與商業價值兼具


  作為一種重要的物質元素分析手段,LIBS技術除了應用在火星等設備外,還廣泛應用于食品安全檢測、環境污染監測、工業生產分析等領域,兼具科研價值與商業價值。


  在食品安全檢測領域,2011年,大連理工大學提交的專利申請“一種基于LIBS技術的地溝油快速檢測方法”,相較于傳統地溝油檢測方法,該方法實現了實時、原位、快速、全元素檢測,適用于現場取證。浙江大學于2014年提交的專利申請“一種共線LIBS的作物營養元素快速檢測方法”,實現了待測作物中營養元素含量的準確定量分析。


  在環境污染監測領域,清華大學于2011年提交“一種檢測時間及位置可控的LIBS檢測裝置”的專利申請,具有信噪比高,檢測速度快等優點,適用于定性與定量檢測復雜成分樣品中的痕量元素。2013年,中科院安徽光學精密機械研究所提交“一種水體重金屬LIBS連續檢測方法”的專利申請,有效實現了實驗室中水體重金屬含量的連續在線自動檢測,靈敏度高、穩定性好。


  在工業生產分析領域,冶金自動化研究設計院于2011年提交的專利申請“一種基于LIBS技術的普通黃銅全元素分析方法”,彌補了火花光電直讀光譜分析方法的不足,實現了銅加工領域的在線檢測與自動化冶煉。2018年,華南理工大學提交的專利申請“一種基于光譜預處理的煤質熱值測量方法”,通過定量分析模型結合譜線干擾修正方法顯著減少了基體效應,提高了LIBS檢測精度,從而實現了未知煤樣品的熱值測量。


  值得一提的是,在深空地質探測領域,2015年中科院上海技術物理研究所提交的專利申請“一種火星主次元素同步分析的定量LIBS方法”,在火星車有限的硬件條件下,同時兼顧主要元素的高精度分析與痕量元素的定量分析。中南民族大學于2011年提交的專利申請“一種地層巖性實時在線識別方法”,實現了現場地質錄井過程中的巖性實時LIBS在線檢測,同時分析了鉆井液中攜帶的地層巖屑顆粒中的元素及其含量。


  目前,LIBS技術研究在中國呈現蓬勃發展態勢,2016年,中國光學工程學會激光誘導擊穿光譜技術專委會成立,相關中國專利申請量隨之水漲船高,主要集中于LIBS技術的應用領域。未來一段時間內,高校、科研院所仍將是推動LIBS技術發展的主要動力,與此同時,江蘇、廣東、湖北等地的中小型光電企業將繼續參與該技術的創新與發展,從而實現產學研協作。筆者認為,隨著LIBS技術在相關領域的廣泛應用,定量分析數據的準確化與檢測系統儀器的自動化將是未來研究的熱點,研究方向主要包括兩個方面:一是提升激光器、光譜儀性能,優化實驗參數,改進定量分析算法模型;二是發展與其他分析儀器的聯用技術。(國家知識產權局專利局光電技術發明審查部 曾 倪)



  ——中國知識產權報


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