科学仪器行业双周谈第八期：开源证券以液相色谱仪为例，深度探讨国产科学分析仪器的研究框架

以液相色谱为例看科学分析仪器产业壁垒，核心零部件是国产化关键挑战 本期从“分析仪器”概念出发，介绍以生命科学仪器为主的“科学分析仪器”领域。其中“四大谱”为代表的理化分析仪器相对壁垒较高、国产化率低，值得重点关注。以液相色谱为例（分析型），其零部件壁垒较高，如色谱柱制造涉及复杂材料技术，色谱填料依靠进口；输液泵和进样器的零部件技术及其集成则需要精密制造、机械运动及流体控制领域的积累，精密阀门、密封件、毛细管等较关键；检测器更是涉及了紫外-可见光谱、质谱分析等多元领域的零部件，需要光源、透镜、二极管阵列及质谱离子源等核心部件能力。2023H1赛默飞仅仅色谱与质谱仪器收入几乎与同期国内仪器上市公司整体营收相当，一大关键便是上游核心部件的能力差距，国产厂商应当打好基础，深耕核心技术，方能实现赶超。 近两周科学仪器板块整体下跌0.3%，PE TTM稳定在38.7X 行情表现上，科学仪器板块近两周（9.16-9.30）整体下跌0.3%，当前总市值为1184亿元，整体波动不大；其中电子测量近两周下跌0.1%，其中蓝盾光电领涨（+5.02%），电子测量板块今年以来涨幅为正；生命科学继续下行，近两周下跌0.8%，弱于科学仪器板块整体，三德科技领涨（+3.05%）；电池测试仪器板块上涨0.1%，星云股份领涨（+4.39%）。估值方面，当前科学仪器板块PE TTM为38.7X，其中生命科学PE TTM为39.4 X；电子测量PE TTM为46.4X，是目前估值最高的板块；电池测试估值相对最低，PE TTM为28.9X。 基金委工材学部征集重大项目建议，多项光谱、色谱相关应用草案发布等近期各官方机构发布重点政策：1）基金委工材学部征集2024年度重大项目领域建议。2）生态环境部发布《入河入海排污口监督管理技术指南--水质指纹溯源方法（征求意见稿）》，涉及三维荧光光谱仪或者水质指纹溯源仪等仪器。3）仪器仪表学会及药典委发布多项有关光谱、色谱的细分应用草案。 普源精电首创13GHz国产数字示波器，2022年全国R&D投入增长10.1%等公司经营管理相关公告：普源精电发布DS80000系列高端数字示波器，首次实现国产数字示波器产品带宽达到13GHz；鼎阳科技发布SDS3000X HD高分辨率数字示波器和新款SDS1000X HD高分辨率数字示波器；中科美菱近四个月收到补助超500万元。资本市场、持股变动相关公告：阿为特北交所即将上市，2023年10月11日进行申购；海能技术宣布1000-2000万元回购。投资者交流相关公告：共11家科学仪器公司发布相关公告，对H1业绩和经营、新产品等情况做出进一步梳理。业内重要新闻：2022年全国科技经费投入统计公报公布，2022年全国共投入研究与试验发展（R&D）经费30782.9亿元，同比增长10.1%；工程院发布“中国电子信息工程科技十四大挑战（2023）”，包括数字领域、信息化、微电子光电子、光学工程、测量计量与仪器、网络与通信等。一级市场方面，楚光三维、凯普瑞生物、博工科技近期获得融资。 风险提示：下游需求下行、行业政策变化、自主替代不及预期等。 1、写在前面：分析仪器是科研的基石，“四大谱”是亟待突破的瓶颈 科学仪器双周谈系列已经来到第8期，在上一期我们从当前市场表现较好的电子测量仪器开始，对其全产业链的图景和亮点进行了解析。此前我们划定的“生命科学仪器”是以下游应用为导向的分类方式，而本文将从“分析仪器”的概念出发。 介绍其中以生命科学仪器为主的“实验分析仪器”等领域的产业图景。由于分析仪器种类繁多，而理化分析仪器相对壁垒较高、国产化率低，值得重点关注，尤其是“四大谱”相关仪器。因此本文以液相色谱为例，通过对其主要模块及其核心零部件的初步分析，来折射出科学分析仪器的上游壁垒及其国产化困境。 图1：科学分析仪器是各个领域研发、检测的基石，质谱、色谱、光谱、波谱这“四大名谱”是核心之一 从液相色谱的产业链图景来看，理化实验分析仪器的上下游特点均较为突出。 一是零部件方面，与电子测量不同，实验分析仪器往往不需要繁多的电子类部件，但零部件壁垒同样较高，以分析型液相色谱为例，其色谱柱制造涉及复杂材料技术，输液泵和进样器的零部件技术及其集成则需要精密制造、机械运动及流体控制领域的积累，检测器更是涉及了紫外-可见光谱、质谱分析等多元领域的零部件，国产厂商目前往往只能在其中部分领域实现自主，而且大量细分零件目前仍需要进口，实现完全自主生产还需要一段时间积累。 二是下游方面，这类实验分析仪器的“研发属性”较强，常见于需要分析物质成分和性质的生物化学等各类实验室以及药企、食品企业等研发检验场景，因而需要严格的标准化规范化和高度的一致性、稳定性要求，而这方面正是国产仪器厂商欠缺的能力之一；而且随着医药等领域对整体解决方案需求的日益复杂，包括多领域技术的联用、在线分析等方面仍然缺少经验和积累，全球龙头公司优势较大。 因此，我们需要密切跟踪国产厂商的业务发展以及布局进化等情况，从而能把握国产仪器积累“量变到质变”的关键节点。 图2：以液相色谱为例，国产科学仪器的研究需要考虑核心零部件等主要因素 2、液相色谱产业链：核心零部件决定性能，涉及复杂技术整合 色谱仪是理化分析仪器的细分类别之一，自20世纪80年代开始，色谱即取代光谱成为最主要的实验室分析方案。色谱分析法简称色谱法或层析法，是一种物理或物理化学分离分析方法，该法利用某一特定的色谱系统（常见的是高效液相色谱（HPLC，High Performance Liquid Chromatography）或气相色谱（GC，Gas Chromatography）等系统）进行混合物中各组分的分离分析，主要用于分析多组分样品。 从本质上看，色谱是一种分离技术，主要目的是对混合物中的目标物进行分离和定量。分离过程呈现为固定相对流动相中携带的样品进行保留，其中流动相是指携带样品流过整个系统的流体，而固定相是在色谱分离中固定不动、对样品产生保留的相，如各类色谱柱填料。而根据流动相种类，色谱分析法可以分为气相、液相、超临界流体、电色谱法等，气相色谱和液相色谱为应用较为广泛的两种色谱仪器； 不同色谱法使用的固定相也不同。 表1：色谱仪可按流动相分为气相、液相和其他类型 液相色谱法是应用较为普遍的色谱方法。与气相色谱不同，液相色谱法对高沸点、强极性、热稳定性差以及具有生物活性物质的分析比较有效。此外，超高效液相色谱仪和高效液相色谱仪的速度、分辨率和灵敏度使它们比较适合与质谱一起使用，从而诞生了医药、临床等行业广泛使用的LS-MS液质联用仪等系统。 分析型液相色谱仪一般由四个主要硬件组成：泵、自动进样器、色谱柱和检测器；其他元件包括溶剂和CDS包以及连接毛细管和管道，以便流动相和样品在系统中连续流动。进行液相色谱分析通常包括以下步骤：1）流动相开始流动：泵以指定流速推动洗脱液通过系统。2）样品注入：样品注入流动相后，与流动相一起从注入点流向色谱柱头。3）化合物分离：在色谱柱固定相上,化合物或分析物因与固定相不同程度的相互作用而分离。4）被分析物检测：从色谱柱洗脱后，分离出的样品成分进入检测器，根据特定性质产生的电信号检测指定的被分析物。检测器测量从色谱柱洗脱后的分析物，色谱数据系统(CDS)则转换检测到的信号。5）色谱图生成：CDS进行转换数据，输出色谱图，其中x轴表示时间，y轴表示检测器产生的特定信号。 图3：液相色谱分析是分离组分并进行检测的过程 随着相关技术进步，高效液相色谱仪器逐步成为色谱领域最重要部分之一。按照应用领域和技术类型的不同，液相色谱（LC）仪器还可具体细分为HPLC、UHPLC、LC-MS及制备型LC等类别。前四种类型的零部件模块大体属性相同，而制备型色谱则由于需要收集分离后的不同分析物（如制药等场景），需要馏分收集器等额外部件，对精度要求则往往不如HPLC，这类色谱仪从技术上与分析型色谱没有本质区别，因此本文的讨论主要围绕分析型色谱（尤其以HPLC这一主流应用为主）。 表2：液相色谱技术类型包括HPLC、UHPLC、LC-MS及制备型LC等 超高效液相色谱（或称超高压液相色谱）的渗透率也逐渐提升。从发展逻辑来看，随着医药等行业不断对色谱分析提出更高要求，而色谱理论认为提高色谱柱的效能（efficiency）就能增加仪器的解析度（resolution），因而需要运用粒径较低的小颗粒色谱柱，但这同时也要求系统承受更高压力（如超过9000psi）、更小系统体积并适应几秒峰宽的高速检测器，因而近二十年更先进的超高效液相色谱系统（UHPLC）得到快速发展。 2004年，沃特世公司推出了基于2微米以下多孔颗粒的超高效液相色谱（UPLC）技术，并将缩写UPLC作为商标，其具有超低扩散体积（小于15μL）从而发挥亚2μm色谱柱的性能;而其他仪器厂商也推出类似的高端色谱仪器系统并称之为UHPLC，实际与UPLC同属一类，如安捷伦、赛默飞等厂商，一般的UHPLC在制造技术、扩散体积和耐受压力方面都相对HPLC进行了优化，使之能够匹配2.5～3.5μm颗粒度的色谱柱，以颗粒更小的固相实现更高分辨率、缩短整体分析时间。 表3：超高效液相色谱系统适应更小颗粒从而实现更高分辨率、提升效率 在简要介绍了液相色谱分析系统的基本概念后，我们接下来以其为例对核心部件做初步的拆解分析，具体包括泵、进样器、阀门、色谱柱、柱温箱、检测器等。 2.1、泵：色谱系统的“心脏”，比例阀、密封件、丝杠等较关键 流动相（溶剂）遇到的第一个硬件是泵。色谱泵以一定的流速将流动相从自动进样器注入色谱柱和检测器，因此泵是液相色谱仪的“心脏”。在将流动相输送到系统之前，泵以恒定比例（等度）或不同比例（梯度）混合溶剂，因而泵必须形成精确、恒定的溶剂比例，以进行等度洗脱，并形成溶剂梯度，即两种或两种以上溶剂的比例随时间发生变化。精确混合溶剂和提供可重现流速的能力决定了泵的保留时间重现性（LC基本参数之一）；许多泵还包含一个脱气装置，用于去除溶解在溶剂中的空气，溶剂脱气有助于减少检测器基线波动，如漂移和噪音。通常流程是，使用内置或外置装置对溶剂进行脱气，然后高压气瓶或柱塞机构将混合溶剂（流动相）输送到进样器中。 图4：以低压梯度单元泵为例，溶剂经过脱气后由活塞精确注入进样器中 大多数现代HPLC泵至少具有一对往复式柱塞。一个柱塞输送流量，另一个柱塞则以预设的流速抽吸流动相。在泵中，使用一个电机（带凸轮驱动）或多个线性驱动电机（每个柱塞对应一个）来切换柱塞。柱塞是串联或并联的，并联会导致各泵头出现均匀的磨损，其代价是需要更多止回阀来引导流量。 在定义为流动相的组成在整个分离过程中恒定不变的等度分离中，洗脱液可在泵内预混合或混合；而在梯度分离中，流动相的组成会在整个运行过程中发生变化。 HPLC泵需要满足以下其中一项才能成功实现梯度：低压梯度(LPG)泵中有比例阀或者高压梯度(HPG)泵中有另一个泵体。 图5：HPLC泵中可配置串联柱塞及并联柱塞 HPLC通常使用几种不同的泵类型。二元HPG泵较常用于需要两种溶剂梯度的常规和高通量应用；四元LPG泵用于方法开发或者灵活性至关重要的情形，等度泵用于简单的QA/QC应用；三元DGP应用于工作流程和自动化解决方案或双系统方法。 表4：HPLC使用的泵体可分为四种类型 系统背压是色谱系统的一个关键指标，取决于泵设计和流速、流动相组成、色谱柱尺寸以及填料粒径，其中泵体技术是一大核心。得益于多年来不断发展的技术，现代泵可提供高达1500bar的压力，同时具备出色的流量准确度和精度；而保留时间的精度对于可靠分离、鉴定和定量分析物至关重要，因此为了进行可重现的测量，无脉动地输送溶剂也至关重要。 用于高效液相色谱和超高效液相色谱的泵通过含有固定相的色谱柱输送流动相。 压力常规覆盖范围为50至1300bar。标准高效液相色谱柱通常含有5微米的硅胶颗粒，而较小粒径的色谱颗粒往往需要泵施加高压以克服色谱柱中固定相的阻力。对于长度为5