粵港澳大灣區科學儀器產業創新發展態勢分析

陳茂清，余全民，林瑞清

（1.廣東省生產力促進中心，廣東廣州 510070；2.廣州市科技項目評審中心，廣東廣州 510180）

1 研究背景

科學儀器是具有特定用途的裝置或儀器，是開展科學探索和技術革新的重要工具，也是產業創新發展的關鍵支撐，對促進科技進步和經濟發展具有巨大的推動作用［1］。目前，科學儀器的創新和應用已在包括電子信息、新能源、新材料、生物醫藥、安全應急與環保、農業與食品等產業發揮了重要的推動作用，同時眾多原創性的科研成果、關鍵技術的突破皆依賴于科學儀器的發展［2］。在諾貝爾自然科學獎中，物理學獎的68.4%、化學獎的74.6%和生理學或醫學獎的90%是借助各種先進的科學儀器完成［3］。當前，世界各國皆把科學儀器研制作為科技發展的戰略目標，把科學儀器研發作為科技投入的重點方向之一［4］，如美國國家科學基金會（NSF）將研究設施作為四大戰略（人才、發現、研究設施和組織卓越）之一，著力加強對基礎研究具有重要促進作用的儀器設備研制的資助；英國科學技術辦公室（OST）通過3 種機制資助科學設施和科學儀器，每年投入達OST 總經費的10%以上［5］。

目前，我國科學儀器的制造水平已與國際先進水平相當，但基礎創新能力與國外仍有較大差距。為補足這一短板，科技部等聯合發布《加強“從0到1”基礎研究工作方案》，提出高端科學儀器的自主研發與創新，支持重大科學儀器設備研發，推動關鍵核心技術突破。長期以來，我國科學儀器的自主研發和創新攻關主要集中于國家層面規劃和支持，雖已取得了顯著進步，但與發達國家的差距仍較明顯，特別是高端科學儀器的自主化率仍比較低［6］。目前，京津冀和長三角地區已開始加強對科研儀器設備研發和應用的投入，廣東省也制定了《廣東省培育精密儀器設備戰略性新興產業集群行動計劃（2021—2025 年）》（以下簡稱《行動計劃》），并將科學儀器研發作為創新發展的重點產業之一。粵港澳大灣區（以下簡稱“大灣區”）作為國內經濟最活躍的區域之一，高端制造產業鏈健全，在發展科學儀器產業方面具有先天優勢，然而，針對大灣區科學儀器行業的現狀及發展態勢的研究與分析報道較少，因此，對大灣區科學儀器行業的現狀及發展態勢進行研究與分析，可為區域內儀器行業的科學規劃布局、技術創新發展和儀器設備產業水平提升提供決策參考。本研究將從粵港澳大灣區科學儀器創新發展現狀及成果、優勢和不足及布局和建議三方面來分析大灣區科學儀器產業發展中遇到的主要問題，并提出相關對策建議，以推動大灣區高端科學儀器創新中心建設。

2 大灣區科學儀器產業創新發展現狀分析

2.1 總體發展概況

在國家和廣東省有關產業政策的支持下，大灣區科學儀器行業獲得了快速發展，形成具有一定生產規模和研發能力，以民營企業為主的產業體系。《行動計劃》對科學儀器核心技術及關鍵零部件、產業支撐體系、質量及品牌打造等方面的創新發展作出規劃，目前處于籌建期的粵港澳大灣區高端科學儀器創新中心擬匯聚國內優勢資源，實現高端科學儀器產業集聚［7］。大灣區科學儀器的自主創新、智能制造和協作共享等工作的有效實施，是推動區域科技創新、引領產業發展的重要支撐。

根據儀器信息網數據，在2015—2019 年期間，大灣區持續獲得了國家重大科研儀器研制項目經費，年均經費在0.139 億元～0.358 億元，占全國經費資助總額的4.15%～6.12%；2016—2020 年期間，國家資助重大科研儀器研制項目共計147 項，其中大灣區獲資助項目10 項，占全國資助項目總數約7%［8-12］。除國家經費的支持外，大灣區各地政府對科學技術發展支持力度也較大，如珠三角地區財政經費中科學技術支出在2018 年和2019 年分別為942億元和1 047 億元［13］；但相關企業自身研發投入較低，大多僅占銷售額的4%，低于國外先進企業10%的平均研發投入比例［14］。大灣區科學儀器的研發主要依賴國家和地方政府的財政扶持，企業研發投入仍有待提高。

近年來大灣區內科學儀器行業的企業和科研院所發展勢頭較好，在超聲檢測儀器、示波器、監護儀、激光干涉儀、基因測序儀、質譜儀等方面處于國內領先水平，尤其在質譜儀和高通量基因測序儀等新型高端科學儀器的研制方面取得了突破性進展，例如，廣州禾信儀器股份有限公司在國產質譜儀器的研發方面走在了前列；深圳華大基因首先實現了高通量測序儀的國產化，打破了國外廠商壟斷測序儀的局面，其發布的最新超高通量基因測序儀的測試數據質量與國際權威儀器Illumina 相當，而測試通量高于Illumina 的NovaSeq 等儀器。

2.2 市場現狀

全球科學儀器市場需求巨大，2018 年全球科學儀器行業市場總值高達4 033.2 億元［15］。過去10 年，我國科學儀器行業持續穩定發展，相關企業主營業收入在2008 和2018 年分別為1 365.4 和2 924.6 億元，年平均增長率為11.4%［16］。大灣區在科學儀器制造方面也發展迅速，其中廣東省在2016 年和2019年儀器儀表制造業的銷售產值分別為941.4 億元和1 301.2 億元，年平均增長率為12.7%，但總體規模不大，全省2019 年儀器儀表工業產值僅占全國儀器儀表工業總產值的3.4%［17］。

大灣區的工業制造發達、經貿活動繁榮，大量與科學儀器相關的制造、零售和維護企業分布于該地區，根據相關企業的百度地圖分布信息，筆者統計了截至2020 年12 月大灣區科學儀器相關企業的地理分布情況，包括企業共322 家。其中，分布在廣州市的相關企業數量最多，中山、東莞和深圳市次之，而其他地區的相關企業分布極少；從企業的注冊資本來看，中山和深圳市的企業資本規模占比最高，分別為42%和30%，廣州和東莞市的企業資本規模占比中等，分別為11%和10%，其他地區的企業資本規模占比較低；基于企業的主營業務范圍調查發現，企業主要從事儀器零部件加工、分析儀器、電子測量儀器、計算機、計量儀器等領域的生產制造（見圖1）。

圖1 2020 年粵港澳大灣區科學儀器相關企業主營領域分布

2.3 大科學裝置建設現狀

大科學裝置是產生前沿重大原創性成果的基礎設施，大灣區布局了一批世界一流的大科學裝置（見表1），主要分布于深圳、廣州、東莞、惠州和江門市等地區，由中科院與地方政府合力建設，合計耗資共134.475 億元。大灣區還采用“大科學裝置+廣東省重點實驗室”的新型組合模式建設重大科創平臺，意圖強化大科學裝置的研發能力，例如，位于東莞市的中國散裂中子源匹配了松山湖材料實驗室，位于惠州市的強流重離子加速器裝置及加速器驅動嬗變研究裝置匹配了先進能源科學與技術廣東省實驗室。美國、日本和德國等發達國家的大科學裝置建設始于20 世紀上半葉，相比之下，我國的大科學裝置建設較晚，但近年來投資力度迅速增強，呈現追趕態勢。大灣區大科學裝置的投資在國內占比高，即將建成的大科學裝置數量僅次于北京。根據發達國家的發展經驗，大科學裝置將匯聚國內優勢資源，吸引眾多一流科學家，突破核心關鍵技術，催生重大原創性科研成果，提升高技術新興產業的制造水平［18］。

表1 粵港澳大灣區內大科學裝置分布

2.4 科學儀器的支撐促進作用

科學儀器是前沿科學研究的有力工具，對大灣區的發展創新具有重要的推動作用。2019 年廣東省科學儀器采購企業總數位居全國第一，且2016—2018 連續3 年蟬聯全國采購金額首位［28］。粵港澳地區科學儀器數量的增長促進了基礎研究的發展，基于Web of Science 數據庫統計，2010—2020 年大灣區的SCI 論文發表量呈逐年穩步增長態勢，從47 597 篇增加至128 698 篇（見圖2），主要分布在生物、醫藥、化學、工程、環境、材料等學科領域，且廣州、深圳和香港的發表量遠高于大灣區內其他地區［29］。2010—2020 年間，粵港澳大灣區與舊金山灣區的SCI 科技論文發文總量相當，略低于紐約灣區和東京灣區，但發文量呈快速增長趨勢，總量和國際合作論文量的年增長率均遠超過其他三大灣區；與國內京津冀和長三角地區相比（見圖3），大灣區的科學儀器相關論文數量占比（18.7%）低于長三角地區（38.7%）和京津冀地區（42.6%），相關專利授權數量占比（31.7%）雖不及長三角地區（43.8%），但高于京津冀地區（24.5%）［29］。此外，2010—2020 年間，大灣區每年在國際頂級期刊如Nature、Science 和Cell 的論文發表數從7 篇增長到45 篇，標志著大灣區的原始創新和重大科研成果增長顯著［29］。

圖2 粵港澳大灣區科學儀器領域SCI 論文數量年度分布

圖3 國內主要地區科學儀器領域論文及專利數量比較

科學儀器是支撐大灣區企業研發的基礎條件，是企業技術創新和產業升級的助推器。例如，東莞散裂中子源裝置用于研究生物蛋白分子，指導新藥品的研發和制備，有力推動了生物醫藥產業的發展，借助東莞散裂中子源，中國科學院高能物理研究所自主研制了加速器硼中子俘獲治療實驗裝置，并將其成功應用于細胞和動物腫瘤中子照射實驗，該技術有望成為治療癌癥的新手段［30］；除此之外，散裂中子源裝置還可應用于新型能源產業，如電動環保汽車電池研發和高效燃油劑的開發，通過交叉研究平臺推動大灣區的能源產業發展。

3 大灣區科學儀器產業發展的優勢和不足

3.1 發展優勢

與紐約灣區、舊金山灣區和東京灣區等世界三大灣區及國內長三角地區和京津冀地區相比，大灣區在科學儀器發展方面具有以下優勢：

（1）經濟活力強。2018 年，大灣區的面積和人口規模遠超其他3 個灣區，生產總值（GDP）為1.6萬億美元，超過舊金山灣區，基本可與紐約灣區比肩，在經濟總量上已具備世界級灣區的規模；經濟增長速度與舊金山灣區持平，且領先于紐約灣區和東京灣區，是極具經濟活力和潛力的灣區［31］。經濟的高速發展為科學儀器產業提供了巨大的市場，同時，港澳在對外開放交流和金融服務方面具備天然優勢，為資金密集型的高端科學儀器研發提供了便利條件。

（2）產業鏈健全、工業基礎強。珠三角地區作為我國最早進行對外開放的前沿陣地，借助港澳的資源優勢，經過40 多年的高速發展，已經具備產品從原料加工、關鍵零部件制造、成品設計到提供整機生產的全產業鏈研發能力，大灣區被譽為“世界制造業基地”，且區域內各城市產業互補水平高于其他3 個世界灣區，同時也優于長三角地區。強大的制造業及全產業鏈使得大灣區發展科學儀器產業具有得天獨厚的優勢，可以快速實現從創意產生、原理驗證、樣機試驗到產品落地。

（3）企業競爭、政府服務意識強。珠三角地區最早以發展民營經濟起步，經過幾十年的發展，目前已形成民營經濟為主體并充分競爭的市場格局，企業已普遍具有較強的競爭意識；同時，政府管理部門具有服務意識強、辦事高效的特點，積極為企業和高校、科研機構搭建各種合作平臺，這也為科學儀器的研發、生產和銷售等提供了強有力的保障。截止到2020 年，大灣區擁有“專精特新”小巨人企業、單項冠軍企業以及獨角獸企業近20 家［32］。

3.2 存在問題分析

目前大灣區科學儀器產業發展中存在一些不足，具體表現在以下幾個方面：

（1）高端儀器被國外壟斷，技術水平差距較大。大灣區在高端科研儀器領域的需求與其自身儀器研發能力不相匹配。目前大灣區內高端儀器的使用集中在各大高校及科研院所，他們所配置的科研儀器仍以進口儀器為主，主要來源為美國、日本、德國等，這些國家在科學儀器研發及制造方面均具有悠久的歷史和深厚的基礎，在相關領域形成了較為成熟的技術積累和加工工藝［33］。例如，盡管大灣區在質譜儀上已取得一定進展，但其市場認可度與國外品牌仍有一定差距。另外，還有很多高端儀器的研制在大灣區乃至國內仍屬于空白。以科學前沿研究領域的球差/冷凍電鏡為例，球差電鏡可實現亞埃級分辨率成像及化學分析，是前沿科學研究的利器，但全球供應商只有日本電子株式會社和美國賽默飛世爾科技公司，此類高端科學儀器被國外壟斷。在抗擊新冠疫情過程中，冷凍電鏡技術在新冠病毒結構解析中大顯身手，不僅助力病毒形態、擴增過程及病毒傳播途徑的研究，也幫助了抗病毒藥物的研發。2020 年大灣區共采購7 套球差/冷凍電鏡，占當年國內采購總數的23%［34］。

（2）同質化嚴重、產業價值鏈處于中低端。大灣區雖已初步形成規模較龐大、結構較完整的產業體系，但尚未充分實現產業結構的合理化、高端化。紐約灣區、舊金山灣區和東京灣區均以先進制造業、高新技術產業發展為主，是高端科學儀器研制廠商的聚集地，如紐約灣區有丹納赫集團、阿美特克有限公司，東京灣區有日立高新技術集團等，世界三大灣區是全球創新高地和最重要的科技創新中心。而大灣區內儀器儀表行業中小企業眾多，企業自主研發儀器多處于低端水平、同質化嚴重，儀器利潤率低、國際競爭力不強。隨著我國科學儀器研發能力的提升，國產品牌科學儀器在某些領域逐漸占有了一定的市場，但與國際知名品牌相比仍有差距。以大灣區醫療器械領域的龍頭企業邁瑞醫療為例，2020 年其已占據國內市場份額第一，但仍未能進入全球儀器公司市值排名20 位以內［35］。

（3）高端科學儀器研發人才缺乏。優秀的專業人才缺乏是制約科學儀器行業快速發展的瓶頸之一。美國麻省理工學院、斯坦福大學和加州理工學院等大學均設有精密儀器博士點。然而在大灣區內，包括香港大學、香港科技大學、澳門大學、中山大學、華南理工大學等高水平高校中，尚未有儀器科學與技術的博士點，具有儀器科學與技術專業碩士以上學位授予點的高校中僅有一所高校進入“雙一流”建設名單。大灣區的科學儀器人才培養體系尚不健全，在高水平科學儀器創新人才、領軍人才及專業技術專才培養方面存在短板［36］。

4 大灣區科學儀器產業發展布局和規劃建議

隨著生命科學、材料科學、能源科學、環境科學、民生科學和公共安全科學的發展，以及新技術的不斷出現，科學儀器需在微型、微量、快速、專用等方面不斷創新、發展。對于大灣區未來科學儀器產業的布局，建議從以下幾個方面考慮：

（1）鼓勵科學儀器研發從原始基礎理論創新出發。從基本原理、基礎理論出發進行科學儀器開發往往可以產生革命性產品，從而推動新的科學發現。以高校和科研院所為主體，依托大灣區內國家重點實驗室和省部級重點實驗室創新平臺，充分發揮現有科學儀器平臺、重大科學裝置作用，鼓勵科研人員在重大理論、顛覆性技術突破基礎上開展科學儀器的原始創新研究，從原理驗證、關鍵零部件制造、樣機試驗到產品落地等多個環節給予穩定支持。

（2）聚焦大灣區發展的戰略性新興產業，謀劃布局科學儀器研發方向。大灣區規劃了未來重點發展的半導體與集成電路、新材料、生物醫藥與健康等新興產業，未來這些產業的高速發展必然對科學儀器服務支撐有著巨大的需求，服務產業的科學儀器可有效提高企業生產效率、降低生產成本，提高企業核心競爭力。因此，應當以企業為主體，鼓勵高校和研究院所參與，共同研發以解決困擾產業升級發展的專用儀器設備，并建立健全相關激勵機制，獨辟蹊徑實現國產儀器設備“彎道超車”［37］。

（3）加強粵港澳三地在科學儀器領域的基礎創新與合作。基礎科學研究需要科研人員的相互交流進而碰撞出靈感的火花，同樣，科學儀器研究離不開不同背景的科研人員的交流與合作。充分利用大灣區人才國際化、產業鏈完備、工業基礎強、配套服務健全的特點以及三地在科學儀器方面的研究平臺，加強合作交流，聯合本地企業建立資源共享，實現產學研用結合的科學儀器研發創新合作模式［38］。

（4）加強產學研用協同創新，建立產業扶持基金。高端科學儀器的研發屬于資金密集型行業，且投資回報周期較長，需要多方資源投入，產學研合作即是很好的機制。從企業產生需求、尋找供應商、與高校和研究院所及第三方企業共同研發，再到研發儀器產品企業自用從而形成閉環，有效降低了投資風險；而對產業亟需、研發投入大又被“卡脖子”的專用儀器或關鍵零部件，則需通過政府設立各類儀器研發扶持基金進行支持，如半導體制造產業用的EUV 光刻機及關鍵部件等。

（5）健全人才培養機制與相關平臺建設。在大灣區儀器研發人才培養機制及相關平臺建設方面，充分發揮粵港澳三地優質資源和大科學裝置的人才聚集作用，建立儀器儀表行業高端領軍人才扶持和技能專才的培養及激勵機制，制定優惠政策鼓勵領軍人才在大灣區創辦行業小巨人企業或獨角獸企業，為人才創業提供政策支持；鼓勵高校增設儀器科學與技術碩士點和博士點；通過加強儀器專業產學研合作、深化企業科技特派員制度等方式為技能專才培養提供條件。另外，通過組織行業協會、論壇、會議、展會等方式促進行業人員深入交流。

5 結論

本研究分析總結了目前粵港澳大灣區內科學儀器產業的發展現狀，并對其未來的發展布局進行了思考，主要結論如下：

（1）大灣區內科學儀器市場需求旺盛，相關企業主要分布于廣州、中山、深圳和東莞市等地區，盡管現階段區域內科學儀器制造業總體規模較小，但在國家和廣東省政府的政策引導和經費支持下，部分企業快速發展，在基因測序儀、質譜儀等高端科學儀器制造方面已處于國內領先水平，初步形成產業聚集態勢，同時一系列大科學裝置已經或即將建成，推動了大灣區內基礎科學研究的進步以及醫藥和新能源等產業的創新發展。

（2）與世界其他三大灣區相比，粵港澳大灣區具有經濟活力強、產業鏈全、工業基礎強、企業競爭和政府服務意識強等優勢，但在科學儀器產業發展中還存在不足：企業研發能力較弱，不少高端儀器仍面臨國外壟斷的現狀；儀器制造產業同質化嚴重，總體產業價值鏈處中低端，產品國際競爭力不強；缺乏高端儀器研發人才，精密儀器專業人才培養體系尚不完善。

（3）建議聚焦粵港澳大灣區發展的戰略性新興產業，科學布局科學儀器研發方向，鼓勵儀器研發從原始基礎理論創新出發，通過粵港澳三地在科學儀器領域的創新與合作，加強產學研用協同創新，建立產業扶持基金，健全和完善人才培養機制與相關平臺建設，促進大灣區科學儀器產業發展，助力其成為核心優勢產業，并形成極具競爭力的高端產業體系。