基于专利分析的农药残留快速检测研究

李奎元　徐小婷　陈卫国等

关键词：农药残留;专利分析;快速检测;光谱分析;生物传感器

前言《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》（GB 2763-2021）标准中最新规定了564种农药在376种（类）食品中10 092项最大残留限量，该标准数量是国际食品法典委员会（ACC）的近2倍[1]。这一标准的公布把国内农药残留检测技术推向了研发热潮，利用农药残留检测技术保障国内农副产品质量安全越来越受到人们的关注。目前，国内外学者针对农副产品中的农药残留从检测手段、风险评估等多方面进行探究，用特定方法识别所含残留农药的类型，但是鲜有学者从专利文献的角度对农药残留检测领域的技术手段进行综合分析。农药残留常规检测方法虽然具有较高的灵敏度和选择性，但是仍然不能满足当前民众高效快速检测农药残留成分与含量的需求，快速检测技术逐渐成为了研究热点。专利代表一个领域内相关技术水平及创新能力[2]，通过专利分析可以了解农药残留检测领域的技术发展现状，识别出该领域热点方向。本文通过对现有农药残留检测技术专利信息分析，梳理国内外农药残留检测领域专利研究的发展状况以及优势技术，归纳总结研究热点。

1数据来源与分析方法

本文选取IncoPat专利数据库平台作为实验数据来源，根据新型农药残留快速检测技术的划分标准[3]以及农药残留检测过程中的重要环节确定检索词，并结合IPC分类号构建检索式。检索截至日期为2021年9月15日，人工筛选去除无关主题词后，共检索出8847件专利，同族合并后为6 413件专利。由于专利申请过程中存在18个月的公示期，2020年和2021年的专利数据不完整。采用定量分析方法，利用Excel、WordArt和Gephi等软件，对全球农药残留检测领域专利数据进行检索、统计和分析，从多个维度以可视化的方式对专利发展趋势、转让趋势、申请人和高价值专利等信息进行分析和解释。

2结果与分析

2.1农药残留检测领域总体发展趋势

专利分为发明专利、实用新型专利和外观设计专利三种，其中发明专利技术含量较高，审核步骤复杂，成功率较低，可以较准确地反映一个国家或地区核心竞争力[4]。在全球农药残留检测领域的专利公开类型中，发明专利4 319件，约占全球专利总量的67.35%，具体数量分布如图1所示。

由图1可知，全球农药残留检测领域的专利授权数量逐年增加，中国、美国、韩国和日本是目前专利数量排名前4的国家，是较早关注农药残留检测的国家。中国作为农业大国，农药残留检测领域的专利公开数量一直处于世界领先地位，在2008年之前，对农药残留检测的研究较少，相关专利不足100件/年;自2009年起，农药残留检测成为了研究热点，专利数量激增;在2015年突破400件/年，中国在该领域的专利公开数量实现了量的飞跃。从2010年海南豇豆在武汉白沙洲农副产品市场连续三次被检测出含有禁用农药水胺硫磷[5]，到2011年青岛韭菜中毒事件，再到2015年北京昌平区的“毒草莓”风波，人们逐渐意识到农药残留带来的危害，如何加强农药残留检测迫在眉睫。世界各国开始相继发展相关技术，不断加大对农药残留检测的投入，未来各国在该领域的专利申请和授权数量会不断增加。

2.2农药残留检测领域专利技术构成及转让趋势

IPC分类号是当前国际上通用的专利文献分类标准和专利检索工具，分析IPC可以全面地了解农药残留检测领域的技术类型分布[2]。以大组分类号为标准分析全球农药残留检测领域专利的IPC分布，大部分专利集中在G部（物理），排名前3的大组分别为G01N21/00（占比21.28%）、G01N30/00（占比20.72%）和G01N33/00（占比14.17%）。G01N21/00表示利用光学手段如红外线、可见光或紫外线分析材料特征及成分;G01N30/00表示利用吸附作用、吸收作用或离子交换来分析材料，如色谱法根据相似相溶原理将混合物中不同的物质在不同相态的选择性分配，最终使得各组物质分离;G01N33/00表示利用材料流动性特征，耐光照性能分析，微波或粒子辐射，电、电化学或磁，超声波、声波或次声波分析材料等之外的特殊方法（G01N1/00至G01N31/00组中的方法之外的技术手段）。为进一步探究农药残留检测领域技术分布情况，参考国家知识產权局专利检索及分析系统的分类号中文含义对全球农药残留检测技术领域的IPC（小组）进行释义，具体结果如表1所示。

专利转让是指将拥有的专利权经过合法程序转让给他人，不仅可以提高当地经济水平，提升社会生产力，而且对于转让双方也有重要意义。一方面，专利转让方在转让的过程中可以获得一定的经济利益和市场竞争力，获得合作开发的机会;另一方面，受让者可以获得有价值的技术方案，节省研发时间，提高自身实力[6]。通过研究专利权利发生转移的数量变化趋势，可以分析不同时期内的技术合作、转化、应用和推广趋势，反映农药残留检测技术的运营和实施热度，进而预测该技术的发展方向和未来的市场应用前景。从农药残留检测领域专利转让情况来看，前10名专利IPC分类包括G01N21、G01N30、G01N33、C12Q1 、G01N1 、G 01N27 、C12N1 、A23L5 、C12R1、C12N9，分布在物理、光学、化学以及冶金领域，在人类必需品等领域也有转让专利。

由图2可知，全球农药残留检测技术专利转让趋势虽然呈现波动上升，但仅有411件专利成功转让，占全部专利的9.52%，比重相对较低。主要原因有两个：一是部分专利申请人为了尽快获取专利授权带来的利益，过于追求专利数量，忽略专利本身的实用价值，同时前置审查过程不完善，加之成本意识缺乏致使一些低质量专利泛滥;二是专利管理和服务落后于成果转移转化的步伐，专利市场以专利售卖为主要的转化方式，部分专利价值得不到充分利用[7]。如何提高农药残留检测领域专利转化率，实现专利价值最优化利用，成为了当务之急。

2.3农药残留检测领域专利技术功效

專利技术功效矩阵是专利分析中常用的一种方法，通过对专利技术主题进行深入分析，可以更有效地获取技术与功效以及技术间的关联度[8]。以技术主题为横轴，专利申请年为纵轴，对2002年至2021年全球农药残留检测领域专利进行功效矩阵分析，气泡的大小代表在对应的申请年里具有相应技术主题的专利数量多少。

由图3可知，全球农药残留检测领域专利的申请数量持续增加，根据气泡大小可大致将功效矩阵分为3个区：气泡面积较大的技术密集区，气泡面积较小的技术稀疏区，气泡面积非常小或者无气泡的技术空白区。2002年至2008年间为技术空白区，该阶段农药残留检测领域专利申请量较少，专利在各技术功效维度分布相差不大，气泡大小相近，说明专利在各技术主题上无显著差别;2009年至2012年间为技术稀疏区，该阶段申请的专利逐渐向速度提高、复杂性降低、便捷性提高和成本降低四个技术主题发展，专利申请数量逐渐增加;从2013年起，申请专利的功效集中在速度提高、复杂性降低、便捷性提高、成本降低、准确性提高、效率提高和灵敏度提高等方面，说明随着技术的发展，这7个方面越来越受到关注，技术相对成熟，竞争力较大。由于专利申请过程中存在一年半的公示期，所以2020年和2021年的气泡大小会受到一定的影响。农药残留检测领域的相关专利在检测技术的稳定性提高、安全性提高和适合性提高方面实力薄弱，相关专利较少，还有很大的进步空间和创新潜力，是专利申请的最佳突破口。农药残留的常规检测技术由于步骤繁琐，操作难度较大，需要耗费大量的人力、物力和财力[9]，不能作为大规模检测农药残留的首选方法，而农药残留快速检测技术以检测迅速、低成本等优点逐渐受到相关研究人员的广泛关注。

2.4农药残留快速检测领域高价值专利

高价值专利代表了农药残留检测领域核心技术，具有高价值度和高被引量两个特点。专利价值度涉及技术先进性、稳定性和保护范围3个方面以及20多个参数，是对专利进行综合分析后得出的一个可以代表专利价值大小的评价指标，数值（1至10）越大，价值度越大。通过研究一个领域内高价值专利的分布情况，可以了解现有专利的质量，明确核心专利和技术导向，同时可以评价专利申请人在该领域的竞争力。为了分析农药残留快速检测领域高价值专利发展状况，利用关键词进行二次检索，共得到1 194件相关专利，本文以IncoPat专利数据库平台中价值度大于8（包含8）的专利作为高价值专利，共405件。

2.4.1高价值专利申请人

对全球农药残留快速检测领域高价值专利的地域分布进行分析发现，中国高价值专利数量最多，其次是美国、世界知识产权组织、日本、韩国和德国。农药残留快速检测领域高价值专利的前五强申请人均为中国高校，分别为华南农药大学、江苏大学、山东理工大学、南京农业大学和中国农业大学。中国农药残留快速检测领域高价值专利在全球专利中占有一席之地，国内高价值专利拥有者以高校为主，在排名靠前的专利申请人中并未出现企业。高校不仅拥有高水平的科研团队和优秀的生源，而且在国家政策导向下，大量的基金项目进入高校，成为农药残留检测快速发展的强大推动力，而企业的技术实力相对薄弱。

专利被引频次作为评估专利价值的一个重要指标，与专利经济价值正相关，在一定程度上标志着专利包含技术内容的重要性[10]。通过高被引专利分析能发现该领域核心技术，有助于了解技术竞争优势、识别强竞争对手及洞悉专利策略[11]，有助于企业针对竞争对手的技术进行专利布局。华南农业大学农药残留检测领域相关的专利中被引次数最高为17次（公开号CN202216956U），该专利利用免疫测定法中的单克隆抗体检测技术;江苏大学农药残留检测领域相关的专利中被引次数最高为18次（公开号CN104820003A），该专利利用了酶抑制检测技术;山东理工大学农药残留检测领域相关的专利中被引次数最高为17次（公开号CN102103122A），该专利通过乙酰胆碱酯酶生物传感器的电化学信号对农药残留量监测;南京农业大学药残留检测领域相关的专利中被引次数最高为21次（公开号CN1687756A），该专利通过光滴度法观察比色反应，来判断有机磷和氨基甲酸酯类农药残留是否超标;中国农业大学农药残留检测领域相关的专利中被引次数最高为21次（公开号CN101721981A），该专利通过农药分子印迹技术领域的分子印迹聚合物检测农药残留物。

2.4.2高价值专利检测技术

为了研究全球农药残留快速检测领域的检测物类型和技术主题，本文综合考虑标题和摘要，对300件高价值专利的检测农药类型和检测技术进行人工标引和词频统计，将数据导入WordArt和Gephi进行可视化分析。

由图4可知，快速检测技术检测的农药主要有三种类型：有机磷类农药，氨基甲酸酯类农药和拟除虫菊酯类农药。其中，毒死蜱（氯吡硫磷）、甲基对硫磷（有机磷杀虫剂）和草甘膦（有机磷除草剂）是较常用的有机磷类农药;西维因是氨基甲酸酯类农药，它是一种广谱氨基甲酸酯类杀虫剂，可以快速杀灭水中的浮游生物;啶虫脒和吡虫啉是两种新烟碱类杀虫剂，啶虫脒虽然是低毒杀虫剂，但是对人体有较强的毒性;阿特拉津是一种三嗪类除草剂，对人低毒，但长期暴露会导致癌症的发生以及影响胎儿的正常发育。这些农药的杀虫、除草效果显著，大大提高了农作物的产量，被广泛应用于农业领域，也是农药残留快速检测的重点成分。

由图5可知，全球农药快速检测领域的检测方法主要集中在两个方面：生物传感器和光谱分析法。生物传感器是一种特殊类型的化学传感器，它能够特异性识别生物成分[12]，利用生物传感器可以对农药成分进行定性或定量分析。生物传感器中较常用到酶传感器、适配体传感器、电化学传感器、免疫传感器和细胞传感器。其中酶传感器主要是通过分析酶催化反应程度，测定农药对生物体酶活性的抑制效应，从而判定农药残留量[3]，以乙酰胆碱酯酶生物传感器为例，此类专利通过有机磷对乙酰胆碱酯酶的抑制作用构建了一种用于有机磷检测的电化学生物传感器，为有机磷的检测开拓了新空间[13]。光谱分析技术根据待测物的各种光谱特性，对组成成分进行定性或定量分析。从专利文献标引的过程发现，在运用光谱分析农药残留的过程中表面增强拉曼光谱技术运用最多，近红外光谱、化学发光、激光诱导击穿光谱、太赫兹时域光谱等技术次之。以一种复合纳米材料为例[14]，该发明通过吸附作用，使极高的比较面积和物化性质在负载后产生较多的热点，达到增强SERS信号的目的，能快速检测出农药残留的含量。物联网技术、显色反应、离子分析、微流控、电化学等技术虽然是新型农药快速残留检测方法，但由于技术不完善、成本大，未有大规模的专利申请。

2.5中美两国高价值专利分析

中国和美国作为农药残留快速检测领域专利数量最多的两个国家，占有全球专利数量的87.08%。分析两国的高价值专利发展现状，一方面可以了解全球农药残留领域核心专利的申请趋势，追溯该领域最核心的技术;另一方面对比中美两国在该领域的差异，可以找到中国在该领域的技术优势和不足，为研发人员提供参考。

在高价值专利中， 中国有253件（占比5.27%），美国有92件（占比40.89%）。从发展时间上看，美国农药残留快速检测领域高价值专利研发起步时间早于中国，在1981年就有相关研究人员申请了专利，并且每年都有新的高價值专利持续被申请;而中国高价值专利申请时间起步较晚，直到2003年，国内才开始出现高价值专利，但是中国高价值专利发展后来居上，专利申请数量飞速增长，仅用3年的时间就超过了美国的高价值专利申请数量。从被引次数上看，美top50的高价值专利平均被引次数为46.32次/件，中国top50的高价值专利平均被引次数为10.64次/件，这说明美国拥有农药残留检测领域的核心技术，而中国高价值专利申请数量虽然较多，但技术密度相对不高，专利质量偏低。从检测技术类型上对中美两国高被引专利的IPC进行共现分析，其中节点大小代表网络图的中心性，通常用来衡量网络图中的一个点在整体中接近中心程度和一个节点对整体的重要性，间接反映两国专利技术核心以及技术引用关系。

由图6可知，美国较大的节点多于其他节点的联系较多，说明美罔高被引的专利较为集中，被其他专利引用次数较多。分析IPC共现网络中较大节点，中国专利IPC共现网络中专利技术集中在观察化学指示剂颜色变化分析材料成分（G01N21/78），测试材料在特定元素或分子的特征波长下的相对效应（C01N21/31），化学发光或生物发光（G01N21/76）等技术方向;美国专利IPC共现网络中专利技术集中在含酶、核酸或微生物的测定或检验方法（C12Q1/68）、用条件测量或信号传感方法测量或检验（C12M1/34）、利用拉曼散射分析（G01N21/65）、散射光谱法（G01J3/44）和利用生物特异性结合的免疫测定法（G01N33/53）等技术方向。中国专利侧重技术应用，检测农药类型更细化，更有针对性，主要针对某一类农药残留进行检测，保证了检测的精确度，而美国专利更注重技术本身，虽然技术应用范围广泛，但不能具体分析出农药成分。

3结论

本文从专利视角出发，分析了全球农药残留检测技术的整体发展趋势、专利转让情况、专利技术功效、快速检测领域高价值专利的申请人分布及专利技术主题，对比了中美两国高价值专利。研究发现：（1）农药残留检测技术类型主要集中在利用光学手段（G01N21/00）、离子交换层析（G0N30/00）以及一些特殊方法（G0N33/00）分析材料成分。全球专利转让呈现上升趋势，但总体上专利转让数量少，转化专利占全部专利比重较低;（2）农药残留检测领域专利申请人更加关注检测技术的速度、复杂性、便捷性和成本4个方面，检测手段的稳定性、安全性和适合性等方面有待加强，农药残留快速检测技术是大势所趋，其中较为突出的是生物传感器和光谱分析两种方法;（3）在农药残留快速检测领域，中国高价值专利数量多于美国，但是具有核心竞争力的专利仍需进一步培育。

针对研究中发现的问题，本文认为应该从以下两个方面着手解决。（1）创新核心技术，推动企业创新高质量发展。以高校为核心，积极倡导校企合作，同时政府应采取措施研发核心技术，主导该领域发展，鼓励高校、企业、个人大力开展方法创新，重视高质量专利转让问题。（2）完善常规检测方法，重点突破农药残留快速检测技术。目前，农药残留快速检测技术已成为研发热点，研发机构应把握发展方向，在完善常规检测方法的基础上，把农药残留检测引向更快更准确的创新型检测技术，攻克稳定性差、安全性低和适合范围小等难题，以满足民众需求。