光谱法水质监测仪器和方法国内专利状况分析

常玺凤 ，虞功亮 ，韩璐璐 ，王 涛 ，时安琪 ，乔之怡

（1.天津农学院，天津 300384；2.中国科学院 水生生物研究所，湖北 武汉 430072）

随着国民经济快速增长，城市化发展速度的加快，工业废水、生活污水在江河湖泊中大量排放等问题导致水质变差[1]，对国民用水安全产生巨大的威胁，所以对水体进行长期连续监测的需求急剧增加.常规的水质监测方法主要以实验室分析为主，具有检测精度高的优点.但实验室分析过程需要人员现场采样、保存运输水样以及添加多种化学试剂进行样品预处理等，处理过程繁琐，消耗大量试剂，容易对环境造成二次污染[2].近年来，光谱检测技术发展迅速，已经成为现场快速检测的主要手段之一，在食品、化工、医疗、考古、制药、有色金属、环境保护、珠宝玉石鉴定、月球探测、水体监测等领域有广泛的需求[3-9].光谱水质监测仪器能够实时、动态、多参数地对水质状况进行大范围监测，可以弥补常规水质检测方法的不足.基于国家现阶段对水环境监测的战略需求，为水质的光谱法检测提供了非常广阔的应用前景[10].

近年来，随着光谱法水质监测仪器的研制及快速发展，核心技术及装置的知识产权申请数量逐年增加.本研究对知识产权申请与受理现状进行分析，以促进光谱法水质监测仪器和检测方法更好地推广及实施.希望通过此分析研究，能够明晰我国光谱法水质监测仪器和检测方法的技术研发走势，为进一步发展提供参考.

1 数据来源与分析方法

本研究基于万方数据知识服务平台，通过制定检索策略，检索时间为1993年12月至2022年4月，得出近30年内光谱法水质仪器和方法的专利产出共420篇.通过文献全文梳理，去除主题与水质不相关的专利，最终确定392项专利符合本课题研究内容，被列入研究对象，其中仅包括仪器研制专利166项，检测方法专利83项，仪器研制及检测方法专利143项.

本文采用Office excel工具对光谱法水质监测仪器和方法专利的申请情况、专利授权的仪器和方法所涉及仪器类型、专利权申请主体及分布区域进行统计分析[11]，以期揭示我国光谱法水质监测仪器和方法的技术研发走势.

2 结果与分析

2.1 光谱法水质监测仪器和方法的国内专利授权数量发展

笔者对1993～2022年的光谱法水质监测仪器和方法的专利授权数量进行统计分析.30年间共计392项.从图1可以看到，专利授权数量呈现出逐年上升的趋势，2012年以前年度增长趋势波动较大，自2012开始，年度增长率平均为30.4%.根据增长趋势，可以区分为两个发展阶段.第一个阶段为1993～2013年，我国光谱法水质监测仪器和方法相关专利处于缓慢发展的新兴期.自1993年出现首个相关专利之后，1994～2004年未申请相关专利，20年间专利授权总量仅36个.第二个阶段为2014～2022年，其专利创新发展进入快速增长期.2014年出现井喷式的发展，专利授权数量达到20个，此后稳步发展，增长率一直维持在25%以上，2021年专利授权数量达到80个的高峰.截止2022年4月，专利授权数量已达20个.由于专利申请之后授权存在审定时间差等问题，还有更多的专利申请还正在更新中，预计专利授权数量会超过2021年.近年来，专利授权数量的迅猛发展与我国这一时期科学技术的发展以及社会对生态环境质量的高要求和技术市场的需求增加有着密切关系.相信随着当前时期研发投入的重视，专利数量增速会更快，并保持着强劲的增加趋势[12].

图1 1993～2022年间专利授权数量统计Fig.1 Statistics of patent authorization from 1993 to 2022

2.2 专利授权的仪器和方法所涉及仪器类型

依据授权专利所涉及的光谱仪器使用形式分在线型、机载型、卫星载荷型[13]、便携式型、实验室检测型和其他等.其中，实验室检测型的光谱法水质仪为138个（如图2所示），占授权总量的35%，表明实验室检测仍然是光谱分析方法的主要应用场景.这类设备虽然使用先进的光谱法，其测定精度与传统化学分析方法相媲美，但是还没有完全脱离对化学试剂的依赖，因此该类仪器虽然是当前主要的使用类型，但随着技术的发展，已经无法满足当前水质监测实时性、无污染、在线等需求[14].

图2 光谱仪器的使用形式Fig.2 Use of spectroscopic instruments

其次，在线型光谱法水质监测仪为130个，占授权总量的33%.该类型仪器大多采用windows中文操作系统，检测响应时间短，灵活度高，无需人员值守，可以进行远程数据传输，并实时获取光谱数据和水质指标浓度[15-16].该类型仪器大多依赖化学试剂投入.目前已有水体接触式在线检测探头，但安装难度大，需要频繁清洗维护.也有仪器依靠光学遥测，不依赖化学试剂和水体接触式探头，并可以实现高通量监测，这类仪器符合未来发展趋势，预计未来将被大量开发[17].

机载型和卫星载荷型的光谱法水质监测仪分别为36、14个，占分别授权总量的9%和4%.这种仪器属于非接触式遥测类型，检测范围广，可视化效果突出，检测效率高，可实现远程数据传输，能够节省人力、财力，提高效率[18-19]，适应技术市场和社会发展需求，近年来发展较快.

便携式光谱法水质监测仪器为24个，占授权总量的7%.随着社会发展对生活环境质量和技术市场的要求提高，对监测提出更灵活和便捷的检测要求，便携式设备需求日益上升，使得便携型光谱法水质仪器朝着操作简单、使用灵活、携带方便、运行维护设备简便等使用成本较低的方向发展[20-21].

其他类型的光谱法水质监测仪为50个，占授权总量的13%，随着人们生活水平提高和监测场景日益多样性，对水的质量要求也逐步提高，使得水质监测仪器在用户安全饮用水在线监测和在恶劣环境中采集和分析水质方面得以发展，例如，家庭水质监测仪和大型公共场所水质在线监测仪发展逐渐成为研究热点.

依据授权专利所涉及的光谱仪器监测水质参数数量可以分为多参数和单一参数.如表1所列，多参数水质监测仪的数量为262个，可同时检测水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、化学需氧量(COD)等参数，测量精度高，稳定性好[22].单一参数水质监测仪为49个，主要为总氮、总磷、COD、氨氮、有机物、悬浮物、叶绿素、重金属等，其中COD监测仪28个，重金属、叶绿素分别为9、8个.由于水体的多样性和复杂性，多参数水质监测仪更加适应环境监测发展需求.

表 1 专利授权的仪器和方法所涉及的仪器类型Table 1 Types of instruments involved in patented instruments and methods

依据授权专利所涉及的光谱仪器采用的光谱类型，可以分为可见光、紫外、红外、近红外、拉曼、荧光光谱、激发荧光或激光光谱等.依据谱段分为高光谱、多光谱和单光谱.其中高光谱、多光谱和单光谱监测仪的数量分别为12、227、113个.高光谱和多光谱较单光谱具有更多的特征波段，有利于提高反演结果的稳定性和精确性，在光谱反演水质指标模型中得到广泛采用.穆海洋等[23]研究开发的基于多源光谱融合便携式多参数水质分析仪，是一种无需化学试剂的绿色检测工具，测量精度显著优于目前市场上普遍采用的常规紫外吸收光谱仪.

依据授权专利所涉及的光谱仪器设计情况进行分类，可分为对整体设计和部件设计.此类型仪器数量分别为328、64个，其中，对仪器整体进行设计改进的居多.部件设计只是对仪器的外壳、体积、系统、信息处理与运算装置、光源、探头等其中的一部分进行详细设计.随着计算机技术和微电子技术的发展，仪器的精度、灵敏度、可靠性、经济性、使用条件、外观等设计都在持续进步.

2.3 专利申请主体

根据检索的392篇专利数据绘制图3.由图3可见，光谱法水质监测仪器和方法的专利申请主体数量最多的为企业，共194篇，占总数量的50%.上海恒伟信息技术有限公司和南京波思途智能股份有限公司为获得授权专利最多的研发单位，共4篇.其次中科普光科技有限公司和无锡昊瑜节能环保设备有限公司分别2篇.从授权数量看，虽然获得专利授权的企业整体数量较多，但没有形成龙头企业，主要是一些规模不大的中小企业，不具备较大规模研发能力.近年来随着国家的鼓励和支持，企业经营效益增强，自主创新能力不断加强，专利授权量在未来可能会大幅提高[24].

图3 专利申请主体的授权量Fig.3 Amount of authorization of subject of patent applications

其次，获得授权量比较多的主体是科研院所，高校共授权107项，研究所58项.其中中国计量大学获得9项授权，中国科学院西安光学精密机械研究所获得5项，中国科学院南京地理与湖泊研究所为3项，常州大学、重庆大学、南京大学分别为2项.可见，科研院所也是光谱法水质检测关键技术的主要研发主体[25].

个人、合作研发机构和其他一些检测中心获得的专利授权量分别为17、9、7个，授权数量较少，可能是由于这些群体缺乏足够的研发基金以及技术知识储备不充分.相信随着国家的鼓励政策和资本进入，这些群体将会有更多和更具创新性的研发成果产出，成为我国该领域专利研发的重要补充力量[26].

2.4 专利申请区域分布

在检索的392篇专利文献中，其中3项是其他国家授权人申请，其余为我国自主创新专利.从研发授权主体的地理分布看，专利产出数量最多的是华东地区，有168项，占比为43%（如图4所示）.其中，江苏、浙江、山东、上海分别为68、52、22、21项.该地区也是中国综合技术水平最高的经济区，表明专利数量与经济发展水平密切相关，源于东部地区有优越的自然及交通条件和政府对东部沿海地区的改革开放的政策支持[27].其次是华北地区，有71项，占比为18%.其中京津冀地区是我国北方经济规模最大、最具活力的地区，北京和天津分别为56、7项.华南地区有52项，占比为13%，主要分布在广东，占48项，地理位置优越，拥有较多的高新技术企业和科研院所.而华中、东北、西北、西南地区中数量分别为29、14、15、40项，占比分别为8%、4%、4%、10%.其中在西南地区，重庆占据一半以上，为22项.内蒙古、甘肃、青海、广西等偏远不发达省份，其光谱法水质仪器和方法专利授权数量为零.由此表明，区域经济发展不平衡问题是制约我国光谱法水质仪器和方法专利授权数量发展的一个重要原因.中、西部地区受制于自身的地理位置，发展缓慢，其经济发展水平明显低于东部的发展水平.随着国家对中、西部地区发展的重视，加大资金支持力度，未来该区域的有关专利将得到发展.

图4 专利申请区域分布Fig.4 Regional distribution of patent applications

3 发展趋势

从光谱法水质监测仪器和方法的专利授权总量来看，随着光谱技术的发展，专利数量持续上升，光谱水质监测仪器和方法将不断完善.本文从以下4个方面进行了阐述：

（1）监测参数更加多元化即“一机多参数”.从单一参数的监测对象发展为多参数同时监测，如总氮、总磷、COD、叶绿素浓度的含量测定由原来的单一测定发展到多参数同时测定[28-29].魏康林等[30]于2019年报道了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质监测仪器的优势主要有：通过改变光谱波长和标定算法等，能够替代多台“点式”的光谱水质检测仪器，可进行功能扩展.能绿色智能快速检测COD、总有机碳（TOC）、生化需氧量（BOD）等重要水质参数，简化检测流程，节省大量时间.能通过对水体进行全光谱波段扫描，建立水质异常在线监测算法模型，实现水质异常或突变预警.

（2）光谱技术也更加多元化，谱段选择更加精细，并强调多波段组合.紫外可见光谱、荧光光谱、红外光谱和拉曼光谱技术有着不同的光谱信号，随着分子光谱仪器的发展，光谱灵敏度和分辨率都有很大的提高[31].仪器和分析方法的发展是推动现代水质检测的关键，因此要将其应用到水质检测中更宽广的领域，获得更大的收益.由单波长到多波长，通过多元化分析手段，获取水质中的各个参数.单波长分析仪器结构相对简单，存在适用范围小、测量精度低等缺点.高光谱能够获得水质中连续的吸光度信息，有力地提高了测量分析的相关性[32-33].多源光谱融合水质监测技术将会成为新的发展方向.鉴于上述仪器设备研发的快速发展及技术的多样性，有必要制定有关标准，以规范和引导该技术的发展.

（3）光谱仪器的使用形式也更加多样化.多元化和立体化监测需求促进仪器设备从在线型、便携型、机载型等单一模式向交互融合发展模式转变.在线便携式光谱水质仪器、在线实验室监测的光谱法水质仪器和机载与卫星结合的光谱水质仪器等得到快速发展.目前，水质遥感监测不限于卫星平台，开始向无人机、地基在线、便携等应用方向发展，提出“天-空-地-水”一体化的技术应用需求.陈洁[34]于2021年报道了使用地面便携式和无人机平台搭载高光谱水质在线监测设备，完成实验区的总磷（TP）、总氮（TN）浓度的反演与空间分布图制作.该研究得出空地多平台高光谱内陆河水质监测技术对TP、TN含量的反演精度高、效果好等结论，为内陆水环境保护提供了全新的解决方案.此结论可促进各种仪器的融合发展，对于水质监测既具有科学性，又具有可行性.

（4）更为先进或复杂的新型算法被广泛采用.这些光谱水质仪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、模糊综合评价、随机森林模型、神经网络模型等方法对所获取的光谱数据进行建模，通过模型来反演待测水质样品中一些参数的含量[35-38].武尚智[39]于2013年比较各种算法的计算速度及精度等性能，对光谱水质检测算法性能、所得数据及误差原因进行深入而细致的分析.分析显示，卫星测量和现场数据的结合比单独进行实地采样的检测结果更加准确，以算法反演chl-a为威斯康星州湖泊营养状态评估提供了支持内陆水质监测应用的实例[40].张棋斐等[41]于2017年分析了影响河口及近海水体叶绿素a浓度反演精度的关键因素，并总结归纳近十年来，水体光谱数据处理方法及河口及近岸海域水体叶绿素a浓度遥感反演方法.

综上所述，我国光谱法水质监测仪器和方法的创新技术能力还处于积累状态，专利产出总体呈现向上的趋势，说明水质监测专利申请具有一定的市场需求，能为水资源质量的科学预测、预警和水资源保护提供智能化信息支持[42].目前，光谱法在水质监测领域发挥重要作用，但是依然面临着众多困难与挑战，有待进一步地精进研究.

4 存在的问题

我国创新发明技术申请专利授权的意识还是比较薄弱，专利制度不够健全，造成我国的技术盗版事件频发，给发明创新主体人带来损失，这些都大大挫败了研发人员的积极性.要加强对国民的知识产权教育以及加强对剽窃行为的执法力度.

创新发明技术的质量还有待提高，加强实用性并降低成本.以沿海水产养殖区为例，其水体表面通常分布着各种基础设施（如网箱、房屋和漂浮泡沫），这些设施会干扰光谱的获取，以及光谱分辨率和噪声信号比还有待提高[43]，且光谱仪器的维护成本较高，不易大量推广使用.

随着计算机技术的不断发展，机器学习不断被应用于水环境参数的反演，效果要优于线性或者指数等模型.但非计算机专业的人员学习和使用计算机标法比较困难，例如运用人工神经网络、支持向量机和随机森林等算法进行建模以及评估模型精度.

目前光谱法水质监测仪器和方法的专利研发群体比较分散，主要分布在经济发达城市以及著名的高校所在地，没有形成规模，这不利于创新群体的产生和发展，也不利于产业化发展，更谈不上产业化集群.此外，该技术应用的区域分布不广泛，区域发展参差不齐，这表明与地方的科技水平和发展程度明显相关.因此，建议国家和地方应出台相应的鼓励政策、专利申请鼓励和培育、技术应用培训计划、技术应用补贴，推进这些新技术的应用，提高我国在水环境水生态检测水平和监测能力.

5 结论

通过对1993～2022年在中国范围内授权的光谱法水质监测仪器和方法的专利进行分析，发现该领域的专利数量稳步增长，年平均增长率为30.4% .随着光谱技术的发展，光谱仪所检测的参数也更加多元化，谱段更加精细化，仪器类型更加多样化，新型算法更加精确化.存在的问题是开发光谱仪方法的学者大多没有专利申请意识，仅停留在理论和方法上，未真正将技术进行产品化.此外还存在专利实用性不高、技术受限、地区发展不平衡等问题.建议通过协同创新和多部门联合研发，相互取长补短，并加强知识产权保护意识，促进该技术专利成果转化，实现更多的经济和社会效益.