“祝融号”火星打孔的专利奥秘

火星已经成为航天大国创新研发的角逐场，其中物质成分探测是火星探测的基础与重点。我国“祝融号”火星车均搭载有基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的分析仪器，实现了对火星物质成分的原位检测。今年5月，“祝融号”使用激光在火星表面打了一个孔，利用脉冲激光烧灼激发火星表面样品产生等离子体，通过分析样品的原子/离子发射谱线，实现了样品中元素的高精度定性和定量检测。笔者经过专利文献检索发现，国内高校、科研院所针对LIBS技术进行了大量针对性研究，取得了一定应用性成果，并在相关技术上达到了世界领先水平。笔者对相关重要专利文献进行梳理，旨在分析LIBS技术的发展脉络，以期为行业提供参考。

全球专利申请量逐渐增长

笔者统计分析了275件国外和848件中国相关专利申请发现，国外涉及LIBS技术的专利申请始于1982年。中国在该领域的首件专利申请为2006年由中国海洋大学提交的实用新型专利申请，将LIBS仪器用于海水中多种重金属元素的实时光学测量；华南理工大学于2007年提交的发明专利申请“双通道共振增强激光诱导击穿光谱痕量元素分析仪及其方法”提高了仪器分析的灵敏度，于2009年获得授权。

2009年之后，全球关于LIBS技术的专利申请量开始大幅增长，专利申请一方面集中于提升检测性能，研究光谱信号增强方法、自吸收校正方法、联用技术方法等；另一方面则集中于扩展应用范围，涉及农业、矿产、食品、环保、医学等诸多领域。自2011年起，中国相关专利申请量超过了国外，并且差距逐渐拉大，这与2010年之后中国在激光技术领域的投入密不可分，同时也体现出中国对LIBS技术的应用研究愈加重视，未来可期。

高校科研院所专利占比高

LIBS技术在我国不同地区的发展情况与其区域内的高校、科研院所密切相关。LIBS技术专利申请量排名前五位的地区分别为北京、江苏、浙江、广东和湖北，与申请人排名前五位所在地吻合。上述结果表明了相关专利申请主要依托当地具有强大科研实力的高校、科研院所，同时也指明了需要持续加强推进产学研深度融合的发展方向。

在北京的相关专利申请中，来自清华大学和北京理工大学两者的专利申请占比将近一半，其中，北京理工大学在该领域的重要发明人为赵维谦，其研究重点围绕LIBS仪器的改进，包括与拉曼光谱和质谱的联用等。其余主要申请人还有中石化股份有限公司、北京农业智能装备技术研究中心、中科院空天信息创新研究院等，表明了LIBS技术在能源、农业、空天等领域具有重要的应用价值。江苏在该领域的专利申请人主要为南京信息工程大学、江苏星帆华镭光电科技有限公司、南京先进激光技术研究院，范围涵盖了高校、企业与科研院所，表现出创新主体多元化、经济科技创新化、产业结构升级化的趋势。

与北京类似，浙江、广东、湖北的相关专利申请中，来自浙江大学、华南理工大学、华中科技大学的申请分别占比超过四成。浙江大学的主要发明人为何勇，其研究涉及基于LIBS技术的农业食品安全检测；姚顺春作为华南理工大学的重要发明人，主要就LIBS技术在能源燃烧诊断与排放监测中的应用开展研究。

申请人排名前十位中唯一的科研院所——中科院上海技术物理研究所的发明人以万雄及其团队为代表，深度参与国家重大科研项目“火星探测”和“嫦娥3号”，重点就LIBS技术在深空探测领域开展相关研究，由其负责研制的火星表面成分探测仪是我国首台LIBS行星物质成分分析仪，搭载于“祝融”号火星车并成功开展科学研究。相关专利文献主要包括“一种LIBS主被动双模光谱探测系统与方法”。

科研价值与商业价值兼具

作为一种重要的物质元素分析手段，LIBS技术除了应用在火星等设备外，还广泛应用于食品安全检测、环境污染监测、工业生产分析等领域，兼具科研价值与商业价值。

在食品安全检测领域，2011年，大连理工大学提交的专利申请“一种基于LIBS技术的地沟油快速检测方法”，相较于传统地沟油检测方法，该方法实现了实时、原位、快速、全元素检测，适用于现场取证。浙江大学于2014年提交的专利申请“一种共线LIBS的作物营养元素快速检测方法”，实现了待测作物中营养元素含量的准确定量分析。

在环境污染监测领域，清华大学于2011年提交“一种检测时间及位置可控的LIBS检测装置”的专利申请，具有信噪比高，检测速度快等优点，适用于定性与定量检测复杂成分样品中的痕量元素。2013年，中科院安徽光学精密机械研究所提交“一种水体重金属LIBS连续检测方法”的专利申请，有效实现了实验室中水体重金属含量的连续在线自动检测，灵敏度高、稳定性好。

在工业生产分析领域，冶金自动化研究设计院于2011年提交的专利申请“一种基于LIBS技术的普通黄铜全元素分析方法”，弥补了火花光电直读光谱分析方法的不足，实现了铜加工领域的在线检测与自动化冶炼。2018年，华南理工大学提交的专利申请“一种基于光谱预处理的煤质热值测量方法”，通过定量分析模型结合谱线干扰修正方法显著减少了基体效应，提高了LIBS检测精度，从而实现了未知煤样品的热值测量。

值得一提的是，在深空地质探测领域，2015年中科院上海技术物理研究所提交的专利申请“一种火星主次元素同步分析的定量LIBS方法”，在火星车有限的硬件条件下，同时兼顾主要元素的高精度分析与痕量元素的定量分析。中南民族大学于2011年提交的专利申请“一种地层岩性实时在线识别方法”，实现了现场地质录井过程中的岩性实时LIBS在线检测，同时分析了钻井液中携带的地层岩屑颗粒中的元素及其含量。

目前，LIBS技术研究在中国呈现蓬勃发展态势，2016年，中国光学工程学会激光诱导击穿光谱技术专委会成立，相关中国专利申请量随之水涨船高，主要集中于LIBS技术的应用领域。未来一段时间内，高校、科研院所仍将是推动LIBS技术发展的主要动力，与此同时，江苏、广东、湖北等地的中小型光电企业将继续参与该技术的创新与发展，从而实现产学研协作。笔者认为，随着LIBS技术在相关领域的广泛应用，定量分析数据的准确化与检测系统仪器的自动化将是未来研究的热点，研究方向主要包括两个方面：一是提升激光器、光谱仪性能，优化实验参数，改进定量分析算法模型；二是发展与其他分析仪器的联用技术。

（作者单位：国家知识产权局专利局光电技术发明审查部）

责任编辑：甘霖