基于專利分析的農(nóng)藥殘留快速檢測研究

李奎元　徐小婷　陳衛(wèi)國等

關鍵詞：農(nóng)藥殘留;專利分析;快速檢測;光譜分析;生物傳感器

前言《食品安全國家標準 食品中農(nóng)藥最大殘留限量》（GB 2763-2021）標準中最新規(guī)定了564種農(nóng)藥在376種（類）食品中10 092項最大殘留限量，該標準數(shù)量是國際食品法典委員會（ACC）的近2倍[1]。這一標準的公布把國內(nèi)農(nóng)藥殘留檢測技術推向了研發(fā)熱潮，利用農(nóng)藥殘留檢測技術保障國內(nèi)農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量安全越來越受到人們的關注。目前，國內(nèi)外學者針對農(nóng)副產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留從檢測手段、風險評估等多方面進行探究，用特定方法識別所含殘留農(nóng)藥的類型，但是鮮有學者從專利文獻的角度對農(nóng)藥殘留檢測領域的技術手段進行綜合分析。農(nóng)藥殘留常規(guī)檢測方法雖然具有較高的靈敏度和選擇性，但是仍然不能滿足當前民眾高效快速檢測農(nóng)藥殘留成分與含量的需求，快速檢測技術逐漸成為了研究熱點。專利代表一個領域內(nèi)相關技術水平及創(chuàng)新能力[2]，通過專利分析可以了解農(nóng)藥殘留檢測領域的技術發(fā)展現(xiàn)狀，識別出該領域熱點方向。本文通過對現(xiàn)有農(nóng)藥殘留檢測技術專利信息分析，梳理國內(nèi)外農(nóng)藥殘留檢測領域專利研究的發(fā)展狀況以及優(yōu)勢技術，歸納總結研究熱點。

1數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文選取IncoPat專利數(shù)據(jù)庫平臺作為實驗數(shù)據(jù)來源，根據(jù)新型農(nóng)藥殘留快速檢測技術的劃分標準[3]以及農(nóng)藥殘留檢測過程中的重要環(huán)節(jié)確定檢索詞，并結合IPC分類號構建檢索式。檢索截至日期為2021年9月15日，人工篩選去除無關主題詞后，共檢索出8847件專利，同族合并后為6 413件專利。由于專利申請過程中存在18個月的公示期，2020年和2021年的專利數(shù)據(jù)不完整。采用定量分析方法，利用Excel、WordArt和Gephi等軟件，對全球農(nóng)藥殘留檢測領域專利數(shù)據(jù)進行檢索、統(tǒng)計和分析，從多個維度以可視化的方式對專利發(fā)展趨勢、轉讓趨勢、申請人和高價值專利等信息進行分析和解釋。

2結果與分析

2.1農(nóng)藥殘留檢測領域總體發(fā)展趨勢

專利分為發(fā)明專利、實用新型專利和外觀設計專利三種，其中發(fā)明專利技術含量較高，審核步驟復雜，成功率較低，可以較準確地反映一個國家或地區(qū)核心競爭力[4]。在全球農(nóng)藥殘留檢測領域的專利公開類型中，發(fā)明專利4 319件，約占全球專利總量的67.35%，具體數(shù)量分布如圖1所示。

由圖1可知，全球農(nóng)藥殘留檢測領域的專利授權數(shù)量逐年增加，中國、美國、韓國和日本是目前專利數(shù)量排名前4的國家，是較早關注農(nóng)藥殘留檢測的國家。中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)藥殘留檢測領域的專利公開數(shù)量一直處于世界領先地位，在2008年之前，對農(nóng)藥殘留檢測的研究較少，相關專利不足100件/年;自2009年起，農(nóng)藥殘留檢測成為了研究熱點，專利數(shù)量激增;在2015年突破400件/年，中國在該領域的專利公開數(shù)量實現(xiàn)了量的飛躍。從2010年海南豇豆在武漢白沙洲農(nóng)副產(chǎn)品市場連續(xù)三次被檢測出含有禁用農(nóng)藥水胺硫磷[5]，到2011年青島韭菜中毒事件，再到2015年北京昌平區(qū)的“毒草莓”風波，人們逐漸意識到農(nóng)藥殘留帶來的危害，如何加強農(nóng)藥殘留檢測迫在眉睫。世界各國開始相繼發(fā)展相關技術，不斷加大對農(nóng)藥殘留檢測的投入，未來各國在該領域的專利申請和授權數(shù)量會不斷增加。

2.2農(nóng)藥殘留檢測領域專利技術構成及轉讓趨勢

IPC分類號是當前國際上通用的專利文獻分類標準和專利檢索工具，分析IPC可以全面地了解農(nóng)藥殘留檢測領域的技術類型分布[2]。以大組分類號為標準分析全球農(nóng)藥殘留檢測領域專利的IPC分布，大部分專利集中在G部（物理），排名前3的大組分別為G01N21/00（占比21.28%）、G01N30/00（占比20.72%）和G01N33/00（占比14.17%）。G01N21/00表示利用光學手段如紅外線、可見光或紫外線分析材料特征及成分;G01N30/00表示利用吸附作用、吸收作用或離子交換來分析材料，如色譜法根據(jù)相似相溶原理將混合物中不同的物質(zhì)在不同相態(tài)的選擇性分配，最終使得各組物質(zhì)分離;G01N33/00表示利用材料流動性特征，耐光照性能分析，微波或粒子輻射，電、電化學或磁，超聲波、聲波或次聲波分析材料等之外的特殊方法（G01N1/00至G01N31/00組中的方法之外的技術手段）。為進一步探究農(nóng)藥殘留檢測領域技術分布情況，參考國家知識產(chǎn)權局專利檢索及分析系統(tǒng)的分類號中文含義對全球農(nóng)藥殘留檢測技術領域的IPC（小組）進行釋義，具體結果如表1所示。

專利轉讓是指將擁有的專利權經(jīng)過合法程序轉讓給他人，不僅可以提高當?shù)亟?jīng)濟水平，提升社會生產(chǎn)力，而且對于轉讓雙方也有重要意義。一方面，專利轉讓方在轉讓的過程中可以獲得一定的經(jīng)濟利益和市場競爭力，獲得合作開發(fā)的機會;另一方面，受讓者可以獲得有價值的技術方案，節(jié)省研發(fā)時間，提高自身實力[6]。通過研究專利權利發(fā)生轉移的數(shù)量變化趨勢，可以分析不同時期內(nèi)的技術合作、轉化、應用和推廣趨勢，反映農(nóng)藥殘留檢測技術的運營和實施熱度，進而預測該技術的發(fā)展方向和未來的市場應用前景。從農(nóng)藥殘留檢測領域專利轉讓情況來看，前10名專利IPC分類包括G01N21、G01N30、G01N33、C12Q1 、G01N1?、G 01N27 、C12N1 、A23L5 、C12R1、C12N9，分布在物理、光學、化學以及冶金領域，在人類必需品等領域也有轉讓專利。

由圖2可知，全球農(nóng)藥殘留檢測技術專利轉讓趨勢雖然呈現(xiàn)波動上升，但僅有411件專利成功轉讓，占全部專利的9.52%，比重相對較低。主要原因有兩個：一是部分專利申請人為了盡快獲取專利授權帶來的利益，過于追求專利數(shù)量，忽略專利本身的實用價值，同時前置審查過程不完善，加之成本意識缺乏致使一些低質(zhì)量專利泛濫;二是專利管理和服務落后于成果轉移轉化的步伐，專利市場以專利售賣為主要的轉化方式，部分專利價值得不到充分利用[7]。如何提高農(nóng)藥殘留檢測領域專利轉化率，實現(xiàn)專利價值最優(yōu)化利用，成為了當務之急。

2.3農(nóng)藥殘留檢測領域專利技術功效

專利技術功效矩陣是專利分析中常用的一種方法，通過對專利技術主題進行深入分析，可以更有效地獲取技術與功效以及技術間的關聯(lián)度[8]。以技術主題為橫軸，專利申請年為縱軸，對2002年至2021年全球農(nóng)藥殘留檢測領域專利進行功效矩陣分析，氣泡的大小代表在對應的申請年里具有相應技術主題的專利數(shù)量多少。

由圖3可知，全球農(nóng)藥殘留檢測領域專利的申請數(shù)量持續(xù)增加，根據(jù)氣泡大小可大致將功效矩陣分為3個區(qū)：氣泡面積較大的技術密集區(qū)，氣泡面積較小的技術稀疏區(qū)，氣泡面積非常小或者無氣泡的技術空白區(qū)。2002年至2008年間為技術空白區(qū)，該階段農(nóng)藥殘留檢測領域專利申請量較少，專利在各技術功效維度分布相差不大，氣泡大小相近，說明專利在各技術主題上無顯著差別;2009年至2012年間為技術稀疏區(qū)，該階段申請的專利逐漸向速度提高、復雜性降低、便捷性提高和成本降低四個技術主題發(fā)展，專利申請數(shù)量逐漸增加;從2013年起，申請專利的功效集中在速度提高、復雜性降低、便捷性提高、成本降低、準確性提高、效率提高和靈敏度提高等方面，說明隨著技術的發(fā)展，這7個方面越來越受到關注，技術相對成熟，競爭力較大。由于專利申請過程中存在一年半的公示期，所以2020年和2021年的氣泡大小會受到一定的影響。農(nóng)藥殘留檢測領域的相關專利在檢測技術的穩(wěn)定性提高、安全性提高和適合性提高方面實力薄弱，相關專利較少，還有很大的進步空間和創(chuàng)新潛力，是專利申請的最佳突破口。農(nóng)藥殘留的常規(guī)檢測技術由于步驟繁瑣，操作難度較大，需要耗費大量的人力、物力和財力[9]，不能作為大規(guī)模檢測農(nóng)藥殘留的首選方法，而農(nóng)藥殘留快速檢測技術以檢測迅速、低成本等優(yōu)點逐漸受到相關研究人員的廣泛關注。

2.4農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利

高價值專利代表了農(nóng)藥殘留檢測領域核心技術，具有高價值度和高被引量兩個特點。專利價值度涉及技術先進性、穩(wěn)定性和保護范圍3個方面以及20多個參數(shù)，是對專利進行綜合分析后得出的一個可以代表專利價值大小的評價指標，數(shù)值（1至10）越大，價值度越大。通過研究一個領域內(nèi)高價值專利的分布情況，可以了解現(xiàn)有專利的質(zhì)量，明確核心專利和技術導向，同時可以評價專利申請人在該領域的競爭力。為了分析農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利發(fā)展狀況，利用關鍵詞進行二次檢索，共得到1 194件相關專利，本文以IncoPat專利數(shù)據(jù)庫平臺中價值度大于8（包含8）的專利作為高價值專利，共405件。

2.4.1高價值專利申請人

對全球農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利的地域分布進行分析發(fā)現(xiàn)，中國高價值專利數(shù)量最多，其次是美國、世界知識產(chǎn)權組織、日本、韓國和德國。農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利的前五強申請人均為中國高校，分別為華南農(nóng)藥大學、江蘇大學、山東理工大學、南京農(nóng)業(yè)大學和中國農(nóng)業(yè)大學。中國農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利在全球專利中占有一席之地，國內(nèi)高價值專利擁有者以高校為主，在排名靠前的專利申請人中并未出現(xiàn)企業(yè)。高校不僅擁有高水平的科研團隊和優(yōu)秀的生源，而且在國家政策導向下，大量的基金項目進入高校，成為農(nóng)藥殘留檢測快速發(fā)展的強大推動力，而企業(yè)的技術實力相對薄弱。

專利被引頻次作為評估專利價值的一個重要指標，與專利經(jīng)濟價值正相關，在一定程度上標志著專利包含技術內(nèi)容的重要性[10]。通過高被引專利分析能發(fā)現(xiàn)該領域核心技術，有助于了解技術競爭優(yōu)勢、識別強競爭對手及洞悉專利策略[11]，有助于企業(yè)針對競爭對手的技術進行專利布局。華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)藥殘留檢測領域相關的專利中被引次數(shù)最高為17次（公開號CN202216956U），該專利利用免疫測定法中的單克隆抗體檢測技術;江蘇大學農(nóng)藥殘留檢測領域相關的專利中被引次數(shù)最高為18次（公開號CN104820003A），該專利利用了酶抑制檢測技術;山東理工大學農(nóng)藥殘留檢測領域相關的專利中被引次數(shù)最高為17次（公開號CN102103122A），該專利通過乙酰膽堿酯酶生物傳感器的電化學信號對農(nóng)藥殘留量監(jiān)測;南京農(nóng)業(yè)大學藥殘留檢測領域相關的專利中被引次數(shù)最高為21次（公開號CN1687756A），該專利通過光滴度法觀察比色反應，來判斷有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留是否超標;中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)藥殘留檢測領域相關的專利中被引次數(shù)最高為21次（公開號CN101721981A），該專利通過農(nóng)藥分子印跡技術領域的分子印跡聚合物檢測農(nóng)藥殘留物。

2.4.2高價值專利檢測技術

為了研究全球農(nóng)藥殘留快速檢測領域的檢測物類型和技術主題，本文綜合考慮標題和摘要，對300件高價值專利的檢測農(nóng)藥類型和檢測技術進行人工標引和詞頻統(tǒng)計，將數(shù)據(jù)導入WordArt和Gephi進行可視化分析。

由圖4可知，快速檢測技術檢測的農(nóng)藥主要有三種類型：有機磷類農(nóng)藥，氨基甲酸酯類農(nóng)藥和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥。其中，毒死蜱（氯吡硫磷）、甲基對硫磷（有機磷殺蟲劑）和草甘膦（有機磷除草劑）是較常用的有機磷類農(nóng)藥;西維因是氨基甲酸酯類農(nóng)藥，它是一種廣譜氨基甲酸酯類殺蟲劑，可以快速殺滅水中的浮游生物;啶蟲脒和吡蟲啉是兩種新煙堿類殺蟲劑，啶蟲脒雖然是低毒殺蟲劑，但是對人體有較強的毒性;阿特拉津是一種三嗪類除草劑，對人低毒，但長期暴露會導致癌癥的發(fā)生以及影響胎兒的正常發(fā)育。這些農(nóng)藥的殺蟲、除草效果顯著，大大提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)領域，也是農(nóng)藥殘留快速檢測的重點成分。

由圖5可知，全球農(nóng)藥快速檢測領域的檢測方法主要集中在兩個方面：生物傳感器和光譜分析法。生物傳感器是一種特殊類型的化學傳感器，它能夠特異性識別生物成分[12]，利用生物傳感器可以對農(nóng)藥成分進行定性或定量分析。生物傳感器中較常用到酶傳感器、適配體傳感器、電化學傳感器、免疫傳感器和細胞傳感器。其中酶傳感器主要是通過分析酶催化反應程度，測定農(nóng)藥對生物體酶活性的抑制效應，從而判定農(nóng)藥殘留量[3]，以乙酰膽堿酯酶生物傳感器為例，此類專利通過有機磷對乙酰膽堿酯酶的抑制作用構建了一種用于有機磷檢測的電化學生物傳感器，為有機磷的檢測開拓了新空間[13]。光譜分析技術根據(jù)待測物的各種光譜特性，對組成成分進行定性或定量分析。從專利文獻標引的過程發(fā)現(xiàn)，在運用光譜分析農(nóng)藥殘留的過程中表面增強拉曼光譜技術運用最多，近紅外光譜、化學發(fā)光、激光誘導擊穿光譜、太赫茲時域光譜等技術次之。以一種復合納米材料為例[14]，該發(fā)明通過吸附作用，使極高的比較面積和物化性質(zhì)在負載后產(chǎn)生較多的熱點，達到增強SERS信號的目的，能快速檢測出農(nóng)藥殘留的含量。物聯(lián)網(wǎng)技術、顯色反應、離子分析、微流控、電化學等技術雖然是新型農(nóng)藥快速殘留檢測方法，但由于技術不完善、成本大，未有大規(guī)模的專利申請。

2.5中美兩國高價值專利分析

中國和美國作為農(nóng)藥殘留快速檢測領域專利數(shù)量最多的兩個國家，占有全球專利數(shù)量的87.08%。分析兩國的高價值專利發(fā)展現(xiàn)狀，一方面可以了解全球農(nóng)藥殘留領域核心專利的申請趨勢，追溯該領域最核心的技術;另一方面對比中美兩國在該領域的差異，可以找到中國在該領域的技術優(yōu)勢和不足，為研發(fā)人員提供參考。

在高價值專利中， 中國有253件（占比5.27%），美國有92件（占比40.89%）。從發(fā)展時間上看，美國農(nóng)藥殘留快速檢測領域高價值專利研發(fā)起步時間早于中國，在1981年就有相關研究人員申請了專利，并且每年都有新的高價值專利持續(xù)被申請;而中國高價值專利申請時間起步較晚，直到2003年，國內(nèi)才開始出現(xiàn)高價值專利，但是中國高價值專利發(fā)展后來居上，專利申請數(shù)量飛速增長，僅用3年的時間就超過了美國的高價值專利申請數(shù)量。從被引次數(shù)上看，美top50的高價值專利平均被引次數(shù)為46.32次/件，中國top50的高價值專利平均被引次數(shù)為10.64次/件，這說明美國擁有農(nóng)藥殘留檢測領域的核心技術，而中國高價值專利申請數(shù)量雖然較多，但技術密度相對不高，專利質(zhì)量偏低。從檢測技術類型上對中美兩國高被引專利的IPC進行共現(xiàn)分析，其中節(jié)點大小代表網(wǎng)絡圖的中心性，通常用來衡量網(wǎng)絡圖中的一個點在整體中接近中心程度和一個節(jié)點對整體的重要性，間接反映兩國專利技術核心以及技術引用關系。

由圖6可知，美國較大的節(jié)點多于其他節(jié)點的聯(lián)系較多，說明美罔高被引的專利較為集中，被其他專利引用次數(shù)較多。分析IPC共現(xiàn)網(wǎng)絡中較大節(jié)點，中國專利IPC共現(xiàn)網(wǎng)絡中專利技術集中在觀察化學指示劑顏色變化分析材料成分（G01N21/78），測試材料在特定元素或分子的特征波長下的相對效應（C01N21/31），化學發(fā)光或生物發(fā)光（G01N21/76）等技術方向;美國專利IPC共現(xiàn)網(wǎng)絡中專利技術集中在含酶、核酸或微生物的測定或檢驗方法（C12Q1/68）、用條件測量或信號傳感方法測量或檢驗（C12M1/34）、利用拉曼散射分析（G01N21/65）、散射光譜法（G01J3/44）和利用生物特異性結合的免疫測定法（G01N33/53）等技術方向。中國專利側重技術應用，檢測農(nóng)藥類型更細化，更有針對性，主要針對某一類農(nóng)藥殘留進行檢測，保證了檢測的精確度，而美國專利更注重技術本身，雖然技術應用范圍廣泛，但不能具體分析出農(nóng)藥成分。

3結論

本文從專利視角出發(fā)，分析了全球農(nóng)藥殘留檢測技術的整體發(fā)展趨勢、專利轉讓情況、專利技術功效、快速檢測領域高價值專利的申請人分布及專利技術主題，對比了中美兩國高價值專利。研究發(fā)現(xiàn)：（1）農(nóng)藥殘留檢測技術類型主要集中在利用光學手段（G01N21/00）、離子交換層析（G0N30/00）以及一些特殊方法（G0N33/00）分析材料成分。全球專利轉讓呈現(xiàn)上升趨勢，但總體上專利轉讓數(shù)量少，轉化專利占全部專利比重較低;（2）農(nóng)藥殘留檢測領域專利申請人更加關注檢測技術的速度、復雜性、便捷性和成本4個方面，檢測手段的穩(wěn)定性、安全性和適合性等方面有待加強，農(nóng)藥殘留快速檢測技術是大勢所趨，其中較為突出的是生物傳感器和光譜分析兩種方法;（3）在農(nóng)藥殘留快速檢測領域，中國高價值專利數(shù)量多于美國，但是具有核心競爭力的專利仍需進一步培育。

針對研究中發(fā)現(xiàn)的問題，本文認為應該從以下兩個方面著手解決。（1）創(chuàng)新核心技術，推動企業(yè)創(chuàng)新高質(zhì)量發(fā)展。以高校為核心，積極倡導校企合作，同時政府應采取措施研發(fā)核心技術，主導該領域發(fā)展，鼓勵高校、企業(yè)、個人大力開展方法創(chuàng)新，重視高質(zhì)量專利轉讓問題。（2）完善常規(guī)檢測方法，重點突破農(nóng)藥殘留快速檢測技術。目前，農(nóng)藥殘留快速檢測技術已成為研發(fā)熱點，研發(fā)機構應把握發(fā)展方向，在完善常規(guī)檢測方法的基礎上，把農(nóng)藥殘留檢測引向更快更準確的創(chuàng)新型檢測技術，攻克穩(wěn)定性差、安全性低和適合范圍小等難題，以滿足民眾需求。