1、生物科学仪器行业概况

按照现代生物工程的分类，生物科学仪器主要应用于其中的基因工程与细胞工程等领域，具体应用领域包括高校、科研单位的生物实验室及生物工程产业化领域（如生物医药、农牧渔业、食品轻工、能源开发、化学工业、环境保护等）。

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2、生物样品前处理设备

（1）生物样品前处理过程

生物样品前处理是生物技术研究的前提，它是从生物样品中提取所需目的产物的过程。前处理的生物样品种类主要是各种生物反应的悬浮液，如动物细胞培养液、植物细胞培养液、微生物发酵液、动物血液、乳液和动植物组织提取液等。

资料来源：普华有策

在样品前处理过程中，细胞破碎是其中的核心环节。细胞破碎是指利用外力破坏细胞膜与细胞壁，使胞内产物释放出来的技术，是分离提取细胞内目的产物的基础。

分离提纯某一目的产物时，首先要把生物样品从组织或细胞中释放出来并保持原来的天然状态，不丧失活性，因此要采用适当的方法将组织或细胞破碎。不同的生物体或同一生物体不同部位的组织，其细胞破碎的难度不同，使用的方法也不相同，如动物脏器的细胞膜较脆弱，容易破碎；植物和微生物由于具有较坚固的纤维素、半纤维素组成的细胞壁，要采取专门的细胞破碎方法。

为适应不同用途和不同类型的细胞壁破碎，目前已发展了多种细胞破碎方法。根据作用方式不同，基本可以分为两大类，即机械法与非机械法。机械法包括超声波法、高压匀浆法、研磨法、珠磨法、压榨法等；非机械法包括溶胀法、冻融法、酶溶法、化学制剂法等。

（2）细胞破碎设备

①超声波细胞粉碎机

超声波细胞粉碎机由超声波发生器与换能器组成。实施细胞破碎时，超声波发生器将 50HZ、220V 市电转变为 15～25KHz 的电能供给换能器，换能器随之做纵向机械运动，振动波通过浸入在生物溶液中的变幅杆产生空化效应，激发介质里的生物微粒剧烈震动，引起的冲击波与剪切力使细胞破碎。其中空化现象是在强超声波作用下，气泡形成、长大与破碎的现象。

超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及菌种类型等因素有关，一般输出功率越大，破碎作用越强；降低细胞浓度，更有利于细胞破碎；采用短时多次超声波辐射的工作方式有利于细胞破碎。

超声波破碎法的优点是操作简单、重复性较好、节省时间等。但超声波产生的化学自由基团容易导致某些敏感性物质变性失活，且大容量装置的声能传递、散热有困难，不适合大规模操作。

超声波细胞粉碎机可用于多种动植物细胞、病毒、细菌及组织的破碎，同时可用来乳化、分离、匀化、提取、消泡、清洗、纳米材料的制备、分散及加速化学反应等，是目前高校、科研院所生物实验室及药厂应用最广泛的细胞破碎设备。

②高压细胞破碎机

高压匀浆法是利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击，使细胞破碎的方法。细胞在这一系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及高压到常压的变化，使细胞产生较大的形变，导致细胞壁的破坏。对于难破碎的和高浓度的细胞，常采用多次循环破碎的方法。

影响高压匀浆法破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器的次数等。一般而言，增大压力和增加破碎次数都可以提高破碎率，但当压力增大到一定程度后对密封圈的磨损较大，在工业生产中通常采用的压力为 5-10Mpa。

（3）细胞均质设备与清洗设备

在检测食品、动植物组织等样品的某些指标时，必须把原始样品破碎、混匀为均质液，然后针对不同样品选用合适的检测方法进行检测。本公司生产的细胞均质设备主要包括无菌均质器、高压均质机、纳米均质机等。其中无菌均质器又被称为拍打式匀浆器，广泛用于动物组织、生物样品等均质处理，在食品、药品、化妆品、临床、分子学、毒素及细菌检测等领域均可应用，特别适合于微生物检测样本的制备；高压均质机专门为配合发酵罐样品的处理而设计，主要用于生物工程实验室、药厂等规模处理样品。

生物样品的处理、制备过程中要用到大量的实验器皿，且大部分实验器皿均需重复使用，需要对初次使用或重新使用的实验器皿进行彻底的清洗，且要根据器皿的组成材料不同，采用不同的清洗方法与设备。一般实验器皿的清洗包括浸泡、刷洗、浸酸与冲洗等步骤，清洗后的实验器皿不仅要求干净、透明、无油脂，而且要彻底清除杂质与微生物等，使器皿内不残留任何影响细胞生产的成分。

3、基因转导设备

（1）基因工程操作过程

基因工程（转基因技术）是生物工程的核心，它是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体性状的可遗传的修饰。通俗地说，就是按照人们的意愿，把一种生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。基因工程用途极为广泛，除构建荃因工程菌用于生产蛋白质类药物或疫苗外，还可用于构建新物种，创造出自然界不存在的生物新性状或全新物种(如转基因动物、植物和微生物等)，开辟了短时间内改造生物遗传性能的新途径，将以千万年为进化单位的自然变异缩短为以几十年为进化单位的常规育种，再缩短到以几年为进化单位的基因工程育种。

（2）基因枪

基因枪导入法是通过动力系统用包裹着 DNA 的金属小颗粒轰击受体组织，使 DNA 实现穿壁并被导入众多细胞中（一般可以穿透 2-3 层细胞），随机整合到受体细胞的基因组中，完成转化过程。基因枪根据驱动力可以分为 3 种基本类型。

①火药式基因枪。该基因枪是最原始的类型，由美国康奈尔大学 Sanford 等人于 1987 设计制造。这种基因枪自使用以来已先后将外源基因导入到玉米、小麦和水稻等多种植物材料中，获得了瞬间的或稳定的表达。它的主体由滑膛腔、真空轰击室和阻弹部件构成。塑料子弹的前端载有大量携带了外源目的基因的微弹，当样品爆炸时，子弹带着微弹向下高速运动，至阻挡板时子弹被阻碍，其前端的微弹依靠惯性继续高速运动，击中轰击室的靶细胞。该装置的粒子速度主要通过货样的数量及速度调节器控制，不能无级调控，可控程度低。

②压缩气体型基因枪。该基因枪的动力系统以氦气、氮气或二氧化碳驱动。一种方法是把载有外源目的基因的微弹悬滴在一张金属筛网上，在高压气体的冲击下，射入受体靶细胞；另一种方法是把外源目的基因与微弹混合后雾化，再由高压气体驱动射入受体靶细胞，这种系统的靶范围可精确控制到 0.15mm 左右。

③高压放电型基因枪。该基因枪利用电加速器通过高压放电将微弹射入受体靶细胞，其特点是可无级调控，通过调节放电电压来控制粒子的入射速度。相比其他基因导入技术，基因枪导入法的优点主要表现在：

①无宿主限制，可应用于动物细胞、真菌、植物的组织、未成熟胚，甚至是未成熟的花絮等。

②靶受体类型广泛，不受基因型的限制，适用于不同的物种以及同一物种的不同品种。

③可以转化线粒体、叶绿体等植物的不同细胞器。外源 DNA 进入细胞质后很难穿过双层膜的细胞器，用基因枪技术转化这类细胞器，转化频率高、重复性好，是目前该领域研究中最常用和最有效的 DNA 导入技术。

④可以快速获得第一代种子，方法简便易行。基因枪转化法在无菌条件下用载有外源基因的金属颗粒轰击受体材料，便可以进行筛选培养，不需要进行原生质体的制备分离与培养等繁琐工作。

⑤可控程度高，采用高压放电或高压气体驱动，可根据实验需要，将金属颗粒（载体）射入特定层次的细胞，提高了遗传转化的效率。但基因枪技术也有缺点，如应用成本较高、基因枪轰击的随机性可能导致转化效率降低、轰击过程中可能造成外源基因断裂而导致插入的基因成为无活性的片段等。

从全球范围来看，基因枪导入法在转基因植物、转基因药物、生物反应器、转基因动物组织器官移植、基因治疗及基因免疫方面均得到较为广泛的应用。我国的基因技术研究已有一定基础，但基因转导设备研究存在严重的滞后现象。如在农业方面，水稻、玉米、甘蔗、草坪、松树、茶叶、烟草的品种改良需要大量的功能基因导入工作，基因枪在发达国家已获得较广泛的应用，但我国在农业方面的转基因方法仍停留在农杆菌方法，效率低、效果差、周转长，对全国性的玉米、大豆、棉花等增产作用有限。现在新疆、广西、广东等地都在积极试验转基因工作，对基因枪的需求量持续增长。在医学上，基因疫苗用基因枪导入和对动物的肿瘤基因治疗，在国内外都体现出良好的前景，有望成为人类治疗癌症等疾病的有效手段。

（3）其他基因转导设备

基因导入仪广泛应用于各种动物、植物细胞和微生物的电穿孔，也可作细胞杂交、融合、基因导入的研究等；分子杂交仪可用于重组体的筛选；而细胞融合仪适用于细胞杂交、融合，可用于微生物学、动物医学、生物工程等方面的研究。利用细胞融合技术，不仅可以把同一物种的不同细胞进行融合，还可以把不同物种的细胞融合在一起（如动物细胞与植物细胞的融合），从而培育出新的物种，这对创造新的动植物和微生物品种具有重大意义。

4、行业应用市场情况

中国面临日趋严峻的人口老龄化、食品安全保障、能源资源短缺、生态环境恶化等挑战，为保障人口健康、粮食安全和推进节能减排，亟需加快生物产业的发展。

生物技术的发展与广泛应用带动生物科学仪器行业的技术进步与更新换代，而后者也进一步推动生物技术的研究更具深度与广度，应用范围不断扩展。

伴随着生物技术的研究逐渐从实验室走向产业化应用，生物科学仪器的应用空间也逐渐被打开。目前生物科学仪器的主要应用领域可以概括为 3 大类：高校、科研单位的生物实验室；生物医药；其他产业化应用领域（如农牧渔业、食品轻工、能源开发、化学工业、环境保护等）。

由于现代生物工程是最近几十年崛起的新兴产业，又是一门多学科纵横交叉的综合性产业，同时涵盖基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等诸多领域，使得生物科学仪器种类繁多，且大多并未形成规模效应，目前尚无权威的生物科学仪器市场规模统计数据，但不难从主要应用领域着手分析其市场规模现状及应用前景。

（1）高校、科研单位生物实验室是重要应用领域

高校、科研单位的生物实验室是生物科学仪器的基础应用领域。生物科学仪器的需求一方面来自于原有设备的更新换代，另一方面来自于新建或改建的生物实验室的设备采购。

（2）生物医药是最先兴起的生物技术产业化应用领域

生物医药是目前生物工程技术最成熟、最重要的应用领域，约占整个生物工程产业的 70%。生物工程技术在医药领域应用的结果以及开发出的产品，包括技术疗法和服务手段、装置等，都可以列为生物医药技术的范畴。生物医药主要包括基因工程药物、基因工程疫苗、单克隆抗体诊断试剂和治疗药物、蛋白抑制剂、激活剂、基因诊断试剂、基因治疗等。

（3）其他产业化应用领域前景广阔

目前对生物技术的研究正处于从实验室加速走向产业化的过程中。生物技术的应用范围十分广泛，除生物医药外，还涵盖食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等众多领域。如通过现代农业生物技术的应用和发展，可极大地提高农作物产量及其品质，通过转基因技术可培育出抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病虫害等抗逆特性优良的作物新品种，从而改善农业生产、解决粮食短缺问题；现代生物工程在解决能源危机、治理环境污染等方面也有着重要的作用。随着生物技术的农业与工业化应用走向深入，将为生物科学仪器的发展提供广阔的发展空间。

5、市场竞争概况

从产业生命周期来看，目前国内生物科学仪器行业处于成长期。生物技术产业化程度较低，该发展阶段决定了中国生物产业存在行业管理机制不健全、市场准入政策法规体系不完善、科研与产业结合不紧密等问题。行业竞争的市场化程度较高，但行业内具备绝对优势、形成市场垄断的大型企业尚未出现，企业规模普遍较小，行业内的竞争主要集中在细分产品类别的层面上。同时，由于国内企业尚未形成规模效应，大多数企业缺乏核心技术，国外著名品牌占据生物科学仪器的高端市场，仅少数国产品牌具有较强竞争力。