国产高端科学仪器新突破！海恩迈成功开发芯片式热重分析仪

近日，致力于原创国产高端科学分析仪器研发和产业化的创业公司——海恩迈科技，成功开发出基于悬臂梁上的实验室（Lab on a CantileverTM）技术的创新性仪器——芯片式热重分析仪。这个基于全新原理的仪器，将传统热重分析仪天平称重+炉管加热+热电偶测温的结构，用一个尺寸仅为2mm2.5mm的MEMS谐振式微悬臂梁芯片替代，实现了片上热失重分析功能。得益于芯片微小的体积，每次分析所消耗的样品量，由传统仪器的数十毫克降低至几纳克，而且极大的改善了传统仪器的热滞后效应，升降温速率也可以获得数十倍的提升。7月初，海恩迈科技携芯片式热重分析仪等创新仪器产品参加了在厦门举办的2021中国材料大会暨展览会，获得了参会专业人士的一致好评。

那么，这项Lab on a Cantilever技术的背后有着怎样的故事？

海恩迈科技开发的芯片式热重分析仪

1.血统高贵的悬臂梁

1981年扫描隧道显微镜（STM）的发明，为在苏黎世（Zurich）的IBM实验室工作的科学家盖尔德·宾尼（Gerd Binning）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）赢得了1986年诺贝尔物理学奖。原子力显微镜 (AFM) 是 STM 的后代产品，由 Binnig 在1986年开发出来，它通过对非导电材料进行成像而开辟了显微镜的全新应用领域。AFM的核心即为一根精细的微悬臂梁（Micro-cantilever）。1995年，美国橡树岭国家重点实验室的T. Thundat等人发表了表面吸附对微悬臂梁谐振频率影响的文章，为谐振式悬臂梁用于生化检测做了开创性的研究。之后，基于谐振式悬臂梁的生化传感器研究如雨后春笋般涌现。

海恩迈科技的创始人兼CEO于海涛博士于2009年，开发出了国内首款激励/检测元件片上集成的谐振式微悬臂梁，摆脱了传统的光学杠杆检测方式，有效减小了系统的体积与成本。之后，在时任传感技术国家重点实验室主任的李昕欣研究员的支持和指导下，与研究伙伴许鹏程博士共同合作，从悬臂梁结构、电路、敏感材料等多方开展深入研究，开发出了一系列气体探测器。

（左）宾尼与罗雷尔；（右）诺贝尔奖牌

2.国产科学仪器的困境

工欲善其事必先利其器。科学仪器是科研人员的重要工具，位于科技创新链的源头。科研的竞争，往往也是科学仪器的竞争。然而，在这个领域，现状让人唏嘘：中国被卡脖子到离开国外供应，就寸步难行的境地。按照中国科学院电工研究所副所长韩立的说法，我国高端科学仪器现状惨淡——多种科学仪器基本被国外厂商垄断，某些类型的仪器国内厂商市场占有率甚至趋近于零。

虽然国家一直鼓励自主研发，但当前成果还是主要集中于中低端领域，越高端依赖性越严重。以材料领域的通用仪器热重分析仪为例，进口仪器价格在30万元左右，部分可超过50万元，而国产仪器价格在10万元左右，相差数倍。这一方面是由于国产企业规模较小、名气不足、市场占有率不高，只能靠性价比抢占低端市场；而更重要的是技术上进口厂商占据先发优势，国产仪器基本上是仿制进口仪器，进行一些微改进，缺少原理性和方法论的创新，很难在性能上超越进口仪器。根据仪器信息网统计的“2020年全球仪器公司市值TOP20排行榜”，美国有11家科研仪器厂商上榜，日本上榜4家，德国和瑞士各上榜2家，英国上榜1家。中国作为GDP世界排名第二，工业总产值独霸全球的国家，没有一家。

3.“中国制造”or“中国智造”？

在中国的很多经济领域，依靠仿制进口产品，主打性价比，是可以获得成功的，比如纺织品、白色家电等。然而，这个方法在科学仪器领域很难行得通。这是因为在这个领域，用户第一追求的永远是高性能，为了追求极致的性能，用户愿意支付高价。因此，如果国产仪器仅靠仿制进口仪器，缺少关键性的创新，性能无法达到或者超越进口仪器，用户往往是不愿意为之买单的。科学仪器领域更需要的是在关键技术上拥有自主知识产权的“中国智造”。

Lab on a CantileverTM系列科学仪器就是“中国智造”的一个典范。目前，这一系列仪器包括气体吸附热力学动力学参数分析仪、微悬臂梁气敏测试仪以及芯片式热重分析仪。顾名思义，这一系列仪器的核心就是谐振式微悬臂梁。Lab on a Cantilever技术来源于于海涛博士团队一次逆向思维的头脑风暴。谐振式微悬臂梁之前一直被用作气敏传感器，受关注的是传感器的灵敏度、选择性、响应速度等参数，更多的是由敏感材料决定，谐振式微悬臂梁处于从属地位。而反向思考的话，可以通过微悬臂梁气敏传感器为主导，反过来研究敏感材料，去探究敏感吸附表象背后蕴藏着的科学本质。基于此想法，气体吸附热力学动力学参数分析仪首先被开发出来，利用世界首创的“变温微称重法”，定量测量功能材料与气体分子发生吸附时，焓变、熵变、吉布斯自由能、活化能等表界面分子作用的热力学和动力学参数。这些参数作为材料吸附的“基因参数”，决定了材料吸附的表象特征，可被用于材料吸附的机理研究以及指导新材料的调控，摆脱传统“试错法”研发新材料的盲目性。作为一款拥有完全自主知识产权的原理性创新的科学仪器，气体吸附热力学动力学参数分析仪得到专家的认可和国家的大力支持。其研发过程受到了自然科学基金重大科研仪器研制项目和国家重点研发计划项目的支持，仪器的检测方法也成功获得国家标准立项。目前，该仪器的用户包括清华大学未来实验室、上海交通大学、复旦大学、福建嘉庚创新实验室等多家国内顶级科研单位。

海恩迈科技开发的气体吸附热力学动力学参数分析仪

近期，随着微悬臂梁气敏测试仪以及可以实现片上热失重分析的芯片式热重分析仪的亮相，海恩迈科技公司成功踢出了高端科学仪器产品创新的“前三脚”。这三种仪器均拥有自主知识产权，全部具有原理及方法论上的创新，国内外没有类似的竞品，是国产高端科学仪器的新突破，“中国智造”的新典范！

值得指出的是，在提出Lab on a Cantilever技术的时候，于海涛博士还在中国科学院上海微系统与信息技术研究所担任研究员。当他发现这个技术的商业价值之后，便毅然决然的放弃了体制内的“金饭碗”，离岗创业与合作伙伴共同创立了厦门海恩迈科技有限公司，并通过有偿技术转让的形式将相关知识产权转移到公司。这项创新性技术也获得了投资机构的看好，厦门半导体投资集团为海恩迈科技提供了千万级别的天使轮融资，为公司发展加注了“助推燃料”。

做有独立思想的研发，做有技术灵魂的产业！秉承着“创新引领，追求卓越”的宗旨，海恩迈科技将继续在“中国智造”高端科学仪器的大道上披荆斩棘、一往无前。