质谱技术是一种通过测量离子质荷比,从而确定其质量与数量的定性定量分析办法,通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。
在仪器检测过程中,不同质荷比阳离子会在不同位置留下短直线影像,类似光谱线。又因为这些影像与它们的质量有关,所以被称为质谱,这种检测仪器就叫质谱仪。
质谱分析具有灵敏度高、样品用量少、分析速度快、分离和鉴定同时进行等优点,因此,质谱技术目前已经广泛应用于科研、工业、环境、能源、医学、刑 侦等领域。按照应用划分,质谱的具体应用领域包括制药、环境监测、食品和 饮料检测、生物技术、工业化学等。
质谱仪是一种通过分析待测物质量获取其结构信息的仪器,基本原理为将分析样品(气体、液体、固相)电离为带电离子,这些离子被检测器检测后即可得到质荷比与相对强度的质谱图,进而推算出分析物中分子的质量。通过质谱图及分子量测量可以对分析物进行定性分析,利用检测到的离子强度可以进行精确的定量分析。
质谱仪器主要由五部分组成:样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统。。质谱仪器中重要的两个部分是离子源和质量分析器。
随着各种离子化方法不断发展,质谱分析技术广泛地应用于许多领域。多种离子化方法在分析应用价值上各具独特之处,其中既包括传统离子源如电子电离(EI)和化学电离(CI)技术,也包括新兴并广泛应用的电喷雾电离(ESI)、大气压电离(API)、激光解吸电离(LDI)与基质辅助激光解吸电离(MALDI)等技术,这些技术除了有宽广的样品适用范围与高灵敏度,还可与色谱仪联用以降低干扰。使用者可根据样品与被分析物的物理化学特性选用适当的离子化方法。
不同的质量分析器均有其不同特性,质量分析器分为磁场式与电场式。磁场式分析器有扇形磁场质量分析器与傅里叶变换离子回旋共振质量分析器,电场式 分析器有飞行时间、四极杆、轨道阱等质量分析器,每种质量分析器都具有不同的特性与功能。根据《质谱仪通用规范》,质谱仪根据核心部件质量分析器的不同,可以分为飞行时间质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪、磁质谱仪等类型。
串联质谱(MS/MS)通常是指两个以上的质谱分析器借由空间或时间上联结在一起所组成的分析方式,常以英文缩写 MS/MS表示。在常见的串联质谱技术中,第一个质量分析器的功能通常为选择与分离前体离子,分离出的前体离子碎裂可产生离子群,传送至串接的第二个质量分析器中进行分析,这些产物离子的质荷比信号在第二个质量分析器中被扫描检测后,即可获得串联质谱图以进一步分析。
目前串联质谱技术有两大主流应用,其一为应用于蛋白质组学中以自下而上的方式对酶水解后的多肽进行氨基酸的序列分析。另一主要应用在于对特定化合物进行定量分析。一般而言,串联质谱分析法有两种不同的串联方式:一种为连接两个实体的不同的质量分析器,为空间上的串联方式,另一种则是在同一子储存装置内进行一系列的离子选择、裂解与质量分析步骤,依时间先后顺序进行不同分析步 骤,为时间上的串联。
三重四极杆质谱仪(QqQ)是目前最广泛使用的空间串联质谱仪,由三重四极杆质量分析器组成。其中第一与第三重四极杆质量分析器具有质量分析功能,第二重四极杆作为碰撞室,仅以射频电位方式操作。由于三重四极杆的碰撞室中的气体压力十倍高于磁场分析器的碰撞室中的气体压力,在三重四极杆中离子束与中性气体分子具有较高的碰撞次数,用于定量分析具有较高灵敏度,因此这是目前串联质谱最广泛使用的形式。另一种常用的是飞行时间串联质谱仪(TOF/TOF),具有为高能量碰撞解离的优点。
串联质谱法也能在某些具离子储存功能的质量分析器上进行时间串联,其离子在不同时间点可分别进行前体离子选择后储存、离子活化、产物离子分离、扫描后排出等模式,反复进行离子选择、储存与解离的步骤,即可在此类具有离子储存功能的串联质谱仪上得到不同阶段的 MS 结果。目前具有离子储存及活化解离功能的质谱仪,以傅里叶变换离子回旋共振分析器与离子阱为主。
在串联质谱仪中,如果不同种类的质量分析器串接,则称为杂合质谱仪。杂合的主要目的是撷取各式不同质量分析器的特点,经组合后可获得更佳的串联质谱分析结果。四极杆飞行时间杂合质谱仪(Q-TOF)是杂合质谱仪的主流形式,因为其结合了四极杆分析器具有较高碰撞裂解效率的特点,以及飞行时间分析器具有高质荷比分辨率、非扫描式及高灵敏等优势,具有高解析与高灵敏度的优点,被广泛应用于蛋白质组定性分析。此外还有离子阱飞行时间(IT-TOF)杂合质谱仪等各类杂合类型。
色谱是一种利用分析物在流动相与固定相两种不互溶相之间的选择性分布的物理性分离方法。复杂样品可利用柱色谱技术分离,而分析物在色谱分离中的峰面积与保留时间可分别作为定量与定性依据。色谱若进一步搭配质谱仪,则可获得分析物分子量与该分析物碎片离子而得到灵敏与准确的定量与定性信息。
色谱-质谱技术已成为复杂样品分析中主要的方法。目前主流的三种色谱-质谱 联用技术为气相色谱-质谱(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)与毛细管电泳-质谱(CE-MS)技术。
在气相色谱-质谱法中,挥发性样品或气态样品借由样品注射针穿透橡胶隔垫而被注入样品加热区,样品在此区会快速气化,并经由载气推动而进入气相色谱柱,不同分析物在柱中因作用力不同而被分离,最终到达检测器端被检测分析。高分离效率的气相色谱与高灵敏度和高定性能力的质谱仪联用已成为分离与鉴定的主流方法之一,常应用于环境分析、植物代谢物分析、农药检测、脂肪酸与有机酸检测等。
若分析物本身因高沸点、高极性、热不稳定性与高分子量而无法经由加热形成气态,就无法使用气相色谱-质谱技术测定。然而只要分析物可溶于液相样品,就可以利用以液体为流动相的液相色谱技术分离,并可在柱末端直接检测或回收。由于液相色谱-质谱法中的电喷雾界面极适合分析极性小分子、多肽与蛋白质大分子,因此液相色谱-质谱法也成为代谢组与蛋白质组的主要分析方法。
毛细管电泳-质谱拥有比液相色谱更好的灵敏度与分离效率,因此也常被应用在 生物医学临床诊断、植物代谢物分析、环境分析与食品分析等领域。毛细管电泳-质谱已被逐渐应用于疾病生物标志物的寻找与验证。
质谱仪在全球各领域应用范围广泛,包括药品研发、临床治疗、食品质量监测、环境检测等领域,随着全球在药品研发上不断增加的投入,药品安全相关法规的不断完善;消费者对食品质量日益增长的关注;以及政府在环境检测、污染防治方面施加的各项举措,正在推动全球质谱市场的高速增长。
目前,全球质谱仪市场呈现国际行业巨头垄断的态势,按销售额,市场的主要参与者为赛默飞、SCIEX(丹纳赫)、布鲁克、安捷伦、沃特世、岛津等公司,占据了全球98%以上的市场份额。
根据MarketsandMarkets统计,2020年,北美地区质谱仪的市场规模最大,销售额占据全球市场的40%;该地区的生物医学和工业领域的政府投资不断增加,代谢组学领域研发力度加大也推动了该地区质谱技术的发展,美国是该地区最大的质谱仪市场,加拿大其次。欧洲市场规模占全球质谱仪市场的32%;英国、法国、德国、意大利占据了欧洲地区的主要市场份额。亚太市场的销售额占据全球质谱市场的 20%;随着亚洲的经济发展,中国、印度、日本等国家对于质谱仪的需求也会不断提高,亚洲市场预计在未来将成为全球质谱市场中增速最高的地区,很多企业也在该地区设立生产工厂和研究中心,也为亚洲质谱市场的快速发展做出贡献;中国预计将成为亚洲地区增长最快的质谱仪市场。
根据智研咨询统计,2020年中国质谱仪市场规模为142.2 亿元, 2015年至2020年中国质谱仪市场年均复合增长达19.44%。预计未来十年中国质谱仪市场规模仍将不断扩大。
据中国海关统计数据显示,2014-2020年我国质谱仪进口规模由 6.2 亿美元提升至15.27 亿美元,按即期汇率折算民币后分别为 44.7亿元(2014 年),105.3亿元(2020年),而进口依赖度由2014年的94.7%降至2020年的74.05%,呈现改善趋势。2020年,我国质谱仪进口数量为13889台,其中从美国进口的数量为4535台,占我国质谱仪进口数量的32.7%,是我国进口质谱仪数量最多的国家。2020年国产质谱仪销售收入约为49.21 亿元,同比增长21.2%。
国产质谱仪已有近50年研发历史,1962年北京分析仪器厂研制成功中国第一台同位素质谱仪,1966年成功研制中国第一台四极杆质谱仪,但21世纪之前,国产质谱仪始终停留在实验室阶段。
2006年,北京东西分析公司推出了中国第一台商业化四极杆气质联用仪,开启了国产商业化质谱仪的先河,随后涌现出一批国内公司研发国产质谱仪。2010年,禾信仪器推出国内首台气溶胶飞行时间质谱仪;2014年,时为天瑞仪器子公司的厦门质谱研制出我国首款具有完全知识产权的国产商业化基质辅助激光 解析电离飞行时间质谱仪(MALDI-TOF);2019 年,谱育科技推出第一台国产三重四极杆质谱仪。
目前,国内科学仪器公司中已有聚光科技(子公司谱育科技)、禾信仪器,天瑞仪器、莱伯泰科等上市企业自主研发布局质谱仪市场。但其质谱产品以往多应用于环境监测、食品安全、工业过程分析等领域,在临床医疗、实验室科研等对质谱技术要求较高的领域的产品相对较少。
根据中国政府采购网2017年以来医院、疾控中心、妇幼保健机构等公立医疗机构临床质谱仪的采购情况。样本数据统计结果显示,2017~2021年公立医疗机构的临床质谱仪采购量呈现快速增长趋势,从2017年的110台增长至2021年的288台,采购金额由2.40亿元增长至7.27 亿元。
按厂家来看,2017年以来所有采购的临床质谱中,SCIEX、赛默飞、安捷伦等国外巨头占据了大部分市场份额,进口质谱仪共占采购量的81.83%,国产质谱仪占18.17%。国产厂家当中,安图生物、中元汇吉、英盛生物和聚光科技所占份额相对较大。
国产替代率呈现逐年递增趋势,从 2017年的 3.85%快速增长至2021年的29.48%。
按仪器类型来看,液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)和基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)占据大部分市场份额,按台数计,分别占37.64%和30.82%。其中LC-MS/MS的采购量从2017年的40台增长至2021年的102台,而MALDI-TOF的采购量从2017年的19台快速增长至2021年的101台。
目前国外企业共有11款质谱仪获得药监局的进口医疗器械产品注册许。
18新利官网