質譜儀產業(yè)升級進行時

• 柯壯賓 2023年5月10日 來源：中研網 949 59
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質譜儀是檢測離子質量的精密儀器，核心部件技術壁壘極高，其中以離子源與質量分析器最為關鍵。質譜儀相較于其他儀器擁有靈敏度高，分析范圍廣，分析效率高等特點，被稱為科學儀器的皇冠，廣泛地運用于生物醫(yī)藥，食品安全，環(huán)境監(jiān)測等領域。

質譜儀是一種終極的檢測儀器：質譜儀是用來測定物體質量的儀器，主要用來分離和檢測不同同位素。原理是將分析樣品電離為帶電離子，根據帶電粒子在電磁場中能夠偏轉的原理，按物質原子、分子或分子碎片的質量差異進行分離和檢測。在《產業(yè)關鍵共性技術發(fā)展指南中》，質譜分析檢測技術被明確列為具有應用基礎性、關聯(lián)性、系統(tǒng)性、開放性等特點的產業(yè)關鍵共性技術。質譜儀具備高分辨率，高通量，高靈敏性與高準確度的特性，在復雜背景下檢測低濃度的化合物能力優(yōu)于其他儀器，擁有優(yōu)秀的定性與定量的能力，被稱為是“終極的檢測手段”。

離子源和質量分析器是質譜儀中最重要的部件：質譜儀通常包含進樣口、離子源、質量分析器、檢測器、數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)等五大部分，其中最重要的是離子源與質量分析器兩部分。

從不同部件功能來看：

1、進樣口：被檢測樣品通過直接進樣或者間接進樣通過進樣口導入質譜儀；

2、離子源是使試樣分子在高真空條件下離子化的裝置。電離后的分子因接受了過多的能量會進一步碎裂成較小質量的多種碎片離子和中性粒子。它們在加速電場作用下獲取具有相同能量的平均動能而進入質量分析器。3、質量分析器是將同時進入其中的不同質量的離子，按質荷比m/e大小分離的裝置。

4、離子檢測器與數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)：離子在分離后依次進入檢測器中，檢測器負責采集放大離子信號，經計算機內的數(shù)據監(jiān)測系統(tǒng)處理，繪制成質譜圖。

離子源：離子源的種類影響質譜儀檢測物質類型的豐富度，在有機物化合物分析方向由最早1918年發(fā)明的電子電離（EI），發(fā)展到適用于大分子樣品的基質輔助激光電離解析（MALDI）及在常壓下可以直接將液態(tài)樣品離子化的大氣壓電離（API），而在無機物方向，電感耦合等離子體應用逐步廣泛。在一百余年的發(fā)展時間中針對不同的應用領域開發(fā)出了適用的離子化方法。目前能否研發(fā)出各類離子源來適配不同的應用場景是企業(yè)的核心競爭力體現(xiàn)之一。
電子電離（EI）：通過加熱燈絲放出電子，電子通過電場加速獲得高能量，被分析物獲得電子能量而離子化。被分析物吸收能量后應為化學結構不同，裂解為獨立的碎片離子，常用于有機分子的鑒定。缺點是電子攜帶的能量太大，離子化過于劇烈，常常得到大量的碎片離子，無法獲得被分析物的分子量信息。且只能離子化氣體分子，主要用在揮發(fā)性較高，熱穩(wěn)定性高，沸點低的有機物。

化學電離（CI）：利用加熱燈絲產生高能電子進行離子化，不同之處在于化學電離將試劑氣體通入離子源中，先以電子電離的方式產生試劑離子，再與被分析物發(fā)生離子反應，比EI減少了被分析物碎裂的機會。能夠得到完整的分子信息。適用于分析沸點低的被分析物，可以觀測帶分子離子峰，這個技術被認為是電子電離法互補的技術。

快速原子轟擊（FAB）：由電子電離源改造而來，將氙氣導入后通過類似于電子電離源的設計，將燈絲加熱后產生的熱電子經電壓加速到正極電離形成氙氣原子，之后再撞擊被分析物是被分析物離子化?？捎糜跓o機物與有機物的分析，最大的缺點在于基質易電離產生干擾信號。

激光電離解析（LDI）：EI與CI都需要將被分析物汽化，不適用于低揮發(fā)性，熱不穩(wěn)定及凝聚態(tài)的被分析物。由此出現(xiàn)解析電離技術（DI），并在此基礎上發(fā)展出激光解析電離技術（LDI），利用激光將被分析物從樣本表面解吸附，同時形成氣相離子。與分析元素，無機鹽，染料或者具有高吸光特性的分子。但是揮發(fā)性極低的生物大分子僅靠激光產生的熱量不足以使分子揮發(fā)，如果使用高激光能量照射，會使被分析物分子裂解成碎片，無法獲得完整的離子信息。

基質輔助激光電離解析（MALDI）：由激光電離解析改進而來，使用基質（大部分為有機酸）作為化學反應的媒介與被分析物混合共結晶產生的固態(tài)樣品，使得離子化過程比激光電離解析更溫和，可以產生質子化或者去質子化的完整被分析物。該方法適用于非揮發(fā)性的固態(tài)或業(yè)態(tài)被分析物的分析，尤其是對離子態(tài)或極性被分析物的電離效果最好，廣泛地應用在生物大分子的質譜分析。缺點在于基質的選擇與比例會影響分析效果，并且由于激光剝蝕被分析物結晶表面，重現(xiàn)性較差。

大氣壓化學電離（APCI）/大氣壓光致電離（APPI）：大氣壓化學電離是將化學電離方法擴展至大氣壓下進行，借助電暈放電產生試劑離子，解決傳統(tǒng)化學電離加熱燈絲在大氣壓下會產生強烈氧化反應燃燒燈絲的問題。大氣壓光致電離是利用光能激發(fā)氣態(tài)被分析物分子，使其離子化為自由基離子或進一步將被分析物質子化生成離子。
電噴霧電離（ESI）：通過金屬制的毛細管噴針噴出含有被分析物的水溶液樣品，并在高壓電源的作用下由電場牽引噴霧形成有電荷的微液滴，通過去溶劑化的過程形成氣態(tài)離子進入質量分析器內。該方法不僅適用于蛋白質大分子的分析，同時也適用于分析極性小分子。

電感耦合等離子質譜（ICP-MS）：主要用于元素分析，利用ICP優(yōu)異的離子化能力，搭配高靈敏度的質譜儀，除了對大多數(shù)元素有極低的檢測點之外，同時具備多元素檢測特性和同位素分析能力，被廣泛地用于環(huán)境，食品科學及法醫(yī)鑒定等領域。

表 ： 不同離子源適用范圍

與質譜連用的色譜（LC/GC）：色譜與質譜聯(lián)用可以大幅度降低樣品基質帶來的影響，提高質譜定性，定量的能力。一般使用氣相色譜（GC）與質譜儀聯(lián)用時，最常選用EI或CI的離子化方法，主要由于GC流出的分子為氣態(tài)且這兩種離子化方法也需要將樣品先汽化才能進行電離。液相色譜（LC）是對于分離含有高極性或高沸點的被分析物樣品最常用的分離技術。ESI由于可在大氣壓下將溶解的被分析物直接轉化為氣象分子離子，目前成為LC與質譜在線聯(lián)用中主要的離子化方法。

質譜儀由于優(yōu)秀的性能被廣泛應用于生命科學和環(huán)境監(jiān)測等產業(yè)：根據SDI《2015-2020全球分析儀器市場》統(tǒng)計，2020年全球質譜儀市場中，生命科學、食品/農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)分別占需求的42%、26%、24%和8%。質譜儀擁有高通量、高效率、低成本、高度專一性與靈敏性的優(yōu)點，在生物醫(yī)藥與臨床檢驗方面有著明顯優(yōu)勢，是未來主要的應用方向。2015年-2020年生命科學和食品農業(yè)方面的CAGR均達到8%。

全球質譜儀2025年將達百億美元市場：根據TransparencyMarketResearch的測算，2018-2026年全球市場規(guī)模CAGR為7.7%，預計到2025年全球質譜儀市場將超過百億美元，在下游應用領域需求的拉動下，全球質譜儀市場將保持穩(wěn)健增長的態(tài)勢。

質譜儀市場份額高度集中：目前質譜儀市場主要參與者為國際巨頭公司，這些公司依靠長時間發(fā)展形成的資金，專利壁壘以及市場認可等優(yōu)勢壟斷市場。依據2020年銷售額統(tǒng)計主要參與者為沃特世，丹納赫，布魯克，安捷倫，賽默飛，島津等巨頭公司，頭部6家公司占據了全球90%以上的質譜儀市場份額。

中國需求增長冠絕全球：在地區(qū)上來看北美地區(qū)在全球市場占有率最高，2020年北美檢測儀器市場達23.6億美元，占全球市場的37.2%。原因主要系該地區(qū)醫(yī)藥，代謝組學與蛋白組學領域的科研力度加大，推動了當?shù)刭|譜技術與需求的發(fā)展。2020年亞洲市場占全球質譜儀市場的20%；中國是增長最快的地區(qū)，2015-2020年CAGR達6.8%，目前已成為亞太地區(qū)最大的質譜儀市場。

從國內進口來源地分布來看，美國、新加坡、德國、日本是我國質譜儀進口數(shù)量靠前的國家。2020年從美國進口質譜儀4538臺，占比31.5%，位居第一；從新加坡、德國日本分別進口3879臺、1980臺與1755臺，分別占比26.9%、13.8%與12.2%。

2026年國內市場可達235億元，國產替代趨勢明顯：我國近年來質譜儀市場不斷擴大。根據智研咨詢統(tǒng)計，2021年我國質譜儀市場規(guī)模約160.3億元，約占全球總規(guī)模的三分之一。根據我們預測，按照國際質譜儀市場7.7%增速保守估計，2026年中國質譜儀規(guī)模將達到約230億元。近年來伴隨著國內廠商技術不斷追趕、中美貿易的摩擦帶來高端設備進口影響與國內政策的支持，進口依賴度從2017年的84.47%下降到2021年的73.36%。國內質譜儀行業(yè)逐漸擺脫歷史影響，國產替代加速。表：不同離子源適用范圍

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