质谱仪产业升级进行时

• 柯壮宾 2023年5月10日 来源：中研网 949 59
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质谱仪是检测离子质量的精密仪器，核心部件技术壁垒极高，其中以离子源与质量分析器最为关键。质谱仪相较于其他仪器拥有灵敏度高，分析范围广，分析效率高等特点，被称为科学仪器的皇冠，广泛地运用于生物医药，食品安全，环境监测等领域。

质谱仪是一种终极的检测仪器：质谱仪是用来测定物体质量的仪器，主要用来分离和检测不同同位素。原理是将分析样品电离为带电离子，根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测。在《产业关键共性技术发展指南中》，质谱分析检测技术被明确列为具有应用基础性、关联性、系统性、开放性等特点的产业关键共性技术。质谱仪具备高分辨率，高通量，高灵敏性与高准确度的特性，在复杂背景下检测低浓度的化合物能力优于其他仪器，拥有优秀的定性与定量的能力，被称为是“终极的检测手段”。

离子源和质量分析器是质谱仪中最重要的部件：质谱仪通常包含进样口、离子源、质量分析器、检测器、数据监测系统等五大部分，其中最重要的是离子源与质量分析器两部分。

从不同部件功能来看：

1、进样口：被检测样品通过直接进样或者间接进样通过进样口导入质谱仪；

2、离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。3、质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/e大小分离的装置。

4、离子检测器与数据监测系统：离子在分离后依次进入检测器中，检测器负责采集放大离子信号，经计算机内的数据监测系统处理，绘制成质谱图。

离子源：离子源的种类影响质谱仪检测物质类型的丰富度，在有机物化合物分析方向由最早1918年发明的电子电离（EI），发展到适用于大分子样品的基质辅助激光电离解析（MALDI）及在常压下可以直接将液态样品离子化的大气压电离（API），而在无机物方向，电感耦合等离子体应用逐步广泛。在一百余年的发展时间中针对不同的应用领域开发出了适用的离子化方法。目前能否研发出各类离子源来适配不同的应用场景是企业的核心竞争力体现之一。
电子电离（EI）：通过加热灯丝放出电子，电子通过电场加速获得高能量，被分析物获得电子能量而离子化。被分析物吸收能量后应为化学结构不同，裂解为独立的碎片离子，常用于有机分子的鉴定。缺点是电子携带的能量太大，离子化过于剧烈，常常得到大量的碎片离子，无法获得被分析物的分子量信息。且只能离子化气体分子，主要用在挥发性较高，热稳定性高，沸点低的有机物。

化学电离（CI）：利用加热灯丝产生高能电子进行离子化，不同之处在于化学电离将试剂气体通入离子源中，先以电子电离的方式产生试剂离子，再与被分析物发生离子反应，比EI减少了被分析物碎裂的机会。能够得到完整的分子信息。适用于分析沸点低的被分析物，可以观测带分子离子峰，这个技术被认为是电子电离法互补的技术。

快速原子轰击（FAB）：由电子电离源改造而来，将氙气导入后通过类似于电子电离源的设计，将灯丝加热后产生的热电子经电压加速到正极电离形成氙气原子，之后再撞击被分析物是被分析物离子化。可用于无机物与有机物的分析，最大的缺点在于基质易电离产生干扰信号。

激光电离解析（LDI）：EI与CI都需要将被分析物汽化，不适用于低挥发性，热不稳定及凝聚态的被分析物。由此出现解析电离技术（DI），并在此基础上发展出激光解析电离技术（LDI），利用激光将被分析物从样本表面解吸附，同时形成气相离子。与分析元素，无机盐，染料或者具有高吸光特性的分子。但是挥发性极低的生物大分子仅靠激光产生的热量不足以使分子挥发，如果使用高激光能量照射，会使被分析物分子裂解成碎片，无法获得完整的离子信息。

基质辅助激光电离解析（MALDI）：由激光电离解析改进而来，使用基质（大部分为有机酸）作为化学反应的媒介与被分析物混合共结晶产生的固态样品，使得离子化过程比激光电离解析更温和，可以产生质子化或者去质子化的完整被分析物。该方法适用于非挥发性的固态或业态被分析物的分析，尤其是对离子态或极性被分析物的电离效果最好，广泛地应用在生物大分子的质谱分析。缺点在于基质的选择与比例会影响分析效果，并且由于激光剥蚀被分析物结晶表面，重现性较差。

大气压化学电离（APCI）/大气压光致电离（APPI）：大气压化学电离是将化学电离方法扩展至大气压下进行，借助电晕放电产生试剂离子，解决传统化学电离加热灯丝在大气压下会产生强烈氧化反应燃烧灯丝的问题。大气压光致电离是利用光能激发气态被分析物分子，使其离子化为自由基离子或进一步将被分析物质子化生成离子。
电喷雾电离（ESI）：通过金属制的毛细管喷针喷出含有被分析物的水溶液样品，并在高压电源的作用下由电场牵引喷雾形成有电荷的微液滴，通过去溶剂化的过程形成气态离子进入质量分析器内。该方法不仅适用于蛋白质大分子的分析，同时也适用于分析极性小分子。

电感耦合等离子质谱（ICP-MS）：主要用于元素分析，利用ICP优异的离子化能力，搭配高灵敏度的质谱仪，除了对大多数元素有极低的检测点之外，同时具备多元素检测特性和同位素分析能力，被广泛地用于环境，食品科学及法医鉴定等领域。

表 ： 不同离子源适用范围

与质谱连用的色谱（LC/GC）：色谱与质谱联用可以大幅度降低样品基质带来的影响，提高质谱定性，定量的能力。一般使用气相色谱（GC）与质谱仪联用时，最常选用EI或CI的离子化方法，主要由于GC流出的分子为气态且这两种离子化方法也需要将样品先汽化才能进行电离。液相色谱（LC）是对于分离含有高极性或高沸点的被分析物样品最常用的分离技术。ESI由于可在大气压下将溶解的被分析物直接转化为气象分子离子，目前成为LC与质谱在线联用中主要的离子化方法。

质谱仪由于优秀的性能被广泛应用于生命科学和环境监测等产业：根据SDI《2015-2020全球分析仪器市场》统计，2020年全球质谱仪市场中，生命科学、食品/农业、环境监测和工业分别占需求的42%、26%、24%和8%。质谱仪拥有高通量、高效率、低成本、高度专一性与灵敏性的优点，在生物医药与临床检验方面有着明显优势，是未来主要的应用方向。2015年-2020年生命科学和食品农业方面的CAGR均达到8%。

全球质谱仪2025年将达百亿美元市场：根据TransparencyMarketResearch的测算，2018-2026年全球市场规模CAGR为7.7%，预计到2025年全球质谱仪市场将超过百亿美元，在下游应用领域需求的拉动下，全球质谱仪市场将保持稳健增长的态势。

质谱仪市场份额高度集中：目前质谱仪市场主要参与者为国际巨头公司，这些公司依靠长时间发展形成的资金，专利壁垒以及市场认可等优势垄断市场。依据2020年销售额统计主要参与者为沃特世，丹纳赫，布鲁克，安捷伦，赛默飞，岛津等巨头公司，头部6家公司占据了全球90%以上的质谱仪市场份额。

中国需求增长冠绝全球：在地区上来看北美地区在全球市场占有率最高，2020年北美检测仪器市场达23.6亿美元，占全球市场的37.2%。原因主要系该地区医药，代谢组学与蛋白组学领域的科研力度加大，推动了当地质谱技术与需求的发展。2020年亚洲市场占全球质谱仪市场的20%；中国是增长最快的地区，2015-2020年CAGR达6.8%，目前已成为亚太地区最大的质谱仪市场。

从国内进口来源地分布来看，美国、新加坡、德国、日本是我国质谱仪进口数量靠前的国家。2020年从美国进口质谱仪4538台，占比31.5%，位居第一；从新加坡、德国日本分别进口3879台、1980台与1755台，分别占比26.9%、13.8%与12.2%。

2026年国内市场可达235亿元，国产替代趋势明显：我国近年来质谱仪市场不断扩大。根据智研咨询统计，2021年我国质谱仪市场规模约160.3亿元，约占全球总规模的三分之一。根据我们预测，按照国际质谱仪市场7.7%增速保守估计，2026年中国质谱仪规模将达到约230亿元。近年来伴随着国内厂商技术不断追赶、中美贸易的摩擦带来高端设备进口影响与国内政策的支持，进口依赖度从2017年的84.47%下降到2021年的73.36%。国内质谱仪行业逐渐摆脱历史影响，国产替代加速。表：不同离子源适用范围

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