一文了解IVD之质谱分析

文章来源：思宇MedTech ；作者：白晓菲

转载要求：首发24小时后可转载，需注明来源

随着人类第一张基因序列草图的完成和发展，生命科学的研究也将进入一个崭新的后基因组学，即蛋白质组学时代，并会借助现代生物质谱技术得到迅猛发展。

与传统检测方法相比，质谱分析具有线性范围宽、高通量、高灵敏度、高准确度等特点，使其可以在单次诊断中同时检测到数百个传统诊断无法感知的小分子生物标记物。

如今，质谱分析已成为IVD市场的“新宠”，并在微生物鉴定、新生儿筛查、维生素检测领域形成商业化。

01

初识质谱分析

质谱分析是将样品分子经过离子化后，利用其不同质荷比（m/z）的离子在静电场或磁场中受到的作用力不同而改变运动方向，彼此在空间上分离，最后通过收集和检测这些离子得到质谱图谱，从而实现分析目的一种检测方法。

质谱仪（Mass Spectrometry）又称质谱计，是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物质组成的一类仪器。质谱仪一般由进样系统（Inlet System）、离子源（Ion Source）、质量分析器（Mass Analyzer）、检测器（Ion Detector）等四部分构成。其中，离子源与质量分析器是质谱仪的技术核心。

（质谱仪的基本组成）

质谱仪按应用范围可分为有机质谱仪、无机质谱仪、同位素质谱仪和气体分析质谱仪。按分辨能力可分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪；按工作原理可分为静态仪器和动态仪器。

有机质谱仪能提供化合物分子量、官能团结构等信息，多与气相色谱、液相色谱联用，广泛应用于食品、环境、生命科学、 医药、新能源新材料等领域；无机质谱仪能检测微量的无机元素，多用于地质学、矿物学、重金属测定、环境监测等领域；同位素质谱仪能用于同位素分析，多用于核反应研究等科研领域；气体分析质谱仪能对气体样品进行检测，多用于发酵反应、燃料电池研究、催化反应、半导体排气监测、真空设备监测等。

（质谱仪的分类）

质谱检测的优势在于检测时间短、抗干扰能力强、高精度、高灵敏度和高特异性，能一次检测多个项目，其发展的制约因素在于仪器研发门槛高，需要专业人员操作并进行结果解读。目前，我国质谱技术核心应用在新生儿筛查，药物代谢测试、维生素D检测、微生物鉴定、毒理学等领域。

02

质谱仪的发展历程

1906年，英国物理学家J.JThomson在实验中发现带电荷离子在电磁场中的运动轨迹与它的质荷比（m/z）有关。

1912年，J.JThomson研制出一台简易质谱仪，为后来质谱的发展奠定了基础。

1919年，Francis William用自己研制的质谱仪测量元素周期表中原子和分子的质量，该质谱仪后来成为原子物理学中的标准仪器。

1935年，Marttauch和R.Herzog根据他们的双聚焦理论，研制出双聚焦质谱仪。

1940年，Nier设计出单聚焦磁质谱仪。

1942年，第一台商品质谱仪问世。

1946年，W.E.Stephens发明了飞行时间（TOF）传感器装置。

1953年，Paul和Steinwedel提出四极滤质器。同年，Wiley和 Mclarens设计出飞行时间质谱仪原型。

1954年，Inghram和Hayden报道的Tandem系统，即串联的质谱系统（MS/MS）。

1974年，Comisarow和Marshall首次将傅里叶变换技术应用到离子回旋共振质谱中，发明了傅里叶变换离子回旋共振质谱仪

1979年，传送带式LC/MS接口成为商业产品。

1982年，离子束LC/MS接口出现。

1984年，John Fenn发明一种软电离离子源，即电喷雾电离源（ESI），促进了质谱技术在大分子分析领域的应用。

1988年，电喷雾质谱仪首次应用于蛋白质分析。

1989年，Hens G. Dohmelt和W. Paul因离子阱（Iontrap）的应用获诺贝尔物理奖。

1993年，商品电喷雾质谱仪出现。

1998年，高分辨飞行时间质谱仪（DelayExtract,，Reflectron技术）出现。

2002年，J. B. Penn和田中耕一因电喷雾电离质谱和基质辅助激光解吸电离质谱获诺贝尔化学奖。

2009年，DVS Sciences正式推出第一代商用质谱流式CyTOF。

2014年，Mr.ienore发布了一种反冲质谱仪的构想。

2017年，Hyperion组织成像质谱流式系统发布，标志着质谱流式技术正式跨入空间蛋白组学领域。

2023年，宸安生物发布全球首台可用于体外诊断Polaris Starion M1.0流式细胞质谱仪。

03

质谱分析市场概况

近年来，得益于高灵敏度等优势，质谱分析被广泛应用于医疗健康、药物分析等领域，质谱仪需求量也急剧增长。相关数据显示，全球质谱仪市场规模从2015年的49亿美元增长至2019年的66亿美元，2015-2019年CAGR为7.73%，2022年市场规模可达到83亿美元，预计到2026年全球质谱仪市场规模将达到112亿美元，2020-2026年的CAGR为7.64%。

（来源：华经情报网）

随着质谱分析市场需求的急剧增长，我国质谱仪市场也呈现快速增长态势。数据显示，2020年我国质谱仪行业市场规模达142.2亿元，同比增长11.3%。到2021年，我国质谱仪市场规模约150亿元左右，约占全球市场的30%左右。2014-2020年我国质谱仪总需求规模 CAGR 达到20.2%，高于全球7%的平均水平，约占全球总规模的1/3。

（来源：观研报告网）

分地区来看，北美地区质谱仪市场规模较大，2020年销售额占据全球市场的40%。美国是北美地区最大的质谱仪市场，其后为加拿大。欧洲地区质谱仪市场规模排名第二，市场份额为32%，其中英国、法国、德国、意大利占据了主要市场份额。亚太地区市场规模排名第三，市场份额为20%。随着中国、印度、日本等国家对于质谱仪的需求增多，以及海外企业在亚太地区设立生产工厂和研究中心，亚太地区在全球质谱市场中的增速将进一步提高。

（来源：Kalorama）

目前，全球质谱仪市场主要被赛默飞、SCIEX（丹纳赫）、布鲁克、安捷伦、WATERS（沃特世）、岛津等国际行业巨头垄断，共占据96%以上的市场销售额。据统计，SCIEX、安捷伦、赛默飞、布鲁克、WATERS、梅里埃所占市场份额分别为22%、20%、17%、16%、13%、8%。

（来源：东方证券研究所）

伴随国内厂商技术不断追赶、高端设备进口影响与国内政策扶持，我国质谱仪的进口依赖度从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，国产替代开始加速。

我国质谱仪行业市场主要由四极杆质谱仪及飞行时间质谱仪组成，市场占比分别为70%和20%，而离子阱质谱仪和磁质谱仪占比均为5%。在下游应用领域，2022年我国有32款取得注册证的国产临床质谱仪器，其中16款为飞行时间质谱（TOF MS）、12款为液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、4款为电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），以及73个获批的临床质谱试剂盒，其中串联质谱试剂盒占比达 93%，进口试剂盒仅有Wallac Oy（珀金埃尔默子公司）的2款产品获批，其余均为国产试剂盒，国内质谱技术发展水平不断提升。

（来源：智研咨询）

此外，在政策对临床质谱应用端和仪器端的高关注度、居民旺盛的医疗健康需求、体外诊断技术升级迭代的背景下，临床质谱行业近年来融资事件频发，豪思生物、佰辰医疗、凯莱谱、瑞莱谱等企业均获得了过亿融资。从融资轮次、融资总额、投资机构等角度看，临床质谱在资本市场仍正处于快速上升期，是当下生命科学领域炙手可热的赛道之一。

▲2012—2021年临床质谱投融资情况

（来源：《临床质谱白皮书》

根据《临床质谱白皮书》的统计数据，2021 年中国临床质谱整体市场规模超百亿人民币，其中新生儿遗传代谢病筛查市场规模为17.2亿元，精神类药物浓度监测市场规模为38.4亿元，微生物检测市场规模为20.5亿元，老年人维生素检测市场规模为12.03亿元。

（来源：《临床质谱白皮书》）

2015-2022年，我国居民年度人均医疗保健支出复合增速达7.77%；2022年，居民人均医疗保健支出为2120亿元，同比增长0.24%。随着居民收入水平提升，人民医疗消费意识增强、消费意愿提升，医疗检测类服务市场需求将继续增长，持续为医用质谱检测设备市场发展提供动力。

目前，我国临床质谱检验诊断占临床检验诊断的比重不足1%，与美国15%的占比差距较大，其中新生儿遗传代谢病筛查、维生素D检测和微生物检测等领域将成为重点应用领域。同时，伴随国内质谱仪厂商在高端医疗质谱仪领域不断加大研发投入和提高产业化力度，临床质谱价格将会逐渐降低，质谱仪的临床应用需求将不断释放，国内市场在中长期内有望持续扩容。

▲2015-2021年中国居民人均医疗保健支出变化情况

（来源：观研报告网）

04

质谱仪市场主要玩家

（一）Danaher

（来源：Danaher官网）

Danaher/丹纳赫集团是一家成立于1969年，以工业仪器及设备为主要业务的跨国公司，总部设在美国华盛顿特区，集团产品集中在工业和消费品的设计，制造和营销领域，主营业务分为五个部分：测试和测量，牙科，工业技术，环境和生命科学与诊断。

SCIEX是Danaher旗下的一家运营公司，拥有质谱系统前端要求的多类液相系统，包括毛细管电泳系统、纳升流速液相、微升流速液相、超高压液相系统等，以及三重四极杆质谱系统（Triple Quad™）、三重四极杆线性离子阱复合型质谱系统（QTRAP®）、高分辨质谱系统（QTOF）等质谱产品。

（二）Bruker

（来源：Bruker官网）

Bruker/布鲁克公司于1960年成立，总部位于马萨诸塞州的比勒里卡，是一家制造分子和材料研究以及工业和应用分析科学仪器的美国公司，业务涉及元素分析、质量分析、分子震动光谱、核磁共振等多个领域。公司旗下产品分为三大模块：fexl系列，timesTOF系列，MRMS系列，以及离子阱/三重四极杆质谱/液相色谱系统等。

Bruker基于高分辨率的QTOF技术和独一无二的MALDI-TOFTOF技术，积极开发了一系列创新的质谱表征分析方法，从而提高了蛋白药物表征分析的效率。

（三）ThermoFisher

（来源：ThermoFisher官网）

ThermoFisher/赛默飞是一家成立于1956年的生命科学服务领域企业，总部位于美国马萨诸塞州，前身是一家热电公司，发展至今，公司旗下业务已涵盖医药和生物、医院和临床诊断实验室等领域。

公司旗下的高分辨质谱分析系统为蛋白质、药物代谢物、农药和许多其他应用提供简便、高通量的定量工作流程。产品包括Orbitrap Exploris 480高分辨质谱仪、QE-HF高分辨质谱仪、LTQ Velos 质谱仪等。

（四）Agilent

（来源：Agilent官网）

Agilent/安捷伦是生命科学、诊断和应用化学市场领域的高科技公司，1999年，安捷伦宣布从惠普拆分并在纽交所挂牌上市，2000年正式开始独立运营。

公司提供功能丰富的气质联用（GC/MS）系统和液质联用（LC/MS）系统，完整的GC/MS或LC/MS工作流程包括样品前处理、InfinityLab 色谱、安捷伦质谱和软件，产品包括单四极杆（SQ）LC/MSD、三重四极杆（TQ）LC/MS 和四极杆飞行时间（TOF/Q-TOF）系统。

（五）Waters

（来源：Waters官网）

沃特世/Waters成立于1958年，是一家总部位于美国麻省（马萨诸塞州）米尔福德的上市公司，致力于设计、制造、销售超高效液相色谱（UPLC）、高效液相色谱（HPLC）、色谱柱和化学产品、质谱（MS）系统、热分析仪和流变仪，并提供相关服务。

Waters的UPLC Xevo TQD IVD 和UPLC Xevo TQ-S IVD超高效液相色谱串联三重四级杆质谱系统获得中国国家食品药品监督管理总局批准的医疗器械注册证，可用于分析临床项目检测中的多种化合物，包括诊断指示物和治疗监控化合物。

（六）生物梅里埃

（来源：生物梅里埃官网）

生物梅里埃公司创建于1963年，总部位于法国里昂，公司依赖自身的科技创新和工业生产资源，致力于研发作为医疗和工业用途的体外诊断产品。生物梅里埃的诊断系统由试剂、仪器和软件组成，主要围绕传染病、工业微生物控制、心血管病和肿瘤等战略领域设计。

公司旗下的微生物质谱仪，基于MALDI-TOF MS技术，利用已知菌种建立的蛋白峰谱数据库，通过检测获得未知微生物的蛋白质图谱，将所得图谱与数据库中微生物的参考图谱比对后得到鉴定结果，实现对细菌进行属、种甚至亚种水平的鉴定。

（七）岛津集团

（来源：岛津集团官网）

日本岛津集团成立于1875年，以光技术、X 射线技术、图像处理技术为基础，业务涉及分析检测仪器、医疗器械、气相和液相质谱仪等，为各行业的科研开发、品质管理提供先进的分析技术。

集团旗下的ICPMS-2030系列电感耦合等离子体质谱仪是以ICP为离子源的四极杆质谱仪，能够快速进行多元素分析，具有优异的灵敏度和检出限，且系统支持LC-ICPMS等联用技术。

05

结语

相比传统诊断技术，质谱诊断的灵敏性、特异性和准确性较高，且具有高通量、高效率和低成本的优势，目前国内外公司质谱仪技术差距明显，主要体现在核心零件性能，产品布局体系和客户认可度。国内市场仍被赛默飞，安捷伦，岛津等世界巨头垄断，但由于国内政策不断支持科学仪器行业发展，国内企业逐渐发力，在高端技术上不断实现突破，国产替代趋势明显，未来国产质谱仪有望构建精细的基因组学、转录组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学等图谱，进而赋能精准医疗、药物开发、检测诊断领域。

主编｜赵清 审核｜祎禾 排版｜miya