质谱介绍及行业现状

2023-05-10 14:56:27

质谱分析法是通过应用质谱仪将被测物质离子化,按离子的质荷比分离,测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的的一种分析方法。质谱是物质的固有特征之一,不同的物质有不同的质量谱即质谱,利用这一性质,可以进行定性分析(包括分子质量和相关结构信息);而应用谱峰强度与它代表的化合物含量关系可进行定量分析。

一、质谱分析法概述

1.组成和分类

质谱仪一般由进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统五部分组成,图1为质谱仪的结构示意图,核心部件为离子源、质量分析器及检测器。


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。比较常用的离子源有与GC串联的电子轰击电力源(EI)和化学电力源(CI),与LC串联质谱常用电喷雾离子化(ESI)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)以及基质辅助光解析离子化(MALDI)。

质量分析器是将离子源产生的离子按m/z顺序分开并排列成谱的仪器,常用的质量分析器有单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、四级杆质量分析器(目前商业化应用较成熟)、离子阱质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振(FC-ICR)和飞行时间质量分析器(TOF),不同的质量分析器有不同的应用范围,如四级杆主要用来做中小分子的定性、定量及痕量分析。

2.性能指标

衡量一台质谱仪性能好坏的指标包括分辨率,质量范围,灵敏度,质量稳定性、质量精度等,这些主要的指标说明如下:

2.1 分辨率

质谱仪的分辨率表示质谱仪把相邻两个质量分开的能力。常用R表示。其定义是,如果某质谱仪在质量M处刚刚能分开MM+∆M两个质量的离子。则该质谱仪的分辨率为

R=M/ ∆ M

2.2 质量范围

质量范围是质谱仪所能测定的离子质荷比的范围。对于多数离子源,电离得到的离子为单电荷离子。这样,质量范围实际上就是可以测定的分子量范围;对于电喷雾源,由于形成的离子带有多电荷,尽管质量范围只有几千,但可以测定的分子量可达10万以上。质量范围的大小取决于质量分析器。四极杆分析器的质量范围上限一般在1000左右,也有的可达3000,而飞行时间质量分析器可达几十万。由于质量分离的原理不同,不同的分析器有不同的质量范围,彼此间比较没任何意义。同类型分析器则在一定程度上反映质谱仪的性能。

2.3 灵敏度

灵敏度表示在一定的分辨率下,产生一定信噪比的分子离子峰所需的最小样品量。

2.4 质量稳定性

质量稳定性主要是指仪器在工作时质量稳定的情况,通常用一定时间内质量漂移的质量单位来表示。例如某仪器的质量稳定性为:0.1amu/12hr,意思是该仪器在12小时之内,质量漂移不超过0.1amu

2.5 质量精度

质量精度是指质量测定的精确程度。常用相对百分比表示。质量精度是高分辨质谱仪的一项重要指标,对低分辨质谱仪没有太大意义。

3.串联质谱及应用技术

3.1 串联质谱

两个或更多的质谱连接在一起,称为串联质谱。最简单的串联质谱(MS/MS)由两个质谱串联而成,其中第一个质量分析器(MS1)将离子预分离或加能量修饰,由第二级质量分析器(MS2)分析结果。MS/MS最基本的功能包括能说明MS1中的母离子和MS2中的子离子间的联系。

MS/MS在混合物分析中有很多优势。在质谱与气相色谱或液相色谱联用时,即使色谱未能将物质完全分离,也可以进行鉴定。MS/MS可从样品中选择母离子进行分析,而不受其他物质干扰。

3.2 联用技术

色谱可作为质谱的样品导入装置,并对样品进行初步分离纯化,因此色谱/质谱联用技术可对复杂体系进行分离分析。因为色谱可分离化合物,质谱可给出化合物的分子量和结构信息,故对复杂体系或混合物中化合物的鉴别和测定非常有效。

 

二、质谱行业现状

1.中国临床质谱处于萌芽阶段,潜在市场达百亿

中国医学检测终端市场规模大约在2000亿元,根据中泰证券草根调研数据显示,目前国内各第三方实验室的质谱检测大多仅有千万级别,其中较大的广州金域和北京和合诊断合计约超过3亿元,预测目前国内质谱市场总规模不超过10亿,占比不超过0.5%;目前美国临床质谱产品收入占比达到15%,若中国临床质谱收入占比最终能达到美国15%的一半,即7.5%,市场规模已超200亿。目前国外临床质谱发展仅十余年,仍然处于快速发展期,因此国内长期临床质谱检测市场还有较大的想象空间。

2.CFDA临床质谱政策的陆续完善,推动产业的快速发展

,同时考虑到国外质谱早期临床项目先以LDT的形式在临床医学实验室使用,国内相关机构已在积极制定LDT管理办法,预计临床质谱相关政策有望于2018年陆续完善出台,推动临床质谱行业的快速发展。与此同时,不管是微生物质谱还是串联质谱,2018年有望进入产品集中获批的时间点(外资中安捷伦和岛津的串联质谱仪有望于2018年获批,多家国产厂商的配套试剂盒也有望拿注册证;安图生物的微生物质谱有望于2018初获批,更多企业加入到质谱临床推广的队伍中,进一步推动临床质谱的发展。总的来说,2018年中国的临床质谱检测有望进入加速上升期。


3.竞争格局:质谱仪基本为外资垄断

四大传统分析仪器制造龙头Sciex、安捷伦、赛默飞和布鲁克占有超过70%的质谱仪市场,其中丹纳赫子公司Sciex市占率22%,排在第一位,安捷伦、赛默飞和布鲁克市占率分别为20%17%16%,紧随其后,Waters和梅里埃也占有10%左右份额

 

强大的技术专业领先性使得设备制造企业在产品上占据全球制高地,但是在商业化推广上缺乏经验,与有渠道优势企业的结合可以推动新兴技术的市场化。以微生物质谱为例,梅里埃设备技术来源为国际领先仪器制造商岛津,而梅里埃则是在微生物领域市占率最高的企业,两者的合作进一步巩固了梅里埃在微生物领域的领先地位,同时也将质谱的临床应用推进了一大步;同理BD作为微生物市占率第二的企业,选择与质谱制造商布鲁克合作,也加速了质谱的临床推广。我国的企业玩法类似,将外资厂商的技术优势与自身本土渠道优势相结合,边吸收改进边推广市场。

4.应用领域

临床质谱应用范围广阔,可在生化、免疫、微生物、分子等多领域对传统方法学进行替代。质谱技术在临床检验中的应用,主要涉及临床生化检验、临床免疫学检验、临床微生物检验以及临床分子生物诊断等多方面,质谱诊断比传统诊断技术更具灵敏性、特异性和准确性,且具有高通量、高效率和低成本的优势。质谱技术可在单次诊断中同时系统精确地检测出几十个甚至上百个生物标记物,并可检测出多种传统诊断技术无法检测到的生物标记物,如激素类小分子标记物等。


不同临床应用领域需要选择不同类型的质谱,微生物鉴定、新生儿筛查、维生素检测等为主流。根据组件选择搭配的不同,质谱分成多种类型,不同类型特性不同,适用于不同的临床领域,比如液相色谱串联质谱适用于小分子定量分析,包括新生儿筛查、维生素检测、药物浓度监测等;基质辅助激光解析电离飞行时间质谱常用于微生物鉴定(目前临床质谱应用相对成熟的领域);电感耦合等离子体质谱适用于微量元素检测(暂无商业化产品)等。

4.1 微生物质谱外企垄断市场保守估计达24亿元

微生物鉴定在临床上通常用于辅助诊断,判断感染类型、指导用药,鉴定环节越准确,诊断结果和治疗方案选择越恰当。微生物质谱(MALDI-TOF MS)鉴定微生物的主要原理是利用已知菌种建立数据库,通过检测获得微生物的蛋白质图谱,由于不同菌种核糖体蛋白(220kDa)大小有差异,将所得的谱图与数据库中的微生物参考图谱比对后可以得到鉴定结果。目前常用的检测方法为生化原理检测,流程较复杂,微生物质谱相比传统生化方法优势在于快、全、便宜、自动化,具体如下表所示:


传统生化原理检测

飞行时间质谱检测

原理

pH变化、显色、氧化反应

基质辅助激光解吸电离离子源和飞行时间质量分析

检测时间

最快4-8h通常1-2d

以分钟计,可同时检测多个样本

检测范围

最多鉴定几百种细菌

目前最多可鉴定2000+种细菌

检测成本

依靠试剂赚钱,成本高

试剂耗材很少,仪器一次性成本

MALDI-TOF MS技术在临床微生物菌种鉴定领域的应用,除了技术本身,更重要的是依赖于质谱菌种鉴定数据库,因此,数据库中图谱的质量、数量都将直接影响鉴定的成功率与准确率,由于病原微生物分布流行情况不同,实验室在原有数据库基础上可补充建立本地病原微生物的质谱指纹图谱库,提高鉴定成功率。目前梅里埃和BD的产品均可以鉴定2000+种微生物,安图生物在微生物检测领域积累20多年,已开发出具有自主知识产权的中国本土化微生物菌株数据库,可鉴定超过1500种微生物,未来竞争优势良好。

 


由于当前微生物市场中质谱占比较小,且对传统鉴定方法存在替代关系,我们通过医院理论配臵数量来测算微生物质谱的市场规模。根据卫计委截止到20176月底的数据,全国三级医院2286 家,二级医院 8118家,理论上三级医院每家需要配至少一台,大型二甲医院也需要配臵,我们保守假设市场装机量3000 台,按出厂价格80万计算,则微生物质谱设备的理论市场规模在24亿元

4.2 国内串联质谱(LC-MS/MS)集中在新生儿筛查和维生素领域

据中泰证券草根调研数据显示国内LC-MS/MS应用领域主要在新生儿筛查占比超过70%其次为维生素领域。传统新生儿筛查方法包括细菌免疫、放免、酶免、时间分辨荧光等,其与LC-MS/MS筛查区别如下表所示


传统筛查方法

质谱检测方法

方法学/平台

细菌免疫法放免酶免时间分辨荧光等

LC-MS/MS

检测项目数

一次检测一种

同时检测几十种

自动化程度

半自动化

全自动化

假阳性率

成本

检测通量低人工成本高

综合费用低廉

收费

按项目数100-1000元不等

200-500元左右

传统方法单次仅能检测一种疾病,相较于一次可同时检测多种疾病的质谱法来说,操作更复杂、耗时长,且单个样本检测成本高;从收费上看,虽然国家对部分疾病检测采取免费形式,但是加上40+项自费筛查项目,实际收费在100-1000元不等,而质谱法国内并未有统一收费,只在部分省市有定价,其中江苏省每次收费在180元左右,上海市在300元左右,重庆市接近500元左右。

中国2007年新生儿平均筛查率达到39%2010年超过50%,预计当前筛查率已经达到90-100%,但主要是常规筛查方法。中国每年新生儿数量大约在1600万,假设90%采用质谱法进行筛查,按照终端平均200/次的单价,则新生儿质谱筛查的潜在市场空间为28.8亿元。目前国内获CFDA认证企业少,占据先发优势的企业有望占得先机,率先占领市场。

 


维生素D主要包括五种化合物,分别为维生素D1D2D3D4D5,其中最重要的是D2D3,维生素 D2需要从食物摄取,而D3主要从皮肤和阳光接触合成,D3在人体内的作用是D23倍以上,从代谢时间上看,D2需要24-48小时代谢,而D3吸收代谢较快,只需要4-6小时就可以从肾脏排出。传统免疫方法学无法准确区分维生素的分型,仅能检测出维生素D的总含量,贸然作出诊断或治疗,容易出现维D中毒或治疗无效的情况;而LC-MS/MS可以同时分别定量D2D3的单一浓度,实现最有效的临床诊断。具体差别如下表所示:


串联质谱法

化学发光免疫法

手工免疫法

单个样本检测时间

7min

27min

6h

报告范围

D22.16-260ng/ml

D32.64-210ng/ml

D3.00-70.0ng/ml

D7.39-100ng/ml

结果准确定比较

最准确

较不准确

较准确

成本

仪器成本

试剂成本

评估

人员要求

通量

市场物价

结论

LC-MS/MS可对维生素D2D3分别定量,诊断的准确性更高;免疫法投入成本低,收费较低,化学发光法节省人力,通量大,数据处理简便。

国内质谱法检测维生素多为二类注册证,相关企业包括深圳迈瑞、济南英盛、复星长征、可力梅塔和迪安诊断等,目前终端并未明确质谱法的单独收费,普通维生素D检测价格根据不同级别医院情况,在50-100元不等,由于针对人群为普通人,如果纳入常规体检菜单中,检测量有望实现高速增长,未来市场的想象空间大。

 

总结

1.质谱检测技术是一种比较新颖的体外诊断技术,比传统诊断技术相比更具灵敏性、特异性和准确性,且具有高通量、高效率和低成本的优势;

2.中国质谱检测行业处于刚起步阶段,未来的临床质谱应用空间超百亿。行业的核心技术壁垒在于质谱仪的生产,该领域目前几乎被Sciex、安捷伦、ThermoFisherWaters等外企垄断,国内大部分企业仅能生产配套试剂盒,技术附加值相对较低;

3.国内企业目前的经营模式几乎均是采购SciexWaters的质谱仪免费投放到医院,同时配套销售自行生产的试剂盒,通过试剂盒的盈利来补贴仪器投入的成本。

基于以上论据,笔者认为质谱检测行业是一个高速成长的赛道,越快拥有自主组装生产质谱仪能力及目前覆盖终端医院数目较多的企业具有较强的先发竞争优势。

 


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