2019-2020年质谱新品概览 洞悉未来技术和市场趋势

2020年9月22日 01:40:23 来源: 分析测试百科
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  分析测试百科网讯 此前我们已经介绍,质谱具有“3S+3A”的所有特征,这是基金委的庄乾坤教授对质谱优势的高度概括。分析检测手段,但凡满足“3S+3A”中的1-2条,就有存在的价值,而质谱是六项全能。质谱的通用性更是出类拔萃,宏观上我们知道所有物体的质量都可以用“秤”来称量,这要感谢牛顿祖师爷发现的万有引力。而在微观上测量各种粒子的质量,就要依靠质谱,质谱又被誉为“测量分子和原子的秤”。但质谱不仅仅是一台简单的“秤”,它可驱动带电离子飞行并将它们分离,有次小编看到“飞扬的离子”感觉也颇为形象。以前,质谱的广泛应用很大程度上来源于同色谱的完美联用。而在今日,质谱开始展现其直接分离离子的能力,不仅利用淌度可为液质联用增加新维度的分离,而且运用直接离子化技术摆脱色谱,开启原位检测和超高通量分析的新篇章。因此,近年来主要的技术是新型离子源技术和离子淌度,最大的市场趋势就是众所周知的临床质谱。

  注:3S+3A含义:高灵敏度Sensitivity、高选择性Selectivity、高速度Speed、高准确度Accuracy、可自动化Automation、广泛的可用性Application。

  据不完全统计,2019-2020年,共有32台新质谱或装置推出,其中液质联用16台,MALDI质谱或用MALDI加载于原LCMS的4台,自己制造(非OEM)通过临床医疗器械注册许可的4台,用于液质离子源创新的3台,气质联用或技术改进的4台,电感耦合等离子体质谱1台。其余结合质谱的应用软件不再统计。更多通过临床医疗注册许可的产品很多,比如很多OEM的,这里不再统计。

液质联用和MALDI质谱

  此处液质联用指适合于极性化合物分析、使用大气压下电离的质谱,MALDI质谱指采用MALDI离子源的质谱,亮点有几个:

  (1)谱育推出中国第一款三重四极杆液质EXPEC 5210,这注定是被国人牢记的一款仪器,它代表了中国人终于可以造出串联质谱了。以前不管是GC-MS、LC-MS、ICP-MS,还是MALDI质谱,中国都只能造出单级质谱,EXPEC 5210是国内首台串联质谱,这代表中国开始掌握串联质谱技术,提振了未来中国进军高端质谱的信心。

  (2)在液质的离子源方面,首先是Echo MS,声波激发离子源结合SCIEX家的三重四极杆TQ,每秒3个样品的高通量性能让人难以置信。赛默飞在离子源接口方面推出淌度分离的FAIMS Pro,以及直接离子化的纸喷雾源VeriSpray PaperSpray。

  (3)在MALDI方面,布鲁克继TimsTOF及TimsTOF Pro在液质领域大获成功后,加磅自家看家的MALDI功能,接连推出TimsTOF Flex和MALDI-2,前者可达成在一台主机上先MALDI成像再进行LC-MS/MS一气呵成的操作,后者利用二次激光大幅提升MALDI测小分子的性能。岛津推出了只需一张纸的占地面积、全球最小的MALDI质谱MALDImini-1。

  (4)淌度方面,沃特世作为离子淌度分离的鼻祖,推出环形淌度SELECT SERIES Cyclic IMS,刷新淌度分辨的记录,最高可达750分辨率,在淌度分辨率的赛道上再次遥遥领先。

  (5)三重四极杆TQ方面,SCIEX再推旗舰TQ机型Triple Quad 7500,并可随时升级同型QTrap。此前,SCIEX还推出了Triple Quad 5500+,也是QTrap ready。当然在三重四极杆TQ液质方面,岛津推出LCMS-8060NX,安捷伦推出6495C、6470B。前面也提到了谱育的EXPEC 5210。

  (6)Orbitrap当然仍是赛默飞的独门绝技,目前在Orbitrap上不断扩展机型,一个方向是Eclipse大幅扩展质量范围并提供更多智能化功能;一个方向是推出大幅缩小体积的“小钢炮”系列Exploris 480、240、120。

  (7)几家更新了Q-TOF机型,如SCIEX的TripleTOF® 6600+,安捷伦的6546,沃特世的SYNAPT XS。

  (8)此外,还有几款比较特色的质谱,一是安捷伦作为液相检测器的、非常小巧的LC/MSD iQ;岛津和中国学者一起研发推出的解决方案型机型CELLENT CM-MS,可进行在线细胞培养和质谱检测;岛津还推出了一体化解决方案imscope QT,把显微镜、MALDI、Q-TOF组合在一起。

厂商产品型号特点类型上市时间
谱育EXPEC 5210国内首台液质TQ质谱三重四极杆TQ2019年10月
禾信CMI-1600临床微生物鉴定质谱系统MALDI-TOF2020年5月
SCIEXTripleTOF® 6600+大规模精确定量分析,可配Optiflow低流速离子源Q-TOF2019年6月
Triple Quad 5500+ LC-MS/MS System - QTRAP Ready将三重四极杆和QTRAP®功能耦合在一个系统中三重四极杆TQ结合Qtrap2019年6月
Echo MS声波激发耦合质谱系统,3个样品/秒离子源2020年6月
Triple Quad™ 7500 LC-MS/MS 系统 – QTRAP® Ready新一代旗舰平台,将三重四极杆和QTRAP®功能耦合在一个系统中三重四极杆TQ结合Qtrap2020年7月
岛津iMScope QT成像质谱显微镜,从前一代的IT-TOF到现在的Q-TOF显微镜结合MALDI-QTof2020年6月
CELLENT CM-MS在线细胞培养和质谱检测三重四极杆TQ2019年5月
MALDImini-1只需一张纸大小的占地面积,分子量达70,000MALDI-离子阱2019年6月
LCMS-8060NX岛津三重四极杆液质联用仪旗舰机型的巅峰之作三重四极杆TQ2020年6月
安捷伦LC/MSD iQ让色谱实验室都拥有一台智能化质谱检测器单四极杆2019年6月
6495C第三代iFunnel,运用VacShield真空盾三重四极杆TQ2019年6月
65465个数量级动态范围,6万分辨率Q-TOF2019年4月
K6460年初获批国械注进20202220004临床质谱TQ2020年6月
6470BVacShield 真空盾,提升效率三重四极杆TQ2020年6月
K6460S美国I类体外诊断仪器,不在中国销售临床质谱TQ2020年6月
布鲁克timsTOF fleX为空间定位组学配置ESI/MALDI双源Q-TOF+离子源2019年6月
MALDI-2用于timsTOF flex,增强小分子测定Q-TOF+离子源2020年6月
赛默飞Orbitrap EclipseMSn多级m/z范围达8,000 Da,PTCR离子源,RTS算法,标配50万分辨Orbitrap2019年6月
Orbitrap Exploris 480m/z范围可到8,000 m/z,体积为原QE一半,48万分辨率四极杆-轨道阱2019年6月
FAIMS Pro差分离子淌度,在进入质谱前提高选择性离子淌度装置2019年6月
VeriSpray PaperSpray纸喷雾,全自动,高通量,直接电离离子源2019年6月
Orbitrap Exploris 12012万分辨率,最高22Hz采集速度四极杆-轨道阱2020年6月
Orbitrap Exploris 24024万分辨率,最高22Hz采集速度四极杆-轨道阱2020年6月
沃特世SELECT SERIES Cyclic IMS环形离子淌度,极限750分辨离子淌度+Q-TOF2019年6月
SYNAPT XS更高性能更灵活,LC-MS/GC-MS集于一身Q-TOF2019年6月
Xevo TQ-S micro IVD占地小,集成化程度高临床质谱TQ2019年6月

  谱育:EXPEC 5210

  EXPEC 5210于2019年9月上市,其重大意义在于它是国内首创的三重四极杆串联质谱仪(TQ),也是国内首创的空间串联质谱仪(非离子阱),对离子选择和传输技术有重大突破,而三重四极杆质谱是最量大面广、年需求增长率最高的质谱类型,比如TQ型LC-MS/MS大概年销量2000台,年增长率两位数;TQ型GC-MS/MS也有约500台的年销量。在2011年最早一批“国家重大科学仪器设备开发专项”支持下,谱育历经8年的研发投入推出的这款EXPEC 5210,采用一系列创新的质谱技术,并在质谱核心技术上拥有自主知识产权,性能指标达到国际同类先进水平。EXPEC 5210具有卓越的灵敏度和优异的稳定性,非常适用于医学检测、环境监测和食品安全等广泛的领域。近期Quenchers等简便前处理方法结合TQ质谱的应用,催生了农兽药国标、环境标准、国家药典(如中药)等多项关于TQ质谱标准的出台。如谱育能够结合中国在食品、环境、药典等领域的标准方法开发配套方案,而且在当前全国“国产替代”的呼声中,EXPEC 5210非常有望能够“一炮走红”。据悉,EXPEC 5210已经开发了类似方法,比如针对新药典2020中药的检测,EXPEC 5210具有一台仪器既可以做LC-MS/MS、又内置EI源做GC-MS/MS的方法,全中文操控,既为用户节省了购置的成本,又降低了操作的难度。相信EXPEC 5210只是个启动信号,它代表我国开始掌握质谱中较为高端的串联技术,希望能够从此“打开一扇门”,激励谱育和更多国内公司研发制造出高端的串联质谱。

EXPEC 5210

  禾信:CMI-1600

  禾信在前期推出MALDI-TOF后,今年的CMI-1600临床微生物鉴定质谱系统获得了中国二类临床医疗器械注册许可(粤械注准 20202220695)。其特色是超过60000株本土化菌种数据的专业质谱鉴定系统完全自主开发、全面掌握仪器的相关核心技术,采用2000 Hz超高频率的固体激光器,大大提高了目标分析物的检测效率。禾信近年来坚持自主创新,在环保领域找到了突破口从而快速发展后,开始进军临床质谱领域,并顺利通过临床质谱注册许可。

CMI-1600 MALDI-TOF

  SCIEX

  2020年是SCIEX成立50周年,虽然在疫情之下,SCIEX却推出了比往年更给力、更硬核的产品。首先是7500,全名是:SCIEX Triple Quad 7500 LC-MS/MS系统—— QTRAP Ready。这是一款三重四极杆的液质,而且随时可升级QTRAP。它的意义是什么呢?三重四极杆和QTRAP,这两种质谱已经和SCIEX的名字绑在了一起,SCIEX发布5500、6500、7500,就好像苹果发iphone 10、11、12。简而言之,这是新一代旗舰机型,而且据说,灵敏度再次达到新高。所以,7500是旗舰机型的新标杆,今后大家都得向它看齐。从技术上来看,7500的新D Jet™ 离子导向和离子源的改进,使灵敏度在高处再提高,灵敏度相比前代产品提高5倍以上。新的OptiFlow™ Pro离子源提高了效率。

SCIEX Triple Quad 7500

  另外一款是ECHO MS 系统,每秒3个样品,创造高通量奇迹,相信很多药厂、CRO已经被深深种草。今年疫情,大家更加知道要搞疫苗、搞新药。而新药筛选很关键。举例来说,如果用质谱法做新药筛选,用传统方法需要115天,而用ECHO MS,只需要4天,令人难以置信。更让人Unbelievable的是,自从Cooks 2004年发表了那篇激荡人心的关于环境电离(AmbientMassSpectrometry)的文献1后,学术界异常火爆,各种电离方法层出不穷,ECHO MS采用的是 声波激发 的新型电离(ACOUSTIC DROPLET EJECTION,ADE)方式,也可以不再用液相,把液质联用做出了MALDI的感觉(样品加在96孔或384孔板上)。估计COOKs教授会更欣慰的:新型离子化不仅可做“原位”,而且具有Unbelievable的“高通量”。ECHO MS的推出,估计也能进一步振奋SCIEX内部士气——当年放弃市场占有率几乎第一的高通量的MALDI-TOF和MALDI-TOF/TOF,这得需要多大的勇气?今日ECHO MS的出现,高通量就不再只属于MALDI了,ADE也可以,未来的想象空间非常大。

  小编稍微查阅获知,用声表面波(SAW)驱动微流体的技术已被应用于微流控领域,相比微流控研究领域中基于其他驱动原理的方法如表面梯度法、热毛细法、电润湿法和磁力法等,基于声表面波原理的方法有着明显优点。如基于声表面波技术的微流体装置结构简单、易于制造、适于批量生产、生物相容性良好、能够快速驱动流体且驱动力较大以及易于芯片中集成等。用于质谱离子源,这真是前无古人、后无来者。

ECHO MS 系统

  当然,2019年,SCIEX还推出了Triple Quad 5500+ LC-MS/MS 系统  -QTRAP Ready,也是三重四极杆的液质,而且随时可升级同级别QTRAP,这是SCIEX第一次推出二合一质谱,已激活QTRAP功能,可以同时拥有三重四极杆质谱的定量功能和线性离子阱质谱的定性功能。TripleTOF系列也更新到TripleTOF® 6600+,专为大规模精准定量而设计,全新设计的OptiFlow离子源硬件,使用更简单,结合SWATH®采集技术,TripleTOF® 6600+系统拥有为众多应用领域提供灵敏、大规模的定量数据采集方案的实力。

Triple Quad 5500+ LC-MS/MS 系统  -QTRAP Ready

TripleTOF® 6600+

  布鲁克

  近几年,布鲁克将原有的Biotyper类微生物质谱(即我们常说的单级MALDI-TOF)放入新建的微生物部门,接下来就全心全意搞“科研型质谱”并取得有目共睹的巨大进展;看来,定战略和业务聚焦很重要。

  我们不妨把时间轴拉回去模拟“复盘”一下,布鲁克先是定下“科研型质谱”的战略,接下来就得选新颖有意义的方向。看看周围最直接相关最热门的,技术上一个是离子淌度,一个是离子源;应用上,一个是各种组学,一个是质谱成像。第三步就是先攻克技术难关,必须得做得比市面上所有的都好,离子淌度先做到(timsTOF先搞了个淌度分辨率第一),离子源方面先搞MALDI离子源的创新。第四步,硬核技术出来后勾起了科学家“玩一玩”的兴趣,在各领域就可找到优秀的科学家合作,尤其是欧美那些全球的KOL(关键意见领袖),Matthtis Mann和Ruedi Aebersold等科学家的加磅不仅在硬件之外搞出了新流程新软件,而且真的不愧是KOL,带领了全球timsTOF pro系列的热卖。这就好比当年Ruedi用SWATH加磅TripleTOF一样,有“带头大哥”的加持,仪器就会卖得顺风顺水。

  timsTOF pro的主要概念是利用新型diaPASEF工作流程实现的4D组学,从单纯追求淌度分辨率进化为双淌度、新型采集流程,大幅提高了灵敏度、占空比(dutycycle)和实验通量,在组学领域大获成功。在此基础上,去年布鲁克推出timsTOF fleX,这是利用了自家看家本领MALDI离子源,另外也可有力抗击竞争对手。现在timsTOF fleX一台机器上,可以既做ESI又做MALDI,对关注性价比和灵活性的科研型用户非常有吸引力。此外,timsTOF fleX上发布了新概念“空间定位组学(SpatialOMx™)”,把质谱成像的应用和转化医学紧密结合,再次吸引了众多眼球。

timsTOF flex

  技术的原始创新和科学家的加持螺旋式上升,这不,今年timsTOF flex上装载了全新的MALDI-2离子源,这是技术上的又一次原始创新,最初的思想来自于科学家。2015年,Muenster(明斯特)大学的Klaus Dreisewerd课题组在《Science》上发表了Post Ionization的MALDI技术2。不少人以前觉得MALDI适合大分子,小分子的灵敏度不太理想。MALDI-2 PI离子源主攻的方向就是提高小分子的灵敏度,这对于代谢组学、脂质组学是绝对利好;其技术关键是在MALDI源后再加一个正交的266nm的激光器。MALDI-2可将小分子和脂质分析的灵敏度提高一到两个数量级,进一步扩大MALDI质谱与基于MALDI技术的质谱成像应用范围。

MALDI-2原理:在MALDI源后应用第二束激光激发中性分子电离

  岛津

  每家公司有每家公司的特色,岛津公司近年来在质谱上的侧重点有几个。(1)在三重四极杆上步步跟随最新潮流,博采各家之长,每种型号都特别齐全。(2)结合岛津全产品线长,部门间合作紧密的优势,开发其它类仪器和质谱连接的机型,提供给客户特色的解决方案。(3)推出Q-TOF 9300后补全了自己的产品线,不过坚持多年的IT-TOF估计要面临是否放弃的决定。(4)在获得过Nobel奖的MALDI上继续做文章。无论如何,自从岛津开始做三重四极杆质谱后,整个公司质谱的发展进入了超快车道,产品在用户中也获得了很好的反响。

  比如,三重四极杆系列,岛津的型号非常齐全;今年6月1日,岛津发布三重四极杆液质联用仪旗舰机型的巅峰之作LCMS-8060NX,在实现优异的灵敏度和分析速度的同时,进一步提升了仪器的稳定性、耐用性和操作性。主要的技术改进包括:IonFocus™单元,可将离子更高效地引入质谱仪,降低干扰,提升稳健性;配置新一代离子源,无需卸除质谱真空状态即可更换脱溶剂DL 管和 ESI 毛细管,无需进行复杂的调整即可进行高灵敏度分析,并使方法开发更加高效;“分析智能”功能,可从分析准备到数据处理,最大限度地提高分析通量。

Nexera LC-40+LCMS-8060NX

  6年前,岛津发布了业界第一台结合了显微镜和LC-MS的成像质谱显微镜iMScope TRIO,今年岛津发布它的继任者iMScope QT,它俩的区别显而易见,前者质谱是IT-TOF,后者质谱是Q-TOF。iMScope QT在保留高空间分辨率,显微镜等原有仪器特点的基础上,改善了检测灵敏度和速度,实现了速度、特异性、空间分辨率、灵敏度为一体的质谱成像分析。 iMScope QT是由显微镜-MALDI单元与LCMS-9030组合而成,显微镜-MALDI单元可移动分开使用,是成像质谱与LC-QTOF的兼用系统,用一台仪器可实现定性、定量、以及定位分析。不仅如此,同时发售基质涂敷自动喷雾系统,结合原有的iMLayer升华涂敷系统,提高成像灵敏度和空间分辨率。 此外,岛津可提供从前处理到数据采集,软件分析的质谱成像的整体解决方案。使用一台质谱仪就能完成所有分析,通过叠加不同检测原理的图像以及不同离子化方法的数据进行分析,为成像分析提供全新的工具。

iMScope QT成像质谱显微镜

  2019年,岛津还推出CELLENT CM-MS细胞微流控芯片质谱联用分析仪,这是和我国清华大学林金明教授合作开发的产品。作为该领域全球唯一的全自动产品,CELLENT CM-MS以细胞培养,实时监测和在线细胞分析为一体,通过微流控的动态细胞培养,显微观察和代谢物的自动提取,从而实现真实生物状态的研究。

CELLENT CM-MS细胞微流控芯片质谱联用分析仪

  岛津去年还推出了MALDI mini-1,今年在中国宣传。一般MALDI都是接TOF,而这款仪器是MALDI接数字离子阱(DIT),最大的好处是占地特别小,放在桌上只有A3纸那么大。其次是特别快,将所要检测的样品与基质混合,仅需涂在样品靶板上,即完成样品制备。将样品靶板插入仪器,到达可检测的抽真空时间仅需5分钟。当然接上离子阱就可以做MSn多级质谱,这对需要多级质谱分析的糖组学、糖肽的分析预期将带来很多想象空间。

MALDImini-1

  赛默飞

  任何时候,Orbitrap都是赛默飞的主打产品线,去年该产品向两个方向拓展,一款是扩展m/z范围至8,000Da,使用更多智能采集技术的Orbitrap Eclipse,另一款是第一次把Orbitrap做成“小钢炮”,体积缩小一倍,保持性能的Orbitrap Exploris 480。当然在今年,Exploris 480又有了两个兄弟,Exploris 240、Exploris 120,这几款的差别主要是分辨率的不同,480即分辨率是48万,以此类推。

赛默飞Orbitrap Exploris 480、Exploris 240、Exploris 120

  Eclipse在保持Fusion Lumos三合一质谱性能的基础上,提升了如下主要性能,首先是扩展MSn(n=1~10)的质量范围至8,000 Da,在LTQ和Orbitrap上同时实现。使用PTCR(Proton Transfer Charge Reduction ,质子转移电荷减少)离子源,降低多电荷态,提升谱图质量。使用RTS(Real-time search实时搜索)算法,提供强大的二级谱图检索功能,在进行SPS MS3TMT定量时,如果二级谱图能匹配数据库中的肽段则继续进行MS3扫描,在提高TMT定量准确性的同时分析通量提升1倍。标配50万分辨率,扩展选项后可达100万。此外还把四极杆做“粗”了(内径提高),提升了离子传输效率。这款仪器目前是赛默飞最高端的Orbitrap。

Orbitrap Eclipse Tribrid三合一质谱仪

  任意一款Orbitrap,自然分辨率都是“一骑绝尘”,其它质量分析器都不可与其相比。Orbitrap这项技术的确让赛默飞赚得瓢满钵满。前一阵子,中国曾组织一场蛋白组学的实验比拼,原理上,五花八门的质谱、各有特色的实验室应该更好看。但参赛实验室几乎一水儿地使用Orbitrap,区别只是型号的不同,从某种程度上来说降低了参赛的话题度,但也可以看出Orbitrap的这种地位。有时候人们总会想,什么技术可以挑战一下?希望下届这样的比赛有更多的看点吧。

  赛默飞还有两个新产品,一个是FAIMS Pro,其实很多很多年前赛默飞就有FAIMS,类似SCIEX的SelexIon,是加在离子源前的“离子淌度”,主要用于提高选择性、降低干扰,提升实际样品的灵敏度。在当前“离子淌度”比较火热时,再次推出FAIMS Pro,在这一点上主要是蹭热度。还有一款产品是VeriSpray PaperSpray,这个主要是“纸喷雾”,咱们国内的欧阳证老师曾有纸喷雾的专利。赛默飞这款产品的特点是全自动、高通量,也算是环境电离领域的一个较高通量的产品。

FAIMS Pro和VeriSpray PaperSpray

  安捷伦

  今年初,安捷伦Infinity LC Clinical Edition / K6460液相色谱串联质谱系统获批中国医疗器械注册II类许可(国械注进20202220004)。新冠疫情期间,4月23日,安捷伦通过网络在中国正式发布该款产品。众所周知,安捷伦的LC-MS/MS系列在其它领域已经广泛应用,虽然在国内的临床“牌照”来得晚了些,但在2020年IVD检测技术深入人心的新冠疫情期间发布,更让人印象深刻。6460机型在其它领域已获得广泛应用,K6460临床质谱的推出,进一步扩展了安捷伦为病理学诊断和基因组学部分提供的产品和试剂的产品范围。据悉,目前安捷伦在中国注册为I类、II类的产品已超过200种。此外今年6月在美国,安捷伦K6460S还通过了美国I类体外诊断仪器注册许可。

Infinity LC Clinical Edition/K6460

  2019年ASMS,安捷伦发布了很多质谱产品,首先是LC/MSD IQ,它让色谱实验室都拥有一台智能化质谱检测器。安捷伦曾调研7个国家的650个制药业实验室管理者的需求,85%需要更高特异性的仪器;83%需要可靠和准确的仪器和优化的工作流;55%需要更简便、更快地获得结果。因此安捷伦推出了LC/MSD iQ液相色谱/质量选择检测器,采用专为化学家和色谱工作者开发的“嵌入式”智能式软件和硬件,他们将受益于直观的产品设计和更高水平质量选择器(相比于紫外检测器)所产生的数据信息。最初面向的市场是制药,还可扩展到食品、环境、学术等许多应用市场。

LC/MSD IQ液相色谱的质谱检测器

  其次是6495C三重四极杆液质,6495C采用第三代iFunnel离子漏斗技术,进一步提升灵敏度精密度,特别适用于食品安全比如多农残测定。此外,运用VacShield真空盾(VacShield最早用于全球最小的三重四极杆液质Ultivo上),更换离子传输毛细管无需再卸真空,可减少维护停机时间;LC/TQ 用户现在可以通过 MassHunter 内的 OpenLab ECM 支持,改进样本保管链和数据完整性的文档。

6495C三重四极杆液质

  今年ASMS,安捷伦再次采用VacShield技术,用在了6470B三重四极杆液质上。此外,2019年4月,安捷伦还发布6546 Q-TOF液质联用仪,具有5个数量级的动态范围和高达6万的分辨率。

6470B三重四极杆液质

6546 Q-TOF