当今的技术发展水平
从最宏观的角度来看,在最近的几年里一些大型企业之间的收购和兼并似乎放缓,具有革命性的技术改进正在迅速发展,只有少数例外的公司技术更新较慢。安捷伦科技的四极杆和TOF技术已经跻身顶级行列,并继续推广它的芯片技术。Waters始终专注于TRIZAIC UPLC系统,另外在其质谱产品中增加了离子淌度技术,可直接控制样品以正交的方式进入质谱,在不同的分子构象横截面上使离子分层。赛默飞世尔科技在其拳头产品——离子阱和Orbitrap上稳步提高质谱的采集速度和分辨率,近期还推出了双压离子阱质谱,开始扫除离子阱技术在空间电荷和定量限制方面的障碍。
美国AB公司现已不作为一家公司存在,和Invitrogen公司(圣地亚哥,加州)合并以后已成为Life Technologies公司的一个品牌,Life Technologies公司是生物技术的制造商。这家公司继续和MDS Sciex公司合作,不断地提高其高端串联四极杆的技术。
基于以上的信息,我们可以预测一下质谱未来的发展趋势:
在数据库里查询“离子抑制”(ion suppression)这个词汇,返回69篇独立的摘要,说明这个问题很典型(2008年76篇、2007年64篇、2006年87篇)。目前LC-MS大量的分析成果建立在凝聚相的基础上,遵循ESI,但ESI容易出现离子抑制现象,需要对技术不断地改进。
代谢组学(Metabolomics)今年有显著增长,返回139篇结果,前几年的数字是:2008年80篇,2007年46篇,2006年39篇,2005年54篇。
生物标识物(Biomarker)保持稳定,今年是355篇,2008年400篇,2007年350篇。
信息学(Informatics)这个太普通的词汇返回结果很少,只有10篇,而生物信息学(Bioinformatics)返回154篇,但比2008年已经下滑了,2008年是239篇。
预测未来
做预测是一件既具有诱惑性同时又存在风险的事(如果印刷出来的话)。我在1997年的一篇文章中大胆地指出“接口发展的辉煌日子结束了”,后来似乎成为现实。最近在Strategic Directions一家市场调研公司的一篇报告中指出,在2008年,4家公司(安捷伦科技、AB公司、赛默飞世尔科技以及Waters公司)占据了70%的质谱市场,每家的份额在13%~25%之间。
该报告指出:
“尽管已拥有超过20亿美元的市场,但是质谱的需求量预期仍将大幅增长,目前全世界的经济处于弱势,但同时也得到了许多制药企业的支持。事实上,质谱技术在许多尖端产业的高端基础研究中是非常重要的工具,它们将贡献于质谱的增长,预期在2012年之前将以每年9%的需求增长。在可预见的未来,市场将被更先进的方法所引领,包括傅立叶变换质谱(FT-MS)、串联LC-MS以及四极杆飞行时间质谱(9)。”
这篇报告同时认为GC-MS预期的“典型”年增长率是5%,一半的贡献来源于旧设备的更新(据说这个数字是30,000套),GC-TOF预期小幅增长,GC-GC串联(二维
气相质谱联用)会有比较大的增长。
往往容易被忽视的是,即使在这种情况下,单四极杆LC-MS仍然占据一个核心地位,安装基础相对较大(报告中估计有7,000套),安捷伦科技和Waters公司竞争激烈,以相等的份额占据90%的市场。
报告中指出QTOF已拥有4000台的安装量,正如我在2004年的预测一样,复杂度和性能提高使这种杂交技术非常适合各种定性和定量应用。(10)。
Waters公司QTOF产品开发部高级经理Alan Millar最近回顾了Waters公司在过去十年里的发展历程。从1993年推出单四极杆质谱平台以来,在过去的16年里,共推出了8款单四极杆质谱。1989年至今从Quattro型号开始共推出了11款三重四极杆质谱。从1996年推出的分辨率仅为5000(FWHM)的QTOF产品到今天新推出的G2系统分辨率高达50,000,在这13年里共推出了8款QTOF质谱产品;如果加上仅用于MALDI源的MALDI-TOF的数字,在相同的统计时间跨度内,上述统计数字很容易就翻了一倍。
质谱的价格主要取决于真空系统和控制能力这两方面,除了GC-MS,别指望高端质谱系统的售价会低于10万美元。另一个反驳观点是,任何标准的单四极杆LC-MS价格一般都低于10万美元,但其具有当今先进的四极杆技术,缺乏的只是一些更为复杂的质谱仪器的扩展功能。中位数(或称平均价格),经常出现在各种描述中;除了高市场容量的仪器(单级四极杆或离子阱仪器),和那些捆绑了特殊协议的仪器。但在没有陈述详细的技术规格时,你会发现高端的仪器价格相差不大。
技术的反复性
正如我们已经看到的,技术存在相当短暂的半衰期。有时,华丽的外表会衰败,仅能存活3~5年。有时在另一方面,技术必须要能支持应用——比如,TOF(飞行时间技术)等待了60年,在高速电子学、软件和大大改善的工程设计的推动下,才能使其成为今天这样切实可行的分析工具。软件变得更强大,硬件近年来也有明显改善,这些改进常常建立在我们对基本原理进一步理解的基础上。
最近的两项新技术说明,可靠的理论基础可以再现我们的优势。Bruker公司和Waters公司都陆续推出了新型的大气压下的GC源(APGC),可装在LC-ESI-MS系统上。Waters公司此次商业化主要来自两方面的许可,DuPont 公司和Charles McEwen(现在的Houghton教授,美国费城科技大学化学与生物化学系)的研究成果。McEwen 最近也许由于其大气压固相分析探头(ASAP)技术的研究成果而更加的出名了。使用ASAP技术,操作人员简单地把样品放置在一管的底部,把管子插入加热的氮气中,样品将挥发,便可从该混合物中观察产生的离子。这同Horning在20世纪70年代的工作显然是直接相关的。(11,12)。
关于离子化的确切性质和机理的争论可能还会持续下去,虽然我们已经有了ESI,并能够很好地应用它。但在此期间,更快的色谱技术需要质谱具备更快的采集速度,还要保持一定的精确度。改进的软件使我们可以利用我们的优势——对同位素特性的理解,和我们的预测能力。更好的工程设计,更强大的质谱平台,可加深我们对气体动力学产生来源的理解,能够作更多样化的工作。
举例来说,Waters公司设计的APGC Xevo,将一个"mini-chamber(迷你腔)"放置在质谱ESI源入口与GC的传输管线之间,作为与LC和GC切换的关键部件,切换的整个过程只需5分钟的时间。记得没有很多年前,把GC和LC的接口放在同一台质谱上的想法,作为一个可行的投资回报预期方案被提出,然而它失败了,因为不合乎标准的GC性能,无论花费是多少,都是不可被接受的。今天,我们在LC源上很容易看到高达fg级的灵敏度。我们还看到近几年大气压下光化学离子化技术(APPI)的发展,展示了类似于EI的谱图,这时你意识到,同样的培训水平、同样的软件、同样的实验设计,我们已经习惯了LC-ESI-MS,现在已覆盖了更广泛的应用。
Michael P. Balogh—"MS — The Practical Art"编辑,Waters公司质谱技术发展部的首席科学家;罗杰威廉姆斯大学兼职教授;小分子科学协会(CosMos)创始人和现任主席,同时也是LCGC的编辑顾问。