药物研究背后的质谱仪器产业

　　人都会生病，生病了就要吃药。

　　但其实很多人对药物的认识还停留在非常粗浅的地步。比如很多人知道中药是可以治病的，却很少有人能说清楚中药里到底是什么成分起了治病救人的作用。

　　要打开药物的“黑箱”，离不开现代科学仪器。质谱仪器就是洞察药物的“火眼金睛”。

　　什么是质谱仪器？

　　质谱仪顾名思义就是用来测“质量”的仪器。

　　那么，它测的是什么东西的质量呢？

　　其实，质谱仪就好像是一个体重秤，如果一个人想要知道自己的体重，他可以直接站在体重秤上，就会得到他受到的重力。这里面其实利用的是地球的万有引力，一个50千克的人会受到490牛顿的重力，所以可以通过重力的大小换算出质量来。

　　而质谱仪测的是一个分子或者原子的质量。但是分子与原子生活在微观世界，分子与原子的质量非常小，一个原子的质量只有10的-27次方千克左右。人类无法测出原子受到地球的万有引力的大小，因此，不能像人称体重那样通过重力的方法来测量原子或者分子的质量，而需要借助于电磁场，这就是质谱仪的起源。

　　能测出分子与原子质量的科学仪器就是质谱仪。

　　为什么测出分子和原子的质量就可以分析药物呢？

　　因为药物也是由分子和原子组成的，不同的药物具有不同的分子和原子。而不同的分子和原子具有不同的质量，这就好像不同的人有不同的指纹一样，我们可以通过质量来定出原子与分子到底是什么，就好像我们可以通过指纹来区分不同的人。

　　最典型的质谱仪器是四极杆质谱仪，它有离子源、四极杆质量分析器和离子检测器组成。离子源是使被检测的样品分子在高真空条件下离子化——也就是让分子或者原子带上电荷。这些带电离子在加速电场作用下进入四极杆质量分析器。四极杆质量分析器是由四根圆的金属棒组成，金属棒上还加载有射频电压，从而在空间区域建立一个随时间变化的电场。这个电场中的离子运动方程满足数学上的马修方程，从而可以实现质量分析。不同质量的离子，按质荷比m/z大小在质量分析器中被分离。分离后的离子进入离子检测器，经计算机处理，输出成质谱图。

　　有了质谱图，就可以推断出每一种药物的成分。

　　药物研究背后的质谱仪器

　　中药是中华民族传统国药，也承载着浩瀚的中华古代文化。

　　古代中药依靠的是“神农尝百草”的方法进行研发，因为当时没有质谱仪器。很多中药直接拿草根或者树皮作为原料，也有的中药使用蟋蟀或者蜈蚣等生物入药。这些中药里面固然包含了对疾病治疗有效的成分。但从分子生物学的角度来看，中药与西药不同，中药并不是单纯的化学药或者生物药，中药里面的分子繁多，可能不同的分子有上百万种，作为药物来说，其有效成分与无效成分并存，甚至有些成分还有毒副作用。因此，要科学地阐明中药发挥药效作用的物质基础和作用机理，才能揭示中药的科学内涵，这也是推动中药现代化和创新药物研究的必经途径。

　　而要做到这一点，必须要依靠现代的科学仪器，其中质谱仪器就是一种很精密的科学仪器。

　　对于中药来说，必须依靠质谱仪器才有可能完成多成分甚至是全成分分析，找出它的药效成分。

　　在过去一般使用液相色谱仪器来做中药分析，但近年已经开始使用液相色谱与质谱仪器一起来完成中药分析。液相色谱与质谱仪器最大区别在于检测器的不同，液相色谱更多采用UV紫外光检测，这对不能被紫外光吸收的中药分子成分不具备检测功能。而液质联用系统中的质谱仪能够对所有中药化合物分子进行定性分析，从而检测出中药中的全部成分分子。

　　除了中药研究，质谱仪在西药研究中也有巨大的帮助。

　　比如有一种抗癌药叫做顺铂，它是一种广谱的抗癌药，对很多癌症有治疗作用，因此具有非常广阔的市场。顺铂作为一种化学小分子药，它可以在癌细胞内作用于DNA，抑制癌细胞增殖。

　　那么，如何才可以研究顺铂在人体内的代谢过程呢？作为一种化学小分子，其实顺铂的分子里面含有铂。铂是一种金属，研究人员可以用质谱仪器测量铂在血液或者人体组织内的分布，从而观测到它在人体内的代谢情况，这就是基本的药物代谢动力学研究。这可以帮助我们更好地理解药物在人体中产生的作用。

　　而要检测像铂这样的金属元素，一般需要用到电感耦合等离子体质谱仪。

　　中国的质谱仪器产业

　　质谱仪对药物研究如此关键，那么现在的产业情况是怎么样的呢？

　　美国的PE公司、安捷伦公司与热电公司等都以生产各种类型的质谱仪器著称于世。日本的岛津制作所也生产质谱仪器。这些来自外国的质谱仪器也遍布了中国的大小药厂和实验室。这些进口的质谱仪，价格都十分昂贵，动辄需要上百万人民币才能买一台。近年来，我国每年购买国外科学仪器设备的花费在400亿元以上。

　　所以，在尖端科学仪器领域，其实也是由国际巨头把持着中国的市场，这也像芯片一样，也可能成为中国被“卡脖子”的一个领域。

　　中国作为一个发展中的新兴大国，一直重视科学技术的核心竞争力的培育。科学仪器实际上是科研的基础，它不但在药物研究中有基础性作用，而且在整个科学研究领域也处于基础地位。因为科学研究本质上都是实验学科，而实验必须依靠仪器。所以，近年来，国家实施了“重大科学仪器开发专项”，积极支持本土企业研发高端科学仪器，质谱仪也是国家重点支持的一个领域。2011年起科技部支持的质谱相关项目共有14项，专项资金投入和企业配套之和达8亿元。

　　目前，在中国的质谱仪器领域，已经涌现出不少国产的仪器厂商。这些厂商励精图治，奋发向前，已经开始与国际一流厂家同台竞技。

　　中国在2006年左右开始商品化质谱仪器的厂家有北京东西分析仪器与北京普析通用仪器等，稍晚则有杭州聚光与江苏天瑞等仪器公司——这两家公司是在A股市场上市的企业。

　　这些企业生产的质谱仪器已经开始进入市场。

　　具体来说，2006年北京东西分析仪器有限公司推出了商品化GC-MS 3100色谱-质谱联用仪，2009年北京普析通用仪器有限公司推出了M6单四级杆质谱仪。随后广州禾信分析仪器有限公司推出的HXTOF50、SPAMS05系列的质谱仪器等。目前，广州禾信的质谱年销售额已经超过1亿元，这在国外质谱仪强敌环伺的环境下取得如此成绩已经难能可贵。

　　这些企业的崛起，说明我国已经从单一的买质谱走上了自主研发与商品化质谱的道路。

　　对于中国人做自己的质谱仪，清华大学化学系的张新荣教授就这样评价：“其实我们每个人都有一个强国梦，质谱人也都有一个将质谱发扬光大的强国梦。过去受国际经济条件、课题条件等的限制。但如今，国家快速发展，我们有了这样一个实现理想的机会，当然应该不遗余力的发展质谱新事业。质谱仪器研制工作一定要受到足够的重视，我们不能永远受制于国外的仪器技术。”

　　因此，在目前的时代背景下，新药研发离不开质谱仪器，中国应加大在这一领域的研发投入。在中美贸易摩擦不断反复的大背景下，万一质谱仪器与芯片一样成为限制中国崛起的武器也不是不可能的。中国应该做好准备，有备无患。

　　文/轩中

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