基于专利分析的质谱仪质量分析器现状和趋势研究

梁琴琴++赵志耘++赵蕴华++李志荣

〔摘要〕以质谱仪核心部件质量分析器为主要研究对象，基于德温特专利数据库中收录的质谱仪质量分析器相关专利数据，从历年趋势、重点研究国家、技术构成以及主要研究机构等方面，对全球范围内基于质量分析器为主要创新点的质谱仪的发展情况进行了分析。结果表明，目前研究较多的为四极杆和飞行时间质量分析器，技术创新主要集中在美日等国，我国在该领域的研究仍处于起始阶段，国家政策的有力支持和企业创新能力的提高是我国质谱仪产业发展的主要推动力。

〔关键词〕专利分析；质量分析器；质谱仪；创新趋势

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.08.013

〔中图分类号〕G25553〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2015）08-0061-05

科学仪器是推动科学技术自主创新和科研发展的重要支撑，对重大科学仪器设备相关技术尤其是核心部件的技术创新趋势进行研究，能够提升我国在重大科学仪器领域的自主创新能力和产业国际竞争力。质谱仪是非常重要且应用广泛的分析科学仪器，在生命科学、材料科学、食品安全、环境监测、医疗卫生、国家安全以及国际反恐等领域具有不可替代的作用和举足轻重的地位，其应用水平在一定程度上体现了一个国家的仪器分析技术水平[1-7]。因此，对质谱仪及其核心部件的技术创新情况进行研究具有重要的实践意义。

质谱仪主要由分析系统、电学系统和真空系统组成，分析系统是核心部分，包含进样器、离子源、质量分析器和检测器。其中，质量分析器的作用是将来自离子源的粒子束中不同质荷比的离子按空间位置、时间先后或运动轨道稳定与否等形式进行分离[4-5]。由此可以看出，质量分析器的性能会直接影响质谱仪的分辨率和灵敏度，因此，质量分析器的研究是目前全球范围内质谱仪技术创新的关键所在。因此，对质谱仪不同类型质量分析器的技术创新趋势的研究对推动我国质谱仪产业的自主创新具有重要的指导意义。

1相关研究

专利信息反映了最新的科技发明、创造和设计，通过对专利文献信息进行加工剖析以及可视化解读，可以揭示蕴含在专利数据中的丰富多样和错综复杂的信息[8]。目前只有部分学者从专利的角度对质谱仪整体的发展情况进行研究。刘丹[9]对全球及中国市场质谱产业整体的专利情况进行了研究，包括发展趋势、不同国家专利申请情况、研究机构分布等。张志娟等[10]同样是对质谱产业整体的专利情况进行研究，通过技术生命周期的分析，得出质谱仪技术将步入第三阶段技术成熟期。此外，张志娟等[11]还对中、日、美三国在质谱仪技术领域的专利情况进行比较研究。马永涛对质谱仪的离子源技术领域的核心专利的识别进行了重点研究[12]。对于质谱仪产业来说，产业整体的专利信息分析固然重要，但针对核心部件的专利信息分析则是质谱仪技术突破的关键。目前国内尚无通过专利角度对质量分析器的技术创新情况进行研究的相关报道。因此，本文以质谱仪核心部件质量分析器为主要研究对象，从专利文献的角度出发进行研究，以把握当前质量分析器的技术创新态势，从而为我国质谱仪研究机构提供事实依据，推动我国质谱仪的自主创新能力。

2015年8月第35卷第8期现？代？情？报Journal of Modern InformationAug，2015Vol35No82015年8月第35卷第8期基于专利分析的质谱仪质量分析器现状和趋势研究Aug，2015Vol35No82数据来源与分析方法

本文以美国科学情报研究所（ISI）的Derwent Innovation Index（DII）数据库为数据来源，利用主题词检索的方法，对全球34个国家、地区和世界知识产权组织公布的质谱仪质量分析器相关专利进行了检索，检索日期是2013年10月21日，检索时间段为1963-2013年，共检索到4 056件专利。检索策略为：TS=（（quadrupole AND（mass and（filter OR analy）））OR QMF OR QMA OR（quadrupole AND（mass spectrometer OR MS）））OR（time-of-flight AND（（mass AND（filter OR analy））OR mass spectrometer OR MS）OR TOF-MS）OR（（ion-trap OR iontrap）AND（（mass AND（filter OR analy））OR mass spectrometer OR MS）OR ITMS）OR（sector AND（（mass AND（filter OR analy））OR mass spectrometer））OR（（orbitrap OR orbit-trap）AND（（mass AND（filter OR analy））OR mass spectrometer OR MS））OR（（fourier-transform OR ion cyclotron resonance）AND（mass spectrometer OR（mass AND（filter OR analy））OR MS）OR FT-ICR-MS）

由于专利从申请到公开一般需要18个月的时间，因此2012-2013年的数据仅供参考。所下载的专利数据，依照质谱仪领域专家的建议，进行了人工分类标引、清洗。利用Thomson Data Analyzer（TDA）分析软件对数据进行了清洗、数据挖掘和可视化分析。

3结果与讨论

以下将针对质量分析器的年度分布、国家分布、类型分布以及研究机构分布等方面展开分析。

31整体发展趋势分析

质谱仪质量分析器相关专利申请起始于20世纪70年代，起初发展较为缓慢，进入20世纪90年代后有所加速，具体的发展趋势见图1。以每年申请的专利数量为划分依据，可以将该技术的发展划分为以下几个阶段：endprint

1974-1984年为萌芽期，这一时期的主要研究机构是德国布鲁克公司，研究的重点是四极杆质量分析器，此外对飞行时间分析器、离子阱分析器等也开始了初步研究。

1985-2000年为缓慢上升期，由于四极杆分析器研究的不断深入以及广泛的应用需求，在这一阶段的前期（1985-1995年）研究的重点依然围绕四极杆分析器进行，且实现了四极杆质谱仪由基础研究阶段向商业生产阶段的过度，在这一阶段的后期（1996-2000年），由于加工工艺的改进和分辨率的提高，飞行时间分析器的研究逐渐成为热点。

2001-2006年进入快速发展期，由于技术瓶颈不断突破，这一时期发展最为迅速的当属飞行时间分析器，此外，离子阱分析器的研究也在这一时期超越四极杆成为仅次于飞行时间分析器的另一研究重点。

2006年以后进入相对稳定发展的状态，这一时期各类型分析器的基础研究已经进入相对成熟的阶段，技术的商业化成为主要的发展方向。

32国家/地区分布分析

主要国家在质量分析器领域专利申请情况如图2、图3所示，申请数量排名前五位的国家分别为：美国、日本、英国、德国和中国。

美国属于该技术领域的传统强国，申请的质量分析器专利量居世界首位，占到总量的422%。起始研发时间早，萌芽期较短，拥有众多实力较强的研发型企业，如赛默飞世公司、安捷伦技术有限公司、DH技术发展中心和美迪生公司等。

日本的专利数量次于美国在总体排名中位居第二，占到全球专利总量的234%。从时间分布来看，探索期较长，

一直延续至1992年，1993年开始缓慢增加。此外，与美国不同的是，日本的专利主要掌握在少数大型仪器公司手中，如岛津和日立，这两家企业的专利数量分别占日本在该领域总专利量的344%和260%。

英国、德国、中国和加拿大的专利数量处于200～500件这一区间，相差较小。其中，英国和德国的发展趋势较为相似，且专利主要来自于国内行业的领头企业，如英国质谱公司和德国布鲁克公司。中国的起始研究时间最晚，在2000年以前只有零星的专利申请，从2005年开始才呈现上升趋势。图3质量分析器专利申请数量排在前五位的国家专利申请逐年变化情况

33技术分布分析

根据所能测定的质荷比的范围（质量范围）和分辨率的不同，质量分析器主要分为四极杆（Q）、飞行时间（TOF）、离子阱（IT）、静电磁扇区（Sector）、静电场轨道阱（Orbitrap）和傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）等。将所下载的专利按分析器类型的不同进行分组，得到每种分析器的专利数量及各自的发展趋势（图4）。图4不同类型质量分析器的专利申请数量及逐年变化情况

可以看出，飞行时间分析器的专利量占专利总量的35%，排在首位。其首件专利申请于1977年，起初由于分辨能力较低，且成本较高，难以得到推广应用，因此，虽然从未停止过相关研究，但在此后的20年中一直处于低谷期，分辨率难以提高。1998年，AFDodonov等[13]设计了一台垂直引入反射式飞行时间质谱仪，其质量分辨率达到20 000以上，该技术的出现使得飞行时间分析器的研究进入前所未有的快速发展阶段，因此，从1997年开始，飞行时间分析器专利数量超越四极杆，并至今保持领先状态。

四极杆分析器具有结构简单、纯电场作用、无须涉及磁场等优点，因此是研究最早、目前最成熟、应用最广泛的质量分析器，其专利数量占专利总量的27%。该分析器研究的探索期较短，从20世纪80年代初开始进入发展的繁荣时期，作为质量分析器的研究重点持续了近二十年时间，但随着应用领域对质谱仪分辨率和质量上限的要求不断提高，研究者将研究的重点逐步转向飞行时间分析器和离子阱分析器。

离子阱分析器是在四极杆分析器的基础上发展起来的，其主要目的是弥补四极杆分析器质量范围小、灵敏度低的缺点。该技术的首件专利申请于1980年，在2000年以前该分析器的研究热度不及四极杆，但在2000年以后，由于高分子化学及生物化学领域研究的需要，离子阱显示出较四极杆更大的优势，超越四极杆成为研究的热点，目前该分析器的研究正往小型化方向发展。

傅里叶变换离子回旋共振分析器和静电磁扇区分析器的发展历程较为接近。虽然起始研究时间较早，但探索期非常长，直到2000年左右才有所发展，2000年以后，傅里叶变换离子回旋共振分析器的发展速度快于静电磁扇区分析器，但均小于前述3种分析器。静电场轨道阱分析器的起始研究时间最晚，目前还处于探索阶段。

34研究机构分析

341研究机构排名

表1列出了质量分析器专利申请量排名前十位的企业，以及各自的专利数量、所属国家和专利部署区域。从所属国家来看，来自美国的有5家企业，来自日本的有3家企业，此外，还分别有1家德国企业和1家英国企业，这一情况表明，质谱仪质量分析器的研究主要集中在美国和日本。

具体来看，专利数量排在首位的是来自日本的岛津公司，该公司除在本国日本申请专利外，还在另一个主要研发国家美国部署了大量专利，此外还通过PCT途径在主要的市场欧洲，以及潜在的市场中国部署了相关专利。专利数量排在第二位的日立公司同样来自日本，其专利部署的区域除涵盖岛津公司所有专利部署区域外，还重点在欧洲的德国、英国和法国等国家申请了专利。

专利数量处于100～200件这一区间的专利权人有5位，其中有两位来自美国，分别是排在第三名的赛默飞世公司和排在第七名的安捷伦技术有限公司，这两家企业均在美国、日本、欧专局和中国等地申请了一定数量的专利，区别在于赛默飞世公司在欧洲重点部署专利的国家仅为英国，而安捷伦技术有限公司为英国和德国。来自英国的英国质谱公司拥有182件专利排名第四，该公司专利部署的重点区域在欧洲和美洲，亚洲地区只在中国部署了专利，而在亚洲的研发重地日本却未部署相关专利。来自德国的质谱仪器制造商布鲁克公司位列第五，该公司目前未在亚洲地区就质量分析器技术进行任何相关专利申请，无论是研发重地日本，还是潜在市场中国。日本电子株式会社位于布鲁克公司之后，该公司目前也未在中国部署质量分析器相关专利。endprint

排在第八至第十位的企业均来自美国，依次为DH技术发展中心、美迪生公司和AOB公司，专利数量均在50～100件区间内，其中，美迪生公司和AOB公司目前均未在中国部署质量分析器相关专利。

从以上分析可以看出，日本作为质谱仪研发的主要国家，其质谱仪相关技术主要掌握在少数企业手中，且这些企业均采用扩张型的专利部署策略，在主要的研发国家（如美国）以及主要的应用市场（如欧洲、中国）均部署了专利。美国作为另一个重要的研究国家，在质谱领域进行研究的企业较多，且多数企业目前未在中国部署专利。欧洲地区是质谱仪主要的应用市场，但研发机构较美国和日本少。中国是潜在的新兴的应用市场，但研发实力较弱。

4结论

本文以专利数据为基础，对全球范围内质谱仪核心部件质量分析器的历年发展趋势、不同国家研究情况、技术分布情况以及主要的研究机构进行了系统的研究。就整体发展趋势来看，先后经历了萌芽期、缓慢发展期、快速发展期，目前已进入成熟发展期。从国家分布来看，该技术领域的研究主要集中在美国和日本。从不同类型质量分析器的研究情况来看，针对飞行时间分析器的研究最多，但对四极杆分析器的研究最早，目前研究最多的分析器为飞行时间分析器，其次为离子阱，四极杆分析器的研究已进入成熟阶段。从研究机构来看，主要集中在美国和日本，日本岛津、日立公司，美国赛默、安捷伦公司等都是实力强劲的质谱仪研发和生产商，此外，德国布鲁克和英国质谱公司是欧洲最具代表性的质谱企业。

通过分析还可知，中国在专利数量上虽然远不及美国和日本，但与英国和德国却较为接近，然而从时间分布来看，中国在该领域的起始研究时间较晚，大部分专利是在2000年后申请的，且目前并未出现类型布鲁克公司和英国质谱公司这类型的大型质谱研发和生产企业。因此，中国的质谱仪研发仍处于起始阶段，虽然研究者参与度较高，但还未出现领头羊类型的质谱企业，而要实现这一目标，首先要从国家层面予以高度重视，出台相关的政策予以支持，其次对企业来说，除不断提高自身的技术创新能力外，还应合理借用外力，重点研究主要专利权人的相关专利，在已有技术成果的基础上进行创新研究，或通过转让、许可等途径直接获取已有技术方案，加速我国质谱仪产业的发展进程。

参考文献

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（本文责任编辑：郭沫含）endprint