液相色谱的最新趋势与发展

说明：本文译自LCGC，Volume18，Issue07，2022。来自赛默飞、岛津、沃特世、艾万拓公司的四位色质谱专家结合各自公司的情况，畅聊液相色谱（LC）/液质联用（LC-MS）技术的主要趋势和进展：

1. 您认为 LC 或 LC-MS 近几年出现了哪些变化趋势?

2. LC或LC–MS的未来会怎么样?

3. 您认为成长最快的LC或LC-MS的应用领域是什么？

4. 阻碍 LC 或 LC-MS 发展的障碍是什么？

5. 2021/2022年里，LC或LC-MS的最大成就或新闻是什么？

Q1：您认为LC或LC-MS近几年出现了哪些变化趋势? 

赛默飞专家

近年来，在病毒研究、疫苗开发、大规模转化研究、精准医学和单细胞分析等领域，对多样化和复杂样本的分离和分析的需求不断增加。这些都极大扩展了不同类型的液相色谱和色谱柱的使用范围。

阴离子交换柱、阳离子交换柱、超大孔柱、微柱阵列柱和亲水作用色谱（HILIC）柱等一系列技术被用于对寡核苷酸、完整蛋白质、肽、聚糖和脂质等的高效分离。

此外，随着对不常见和复杂分析物的日益关注，这加速了质谱（MS）在质量控制中的应用，例如用于生物治疗的多质量属性方法（MAM）。

注：MAM的概念最早源于Amgen公司的MSinQC项目，旨在通过建立基于质谱的一种自动化分析方法，即可实现在整个开发和制造过程中，同时对治疗分子的多种产品质量属性进行并行监控和深入分析，以符合监管机构推荐的质量源于设计（QbD）的理念。

带电气溶胶检测（CAD）在疫苗辅料的质量控制中也成为热门。

超低纳升流量与高分辨率精确质量(HRAM)质谱仪联用，为单细胞蛋白质组学打开了大门，而这在几年前几乎是不可能的。

标准化的微升流速LC-MS工作流将高灵敏度和高稳定性结合在一起，可以快速鉴别生物体液，为分析数以千计的样品做好准备。

岛津专家

除了对小型化、灵活性和更快结果的普遍渴望，以及对简洁和自动化的需求之外，还有朝着更加用户友好的数据处理解决方案发展的趋势。

以上特点如果再结合仪器智能化，即支持预防性维护、减少系统宕机时间，同时让非仪器专家用户易于操作，从而让液相技术走进更多缺乏相关经验的科学家的实验室，任何人无需过度培训就可以获得有意义的、可靠数据。

随着疫情大流行给工作环境带来的变化，远程工作，即能够从任何地方控制仪器、访问数据的可能性也成为迫切的需要。

并且，随着环保意识的提高和能源成本的上升，制造商当然要在任何新发展的各个方面考虑可持续性和更环保的解决方案。

沃特世专家

LC-MS对于不同的人而言，意味着不同的工具。对于科研人员，它是检测假设的手段；对于一家制药企业，它是检测产品属性的工具；对于一位临床医生，它是一个“封闭”的诊断系统。

我们看到，越来越多地这些客户群要求提供更符合他们个人需求的产品。

对于接受过LC-MS培训并熟悉系统复杂性的研究科学家而言，他们的要求也许是可互换的离子源、对碎裂方法和模式的精确控制、软件选项的极大灵活性以及软件功能快速的增强迭代。对他们来说，技术创新仍然位居需求榜首。

一名制药公司或定制研发生产机构（CDMO）的实验室经理更优先考虑仪器的可维护性、总体拥有成本、可靠性以及与现有良好实验室规范（GxP）兼容的工作流的整合。

最大的潜在市场之一，临床诊断，则要求仪器系统具有“容错性”，并提供可重复的结果和如同消费电子产品那般的易用性。

将焦点拉回来一点，作为仪器制造商，我们看到所有客户群都要求仪器系统与他们自己的数据系统之间的互操作要有安全保障。

再就软件而言，由于分析工作者对远程工作的期望发生变化，这使供应商有机会通过添加和改进针对远程使用的选项来差异化他们的产品，这也是向基于云技术的信息学过渡的原因之一。

艾万拓专家

工业可持续发展时间表日益成为新产品和新方法决策背后的推动力。减少溶剂消耗的目标增加了人们对减小色谱柱内径以提高效率的兴趣，同时，鼓励开发使用更短色谱柱长度以减少每个样品运行时间的方法。

此外，反相色谱严重依赖乙腈和甲醇流动相，这意味着在流动相方面的创新已被提上日程。因此，人们对超临界流体色谱（SFC）等更环保的技术重新产生了兴趣。而对替代解决方案的研究，例如在较高温度下使用纯水性流动相，也让人们略窥LC方法将可能如何改进以适应未来。

再者，蛋白质组学和代谢组学等领域的重点是开发用于非常复杂的样品分析的方法。这种高分辨率的“指纹”型样品鉴定方法现在引起了食品分析等行业的更多兴趣。在这些行业中，针对产品完整性、真实性测试等任务，越来越多地采用LC-MS来进行复杂样品分析。

Q2：LC或LC–MS的未来会怎么样? 

赛默飞专家

液相色谱应该成为一种多功能工具，以做到几乎可以解决任何分析挑战，通过结合先进的质谱和紫外可见光谱技术解决从小分子分析到大蛋白质和蛋白质复合物的分离。

随着人工智能/机器学习（AI/ML）被投入应用，以及通过所有样品处理步骤的自动化，从而构建互联的实验室基础设施，这些将使LC和LC-MS更加强大、可预测和更易于使用。

LC的一个分析周期将缩短至几分钟，因此该技术将使大规模的制药和医学研究项目成为可能，这些项目需要数千个样本进行可靠的统计分析。

岛津专家

从样品注册和预处理到分析、数据处理和报告，对自动化工作流日益增长的需求将推动未来的发展。

这不仅仅是由于合格人员的缺乏或人力资源成本的高昂，还出于对数据完整性和对整个过程完全控制的要求，以达到努力消除每一步人为错误风险的目的。

沃特世专家

许多科学基金资助机构的基本评判标准是可持续性——不仅在能源使用方面，也包括组件的可回收性以及在使用的各个方面所产生的环境成本，即从包装材料和递送间接费用到最大限度地减少溶剂和其他消耗品的使用。

其他机构和行业将会很快效仿，将这些考虑明确规定为没什么可商量的采购标准。

除了近期的挑战，只对以下问题的答案感兴趣的未来LC-MS用户，诸如：“这种物质是什么？”和“它的含量是多少？”，将得益于用户体验研究和工程的进步，更重要的是，那些为精确定义的目的而设计的系统，也许在将来的一天，可以使这些用户完全意识不到他们的设备里有LC-MS在运行。

艾万拓专家

各行各业对基于现场分析的需求日益增加，意味着多年来，技术的小型化一直是一种趋势。

质谱技术可用性的提高和成本的降低，正在支持该领域色谱的发展及对其的兴趣，从而也在新的环境中为改进实时监测提供了机会。

这也推动了色谱柱技术的创新，因为制造商们在寻找经典色谱柱样式的替代品，后者的设计正在受到不断发展的微流控领域的影响，与基于硅胶珠填充到色谱柱中的传统形式相比，这种制造方法可以产生重复性更高的技术。

Q3：您认为成长最快的LC或LC-MS的应用领域是什么？ 

赛默飞专家

随着LC和LC-MS在分析复杂生物样品方面变得更加高效、灵敏和可靠，转化研究和精准医学领域呈现出最快的增长。

投资和先进的LC和LC-MS硬件和软件背后的源动力，来自于通过早期疾病检测、高效治疗和实时患者康复监测而改变我们日常生活的承诺。

另一个多年来一直是热门话题的领域是生物治疗药物的自动化和深度质量控制。大型生物制药公司在受监管的环境中采用多质量属性方法（MAM）工作流的趋势发展很快。

岛津专家

一段时间以来，制药公司的重点已经转移到新型生物药物上。并且，由于COVID-19疫苗的竞争以及为此目的出现的新型mRNA技术，这种转移得到了额外的推动。

因此，近年来，我们看到对用于分析和/或纯化生物药物（如完整蛋白质、寡核苷酸、抗体-药物偶联物或单克隆抗体）的系统解决方案的需求不断增加。

沃特世专家

随着LC-MS继续向全行业的方向发展，来自环境污染物水平（如PFAS或食品安全检测）监测的应用将继续激增。

注：PFAS的英文全称是per/polyfluoroalkyl substances，即全氟烷基和多氟烷基化合物。

过去几年，由于显而易见的原因，针对生物制药研究、开发和生产而采用液相系统的速度已在加快；然而，最大的无与伦比的挑战仍然是互作组学的有效表征及其对人类健康和福祉的影响。

艾万拓专家

随着对某些污染物的生物毒性和寿命的了解不断加深，对药物、环境和食品分析而言，新兴污染物作为一个应用领域的重要性日益增加。

由于其中一些物质吸引了媒体的关注，因此而导致的消费者意识的提高也使该领域的知名度不断提高。

最近的例子包括导致某些药物被大规模召回的亚硝胺；还有PFAS，围绕这类化合物，相关法规在不断发展完善。

为了在这些不断变化的情况下为科学家提供支持，制造商希望针对可行的领域，提供定制化应用解决方案。

在临床背景下，滥用药物是一个不断发展的领域，科学家们正在调整他们的方法以识别新药物和治疗目的。

为了优化检测效率，终端用户们期待色谱柱生产商能够提供越来越多的高通量解决方案。

Q4：阻碍LC或LC-MS发展的障碍是什么？ 

赛默飞专家

对LC和LC-MS仪器的三个关键要求不会随着时间而改变：稳健性、性能和易用性。最重要的是，还有结合高通量和高灵敏度的应用要求。

在忽视色谱的重要性几年后，我们发现人们对更高效的固定相和独特的色谱选择性越来越感兴趣，这些在蛋白质组学、代谢组学和脂质组学等许多研究领域以及食品和制药的常规质量控制中都需要。

LC的改进侧重于精确进样、更快的分析周期、先进的残留物去除，和以适应不同工作流为目的的流量范围多样性方面的提升。

其中的关键因素是要消除针对“最先进的”LC-MS平台在设置、操作和维护等方面的障碍，为此，在建立可靠、无泄漏的连接和LC电喷雾电离（ESI）-质谱整合等方面，相关厂家已经进行了大量的工作。

岛津专家

在我看来，创新和实施新发展的最大障碍是害怕改变和不愿改变现状。

制造商坚持不懈地努力构建“理想”的解决方案，并用先进的新设备来应对客户的挑战；然而，从新的开发到成熟的技术并最终成为常规使用工具的道路是漫长而曲折的。

您只需看一下从高效液相色谱（HPLC）到超高压液相色谱（UHPLC）的转变就会发现，这不仅意味着设备的改变，还意味着对用户的教育、方法开发或转移、方法验证以及与之相关的成本。

直到今天，对于许多领域而言，UHPLC也许能成为“游戏规则的改变者”，但其依然还未在那些地方得到应用。

而且，如果一项新技术不能马上取得成效或出现一些“初期问题”，它可能永远不会有第二次机会，因为对一个产品投资的前提是要让投资者对它有信心。

沃特世专家

作为一种技术，LC-MS与其他复杂的分析仪器或任何其他复杂的制造系统一样，受益于相同的机会，同时，也受到相同的限制。

正因为如此，全球惰性气体、特种电子元件和原材料供应的周期性短缺可能会以意想不到的方式推动工程和生产方面的创新。

如果可以克服这些挑战，并且摩尔定律依然成立，那么，电子学的进步将使飞行时间质谱仪（不受离子捕获装置的电荷容量限制）重新成为分析那些最复杂的生物样品的首选技术。

对于更常规的应用，质谱技术将会不显山不露水地在幕后提供数据，就像我们现在在手持设备上接收常规视频通话或利用面部/指纹识别以激活智能手机一样。

艾万拓专家

在生物制药生产领域，相较于应用在质量控制（QC）方面的技术，在研究实验室和方法开发实验室常用的技术之间仍然存在着差异。

目前，早期阶段使用的技术通常比后期阶段更先进，因为监管和设备升级的相关成本削弱了朝这个方向发展的动力。

这意味着大量的色谱用户不一定具有更先进技术的经验，从而导致相对于普通用户的经验水平而言，许多可获得的技术往往过于先进，这类似于很多快节奏行业。

为了解决这个问题，制造商正在开发更易于使用的选项，提供“黑匣子”解决方案，以便使用户在技术的升级换代方面更加简单。

令人鼓舞的是，我们还看到，在基层，对色谱的认知仍在不断加深，它的优势正在被应用到越来越多的领域，而在这些领域，以前是其他分析技术占主导地位的。

Q5：2021/2022年里，LC或LC-MS的最大成就或新闻是什么？ 

赛默飞专家

2021年，在LC-MS的应用方面，涵盖纳流、毛细管和微流LC-MS的低流量分析成为主流。在过去一、二年里，它从仪器研发实验室走向初创企业和核心服务行业，为药物发现和临床研究提供先进的分析服务。

由于LC-MS应用的标准化，特别是在蛋白质组学方面的标准化，以及LC硬件的可靠性提高，使得这一重大飞跃成为可能。

低流量LC-MS的表现超出了预期，使专家和新手用户每次都能获得高质量、具有生物学意义的结果。

岛津专家

我个人欢迎向更加“环保”的行业发展的趋势，我已经看到朝着该目标所做的努力。制造商采纳联合国开发计划署（UNDPs）的可持续发展目标，在开发和生产的各个阶段，减少碳足迹并节约能源，以降低对环境的影响。

生态标签现在是客户识别公司是否具有环保意识的一种手段，希望在购买决策中这一点能够发挥作用。

沃特世专家

离子迁移谱（IMS）（一种快速气相正交分离）等技术提供了对大生物分子的结构进行洞察的能力，并提供了额外的分离维度，以帮助消除复杂样品谱线的拥挤重叠。

这提高了特异性和选择性，从而有助于显著提高分析峰容量。如果要比较LC-MS系统的分析能力的话，这种技术可以被当作是一个公分母。我们已经看到许多公司将IMS整合到商品化系统中以增强峰容量。

再加上努力推动飞行时间检测技术性能的提升，人们可以设想在不久的将来，高分辨率和高质量精度的质谱与生物惰性LC相结合，将改变对复杂生物分子体系分析的游戏规则。

我们看到，随着新治疗方式的进步和对基因疗法的更广泛接受，电荷检测质谱等新技术将在这些新药物的表征中发挥作用。

艾万拓专家

在过去的几年里，基于mRNA的疫苗的开发及其与COVID-19相关的大规模生产有效地证明了在开发过程的所有阶段都需要色谱法，包括研发、原材料分析、和最终产品的表征。

这导致人们更加关注在生物制药和制药行业中，将分析色谱作为过程分析技术（PAT）系统的一部分使用。该系统长期以来一直由诸如傅里叶变换红外（FT-IR）、拉曼和紫外等光谱技术主导，作为承担在线和在位分析的诊断工具。