色谱分析从二十世纪初发明以来，经历了整整一个世纪的发展，到今天已经成为最重要的分离分析方法，广泛地应用于许多领域，如石油化工、有机合成、生命科学、药品及临床、环境保护，乃至空间探索等。色谱分析具有分离效率高、灵敏度高、分析速度快、高选择性等特点，色谱质谱联用也是物质分离鉴定的常用手段。一个完整的色谱分析过程离不开色谱仪器、色谱柱和色谱填料，本文将逐一进行阐述。
色谱法或色谱分析（Chromatography）也称为层析法，是一种物理化学分析方法，它利用混合物中各物质在两相（即固定相和流动相）中溶解、解吸、吸附等作用力的差异，将混合物中的各组分分离。
当混合物在两相之间做相对运动时，混合物中各组分反复多次受到各作用力的作用而互相分离，从而达到分离分析及测定一些物理化学常数的目的。两相是实现色谱分离的关键，固定相主要用于留住组分，流动相主要用于将组分带入检测器。
按流动相和固定相的状态不同，可以分为气相色谱和液相色谱。其中气相色谱可分为气固色谱和气液色谱，前者是以气体为流动相，以固体为固定相；后者是以气体为流动相，以液体为固定相。液相色谱可分为液固色谱和液液色谱，前者是以液体作流动相，以固体作固定相；后者是以一种液体作流动相，以另一种液体作固定相。
按应用领域的不同，可以分为分析色谱和制备色谱。分析色谱主要用于各类样品的分析，特点是色谱柱较细，分析样品量较少。制备色谱又可分为实验室用的半制备色谱和工业用大型制备色谱，制备色谱可以完成一般分离方法难以完成的纯物质制备工作，如纯化学试剂的制备、蛋白质的纯化等。
色谱技术主要有两大应用方向，用于工业分离纯化时被称为制备色谱，用于实验室分析检测时被称为分析色谱。
制备色谱的应用包括医药、食品及环保等领域，医药（特别是生物医药）是主要应用市场。分析色谱则广泛应用于药品质量分析、食品安全检测、环境监测、石油化工产品杂质控制、化学和生命科学研究用分离分析等。
其中，制备色谱客户相对集中，单个客户采购量大；分析色谱由于应用范围广、客户数量远大于制备色谱，但单个客户的采购量少。
液相色谱（Liquid Chromatograph，LC）用于分析液体样品，经典液相色谱的流动相是依靠重力缓慢地流过色谱柱，固定相的粒度在100~150μm，分离效率低、分析速度慢，操作复杂。1960s 发展出粒度小于10μm的高效固定相，并使用高压输液泵，克服了经典液相色谱的缺点，发展成高效液相色谱（HPLC），也称为高压液相色谱、高效液相色谱。
从构造上看，高效液相色谱系统主要由流动相储液瓶、高压输液泵、进样系统、色谱柱、检测器和记录仪组成。高效液相色谱的输液泵要求输液量恒定平稳，且由于液体流动相黏度远远高于气体，为了减低柱压，高效液相色谱的色谱柱一般比较粗，长度也远小于气相色谱柱。
数据来源：《Agilent-液相色谱仪基本知识》，融汇器械团队整理
高压输液系统一般由贮液器、高压输液泵、过滤器、压力脉动阻尼器等组成，其中高压输液泵是高效液相色谱仪的核心部件。
高效液相色谱使用的固定相颗粒极细，对流动相阻力很大，很难较快流动，因此需要高压输液泵提供动力，以便流动相被连续不断地送入色谱柱。
-
-
有足够的输出压力（达到40~50MPa），使流动相能顺利通过色谱柱；
-
-
输出流量恒定，可调范围宽，流量精度在1%~2%之间；
-
泵室体积小（<0.5ml），易于清洗，便于迅速更换溶剂。
数据来源：《色谱分析理论》，《高效液相色谱》，融汇器械团队整理
色谱系统的核心是色谱柱及填充色谱柱的色谱填料，两者被誉为色谱“芯”。色谱柱由柱管、压帽、卡套（密封环）、筛板（滤片）、接头、螺丝等组成。柱管多用由耐高压、耐腐蚀的不锈钢制成，压力不高于70kg/c㎡ 时，也可采用厚壁玻璃或石英管，管内壁要求有很高的光洁度。为提高柱效，减小管壁效应，不锈钢柱内壁多经过抛光，对生产工艺有严苛的要求。
按照分离规模的不同，高效液相色谱柱可分为分析柱、半制备柱和制备柱。用于工业分离纯化的色谱柱被称为制备柱，用于实验室小规模分离纯化样品的色谱柱被称为半制备柱，用于实验室分析检测的色谱柱被称为分析柱。
液相色谱的检测器可以分为通用型和专用型（选择性）。通用型检测器测量的是任何液体都共有的物理量，应用范围广。对溶剂本身有响应，易受温度变化、流量波动等因素的影响，噪声和漂移较大，灵敏度较低，不适于痕量分析。专用型检测器仅对被分离组分的物理或物理化学特性有选择性响应，对流动相本身没有响应或响应很小，受外界影响小，灵敏度高。
常用的液相色谱检测器包括：紫外可见分光光度检测器、荧光检测器、二极管阵列检测器、示差折光检测器、蒸发激光光散射检测器和电化学检测器等。
色谱及其联用技术的日益普及是市场保持连续增长的主要驱动力，全球色谱仪市场规模不断增加，由2015年的82.2亿美元增加至2020年100亿美元，年复合增长率为4.0%。
2020年全球色谱仪市场规模主要分布在北美、欧洲、中国及日本四地，北美市场占比31%，欧洲市场占比26%，中国市场占比16%，日本市场占比10%。
随着中国对食品安全、环境保护以及医疗卫生的重视度不断提高，中国色谱仪市场规模不断扩大。2020年中国色谱仪市场规模为107.2亿元，较2019年的100.7亿元同比增长6.5%。
中国主要从国外进口高档色谱仪，出口则集中在中低档产品，2019年中国色谱仪出口金额为1.09亿美元，进口金额为9.99亿美元；2020年中国色谱仪出口金额为1.15亿美元，进口金额为10.37亿美元。中国色谱进口量约占市场总规模的70%，对进口依赖度较高。
全球色谱仪第一梯队主要包括Waters、安捷伦、岛津、赛默飞，这些品牌的每种平台、每种型号，都有极其丰富的组件方案，包括多样的泵、进样器、柱温箱、检测器、软件等；还可以变换出生物兼容、二维液相、并行多台液相、在线SPE配合液相、氨基酸分析、SFC、GPC、半制备等。而且各家都有针对蛋白质组学的纳升级液相方案；液相色谱配套的色谱柱、SPE小柱等也非常丰富。
国内液相色谱起步较晚，90年代开始陆续有企业从事气相、液相色谱仪的研发，经过多年发展，在国内市场占有一定市场份额。
色谱填料（应用于生物大分子领域时又被称为“层析介质”）通常是指具有纳米孔道结构的微球材料，其粒径在微米尺度范围内。色谱填料上的孔径则以纳米衡量，常规孔径大小在5-200纳米范围内。色谱填料是液相色谱技术的核心关键，并对分离纯化的结果和效率起着至关重要的作用。
色谱填料分离机理：待分离物质通过多孔微球表面的孔道，由于不同分子与微球表面功能基团的作用力/作用时间不用，则不同特征的分子可以按照顺序从色谱柱另一端分离。
根据色谱分离模式，色谱填料可分为反相、正相、亲水、疏水、离子交换、亲和、体积排阻七大类，需要根据分离模式的特点采用不同的填料（固定相）类型。
根据基质材料的不同，可分为无机色谱填料和有机聚合物色谱填料两类，分别适用于小分子、中分子与大分子分离纯化。
无机色谱填料包括硅胶、氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石、氮化物以及碳等，其中以二氧化硅多孔微球（硅胶）最为常见，广泛用于有机合成药物、植物药、手性药物、抗生素、多肽、胰岛素等中小分子的分离纯化。
有机聚合物填料主要包括琼脂糖、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等类别，可以满足蛋白、抗体、疫苗、病毒等分子量大、结构复杂的生物分子大规模分离纯化的需求。
色谱性能的改善源于对填料形貌结构、粒径大小、粒径分布、孔道结构、比表面积等参数控制能力的提高，其基质类型、功能基团性质、种类及密度会影响分离的选择性。
通过键合不同功能性质的基团，可以制备不同分离模式的色谱填料，如通过键合烷基或苯基等疏水功能基团可以形成反相色谱填料，键合DEAE基、磺酸基、羧基等离子功能基团可以制备离子交换层析介质，键合蛋白质、抗体、激素等具有生物特异性的亲和配基可以形成亲和层析介质等。
1）用于分析检测的色谱填料多为硅胶基质，用于小分子分离纯化制备的色谱填料包括硅胶和聚合物基质，用于大分子分离纯化制备的层析介质多为聚合物基质。
2）基质粒径方面，用于工业分离纯化的色谱填料往往需要10微米以上粒径，用于分析检测的色谱填料其粒径一般为3微米和5微米，而超高效液相色谱（UPLC）的填料粒径需要小于2微米。
3）色谱填料孔径大小也需要根据目标分子大小来选择，小分子的分离纯化可选择小孔径、大比表面积的微球，大分子则必须使用大孔径微球。
据Markets and Markets，色谱填料行业2018年全球市场规模为19.8亿美元，预计2019年-2024年的年均复合增长率为7.16%，2024年全球市场规模有望达到30亿美元。
国内色谱填料市场规模快速增长，2018年中国色谱填料市场规模为1.12亿美元，预计2019年和2024年将分别达到1.25亿美元和2.13亿美元，2019-2024年复合增长率达到11.3%。
按分离模式划分，2018年销售额最高的色谱填料为亲和色谱填料，全球销售达到10.17亿美元；排名第二的是离子交换色谱填料，2018年全球销售额达到5.78亿美元；疏水、体积排阻及其他色谱填料占比市场占比相对较低。
按照销量而言，前四大分离模式为离子交换、疏水、体积排阻、亲和，其 2018年的销量分别为49.6万升、14.0万升、13.2万升、11.7万升，占比分别为52%、15%、14%、12%。其中亲和色谱填料由于其产品单价较高，尽管销量只排在第四，其市场规模仍然排在所有细分领域第一位。
一直以来，中国用于生物制药生产的关键设备和耗材如色谱填料和色谱柱系统基本依赖进口，国际大型科技凭借齐全的产品管线和较强的产品研发实力垄断色谱填料/层析介质行业。
在生物大分子分离纯化领域，GE Healthcare、Tosoh、Bio-Rad等大型跨国科技公司是色谱填料的主要市场参与者；在中小分子分离纯化及分析检测领域，日本Osaka Soda（原名Daiso）、Fuji及瑞典Kromasil为主要生产厂家，主要以硅胶色谱填料为代表的无机色谱填料为主。
根据Markets and Markets TM数据显示，2018年GE Healthcare、Tosoh、Bio-Rad三家公司色谱填料市场占有率达50%。
一直以来，中国用于生物制药生产的关键设备和耗材如色谱填料和色谱柱系统基本依赖进口，国际大型科技凭借齐全的产品管线和较强的产品研发实力垄断色谱填料/层析介质行业。
在生物大分子分离纯化领域，GE Healthcare、Tosoh、Bio-Rad等大型跨国科技公司是色谱填料的主要市场参与者；在中小分子分离纯化及分析检测领域，日本Osaka Soda（原名Daiso）、Fuji及瑞典Kromasil为主要生产厂家，主要以硅胶色谱填料为代表的无机色谱填料为主。
根据Markets and Markets数据显示，2018年GE Healthcare、Tosoh、Bio-Rad三家公司色谱填料市场占有率达50%。
色谱仪器作为科学仪器的重要组成之一，具有构造复杂、技术壁垒高、研发周期长的特点。全球色谱仪市场超百亿美元，中国市场也在稳步增长，但目前中国色谱进口量约占总市场的70%，对进口依赖度较高；此外，国内配套的色谱填料和色谱柱系统也基本依赖进口。疫情之下，供应链安全问题进一步凸显，我们长期看好液相色谱及色谱填料企业的进口替代潜力。
< END >
本文仅供研究交流，不代表任何投资判断和观点，欢迎转载和分享，转载请注明出处。
阳光融汇资本成立于2015年1月，是中国保险业首批由保险资金发起设立的私募基金管理公司。历经7年发展，阳光融汇资本基金管理规模达300亿元，业务板块涵盖母基金、直投业务，聚焦医疗、新兴科技、新消费、不动产领域。
