ICP-TOF
電感耦合等離子體-飛行時間質譜
人造納米顆粒應用于各個領域，和天然納米顆粒一并在環境中廣泛分布。納米顆粒在粒徑、形貌、元素組成等物化性質上均存在異質性，這些異質性決定了不同顆粒在材料性能和生物效應上的差異。因此，單顆粒水平的分析在近年來廣受關注。類似地，細胞異質性，包括元素和同位素組成的細胞間差異，使單細胞分析成為一個重要的研究主題。近二十年來，電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）因其高靈敏度和魯棒性而成為檢測和表征單個顆粒和細胞元素信息的常規技術，被稱為單顆粒ICP-MS（spICP-MS）和單細胞ICP-MS（scICP-MS）分析。
多元素納米顆粒（例如核殼顆粒和復合量子點等）在人造納米顆粒中占相當大的比重。而在地球化學過程中形成的天然納米顆粒的元素組成往往更為復雜。這些獨特的多元素特征（類似于人體指紋）用途廣泛，例如用于人造和天然顆粒的區分和溯源等。細胞的化學成分則更加復雜。細胞內的元素或同位素特征可用于研究細胞與元素/同位素特異性外源性物質的相互作用。簡而言之，同時檢測單個顆粒/細胞上的多種元素或同位素是相關技術發展的必然趨勢。
目前的spICP-MS分析多借助配置四極桿質量分析器的儀器（ICP-Q-MS），難以同時檢測單個顆粒/細胞上的多元素/同位素信息。常見的做法是分批次測定不同的元素（圖1），然而如此得到的多元素信息無法匹配到同一顆粒/細胞上。已有研究使用“跳峰模式”調節四極桿在兩個質量數通道間快速切換實現了單個顆粒/細胞上的雙元素/同位素檢測（圖1）。但由于調整過程中存在不采集信號的穩定階段，相當一部分的信息會丟失，這也導致了結果的不確定增高。此外，多接收-ICP-MS（MC-ICP-MS）也被用于納米顆粒的同位素檢測。然而法拉第杯檢測器對離子云產生的瞬時信號并不敏感，目前難以實現高通量的檢測。此外，扇形磁分析器的固有限制決定了只能同時檢測質量數接近的元素/同位素，應用范圍非常受限。
圖1：不同單顆粒/單細胞-多元素/同位素分析策略（分批測定、使用ICP-Q-MS“跳峰模式”測定，以及使用ICP-TOF-MS和MC-ICP-MS測定）的示意圖。（引自論文1）
新興的基于飛行時間質量分析器的ICP-MS（即ICP-TOF-MS）克服了上述問題，能夠實現高通量、較高靈敏度的單顆粒全元素檢測（原理見圖2）。和傳統的spICP-MS前端一樣，合適濃度的納米顆粒/細胞懸浮液通過霧化引入到ICP焰炬中，顆粒/細胞被完全氣化并離子化。每個顆粒/細胞產生的離子云通過離子透鏡系統等到達TOF質量分析器。在TOF質量分析器中，離子云中所有的離子被相同的加速電壓加速，因此獲得了相同的初始動能Ek。根據Ek=1/2(mv2)，離子在飛行時間漂移管中的飛行速度的平方與其質量成反比。根據d=vt，在相同的飛行距離d下，離子飛行時間t的平方與質量成正比。因此，依據飛行時間的不同，離子云中的離子將依據質荷比（單電荷下即質量）從輕到重依次到達檢測器，產生顯著高于背景的峰信號，連同基線信號被儀器電腦完整記錄。離子在加速后能夠在數十微秒內到達微通道板檢測器而產生響應，在如此小的時間尺度下可近似認為顆粒中的所有元素（6-280 Th）被同時檢測。
圖2 單顆粒/單細胞-ICP-TOF-MS檢測原理。（引自論文1）
為探究上述單顆粒/單細胞技術的多元素/多同位素分析能力，中科院生態環境研究中心陰永光研究員團隊使用ICP-Q-MS、ICP-TOF-MS和MC-ICP-MS檢測單個銀納米顆粒和經銀暴露的藍藻細胞上的107Ag和109Ag同位素，將所測同位素比值與天然豐度相比較來定量評估結果的準確性。結果表明，ICP-Q-MS的結果受顆粒/細胞所產生的離子云的持續時間以及駐留時間和穩定時間等多個條件的影響。MC-ICP-MS和ICP-TOF-MS所采集的幾乎所有瞬時事件均能同時檢測到兩種同位素，并且比值的準確性較ICP-Q-MS高（圖3A，所測同位素比值分布在天然豐度值109Ag:107Ag=0.929附近）。此外，ICP-TOF-MS的通量較高，每秒可檢測10~20個顆粒/細胞。值得一提的是，ICP-TOF-MS能夠同時檢測全元素（6-280 Th），這在單細胞分析中優勢盡顯。以本研究為例，分析物為暴露于納米銀顆粒的藍藻細胞，傳統scICP-MS一般只能著眼于單一的Ag信號，無法區分該Ag信號到底是來自游離的納米顆粒還是吸附或攝入顆粒的細胞。ICP-TOF-MS可在檢測Ag的兩種同位素的同時監測細胞內源元素，如生物膜和核酸的組成元素P。若檢測到Ag峰信號的瞬間同時也檢測到P的峰信號，則可認為該信號來自細胞，反之則為游離納米顆粒。圖3C和D為峰信號的強度分布圖，可見待測懸浮液中除了含銀量較高的細胞外，還存在一些較小的游離納米顆粒。這一信號篩選方法無需任何的標記處理。除了區分細胞與納米顆粒之外，基于細胞特征性元素指紋完整與否，該方法還可用于例如完整細胞與細胞碎片等的區分，可在很大程度上提高scICP-MS數據的有效性。
圖3 (A)單個顆粒/細胞上107Ag和109Ag信號強度之間的相關性。(B)單個顆粒/細胞上109Ag:107Ag比值相對于比值平均值相對偏差（SD）。虛線和實線曲線為基于泊松計數統計的±1SD和±2SD值。(C)和(B) 同時檢測到和未檢測到31P信號的107Ag峰信號強度分布。（均使用icpTOF 2R ICP-TOF-MS測定，分析物為80 nm 銀納米顆粒和暴露于10 nm銀納米顆粒的藍藻細胞）。（引自論文2）
ICP-MS的檢測本質上是對待測分析物產生的離子的計數，在低計數下會受到泊松噪聲的影響。簡而言之，信號強度是影響結果準確性的一個重要因素。圖3B顯示，隨著峰信號強度的增加，所測得的同位素比值偏差減小。文中研究所使用的TOFWERK公司的 icpTOF 2R ICP-TOF-MS具有高質量分辨率，而靈敏度相對較低。預計具有更高靈敏度的icpTOF S2 ICP-TOF-MS將在單細胞/單顆粒同位素比值結果準確性上擁有更好的表現，同時提供廣譜的元素信息。
團隊介紹：
中科院生態環境研究中心陰永光研究員團隊已于TrAC Trends in Analytical Chemistry，Analytica Chimica Acta和Chemical Communications等著名學術期刊上發表關于單顆粒/單細胞-ICP-TOF-MS的原理、方法及應用的一系列研究成果。博士生田祥偉為第一作者，相關研究受到山東英盛生物技術有限公司崔文斌博士和中科院高能物理所王萌老師的合作支持。
參考文獻
1 Tian et al., Simultaneous multi-element and multi-isotope detection in single-particle ICP-MS analysis: Principles and applications, TrAC Trends in Analytical Chemistry, Volume 157, 2022, 116746 https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116746 2 Tian et al., Exploring the performance of quadrupole, time-of-flight, and multi-collector ICP-MS for dual-isotope detection on single nanoparticles and cells, Analytica Chimica Acta Volume 1240, 2023, 340756 https://doi.org/10.1016/j.aca.2022.340756 3 Tian et al., Single-cell multi-element analysis reveals element distribution pattern in human sperm, Chemical communications, Issue 28, 2023 https://doi.org/10.1039/D3CC01575K 陰永光，中國科學院生態環境研究中心研究員、博士生導師。主要研究方向為有毒金屬的形態分析與環境轉化。以第一/通訊作者在Chemical Reviews、Nature Communications、ACS Nano、Environmental Science & Technology、 Water Research等雜志上發表論文100余篇。基金委優秀青年基金獲得者，獲中國分析測試協會一等獎、北京市科學技術獎二等獎、貴州省自然科學一等獎、中國化學會青年環境化學獎等。
END
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