细胞元素含量分析通常是指群体细胞某元素含量的平均值，这种方法忽略了细胞的异质性（即细胞与细胞之间的差异）。单细胞分析由于可以得到每个细胞中元素的含量以及监测单个细胞对于含金属药物或纳米粒子的吸收能力而被重点关注。
SC-ICP-MS 技术具有高通量、高效率、高准确度等优点，是单细胞元素及其纳米粒子表征的强大工具。然而直接、高通量进样技术的缺乏在一定程度上影响了 SC-ICP-MS 的应用。近期，东北大学王建华团队在 Analytical Chemistry 发表论文，使用一种三维螺旋毛细管阵列单细胞聚焦系统—ICP-MS/MS 联用系统实现了单细胞/单颗粒有序排列以及高通量进样，同时进行了单细胞对金属纳米颗粒子摄取及其分布的研究和分析。
王建华，东北大学理学院化学系教授，副校长。Talanta 副主编、分析化学、光谱学与光谱分析、分析试验室、分析科学学报等编委，Journal of Analytical Atomic Spectrometry 编委（2007-2010），中国仪器仪表学会分析仪器分会原子光谱专业委员会副主任委员，辽宁省化学会副理事长。发表研究论文 300 余篇，论文的 H 指数为 45。主要研究领域：流动分析，样品预处理理论与方法，光谱分析与生命分析化学，金属组学。主持过国家杰出青年科学基金，国家自然科学基金重点项目、重大国际合作项目，国家重大科研仪器研制项目等。
当前，单细胞分析已成为研究细胞生物学和生命组学分析中最重要的技术之一，其中实现高通量、高精度的单细胞分析是快速获取准确单细胞信息的关键所在。科学思维重在创新，基于流体惯性效应开发的三维螺旋通道-惯性流辅助-ICP-MS/MS 单细胞分析系统提供了超高通量（每分钟 40,000 个细胞）和高精准的单细胞/单颗粒进样，使得单细胞分析进入大数据时代，而基于大数据的统计分析将为细胞间的细微差异研究以及药物评价和特定疾病的早期诊断提供非常有价值的参考。
1. 开发三维螺旋毛细管阵列粒子聚焦系统
借助流体的惯性效应，通过三维螺旋通道-惯性流辅助，操控粒子的运动路径，从而实现单细胞/颗粒排列，以及高通量单细胞进样。开发的三维螺旋毛细管阵列粒子聚焦系统由 PEEK 毛细管和圆柱形固定装置组成，将 PEEK 管有序缠绕在圆柱表面（见图 1），细胞溶液或纳米颗粒通过注射泵注入 PEEK 毛细管中并在出口端连接由自己实验室改进的高效率石英雾化器和同轴雾化室，采用这套进样装置可将单细胞进样速率提高到每分钟 40,000 个细胞，且同时可以实现~42% 的细胞检测效率。最后，定义了一个单细胞分析通量因子，来评价单细胞采样系统的分析性能。
图 1. 三维螺旋毛细管阵列粒子聚焦系统工作流程和结构示意图
2. 细胞有序排列测试
将荧光标记的 K562 细胞（细胞密度 2×105 /mL）三维螺旋毛细管阵列粒子聚焦系统中，从图 2 可见，在流体通道出口端，K562 细胞经聚焦形成稳定的单细胞流。
图 2. K562 经 Dil 荧光标记后在三维螺旋毛细管阵列粒子聚焦系统中的荧光轨迹图及其荧光强度分析。细胞聚焦成单细胞流，且相邻两个细胞间距约为 1.5 ms。
3. 建立 SC-ICPMS/MS 分析方法
采用时间分辨分析 TRA-SC-ICPMS/MS 进行单细胞/单颗粒分析，积分时间为 1 ms/0.1 ms。配合使用单细胞/单颗粒数据软件，结合以上进样装置对单细胞单颗粒进行分析。
图 3. 安捷伦单细胞——三重串联四级杆电感耦合等离子体质谱系统（SC-ICPMS/MS）和单细胞/单颗粒分析软件。
4. 定量准确度验证
细胞的测量效率和纳米粒子粒径测定：
（1）使用 30 nm Au 标准溶液评估所搭建的单细胞/单颗粒分析系统，其单颗粒测量效率高达 42.1 ± 7.2%，与传统约 4% 的效率相比，该系统将测量效率提到了 10 倍。
（2）粒径测定：使用 30 nm Au 标准溶液和安捷伦纳米颗粒分析专业软件测定实验室合成的 Au 纳米粒子粒径，测定值为 24.9 nm（下图4）。使用 TEM 对合成 Au 纳米粒子进行验证，测量值为 24.6±2.9nm（下图4），两种技术吻合很好。这不仅证明我们所搭建的系统具有可靠的检测能力，同时证明标准纳米粒子作为校准策略的可靠性。
图 4. 使用单细胞聚焦系统-时间分辨-ICP-MS/MS 分析系统以及安捷伦纳米颗粒分析软件对标准金纳米粒子和实验室自制的金纳米粒子进行单粒子分析所获得的纳米粒子的瞬时信号图和频率分布直方图。以标准金纳米粒子作为定量标准，通过计算可以获得所合成纳米粒子的尺寸分布。最后与TEM所得实际尺寸对照已验证该分析方法的可靠性。
5. 定量细胞中的纳米粒子
在 4 小时内用系列浓度（0.1；1.0；10；100；1000 μmol/L）的 AuNPs 孵育 K562 细胞（密度：每毫升 2×105 个细胞），利用所开发的单细胞聚焦系统-时间分辨-ICP-MS/MS 分析系统进行单细胞检测，其分析结果如图 5 所示。从图中可以看出，随着培养基中 AuNPs 浓度的增加，有效信号峰值强度明显增加，这很好地证明了单细胞对于 Au 纳米粒子摄取的异质性。
图 5. 对经不同浓度 AuNPs 悬浮液孵育 4h 后的 K562 细胞进行单细胞时间分辨 ICP-MS 分析所得的 197Au 瞬时信号随时间变化图。（细胞数密度: 每毫升 2×105 个细胞）
此外，频率分布直方图显示（如图 6），随着 AuNPs 孵育浓度的增加，它们在 K562 细胞中的分布趋于多样化，但分布间隔大致相同。这种现象以前从未被报道过，这可能与 K562 细胞能够连续摄取金纳米颗粒，但独立个体细胞之间的摄取行为差异相当显著，例如细胞处于不同的分裂周期或细胞生理状态；也可能是由于单细胞通量和细胞测量效率显著提高，从而能够获得大量的单细胞测定数据，使得统计分析更加全面。同样，采用标准纳米粒子校准策略，根据标准金纳米粒子原子数和其信号相应值对应关系，可以实现对单细胞内金纳米粒子的定量分析。本文的实验结果很好地说明了高通量单细胞分析的巨大潜力，在药物评价和特定疾病的早期诊断中具有特别重要的意义。
图 6. K562 细胞在不同浓度 AuNPs 孵育 4h 后的 AuNPs 分布频率直方图（细胞数密度: 每毫升 2×105 个细胞，AuNPs 浓度系列：0.1；1.0；10；100；1000 μmol/L）
首页
