单细胞中金纳米颗粒的定量分析

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  细胞是生命活动的基本单元，也是生物医学研究的基础。要探寻生命活动规律，阐明疾病发生机理，就必须研究细胞的结构和功能。由于分析方法的限制，过去的研究往往只能以细胞群体为研究对象，但由于细胞之间存在差异（即细胞异质性），基于细胞群体的研究往往会掩盖这种差异。单细胞分析可以获得细胞在微环境中准确的个体信息，对于研究细胞的信号传导、生理病理和重大疾病的早期诊断具有十分重要的意义。

单细胞分析中的待测物主要包括核酸、蛋白质、代谢物等生物分子。此外，无机金属离子也参与了生物合成、分子代谢、能量传递等许多生命过程，随着金属药物、纳米材料的广泛应用，外源性金属的细胞生物效应和安全性也成为研究的热点问题。因此，分析单细胞中元素具有重要的意义。

近年来随着质谱技术，特别是电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术在单细胞进样系统、单细胞数据处理软件和快速质量分析器等方面的发展，现在不仅能够实现在单细胞水平定量分析检测细胞内的金属元素，还可以通过分析金属标签间接得到单细胞中分子信息。但商品化ICP-MS一般使用由同心圆雾化器和旋流雾室组成的进样系统，在分析单细胞时，只有少于1%的细胞可以进入ICP-MS并被检测，细胞样品损失大，检出限相对较差。








中国科学院高能物理研究所纳米生物实验室王萌副研究员与东北大学化学系陈明丽教授合作开发用于溶液中单细胞进样系统，使得ICP-MS能够高效地完成单细胞分析。进样系统（图1）采用流速为40 μL min-1的低流速雾化器，产生的含有细胞的微液滴在辅助气的作用下高效地进入ICP-MS，提高了细胞的传输效率；设计加工了与商品化ICP-MS匹配的进样组件，可以方便地安装与拆卸，并可以实现对系统中玻璃部件的保护和准确定位（图2）。

图1 单细胞进样系统

图2 单细胞进样系统安装图

应用开发的单细胞进样系统，分析了单细胞中的金纳米颗粒的含量（图3）。单细胞的进样效率可达12%。在实验中对比了不同驻留时间对单细胞测量结果的影响，发现使用更短的驻留时间可以显著地提高单细胞事件的信噪比。本研究研发的用于溶液中单细胞分析的进样系统，使得ICP-MS能够高效地完成单细胞分析，扩展了已有商品化ICP-MS的应用范围，进一步发挥了ICP-MS在单细胞分析领域的应用潜力。

图3 单个HepG2细胞中Au纳米颗粒分析

该研究得到了科技部重点研发计划和中国科学院仪器设备功能开发技术创新项目的支持，研究结果以封面文章的形式发表在原子光谱领域国际期刊Atomic Spectroscopy上（2021, 42(3), 114-119; https://doi.org/10.46770/AS.2021.102）。

[原文]

Jinhui Liu, Lingna Zheng, Junwen Shi, Xing Wei, Xue Li, Mingli Chen*, Meng Wang*, Jianhua Wang, and Weiyue Feng, Quantitative Analysis of Gold Nanoparticles in Single Cells with Time-resolved ICP-MS, Atomic Spectroscopy, 2021, 42(3), 114-119. DOI: 10.46770/AS.2021.102




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