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世界在對抗新型冠狀病毒SARS-CoV-2引起的大流行疫情進行的研究表明單細胞分析是研究細胞生物學和生命組學分析中最重要的技術(shù)之一。單細胞水平單/多元素金屬含量檢測，以及基于金屬藥物或納米粒子的藥物和癌癥研究，成為科研領(lǐng)域關(guān)注熱點，部分相關(guān)癌癥療法已獲準在臨床上使用或目前正在開發(fā)中。

自2003年Degueldre首ci證明ICP-MS可作為“單個”含有金屬或類金屬顆粒的重要監(jiān)測手段，成功引入單顆粒ICP-MS概念，并進一步擴展至單細胞ICP-MS后，單細胞ICPMS分析在單細胞水平的定性、定量分析方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，不僅在毒理學、醫(yī)療診斷及藥物和癌癥研究或金屬組學方面具有廣闊的應(yīng)用前景，還可拓展至環(huán)境微塑料表征等領(lǐng)域，實現(xiàn)整體細胞群中單個細胞金屬含量、含量分布及含有金屬或納米顆粒的細胞濃度等重要信息變化分析。

賽默飛ICP-MS搭載高傳輸效率的單細胞樣品引入系統(tǒng)（ESI 或Glass Expansion），為進一步提高樣品傳輸效率，采用注射泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)蠕動泵完成樣品輸送以大幅降低樣品流速，并通過Qtegra ISDS 軟件的scQuant智能科學數(shù)據(jù)解決方案實現(xiàn)方法創(chuàng)建和數(shù)據(jù)評估。

賽默飛單細胞ICP-MS分析方案

富硒酵母細胞中硒的含量及分布

硒是人體微量元素中的“抗癌之wang”。生物來源富硒酵母含有超過100多種活性硒種類，富硒酵母營養(yǎng)預(yù)防癌癥（NPC）成為降低癌癥的一項重要預(yù)防措施。采用單細胞ICPMS直接分析富硒酵母細胞稀釋懸浮液，可以直接檢測和表征單個細胞中微量元素含量和質(zhì)量分布，有助于實時監(jiān)測酵母發(fā)酵過程中硒的摻入水平并優(yōu)化硒暴露的形式和劑量。

實驗方案

iCAP™ TQ ICP-MS，搭配高效單細胞進樣系統(tǒng)及微流注射泵，配備scQuant單細胞應(yīng)用軟件。采用TQ-O₂模式測量酵母細胞中磷和硒元素，硒和磷在碰撞反應(yīng)池中與氧氣反應(yīng)后，采集質(zhì)量變?yōu)?/span>⁸⁰Se¹⁶O⁺和³¹P¹⁶O⁺。其中磷元素作為細胞標記元素用于統(tǒng)計細胞個數(shù)，硒元素用于統(tǒng)計含有硒元素的細胞數(shù)量。

結(jié)果討論

1

傳輸效率

采用金納米顆粒標準溶液（30 nm，LGCQC5050 Colloidal Gold Nanoparticles, LGC, Teddington, UK）進行傳輸效率計算，發(fā)現(xiàn)單細胞進樣系統(tǒng)傳輸效率通常是50 - 70%。在富硒酵母單細胞ICPMS分析中，與使用流式細胞儀測定細胞總數(shù)相比，基于磷信號的單細胞ICP-MS細胞傳輸效率為68%。

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2

信號分布

使用sc-ICPMS測定富硒酵母細胞，³¹P¹⁶O⁺和⁸⁰Se¹⁶O⁺系列信號如圖1所示，磷的平均信號強度在165000 cps范圍內(nèi)，而硒的信號平均強度為46000 cps。此外，與磷相比，硒在單位時間內(nèi)檢測到的信號數(shù)量也較低。通過對信號的定量評估，可獲得含有目標元素的細胞數(shù)量信息，以及目標元素在整個細胞群的平均質(zhì)量及分布。

圖1 富硒酵母細胞中磷和硒的原始數(shù)據(jù)

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3

質(zhì)量分布

硒在細胞群中分布并非均勻的, 將通過硒信號測定的細胞數(shù)量與之前使用磷測定的細胞數(shù)量進行比較，可知大約57%細胞中硒含量高于檢出限，可檢測到的硒含量在2.50 fg到72.50 fg之間。硒含量在細胞群體中分布差異，表現(xiàn)為平均值（18.6 fg）和中值（16.8 fg）的差異，標準偏差±12.5 fg，而磷含量平均值（37.0 fg）和中位數(shù)（30.9 fg），標準偏差±23.1 fg。

圖2 富硒酵母細胞中Se、P元素質(zhì)量分布

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實驗結(jié)論

單細胞ICP-MS可以很好地實現(xiàn)單個細胞中不同微量元素質(zhì)量含量/質(zhì)量分布監(jiān)測，為區(qū)分結(jié)合態(tài)硒和外源摻入硒提供了一種快速的分析工具。這些都是通過Qtegra ISDS軟件scQuant插件實現(xiàn)的，一體化數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)scQuant關(guān)鍵方法參數(shù)設(shè)定，控制注射泵，及數(shù)據(jù)可視化等功能，更關(guān)鍵的是可以使用順序方法掃描多個元素，所有感興趣的元素在一次樣本中相同時間段內(nèi)進行測量，結(jié)果最終匯總在一個數(shù)據(jù)集中。

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