学术报告：元素标记单颗粒-电感耦合等离子体质谱（SP-ICP-MS）技术的生物分析应用

作者与发表信息

本文由武汉大学化学与分子科学学院的郭婷、陈贝贝*（通讯作者）、何蔓和胡斌合作完成，发表于《中国无机分析化学》（Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry），网络首发时间为2025年12月26日。

学术背景

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）是一种高灵敏度痕量元素分析技术，但其传统溶液雾化进样方式在生物大分子（如蛋白质、核酸）检测中存在灵敏度限制。单颗粒-ICP-MS（SP-ICP-MS）通过时间分辨检测模式，可实现对单个金属纳米颗粒（NPs）的精准测定。本文旨在将金属NPs作为元素标签，结合SP-ICP-MS技术，开发新型生物分析方法，以提升低丰度目标物的检测灵敏度。

研究流程与方法

1. 元素标记策略设计

   • 标签类型：研究区分了内源性（如蛋白质中的S、P）和外源性元素标签（金属螯合物、聚合物、NPs），重点探讨了金属NPs（如金纳米颗粒Au NPs、硒化锌量子点ZnSe QDs）的信号放大优势。

   • 标记流程：包括目标物识别（如抗原-抗体、核酸杂交）、信号放大（如催化发夹自组装CHA）及ICP-MS检测。

2. 三种分析模式开发

   • 异相分析：目标物通过固相载体（如96孔板、磁珠）捕获，金属NPs标记后解离，SP-ICP-MS检测解吸液中的NPs脉冲频率。

     • 案例：Hu等（2009）通过竞争免疫法检测甲胎蛋白（AFP），检出限达0.016 μg/L；Zhang等（2024）利用CRISPR/Cas12a切割释放Au NPs，实现黄曲霉毒素B1（AFB1）检测（检出限1.1 pmol/L）。

   • 均相分析：目标物直接诱导NPs聚集或分散，SP-ICP-MS检测脉冲强度或频率变化。

     • 分散到聚集：Han等（2011）通过核酸杂交交联Au NPs，检出限1 pmol/L；Xu等（2022）结合滚环扩增（RCA）检测HBV DNA（检出限5.1 fmol/L）。

     • 聚集到分散：Yin等（2021）利用多组分核酸酶（MNAzyme）切割连接DNA，实现通用型核酸检测（定量下限0.1 pmol/L）。

   • 数字检测：通过液滴封装单分子，SP-ICP-MS计数阳性信号。

     • 案例：Yin等（2022）基于琼脂糖液滴的环介导等温扩增（LAMP），检测HBV DNA（检出限25拷贝/μL），无需标准曲线即可绝对定量。

3. 技术挑战与优化

   • 异相分析需控制解吸条件以避免NPs团聚；均相分析要求NPs尺寸均一性高；数字检测需开发更多元素标记放大体系。

主要结果

1. 灵敏度提升：SP-ICP-MS较传统ICP-MS降低检出限1-2个数量级（如异相检测IgG的检出限0.02 pg/mL vs. 0.2 pg/mL）。

2. 多模式应用：

   • 异相分析适用于复杂样本（如血清肿瘤标志物三联检）；

   • 均相分析操作简便（无需分离洗涤），但抗基质干扰能力较弱；

   • 数字检测实现单分子水平绝对定量，抗干扰性强。

3. 创新信号放大：如CHA、RCA等核酸扩增技术与NPs标记结合，进一步降低检出限（如miRNA检测达0.12 fmol/L）。

结论与价值

1. 科学价值：元素标记SP-ICP-MS技术为生物分子定量提供了新范式，通过金属NPs标签与单颗粒检测的结合，解决了低丰度目标物的分析难题。

2. 应用前景：在疾病早筛（如癌症标志物）、环境监测（如病原体DNA）和食品安全（如AFB1）等领域具有潜力。

研究亮点

1. 方法创新：首次系统整合元素标记与SP-ICP-MS，提出异相、均相和数字检测三类模式。

2. 技术突破：数字检测实现无需标准曲线的绝对定量，灵敏度达单分子水平。

3. 跨学科应用：结合纳米技术、分子生物学与质谱学，推动生物分析方法的边界。

其他有价值内容

• 文中对比了不同金属NPs标签（如Au NPs、ZnSe QDs）的优缺点，为后续研究提供选材参考。

• 讨论了各模式的局限性（如均相分析的抗干扰需求），为未来技术优化指明方向。