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ICP-MS質(zhì)譜分析法可以測(cè)量單個(gè)顆粒內(nèi)含所有元素的質(zhì)量以及總顆粒物數(shù)濃度的一種新應(yīng)用，該方法不僅大大提高了檢測(cè)極限，而且還被應(yīng)用很多新的領(lǐng)域。下面我們一起來了解ICPMS的這種全新應(yīng)用吧。

在使用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）進(jìn)行分析之前，對(duì)含有顆粒狀殘留物的液體樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃嵯馊允菢?biāo)準(zhǔn)前處理步驟。采用此類或類似樣品前處理后，所記錄的ICP-MS數(shù)據(jù)也跟整體粒子數(shù)量以及種類連在一起，對(duì)需要分析要求更加精細(xì)的應(yīng)用不完全滿足需求。2003年，Degueldre首次證明了ICP-MS質(zhì)譜法可以定量檢測(cè)單個(gè)顆粒物，并引入了單顆粒物（single particle-sp）ICP-MS質(zhì)譜分析的概念。

ICP-MS質(zhì)譜分析法可以測(cè)量單個(gè)顆粒內(nèi)含所有元素的質(zhì)量以及總顆粒物數(shù)濃度，并且提供比其他分析技術(shù)好得多的檢測(cè)極限（<微克/千克）。如果有顆粒物的密度和形狀信息，還可以根據(jù)spICP-MS記錄的質(zhì)量估算單個(gè)粒子的直徑大小。單顆粒物產(chǎn)生的ICP-MS信號(hào)的持續(xù)時(shí)間非常短（幾分之一毫秒）。單顆粒ICP-MS (SP-ICP-MS)是近些年發(fā)展起來的表征單顆粒的技術(shù)。該技術(shù)是利用時(shí)間分辨分析結(jié)合高速檢測(cè)模式可以快速的對(duì)單個(gè)顆粒逐一進(jìn)行測(cè)量，不僅可以得到總顆粒個(gè)數(shù)、每個(gè)顆粒的粒徑和統(tǒng)計(jì)分布，并且可以同時(shí)分析溶解態(tài)和顆粒態(tài)的元素含量。

樣品中的懸浮顆粒在進(jìn)入ICP離子源時(shí)是不連續(xù)的，中間會(huì)有短暫的間隔，因此每個(gè)顆粒產(chǎn)生的離子云也是不連續(xù)的。如果檢測(cè)器的讀數(shù)足夠快就可以得到一個(gè)個(gè)不連續(xù)的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)峰對(duì)應(yīng)著單個(gè)顆粒的響應(yīng)強(qiáng)度。通過響應(yīng)強(qiáng)度與質(zhì)量的關(guān)系就可以計(jì)算出每個(gè)顆粒的質(zhì)量，然后通過相關(guān)的幾何構(gòu)型就可以得到顆粒的粒徑。因?yàn)閱晤w粒技術(shù)可以短時(shí)間內(nèi)測(cè)量大量的顆粒，統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。如果樣品中存在溶解態(tài)的離子，結(jié)果中的基線就會(huì)升高，這樣就可以通過對(duì)應(yīng)的響應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算出溶解態(tài)的離子濃度。

四川大學(xué)呂弋教授課題組提出了一種基于單顆粒ICP質(zhì)譜（ICPMS）的多組分均相免疫分析方法。通過對(duì)三種貴金屬納米顆粒（AuNPs，AgNPs，PtNPs）進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜電吸附進(jìn)行抗體標(biāo)記，合成了具有能同時(shí)識(shí)別三種胰腺癌相關(guān)標(biāo)志物的混合探針。

圖1. 基于單顆粒ICPMS的多組分均相免疫分析方法。圖片來源：Anal. Chem.

基于抗原抗體識(shí)別導(dǎo)致納米顆粒團(tuán)聚的原理，該方法與癌癥標(biāo)志物聯(lián)合診斷策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了患者血清中相關(guān)癌癥標(biāo)志物的同時(shí)檢測(cè)。得益于ICPMS優(yōu)異的元素分辨能力和能同時(shí)提供納米探針頻率和強(qiáng)度兩種信息的能力，該方法無需對(duì)探針進(jìn)行復(fù)雜的修飾，在提高血清分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和分析效率的同時(shí)，降低了分析過程的操作成本，為醫(yī)學(xué)上對(duì)胰腺癌的早期篩查和術(shù)后復(fù)發(fā)預(yù)測(cè)提供了思路。

圖2. 多組分均相免疫分析性能：（a）（d）為AuNPs探針；（b）（e）為AgNPs探針；（c）（f）為PtNPs探針。圖片來源：Anal. Chem.

這一成果近期發(fā)表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是四川大學(xué)碩士研究生黃自立，通訊作者為四川大學(xué)呂弋教授和劉睿副教授。

2022年5月16日，Nature Nanotechnology 雜志正式刊登了來自駱永明研究員領(lǐng)銜的中國科學(xué)院南京土壤所與中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所研究團(tuán)隊(duì)題為“Quantitative tracing of uptake and transport of submicrometre plastics in crop plants using lanthanide chelates as a dual-functional tracer”的論文。研究團(tuán)隊(duì)首次利用稀土配合物摻雜標(biāo)記對(duì)亞微米級(jí)塑料顆粒在蔬菜、作物中的生物積累和轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行了精確定量分析和時(shí)間分辨熒光成像。

審稿專家評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作“創(chuàng)新性地提出了一種使用稀土銪配合物對(duì)聚苯乙烯顆粒吸收進(jìn)行量化和可視化的方法”（The authors describe a novel and innovative way to quantify and visualize polystyrene particle uptake using europium chelate complexes）。論文被接受后，應(yīng)Nature Portfolio Community邀請(qǐng)，駱永明研究員和李連禎副研究員為“Behind the Paper”專欄撰寫了題為“Quantitative tracing of uptake and transport of submicrometre plastics in crop plants”的文章。

微/納塑料污染具有潛在生態(tài)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，是目前高度關(guān)注的全球環(huán)境科學(xué)熱點(diǎn)前沿問題。研究團(tuán)隊(duì)前期研究已證實(shí)亞微米甚至微米級(jí)塑料顆粒均可在農(nóng)作物、蔬菜中吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，并發(fā)現(xiàn)了植物吸收微/納塑料顆粒的通道和機(jī)制（Nature Sustainability, 2020, 3: 929-937）連發(fā)三篇文章，研究證實(shí)納米塑料可被陸生植物吸收并積累，同時(shí)影響低溫下光合作用。相關(guān)成果入選“中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展”。值得注意的是小粒徑微/納塑料和碳基材料的自身性質(zhì)決定了其在復(fù)雜環(huán)境和生物介質(zhì)中的穩(wěn)定、可靠、高靈敏定量追蹤檢測(cè)極具技術(shù)挑戰(zhàn)性，是微/納米研究亟待突破的國際性難題。受此技術(shù)瓶頸限制，尚無法對(duì)植物體中微塑料的積累量和向地上可食部的傳輸量進(jìn)行精確量化分析。

基于熒光染料分子標(biāo)記是對(duì)生物體中微/納塑料顆粒進(jìn)行熒光可視化示蹤的一種常用手段。然而，現(xiàn)有的熒光標(biāo)記方法存在其局限性，如生物組織自發(fā)熒光干擾和染料分子泄露導(dǎo)致研究假象。稀土金屬有機(jī)熒光配合物熒光壽命較長(zhǎng)（可達(dá)毫秒，普通熒光一般為納秒），采用時(shí)間分辨技術(shù)收集熒光信號(hào)，可顯著降低生物樣品帶來的背景熒光干擾。即使稀土配合物熒光標(biāo)記物泄露或脫落，泄露或脫落的稀土配合物的熒光會(huì)被環(huán)境雜質(zhì)淬滅，從而避免因熒光標(biāo)記物脫落而產(chǎn)生偽熒光信號(hào)。此外，稀土配合物中含有的稀土元素在等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）分析中背景低、靈敏度較高?；诖颂匦?，可將稀土作為元素標(biāo)簽用于微/納標(biāo)記塑料顆粒的ICP-MS精確定量分析，具有靈敏度高、分析速度快、選擇性好的優(yōu)勢(shì)。因此，稀土配合物標(biāo)記為解決上述問題提供了可能。

駱永明研究員團(tuán)隊(duì)選取稀土銪配合物Eu(TTA)3（噻吩甲酰三氟丙酮），通過溶脹法摻雜到200 nm聚苯乙烯微球（PS-Eu）內(nèi)部（圖1），利用稀土配合物的時(shí)間分辨熒光特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物（小麥和生菜）中吸收積累的PS-Eu顆粒的準(zhǔn)確可視化追蹤（圖2）。研究進(jìn)一步通過ICP-MS檢測(cè)蔬菜和作物體內(nèi)的Eu含量，間接量化分析了生菜和小麥對(duì)PS-Eu顆粒的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)量。

圖1：PS-Eu顆粒的高分辨透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）照片。(a)及基于能譜的元素C (b), O (c), Eu (d), F (e) 和 S (f)分析；(g)PS-Eu單顆粒STEM圖；(h)所示的線掃描元素分布圖。

圖2：PS-Eu顆粒（50mg/L）暴露六天后小麥和生菜根、莖、葉的明場(chǎng)、時(shí)間分辨熒光、穩(wěn)態(tài)熒光成像圖（B），A為空白對(duì)照組。

通過此方法，可對(duì)接近微/納塑料環(huán)境濃度暴露下植物吸收積累量進(jìn)行量化分析。在不同濃度PS-Eu顆粒（5-5000 μg/L）水培溶液處理下，PS-Eu塑料顆粒主要積累在作物和蔬菜的根部，根部微球的含量達(dá)到1.3~1494 mg/kg（小麥，圖3a）和3.1~2220 mg/kg（生菜，圖3b）。僅有少量的PS-Eu顆粒通過木質(zhì)部導(dǎo)管被傳輸?shù)降厣喜?。比如，?dāng)PS-Eu濃度5000 μg/L時(shí)，只有<3%的塑料微球被傳輸?shù)降厣喜俊ｋp子葉植物生菜較單子葉植物小麥更易吸收積累微塑料顆粒。此外，在砂質(zhì)土壤中添加1 mg/kg和10 mg/kg PS-Eu 培養(yǎng)14天后，小麥和生菜根部平均生物富集因子（BCF）分別為1.8和2.9（圖3c），表現(xiàn)出較強(qiáng)的根部富集能力。

圖3：水培溶液（a和b）和土壤（c）中不同暴露濃度下的小麥和生菜地下部和地上部PS-Eu顆粒積累量。

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