单细胞质谱分析方法研究进展

细胞的个体差异性对于生物体生理功能的运行至关重要,准确阐释相关生物学机理需要以单细胞化学组分的准确测量为基础。然而,由于单细胞中的物质含量低、组成复杂,且不同物质的含量差异大,导致单细胞分析的技术难度极大。质谱技术凭借其高灵敏度、高特异性,以及强大的结构解析能力,近年来在单细胞分析研究中得到了广泛应用。研究者已建立了多种质谱分析方法,实现了单细胞中不同物质的准确测量。从离子化技术的角度,单细胞质谱分析方法目前主要包括三类,即纳升电喷雾离子化质谱法、激光解吸附离子化质谱法和二次离子质谱法。本文对近年基于上述三种离子化技术的单细胞质谱分析方法的研究进展进行了归纳和总结,对单细胞质谱分析方法未来的发展趋势进行了展望。     

基于质谱的单细胞蛋白质组学分析方法及应用

细胞是生命体的最小组成单位,遗传及外部环境等因素使单细胞异质性广泛存在于众多生物体中。传统的生物学实验获得的结果多是大量细胞的平均测量值,因此在单细胞层面开展研究对于精确理解细胞的生长发育以及疾病的诊断与治疗至关重要。而作为重要的细胞和生命活动的执行者,蛋白质由于其不具备扩增特性,且种类繁多、丰度低、动态分布范围宽,与核酸等其他生物大分子相比,其单细胞组学研究相对滞后。而在所有的检测手段中,荧光检测以及电化学分析方法具有极高的灵敏度,但是囿于其研究通量有限,以及电化学活性依赖,很难成为普适性的单细胞蛋白质组学研究方法。质谱分析作为传统蛋白质组学中最为核心的研究技术,由于其高灵敏、高通量、结构信息丰富等特点,在单细胞蛋白质组学研究中独树一帜。该文综述了近年来基于质谱的单细胞蛋白质组学研究中的代表性方法,根据质谱分析前蛋白质分离方式的差异,将其分为基于毛细管电泳分离、液相色谱分离和无分离手段的直接检测3类方法,在介绍研究现状的同时对这些方法在细胞通量、蛋白质鉴定数目、灵敏度以及方法应用方面进行了总结与比较。最后,基于目前研究中面临的挑战以及发展趋势对基于质谱的单细胞蛋白质组学的研究前景进行了展望。     

质谱分子成像技术与应用进展

该文总结了二次离子质谱、基质辅助激光解吸电离质谱和常压敞开式离子化质谱三大类型质谱分子成像（MSI）技术的概况、技术与方法及其应用新进展。MSI技术作为免标记、高覆盖、高灵敏、检测范围广的可视化分析手段,不局限于生物组织或细胞中某种特定分子的检测,可对已知和未知多种分子进行同时成像分析,获得不同分子的空间分布、相对含量及结构信息,实现其分子的定性、定量与定位分析;还可提供不同生理及病理过程中功能分子的动态时空变化信息等。因此,MSI技术成为质谱领域以及分析化学等领域的研究前沿与热点方向之一,并在化学、医学、生命科学、药学和环境科学等领域显示出重大应用前景。此外,MSI技术是单细胞可视化分析和空间分辨代谢组学的强有力分析手段,可从动物或器官组织的整体、微区、单细胞等不同空间尺度,获取具有空间分布特征、时空动态变化的功能分子全景轮廓信息等而备受关注。     

金属/基质增强飞行时间-二次离子质谱用于单细胞脂质分析

单细胞中化学成分的分析对细胞生长、信号转导、凋亡等生理过程意义重大。飞行时间-二次离子质谱(SIMS)是一种高灵敏的表面质谱成像技术,具有较高的空间分辨率,已被用于细胞及微区域分析。然而,生物有机分子较低的离子化效率限制了To F-SIMS在单细胞分析中的广泛应用。本研究采用金属/基质增强方法,明显提高了脂质的离子化产率。镀金硅片上磷脂酰胆碱PC(40:0)标样在加入基质后,准分子离子峰强度增大为硅片上的65倍。相应基底上单细胞表面脂质信号同时增强,但由于细胞的不规则形貌以及复杂化学环境影响,脂质信号增强幅度较小。在此基础上,使用延时提取(Delayed extraction,DE)模式克服了细胞形貌带来的影响,进一步增强脂质信号,并获得了高质量的单细胞脂质成像图。此方法为研究细胞代谢及细胞-环境相互作用提供了新的途径。     

单细胞分析技术在人类细胞图谱计划中的应用

2016年10月人类细胞图谱计划正式启动,该计划旨在区分不同类型的细胞及其在人体内的位置,研究激活、分化等细胞行为的分子机制,定义病理表征和标记分子.人类细胞图谱的建立将推动对人类健康和疾病诊断、监测、治疗的发展,从而促进对生命最基本单元的理解.建立系统的单细胞分析方法是完成人类细胞图谱的重要前提和保证.微流控细胞分离、单细胞DNA/RNA测序、细胞原位分析、质谱流式细胞分析等技术已经逐渐建立并用于单细胞分析.然而人类细胞图谱仍然面临诸多挑战,需要具有更高灵敏度和准确度的分析方法以及高效的数据处理技术.本文简要介绍了人类细胞图谱计划的发展现状及现有单细胞分析技术,并对挑战所需的新技术提出了展望.     

单细胞分析中的荧光标记化学*

细胞内组分复杂、含量低,因此测定单细胞内化学组分的分析方法必须具有灵敏度高、选择性好和分辨率高的特点。高灵敏度的荧光检测技术是单细胞分析中应用最多的检测方法之一。但是细胞内绝大部分物质其天然态是没有荧光的,且由于细胞膜的阻碍,衍生试剂不能自由地进入细胞内。为了使衍生试剂透过细胞膜标记细胞内待测物质而不引起显著的稀释效应,已进行了大量的研究工作。本文综述了在单细胞分析中常用的荧光标记方法,包括细胞作为微反应器的衍生法,借助于脂质体与聚乙二醇（PEG）等增加细胞膜通透性的衍生方法和在毛细管/芯片毛细管电泳分析单细胞时柱上衍生和柱后衍生法以及量子点的标记法等。对这些方法的原理、特点和在单细胞分析中的应用也做了较为详细的阐述。     

单细胞视角下铅的体内代谢与检测

在全球工业需求和储能需求持续增加的背景下,铅污染仍然是当前主要的环境问题之一。持续的铅暴露导致了复杂的体内毒理效应,其临床治疗效果受限于铅检测技术的缺乏与铅动力学研究的不足。单细胞水平上铅的检测技术,可以揭示动力学相关的细胞机制,从微观角度考量细胞异质性对人体内铅运输和铅分布的影响。分析了铅污染现状并归纳了铅暴露源特征,总结了单细胞水平上铅代谢与检测方面的研究进展。细胞机制与细胞异质性对完善铅的动力学模型和理解有关机制的作用不容忽视。单细胞检测技术作为有效的研究工具,包括流式细胞技术、质谱流式细胞技术以及基于电感耦合等离子体质谱的单细胞电感耦合等离子体质谱技术、电感耦合等离子体飞行时间质谱技术和激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱技术等,需要更加标准化与体系化的检测方案。基于生物数学模型与单细胞检测技术的发展,单细胞视角下铅的动力学研究有望进一步细化与完善。     

基于单细胞质谱分析的膀胱癌细胞分型研究

单细胞质谱分析能够获得单个细胞的代谢图谱,揭示细胞之间的异质性,在肿瘤学研究中具有重要价值。该文采用单细胞质谱和机器学习技术,建立了膀胱癌细胞亚型的鉴别方法。基于所采集的单细胞代谢数据,分别使用线性判别分析、随机森林、支持向量机、逻辑回归建立了机器学习分类模型,并进行了模型的性能评估。结果表明,各机器学习模型均具有良好的膀胱癌细胞分型能力,分类准确率≥94.9%,灵敏度≥88.6%,特异度≥93.3%。其中,随机森林算法的分类准确率达100%,模型的受试者工作特征曲线下面积达1。该方法实现了膀胱癌单细胞的代谢物检测及细胞亚型区分,也为更广泛的单细胞代谢组学研究提供了参考。     

微流控芯片系统在单细胞研究中的应用

微流控芯片具有网络式通道结构,扩展了在细胞和亚细胞水平进行生命科学研究的能力,为单细胞研究提供了一个新的平台.在微流控芯片通道中,人们利用气压、液压和电压,或利用介电电泳、光学陷阱、行波介电电泳以及磁场等技术,可以操纵细胞通过或驻留在通道内的任意位置,从而使单细胞计数、筛选以及胞内组分分析等操作大大简化.本文对微流控芯片系统在血液流变学、单细胞操纵与计数以及单细胞胞内组分分析中的应用进行了综述,介绍了用于单细胞研究的多种微芯片系统,讨论了芯片上进行单细胞操纵的各种方法     

实时直接分析质谱新技术及其应用

由于不需要复杂的样品前处理过程,并具有实时、原位分析等特点,常压敞开式离子化技术成为近年来质谱研究的热点之一.实时直接分析(direct analysis in real time,DART)是近年来出现的一种常压敞开式离子化新技术,在食品安全、环境监测、爆炸物检测以及生物医药等诸多研究领域均有广泛的应用.本文简单介绍了常压敞开式离子化方法的发展,DART的基本原理和研究现状.进而介绍了我国质谱研究人员在基于DART的质谱仪器改进、联用技术以及生物药物等检测分析方面取得的新进展和新成果.     

单细胞分析技术研究进展

细胞是生命结构和生命活动的基本单位,基于单细胞的研究是生命研究的基础。由于细胞体积极小、细胞微环境复杂并且起到关键作用的组分含量往往较低,因此在很多方面单细胞分析仍然是一项具有挑战性的任务。该文对现有的单细胞分析技术进行归纳、总结,重点介绍了不同单细胞分析技术的特点及其应用的最新进展。     

碳纤维离子化质谱技术的研究与应用

碳纤维离子化技术是一种新型敞开式质谱技术,可在开放式大气压环境下对各种形态的样品或样品表面物质进行检测,其分析成本低、通量高、简便、实时、快速,简化了工作流程,降低了样品的基质效应。该文从碳纤维离子化质谱技术的原理出发,介绍了影响其电离效率的主要因素,如碳纤维形态、碳纤维温度、碳纤维上所加电压、碳纤维与离子进样口的距离以及样品添加的方式,并对该技术近几年的改进和发展,及其在食品药品、法医毒物及生物样品、品种鉴别和环境分析等领域的应用进行了综述,详细介绍了其特点和优势。最后讨论了碳纤维离子化质谱技术存在的不足,以及未来可能的研究方向。     

惯性力辅助微流控芯片-ICPMS研究单细胞对纳米Al2O3的摄取

随着人类对生命体系研究的深入,阐明细胞异质性的单细胞分析已成为生命分析的研究热点.基于流体动力学原理的惯性微流控技术在单细胞聚焦分离中表现出优越的性能.为深入探究螺旋结构对单细胞聚焦的影响,我们设计了三种不同半径变化的螺旋微流控芯片用于单细胞聚焦分离,结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)构建了单细胞分析系统,研究了A549细胞对纳米Al₂O₃(nano-Al₂O₃)的摄取行为.研究表明,半径每90°变化的螺旋型芯片在通道内可生成更强的Dean涡流,更有利于单细胞聚焦.经nano-Al₂O₃孵育后,细胞间铝含量分布存在明显差异,在单细胞层面证明A549细胞对nano-Al₂O₃的摄取存在异质性.本研究设计的芯片可在较短通道及较低流量下实现单细胞有效聚焦,为单细胞分析提供了新的平台.     

单细胞分析研究进展

单细胞分析可以揭示生命基本单元——细胞物质组成、生理行为的多样性和差异性,是当今生命分析的主流前沿技术。同时,也对分析技术的定量检测极限、分辨率和精密操控能力提出了新挑战。文章着重从单细胞分离、检测、成像等几个主要方面,综述了单细胞技术研究的最新进展,并对分离和检测技术的发展作了展望。     

基质辅助激光解吸电离质谱分析糖类物质

基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）是一种样品无需衍生、图谱解析简单、灵敏度高、快速便捷的分析生物样品结构的方法,已被广泛用于糖类物质的结构分析。此技术与HPLC、糖苷酶外切技术以及各种串联质谱等技术结合使用,可给出糖类物质详细的结构信息。本文介绍了基质辅助激光解吸（MALDI）离子化技术的原理、特点、与飞行时间质量分析器（TOF）联用时的相关技术和裂解方式,以及MALDI-MS在分析糖类物质时选用的基质、样品的制备、糖链碎片分析的方法和在不同糖型分析中的应用,展示了它的发展前景。随着MALDI对糖类物质分析时基质的改进、质谱分辨率的提高、质量检测范围的扩大,MALDI-MS技术必将成为糖类物质分析中强有力的工具。     

氨基酸组成相同序列不同的小分子多肽的液相色谱-质谱联用分析

多肽组学是近年来兴起的一门新型学科,质谱已成为多肽组学研究的强有力手段．然而,用于检测具有相同氨基酸组成但序列不同的多肽时,只能给出等同的分子离子峰,在多肽结构解析上受到一定限制．因此,发展色谱分离．质谱检测联用技术是分析具有相同氨基酸组成但序列不同的多肽的有效途径．本文建立了一种氨基酸组成相同序列不同的小分子多肽的反相液相色谱分离-电喷雾离子化质谱检测新方法．该方法采用高效液相色谱-质谱联用技术,以两种三肽Gly．Ser．Phe和Gly．Phe．Ser为模式样品对象,考察了小分子多肽在不同流动相组成、流动相添加剂及pH等条件下的液相色谱行为,并讨论其保留机理．研究结果表明,在最优化的实验条件下,该方法稳定性好,重现性高,为多肽组学研究中的多肽解析提供科学的分析方法．     

大气压激光解吸附离子化质谱技术用于药片有效成分的快速实时分析

采用大气压激光解吸附离子化质谱(APLDI-MS)技术对多种药片的有效成分进行了快速实时分析。在不进行任何样品处理的条件下,含有一种或多种有效成分的药片,均可通过APLDI-MS分析直接得到其有效成分的质谱信号,并且可通过二级质谱对它们进行结构确认。APLDI在离子化过程中不需加载高电压,也不使用溶剂或气体辅助离子化;同时由于所使用的近红外脉冲激光具有较强的穿透性,因此对于有薄衣包覆的药片也可以直接进行检测。本方法具有简便、快速、准确的优势,在药物高通量筛查、质量控制、打击药品违法添加等领域具有广阔的应用前景。     

质谱技术在反应监测中的发展和应用

质谱因具有分辨率高、灵敏度好、响应快速以及结构鉴定能力强等特点,近年来在反应监测研究领域应用广泛.本文介绍了基于质谱的经典在线直接采样实时监测方案;综合评述了常压质谱离子化技术在反应监测领域的发展和应用,主要包括基于常压质谱的快反应监测、微滴加速在长时间反应研究中的应用,以及其它常压质谱在反应监测中的应用;并对质谱在反应监测研究领域面临的挑战和发展趋势进行了总结和展望.     

复杂样品质谱分析技术的原理与应用

原位、实时、在线、非破坏、高通量、低耗损的质谱学方法是质谱分析技术发展的重要趋势.在无需样品预处理的条件下对复杂基体样品中痕量待测物直接离子化技术的出现,极大地提高了质谱分析的效率,使实际样品的快速质谱分析成为可能.本文着重综述了能够在无需样品预处理情况下对复杂基体样品离子化的新兴质谱技术及其应用研究,系统阐述了直接离子化技术的基本原理和方法,介绍了几种典型的常压直接离子化技术和装置,对直接离子化质谱分析技术在食品、药品、环境、活体分析、代谢组学、蛋白质组学以及生物组织质谱成像等领域的典型应用进行了述评,讨论了提高复杂样品快速质谱分析选择性的可能方法,并展望了常压直接离子化技术未来发展的可能趋势.     

HPLC-ESI-MS/MS识别蓝莓提取物中的花青素和黄酮醇

用高效液相色谱-电喷雾离子化串联质谱联用技术(HPLC-ESI-MS/MS)对蓝莓提取物中的黄酮类物质进行了分析, 可以快速地鉴定其主要成分为花青素和黄酮醇. 结构上的不同导致花青素和黄酮醇在紫外-可见光谱吸收、离子化以及裂解方式上都存在差异. 尽管花青素和黄酮醇在270 nm处都有吸收, 但两者分别在530和372 nm附近有特征吸收. 负离子模式下, 黄酮醇可以生成负离子和自由基负离子, 而正离子型的花青素则几乎不产生质谱信号, 这一显著差异可用以区别花青素和黄酮醇. 花青素与黄酮醇在串联质谱中分别拥有各自的特征产物离子更进一步证实了其结构存在差别. 该研究对于蓝莓提取物的质量分析与控制很有帮助.