AFM 优化的单细胞水平 LA-ICP-MS 成像：基于明胶微滴校准定量绘制人壁细胞内锌浓度图谱的重大突破

在生物无机元素分析领域，激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）定量分析面临校准难题。研究人员开展基于明胶的校准策略研究，优化明胶标准制备和激光烧蚀条件，实现单细胞水平人壁细胞内锌定量分析，为生物医学研究提供有力工具。

　　在生命科学研究的微观世界里，探索细胞内微量元素的奥秘至关重要。激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）凭借高灵敏度和空间分辨率，成为元素生物成像的 “黄金标准”，就像为科研人员提供了一把高精度的 “元素探测尺”，能精准定位细胞内元素分布。然而，这把 “尺子” 却存在校准难题。由于缺乏均匀的生物标准品，校准工作困难重重，就如同在没有准确刻度的尺子上测量，难以得到精准结果。同时，激光烧蚀的基本物理过程也未完全明晰，这进一步影响了定量分析的准确性。在这样的背景下，为了突破这些困境，来自国外的研究人员开展了一项意义重大的研究。

研究人员提出了一种基于明胶的校准策略，旨在实现单细胞水平人壁细胞内锌浓度的定量成像。该研究成果发表在《Analytica Chimica Acta》上，为该领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们使用 LA-ICP-MS 仪器进行激光烧蚀实验，通过精细调整仪器参数，确保实验的准确性和稳定性。利用原子力显微镜（AFM）来优化激光烧蚀条件，并精确测定烧蚀体积，为定量分析提供关键数据支持。在细胞实验方面，对人胃癌细胞（HGT-1）进行培养和处理，使其暴露于不同浓度的氯化锌（ZnCl₂）溶液中，模拟不同的生理状态。

下面来看具体的研究结果：

1. 明胶基质优化：研究发现，不同金属在明胶基质中的分布差异很大。例如，铁（Fe）能较好地融入明胶基质，而锌（Zn）和铝（Al）则分布不均。干燥温度对元素分布有显著影响，100°C 干燥的明胶微滴元素分布更均匀。综合考虑多种因素，确定了制备明胶标准品的最佳参数：使用由固体 ZnCl₂溶解在超纯水中制成的无酸标准溶液，明胶浓度为 15%（w/w），微滴体积为 10μL，在 100°C 干燥 1 小时。
2. 激光参数与 AFM 结合优化：通过研究不同激光能量密度对烧蚀效果的影响，发现 1.00 J/cm²的激光能量会产生不良热效应，因此选择 0.53 J/cm²作为 LA-ICP-MS 校准的激光能量密度。借助 AFM 测定明胶微滴和单个 HGT-1 细胞的烧蚀体积，确定了每点 9 次射击的最佳烧蚀剂量，此时明胶的烧蚀体积与平均细胞的烧蚀体积相近，且烧蚀体积与激光剂量呈现良好的线性关系（R²=0.9931）。
3. 细胞形态与锌摄取影响：通过 CCD 相机观察细胞形态，发现细胞直径不同，锌浓度存在差异，大直径细胞的平均锌浓度（94.3 μg/g）高于小直径细胞（76.8 μg/g）。受损细胞和细胞碎片的锌浓度偏离平均值，因此在分析锌摄取时，仅选取完整细胞，排除细胞团和碎片。同时发现，细胞内锌浓度受多种因素影响，如金属溶液孵育时间、细胞密度、缓冲溶液和洗涤步骤等。
4. 与批量 ICP-MS 的验证：研究人员采用多种方法比较批量 ICP-MS 和 LA-ICP-MS 成像实验中细胞锌浓度的差异。通过对 28 个样本的分析，结果显示两种校准方法的浓度测定结果非常吻合，偏差不超过 10%，且在 95% 置信水平下无统计学差异（t 检验，t<>_crit，α=0.05）。这表明该研究建立的方法具有较高的可靠性和准确性。

综合上述研究结果，该研究成功开发了一种经 AFM 优化的 LA-ICP-MS 成像方法，实现了单细胞水平人壁细胞内锌浓度的高分辨率定量分析。基于明胶的校准策略为生物样本校准提供了可靠的替代方案，具有操作简便、灵活性高的优点，并且在其他多种金属元素分析中具有广阔的应用前景。这一研究成果不仅解决了 LA-ICP-MS 校准的难题，更为深入研究单细胞中微量元素的动态变化提供了强大的工具，在生物医学研究领域具有重要的理论意义和应用价值，有望推动相关疾病的诊断、治疗以及药物研发等方面的发展。