综述：基于质谱与核磁共振波谱的单细胞及群体细胞实时分析技术

《Critical Reviews in Analytical Chemistry》：Real-Time Cell Analysis Using Mass Spectrometry and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at Single and Bulk Cellular Levels

本综述系统评述了利用质谱（MS）与核磁共振（NMR）技术实现单细胞及群体水平代谢组实时分析的前沿方法，涵盖多种电离技术（如MALDI、SIMS、DESI）与超极化策略（如DNP、SABRE），为揭示细胞异质性与代谢动态提供关键技术支撑。

　　

Abstract

实时解析细胞代谢过程是阐明生物机制与疾病病理的核心。质谱（MS）与核磁共振（NMR）波谱作为代谢组学研究的关键技术，凭借其高灵敏度与定量能力，成为动态监测细胞代谢的有力工具。本文聚焦于这两大技术的最新进展，重点探讨其在单细胞与群体细胞水平上的实时分析策略。

质谱技术：从群体到单细胞的代谢解析

质谱技术通过多种电离方式的创新，显著提升了活细胞代谢分析的时空分辨率。基质辅助激光解吸电离（MALDI）可实现组织与细胞切片中代谢物的空间成像；二次离子质谱（SIMS）尤其适用于单细胞层面元素与小分子代谢物的高分辨率定位；解吸电喷雾电离（DESI）则可在常压下直接对生物样本进行非破坏性分析。实时直接分析（DART）与纳米电喷雾电离（nano ESI）进一步推动了质谱在动态监测活细胞代谢反应中的应用，为揭示细胞异质性提供了独特视角。

核磁共振技术：突破灵敏度局限的超极化策略

NMR技术虽具有无损检测、可定量等优势，但其低灵敏度限制了在代谢组学中的应用。为此，超极化技术大幅增强了NMR的信号强度。动态核极化（DNP）利用微波激发电子自旋极化并转移至核自旋，使灵敏度提升数万倍；仲氢诱导极化（PHIP）和可逆交换样本放大（SABRE）则通过氢分子自旋态调控实现信号增强。此外，高分辨魔角旋转（HRMAS）NMR可用于完整细胞或组织的代谢分析，而体内磁共振波谱（MRS）技术更是实现了活体水平上的实时代谢监测。

代謝组学数据分析工具

为处理MS与NMR产生的高维数据，多变量统计分析工具成为不可或缺的部分。主成分分析（PCA）能够降维并识别样本间的代谢差异；偏最小二乘判别分析（PLS-DA）则进一步用于寻找类别间差异显著的代谢物标志物，为生物学解释提供依据。

技术应用与展望

MS与NMR的互补性技术在单细胞代谢组学与群体细胞分析中展现出巨大潜力。MS擅长高通量、高灵敏度地检测微量代谢物，尤其适用于异质性研究；NMR则擅长无损、动态地追踪代谢流与实时反应。未来，两类技术的融合与仪器微型化将推动其在精准医学、疾病机制研究和药物开发等领域的更广泛应用。