《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Advance in signal amplification based on element labelling in atomic emission/mass spectrometry
编辑推荐：
郝帆安|杨林|刘梦珍|谭超|陈俊波|何娟|侯贤登|江雪中国四川省成都市610068，四川师范大学化学与材料科学学院，教育部西南地区土地资源评价与监测重点实验室摘要基于元素标记的感应耦合等离子体质谱/光学发射光谱技术将目标识别转化为可量化的元素信号，从而扩展了原子光谱在非金属目标检
郝帆安|杨林|刘梦珍|谭超|陈俊波|何娟|侯贤登|江雪
中国四川省成都市610068，四川师范大学化学与材料科学学院，教育部西南地区土地资源评价与监测重点实验室
摘要
基于元素标记的感应耦合等离子体质谱/光学发射光谱技术将目标识别转化为可量化的元素信号，从而扩展了原子光谱在非金属目标检测中的应用。然而，传统的元素标记策略在分析极低丰度目标或痕量样品时仍存在灵敏度瓶颈。为突破这一限制，人们开发了三种信号放大策略：基于高负载标记的静态放大、基于目标循环/核酸放大的动态放大，以及利用生物素-链霉亲和素系统的亲和放大。这些策略显著提升了检测灵敏度，推动了元素分析向单细胞、单颗粒和单分子事件计数的新阶段发展。本综述总结了过去十年中该领域的研究进展，重点介绍了信号放大策略的设计原理及其在生命科学、食品安全、环境监测和临床诊断等复杂样品分析中的表现。此外还探讨了未来的发展方向，包括微型化仪器、新型多元素标记以及人工智能辅助数据分析，旨在为高度敏感且具有选择性的原子光谱/质谱技术在更广泛领域的应用创新提供参考。
引言
感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）和感应耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）是两种主流的无机元素分析技术。这两种技术均以感应耦合等离子体作为激发/电离源，通过测量其独特的光学发射光谱或质荷比来实现定性鉴定和精确定量分析，具有灵敏度高、动态范围宽以及能够同时检测多种元素的优势。如今，这些技术已成为微量元素分析的核心工具，并被广泛应用于环境监测、食品安全和生命科学等领域[1]、[2]。
然而，ICP-MS/OES难以直接检测蛋白质、核酸和细胞等生物大分子。为突破这一限制，基于元素标记技术的间接检测策略应运而生：通过化学或生物亲和力将特定的稳定金属元素标记到目标分子上，再利用高灵敏度的元素分析仪（如ICP-OES和ICP-MS）检测标记元素的浓度，从而间接实现对目标的定量分析[3]。这种方法将非金属目标（如蛋白质和核酸）转化为可检测的元素信号，大大拓展了原子光谱/质谱的应用范围。典型的元素标记通常由两部分组成：作为ICP-MS/ICP-OES信号报告子的金属部分，以及负责生物分子识别和标记的目标部分[4]、[5]。基于元素标记的ICP-MS/ICP-OES多重检测技术的核心优势在于可以利用大量具有不同质谱或原子发射光谱的金属标记物，从根本上避免了基于分子光学光谱（如荧光）的多重检测方法中难以解决的光谱重叠问题[2]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，这一特点为高通量多标记分析提供了独特的技术基础。
关于元素标记ICP-MS生物分析的研究始于2001年，当时张等人[18]首次在抗体上标记镧系金属离子用于蛋白质检测，为元素标记技术在生命分析科学中的应用开了先河。在此基础上，Ornatsky等人[19]于2008年系统构建了基于镧系标记的多指标分析方法，为该技术的标准化奠定了理论基础。2009年，Bandura等人[20]进一步将金属标记与飞行时间质谱结合，发明了可用于同时检测40多种目标的单细胞质量分析法。随着纳米材料时代的到来，刘等人[21]于2011年首次将金和银纳米粒子作为元素标记物，充分展示了纳米标记物在信号放大和多目标检测方面的独特优势，为后续的高灵敏度检测奠定了基础。从金属螯合物到功能化纳米材料，元素标记ICP-MS的发展历程清晰体现了分析化学与生命科学之间相互融合的创新趋势，也可称为生命分析化学。
尽管取得了这些进展，传统的元素标记策略在极低丰度目标或痕量样品中的信号增益仍然有限，即单个目标上加载的金属原子数量不足，导致难以突破检测灵敏度的限制，进而严重制约了其在单细胞分析和环境微污染检测等前沿领域的应用。这种通常高达2～3个数量级的灵敏度差距，正是信号放大策略需要解决的根本问题。此外，传统标记中常用的镧系金属具有固有的生物毒性，会干扰正常的生理过程，进一步限制了它们的应用[22]。相比之下，新型信号放大策略具有高效且生物毒性低的优点，还能适配于ICP-OES这类灵敏度较低的仪器以及微型化设备，从而提升仪器的性能[23]。因此，开发新型信号放大策略已成为突破这一限制的关键研究方向。信号放大策略的核心在于通过物理、化学或生物学手段增加每个目标分子上可检测的元素标记数量，从而突破传统标记策略的灵敏度瓶颈。目前主流的信号放大策略可分为三类（见图1）：通过纳米材料富集实现高信号输出；利用生物素-链霉亲和素系统构建放大网络实现亲和放大；以及通过核酸放大（如DNA行走器）将目标识别转化为高效的信号释放。这些策略可以单独使用，也可以级联组合使用，从而显著提升原子/质谱检测的灵敏度，为单细胞分析和痕量病原体检测等前沿应用提供有力工具。
得益于这些信号放大策略，基于元素标记的原子/质谱技术的灵敏度得到了数个数量级的提升，使得能够准确量化单细胞上低表达的标记物，实现多蛋白的同时成像，以及检测环境样本中的痕量病原体和耐药基因。在本综述中，我们总结了过去十年中基于元素标记的原子光谱/质谱领域信号放大策略的进展。我们重点探讨了这些策略的主要设计原则及其对不同类型元素标记物（镧系元素、纳米粒子、元素标记聚合物等）的适用性，同时对其在生命科学、环境监测和临床诊断等复杂样品分析中的性能、优势及局限性进行了评述。此外，我们还预判了该领域的挑战与未来发展趋势，为高灵敏度原子/质谱分析方法的进一步创新提供参考。期望本综述能为现有方法的优化以及基于元素标记的分析新策略的开发提供指导。
章节节选
基于高负载标记的静态放大
为满足信号放大的需求，元素标记策略不断演变，旨在增加每个标记物上的金属原子数量：从金属离子螯合物和金属纳米粒子，发展到DNA自组装包裹的金属纳米结构以及核酸适配体-金属螯合物。标记物的负载能力从数十个原子提升到了数万个原子，从而实现了信号输出的逐步增强，为后续高灵敏度的ICP-OES/ICP-MS检测奠定了标记基础。
应用领域
得益于上述信号放大策略，基于元素标记的原子光谱/质谱技术的间接检测灵敏度得到了数个数量级的提升，从而能够完成许多具有挑战性的分析任务。在生命科学领域，这种放大策略使得能够准确量化单细胞表面的低表达标记物（如PD-L1、HER2），甚至可以实现多种蛋白质的同时成像
总结与展望
信号放大技术与原子光谱/质谱技术的结合，不仅拓展了这些技术原本仅限于元素分析的应用范围，使其能够精准检测蛋白质和核酸等非元素目标，还在灵敏度、抗干扰能力以及多组分同时分析方面展现出显著优势。该技术的整合为
CRediT作者贡献说明
杨林：撰写——综述与编辑，数据整理。刘梦珍：撰写——综述与编辑，数据整理。谭超：撰写——综述与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。陈俊波：撰写——综述与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。何娟：撰写——综述与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。侯贤登：撰写——综述与编辑，项目管理，资金获取
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号22104103和22576142）、四川过程分析控制重点实验室开放基金（编号GCFX2024005）、四川师范大学基金（项目编号ZZYQ2023001和SYJS2023007），以及四川师范大学化学与材料科学学院的研究生创新基金所提供的财政支持。
