一种基于 CLA-ICP-MS 的新鲜动物软组织中铈定量成像的冷冻悬浮外标校准策略

《Talanta》：A frozen-suspension external calibration strategy for quantitative imaging of Ce in fresh animal soft tissues by CLA-ICP-MS

　　# 摘要开发了一种简单可靠的用于新鲜动物软组织定量元素成像的外部校准策略，该策略基于激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）与低温烧蚀室（CLA-ICP-MS）的联用。将动物组织标准参考物质的粉末制备的悬浮液冷冻在低温烧蚀室中，然后作为外部标准使用。与传统的压片法等外部标准制备方法相比，该策略具有可控的固液比，不仅确保了与新鲜动物组织样本的高度基质匹配，还显示出显著的增敏效果（信号强度增加了1.3至8.2倍）。该方法过程简单可靠，可确保悬浮液外部标准的良好分散性和可接受的长期稳定性，克服了明胶标准容易因吸湿而劣化的缺点。该方法通过动物标准参考物质进行了验证，大多数元素的相对误差低于10%，检出限（LODs）范围为0.1 ng g?1（Ba）至1872 ng g?1（K）。将该方法应用于CeO?纳米颗粒暴露后小鼠脾脏中Ce分布的成像研究，结果与之前的研究相似，证明了该方法在研究金属纳米颗粒毒理学机制方面的潜力。# 引言金属基纳米材料的广泛使用对人类健康构成了威胁[1]。金属纳米颗粒（MNPs）主要通过职业暴露、某些消费品（如化妆品和喷雾剂）以及环境介质（包括水和空气）[[2], [3], [4]]与人体接触。MNPs被认为具有生物毒性，因为它们可以增加生物细胞中活性氧（ROS）的水平，从而导致细胞凋亡[5,6]。目前对MNPs生物毒性的研究主要集中在可观察效应上[7]，而对其归宿——迁移、转化、分布和积累——的研究仍然不足[8,9]。对MNPs毒理学机制的进一步探索依赖于了解其在生物体内的含量和分布变化[10]。适用于新鲜动物组织的定量元素成像技术是研究金属在生物组织中分布和浓度的关键。目前，高分辨率元素成像技术，如能量色散X射线光谱（EDX）[11]、二次离子质谱（SIMS）[12]和X射线荧光光谱（XRF）[13]，能够实现固态材料中元素分布的可视化。然而，由于成本高且样品制备要求苛刻[14]，使用EDX进行动物组织元素图谱的研究很少。SIMS可以同时提供样品表面元素和小分子的信息[15]。常规XRF可能不足以进行痕量分析，而使用同步辐射作为激发源可以实现更高的空间分辨率和灵敏度[16]。然而，需要注意的是，这些技术目前在同时提供亚微米空间分辨率、高灵敏度和高扫描速度的定量元素图像方面仍面临挑战[10]。激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）是一种具有高灵敏度和空间分辨率的原位微分析技术，广泛用于生物样本的定量成像[[17], [18], [19], [20], [21]]。然而，新鲜动物组织（如脾脏和肝脏）的高含水量和软基质带来了两个挑战：（1）烧蚀过程产生扩大的坑，降低了空间分辨率，并混合了坑和周围区域的信号[22,23]；（2）缺乏用于定量的基质匹配外部标准。低温烧蚀室成功地冻结和固化了高含水量的新鲜动物组织，从而有效避免了激光烧蚀坑的扩大[[22], [23], [24]]。然而，软组织基质匹配外部标准的制备策略仍需进一步发展，以克服LA-ICP-MS中的基质效应[25,26]。各种外部标准制备策略已发展为生物组织的定量元素成像[26]。压片法由于制备简单和精度良好而被广泛使用[27,28]。然而，其基质（如含水量、密度、硬度）与新鲜软组织差异显著，限制了其适用性。Becker等人[24]提出了一种添加生物均质体标准：脑组织被均质化，与标准溶液混合，冷冻并切片。尽管这提供了可接受的基质匹配，但它存在元素分布不均匀、制备复杂和稳定性差的问题。最近，基于水凝胶的标准（如添加分析物的明胶）应运而生[19,29,30]。明胶标准易于制备并提供低检出限[31,32]，但其组成与新鲜动物组织不同，并且存在诸如"咖啡渍"效应（导致分布不均匀）和容易因吸湿而劣化等问题[10,19,33]。因此，迫切需要开发一种可靠的外部校准策略，用于高含水量新鲜动物组织的元素定量成像分析。本工作中，我们开发了一种用于新鲜动物组织定量元素成像的外部校准策略，该策略基于LA-ICP-MS与低温烧蚀室（CLA-ICP-MS）的联用。将制备的动物组织悬浮液冷冻在低温烧蚀室中，然后作为外部标准使用。探索和优化了冷冻悬浮液外部标准的关键性能指标（包括基质效应、元素分布均匀性、增敏效果和长期稳定性），以确保其可靠性。此外，验证了该方法的分析性能可靠性，并将该方法应用于CeO?纳米颗粒暴露后小鼠脾脏组织中Ce元素的定量成像分析。# 章节摘录## 仪器实验使用Coherent GeoLas 193 nm ArF准分子激光烧蚀（LA）系统（MicroLas G?ttingen, 德国）与Agilent 7700x ICP-MS（Agilent Technologies, 东京, 日本）联用进行。使用了我们研究小组先前开发的低温烧蚀室，工作温度设置为-25°C。表S1详细列出了LA-ICP-MS的优化参数。LA-ICP-MS在运行和优化前预热约30分钟。氦气用作载气。## 悬浮液粒度对元素分布均匀性的影响为了探索粒度对元素分布均匀性的影响，使用LA-ICP-MS的线扫描模式分析了三种由GBW10051粉末制备的悬浮液，监测2?Mg、??Mn、?3Cu、??Zn、13?Ba、1??Ce和2??Pb作为代表性元素，结果如图1a–d所示。图1a展示了三种悬浮液的粒度分布，其中粗颗粒、中颗粒和细颗粒悬浮液的尺寸范围分别为1700–4000 nm、900–2400 nm和。## 检出限在本实验中，0.1% PAANa溶液使用CLA-ICP-MS重复测量11次，使用11个平行信号中对应分析物的三倍标准偏差，根据Longerich等人[47]的研究计算检出限（LODs）。如表1所示，该方法的检出限范围为0.1 ng g?1（Ba）至1872 ng g?1（K）。低检出限可能归因于PAANa中杂质元素含量低。## 准确度和精度的验证为了验证准确度和精度。## 结论本工作中，提出了一种基于CLA-ICP-MS用于新鲜动物组织元素定量成像分析的冷冻悬浮液外部校准策略。将制备的动物组织悬浮液冷冻在低温烧蚀室中，然后作为外部标准使用，显示出可接受的元素均匀性和颗粒分散性。可控的固液比有效地实现了与新鲜动物组织的有效基质匹配。值得注意的是，一个显著的信号……## CRediT作者贡献声明**Fan Li：** 写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，资源，方法学，概念化。**Jianbo Shi：** 写作—审阅与编辑，可视化，验证，资源，资金获取。**Lanlan Jin：** 写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化。**Wei Guo：** 写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，可视化，验证。**Shenghong Hu：** 写作—审阅与编辑，可视化，验证，资源，项目管理，资金获取。## 利益冲突声明作者没有需要声明的与本文内容相关的利益冲突。## 致谢本研究得到国家自然科学基金（22506025）和鄂尔多斯市重点研发计划（YF20240037）的资助。感谢杭州普宇科技发展有限公司提供的技术支持。Fan Li | Jianbo Shi | Lanlan Jin | Wei Guo | Shenghong Hu