關(guān)鍵詞 電感耦合等離子體質(zhì)譜；單細胞分析；金屬；外源物質(zhì)；內(nèi)源物質(zhì)；評述

細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)和功能單元，在單細胞層面的研究對分析細胞性質(zhì)和了解細胞行為具有重要意義[1]。內(nèi)源物質(zhì)是指細胞本身含有或產(chǎn)生的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核苷酸、胞外分泌物及其相關(guān)的化學元素等，在細胞的生長發(fā)育、信號轉(zhuǎn)導和基因表達等過程中發(fā)揮著重要作用[2-3]。外源物質(zhì)是指來源于外界環(huán)境且對于細胞生理活動非必需的物質(zhì)，如重金屬、金屬藥物和納米顆粒等，可通過不同的途徑進入細胞，對細胞的生長、分化、代謝和凋亡等環(huán)節(jié)產(chǎn)生不同的影響。因此，對細胞中的內(nèi)源物質(zhì)和外源物質(zhì)進行檢測對于揭示細胞的生理功能和病理機制，評估外源物質(zhì)的生物效應(yīng)和環(huán)境風險均具有重要意義。

傳統(tǒng)的細胞元素定量分析一般通過測定細胞消解后整個細胞群體中元素的總量而進行[4]。然而，由于細胞的異質(zhì)性，每個細胞具有不同的基因、蛋白質(zhì)表達水平和元素豐度，由整個細胞群體產(chǎn)生的平均值掩蓋了單個細胞的重要信息[5]。單細胞分析是一種能夠揭示細胞異質(zhì)性和動態(tài)變化的重要手段，可以提供更加細致和全面的細胞信息，為細胞的研究和應(yīng)用提供更多的可能性。單細胞電感耦合等離子體質(zhì)譜（Single cell-inductively coupled plasma-mass spectrometry， SC-ICP-MS）是一種基于電感耦合等離子體質(zhì)譜的單細胞元素分析技術(shù)，通過將單個細胞引入到高溫等離子體中，使細胞原子化和電離，然后利用質(zhì)譜儀對細胞中的元素進行檢測和定量分析，基本流程如圖1 所示。SC-ICP-MS 具有高靈敏度、高通量和高分辨率的優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于檢測單細胞中的內(nèi)源物質(zhì)，也逐漸被應(yīng)用于探究重金屬、金屬藥物和納米顆粒等外源物質(zhì)在細胞內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)化、累積和毒性。

本文介紹了SC-ICP-MS 的單細胞樣品制備流程，包括分離、洗滌、固定等步驟，以及目前通用的樣品引入系統(tǒng)和定量方法的優(yōu)勢和存在的問題，總結(jié)了近年來SC-ICP-MS 在檢測細胞內(nèi)源物質(zhì)、外源物質(zhì)和同時檢測內(nèi)外源物質(zhì)方面的應(yīng)用研究進展，展示了其在環(huán)境、醫(yī)學和材料等領(lǐng)域中的研究價值和應(yīng)用前景，為SC-ICP-MS 的進一步發(fā)展和應(yīng)用提供了參考。

1 SC-ICP-MS 的樣品制備

SC-ICP-MS 已用于分析不同來源和不同類型的細胞。單細胞樣品制備是SC-ICP-MS 分析的重要前提和基礎(chǔ)，涉及到細胞的分離、清洗和固定等步驟，目的是獲得單分散、無污染和形態(tài)穩(wěn)定的單細胞懸液，以便于后續(xù)的細胞引入和分析。樣品制備的方法和條件取決于細胞的大小、形態(tài)和穩(wěn)定性等參數(shù)，具體流程如圖2 所示。

對于成分簡單的單細胞體系，如細菌[6-7]、酵母細胞[8-9]和單細胞藻類[10-13]等，通常只需要進行簡單的離心、洗滌和稀釋后即可直接進行測定，降低了基質(zhì)效應(yīng)，減少了樣品堵塞。對于人[14-15]和其它哺乳動物細胞系[16-17]等易團聚和貼壁的體系，常用的方法是加入低濃度的胰蛋白酶，使得細胞與瓶壁表面之間的粘附蛋白水解，獲得懸浮的單個細胞。但是，胰蛋白酶的蛋白水解活性也可能會損傷細胞[18]，因此，該過程必須小心進行，一旦獲得細胞懸液，應(yīng)立即進行分析，避免細胞損傷。

從多細胞生物體中獲取單細胞樣品一直是單細胞研究的一個較大的技術(shù)瓶頸。獲取方法的選擇需考慮樣品的特性、來源以及擬采用的處理和分析方法。對于實體組織中單個細胞的獲取和測定，通常采用物理切割、洗滌、酶解和過濾的方式。以Wistar 大鼠為例[19]，如圖2C 所示，首先對暴露后大鼠的不同器官進行取樣，多次洗滌棄去上清液，以清洗去除殘留的血液和其它不需要的生物材料；將組織切成小塊以增加其總表面積，并再次洗滌；使用蛋白水解酶孵育進行組織分解，過濾混懸液，得到單細胞溶液；最后經(jīng)過固定、洗滌和再分散過程后再進行儀器測試。在對植物的研究中，通常將傳統(tǒng)的原生質(zhì)體分離和細胞培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合獲取單細胞樣品。目前，對原生質(zhì)體進行的研究包括單細胞轉(zhuǎn)錄組測序、DNA 轉(zhuǎn)化、生物膜研究和植物育種等[20-21]，但使用SC-ICP-MS 對原生質(zhì)體進行單細胞異質(zhì)性的研究目前仍然很少。

對于酵母、細菌和單細胞藻類，細胞壁的存在保證了細胞穩(wěn)定性，使得大多數(shù)細胞能夠在離心、洗滌、稀釋和霧化過程中保持細胞的完整性。因此，這些細胞常被用于SC-ICP-MS 新方法和細胞導入系統(tǒng)的開發(fā)和表征[22]。然而，當處理人類及其它哺乳動物細胞系時，細胞在稀釋過程中可能由于滲透壓變化而破裂。為了解決細胞穩(wěn)定性的問題，常用策略是采用固定劑化學固定懸浮液中的細胞結(jié)構(gòu)[23]。戊二醛、甲醛和多聚甲醛等是細胞研究中最常用的固定劑[24]，主要通過在蛋白質(zhì)內(nèi)或蛋白質(zhì)間形成交聯(lián)而固定細胞，可有效地保存細胞結(jié)構(gòu)[25-26]。當細胞收集和分析之間存在時間間隔，或當樣品制備可能損害細胞結(jié)構(gòu)時，細胞固定過程對于單細胞分析尤為重要[27]。

2 SC-ICP-MS 的樣品引入

在SC-ICP-MS 分析過程中，一定時間內(nèi)進入等離子體中被離子化的細胞數(shù)與引入的懸液中細胞總數(shù)的比值被稱為細胞傳輸效率（η）。良好穩(wěn)定的細胞傳輸效率是開展單細胞研究的前提條件。通常使用NIST 認證的納米顆粒[28]或金屬編碼的聚苯乙烯珠[13]確定傳輸效率，并認為這些標準顆粒到達等離子體后信號強度足以被完全檢出。但是，由于細胞的密度、形態(tài)和大小等性質(zhì)與標準顆粒均存在差異，在等離子體中可能存在傳輸效率不一致的情況，因此實際上標準顆粒難以準確地代表細胞的傳輸效率。為了解決此問題，近年來提出了“內(nèi)標法”測定細胞傳輸效率的策略，即選取具有低電離能、低干擾，并且在細胞中含量高且穩(wěn)定的細胞內(nèi)源元素（如P、Mg）作為指示元素，用于評估細胞傳輸效率和計算其它元素的檢出率[29]。此外，還有研究者以Ir 為DNA 嵌入劑標記細胞核內(nèi)的核酸，通過測定Ir 進行細胞計數(shù)[30]，這種標記檢測方法相較于直接檢測內(nèi)源元素的方法更加靈敏和準確。

傳統(tǒng)的ICP-MS 樣品引入系統(tǒng)的樣品消耗量較大且傳輸效率低。為了提高細胞傳輸效率和精度，研究者陸續(xù)開發(fā)了多種類型的單細胞進樣系統(tǒng)，包括改進的霧化器和霧化室[31]、微流控芯片[32-33]、改進的毛細管[34]及新型多功能的復雜進樣系統(tǒng)[35-36]等。改進后樣品引入系統(tǒng)的細胞傳輸效率最高可達到100%。此外，在樣品引入時，還要控制合適的細胞密度，使得在一個駐留時間內(nèi)只有一個細胞被檢測，并盡可能減少背景信號和管路記憶效應(yīng)，使得每個信號峰真實地反映單個細胞內(nèi)的元素含量信息[37]。為了量化單細胞中的元素含量，通常采用比較元素標準溶液和單細胞的信號強度計算細胞中的元素質(zhì)量，定量分析結(jié)果與基于細胞消解的ICP-MS 元素總量檢測結(jié)果之間具有良好的一致性[38]。

3 SC-ICP-MS 對細胞內(nèi)外源物質(zhì)的檢測

SC-ICP-MS 通過高通量逐個引入細胞，可對單個細胞中的元素進行高靈敏檢測和定量分析，提供細胞異質(zhì)性信息，因此在細胞內(nèi)外源物質(zhì)的檢測中發(fā)揮了重要作用。近十年來，使用SC-ICP-MS 測定細胞內(nèi)外源物質(zhì)的代表性研究成果見電子版文后支持信息表S1。

3.1 SC-ICP-MS 對細胞內(nèi)源物質(zhì)的檢測

SC-ICP-MS 能夠獲得內(nèi)源物質(zhì)在細胞中的含量和分布信息，有助于研究細胞的生理和病理機制，以及相關(guān)疾病的診斷和治療。

細胞利用元素的物理化學特性控制其相關(guān)生命活動，因此，通過測定胞內(nèi)元素的含量和分布可以得到細胞的狀態(tài)信息。相較于傳統(tǒng)的光譜和質(zhì)譜分析技術(shù)，使用SC-ICP-MS 測定單個細胞中的金屬元素（如Fe、Cu、Mg 和Zn 等）和非金屬元素（如P 和S 等）解決了樣品需求量大、易受污染和易受光譜干擾等問題[39]。因此， SC-ICP-MS 已被廣泛用于測定細菌[40]、酵母細胞[9，38]、單細胞藻類[29，41-42]、哺乳動物[33-43]及人類[14，34]等多種生物細胞的內(nèi)源元素含量。此外，使用SC-ICP-MS 獲得的細胞內(nèi)源元素分布信息可以揭示更詳細的細胞生理過程。Wu 等[43]通過對不同類型生精細胞（精原細胞、精母細胞、圓形精細胞和延長型精細胞）中Mg、P、Cr、Mn、Fe 和Zn 等元素進行測定，發(fā)現(xiàn)元素含量和分布模式隨著精子發(fā)生進程而發(fā)生變化，為揭示礦物元素在精子發(fā)生和精子質(zhì)量調(diào)節(jié)過程中的作用提供了直接的證據(jù)。Wang 等[31]對3 種人細胞系（宮頸癌細胞（HeLa）、肺癌細胞（A549）和正常人支氣管上皮細胞（16HBE））中Fe、Cu、Zn、Mn、P 和S 等元素進行單細胞分析的結(jié)果顯示，元素的分布模式在不同的細胞系中也呈現(xiàn)出明顯的差異。重要的是，該研究僅在2 種癌細胞中發(fā)現(xiàn)P 和S 元素呈現(xiàn)出多峰分布，說明癌細胞的變異使其相較于正常細胞表現(xiàn)出更顯著的種內(nèi)異質(zhì)性。

對于內(nèi)源大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）無法通過直接測定元素對其進行分析，可以采取抗體標記手段間接獲得蛋白的含量和表達量。例如，使用合成的金納米團簇（AuNCs）作為免疫探針，通過SC-ICP-MS 測定單個細胞中的Au，可以間接得到人視網(wǎng)膜色素上皮細胞（HRPEsv）中載脂蛋白和金屬硫蛋白的含量[44]。此外，將含有用Ni 或Co 標記的熒光蛋白基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌中，再誘導蛋白表達，通過SC-ICP-MS測定單個細胞中的Ni 或Co 含量可以反映蛋白的表達量[40]。特別的是，對于通過金屬標記蛋白的分析方法，結(jié)合流式細胞技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)的質(zhì)譜流式細胞術(shù)（Cytometry by time of flight， CyTOF）已發(fā)展為成熟的單細胞分析手段，其具體原理及應(yīng)用已在相關(guān)文獻中詳細描述[45-46]。CyTOF 使用穩(wěn)定的貴金屬或稀土金屬元素（主要是鑭系元素）標記的特異性抗體標記細胞表面和胞內(nèi)蛋白，通過檢測每個細胞上的各種金屬標簽，在單細胞水平上提供了關(guān)于倍性、免疫表型、細胞亞群頻率、蛋白質(zhì)表達水平以及功能表征等關(guān)鍵生物學信息。為防止高豐度低質(zhì)荷比元素對檢測器性能的影響，目前的CyTOF 儀器只能檢測m/z 75～209 范圍內(nèi)的元素。單細胞電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜（SC-ICP-time of flight （TOF）-MS）在同時檢測低質(zhì)荷比元素中具有優(yōu)勢[47]。

3.2 SC-ICP-MS 對細胞外源物質(zhì)的檢測

SC-ICP-MS 可對單個細胞中各種外源物質(zhì)進行檢測和定量，探究外源物質(zhì)在細胞中的富集行為，進而評估外源物質(zhì)的生物效應(yīng)和風險。

3.2.1 金屬（類金屬）的檢測

環(huán)境中廣泛存在的重金屬通過各種途徑進入細胞，其毒性取決于重金屬元素的種類、濃度、物理性質(zhì)和化學形態(tài)。傳統(tǒng)方法常采用消解測總量的方式判斷細胞對重金屬的平均積累水平，但忽略了細胞的異質(zhì)性，而SC-ICP-MS 技術(shù)可以從單個細胞的角度提供重金屬的積累信息。

細胞對金屬元素的攝取存在種間和種內(nèi)異質(zhì)性。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的單個淡水浮游植物細胞（角星鼓藻、二角盤星藻和尖銳柵藻）對砷酸鹽的攝取存在種間差異[48]。對于Cu 處理下的嗜肺軍團菌，隨著暴露濃度增加和暴露時間延長，種內(nèi)細胞出現(xiàn)了明顯的長尾現(xiàn)象，Cu 積累較高的細胞數(shù)量明顯增加[7]。這種細胞對外源金屬攝入的種間和種內(nèi)異質(zhì)性在很大程度上可能與細胞大小有關(guān)[29]。不同元素在單個細胞上可能存在協(xié)同、競爭或保護行為。例如，在硒代蛋氨酸（SeMet）和硒代甲硫氨酸（SeMeSeCys）的保護作用下，單個人神經(jīng)母細胞瘤細胞系（SH-SY5Y）中積累的甲基汞含量減少，積累高含量甲基汞的細胞的百分比降低[49]。重要的是，只有當使用考慮細胞間異質(zhì)性的SC-ICP-MS 技術(shù)時才能得出這些結(jié)論，當消解細胞后，再使用ICP-MS 進行測定時，無論細胞是否暴露這兩種形態(tài)的硒，SH-SY5Y 細胞中積累甲基汞的數(shù)值之間均無統(tǒng)計學顯著差異（pgt;0.05）。

3.2.2 金屬藥物的檢測

自1969年Rosenberg 等[50]發(fā)現(xiàn)順鉑的抗癌特性以來，研究人員合成了多種鉑化合物，通過與核苷酸堿基的氮原子結(jié)合，引起DNA 結(jié)構(gòu)變化，從而使細胞周期停止并誘導細胞程序性死亡。不同類型的細胞對同種鉑金屬藥物的攝入存在種間和種內(nèi)差異。以人卵巢癌細胞系A(chǔ)2780（順鉑敏感型細胞）和A2780cis（順鉑耐藥型細胞）為例，將兩種細胞暴露于相同濃度的順鉑下，采用SC-ICP-MS 檢測單個細胞內(nèi)的Pt 含量。結(jié)果表明，A2780 細胞比A2780cis 細胞積累的Pt 含量更高，并且隨著順鉑濃度增加，A2780 細胞內(nèi)Pt含量的增加程度顯著高于A2780cis 細胞[51]。此外，A2780 細胞中的Pt分布更離散，表明A2780 相較于A2780cis 細胞受Pt 暴露的影響更敏感，在攝入過程中呈現(xiàn)出更明顯的種內(nèi)異質(zhì)性[51]。不同類型的鉑金屬藥物在同種細胞中的富集也存在顯著的差異。Lim 等[52]采用順鉑、卡鉑和奧沙利鉑3 種鉑金屬藥物分別處理A2780 細胞，SC-ICP-MS 測定結(jié)果顯示，與順鉑處理的細胞相比，雖然在奧沙利鉑處理的細胞中檢出的積累有Pt 的細胞數(shù)量較低，但奧沙利鉑處理的細胞中單個細胞內(nèi)積累的Pt 含量反而增加了約1.2 倍。另一方面，卡鉑處理的細胞中積累Pt 的細胞數(shù)量以及單個細胞內(nèi)積累的Pt 含量與順鉑處理的細胞相比均低約2 倍[52]。此外，在以野生型癌細胞系（A24）和相關(guān)抗性亞系（A24dPt2、A24dPt4 和A24dPt8）為研究對象進行的順鉑攝取實驗中，除了得到上述類似的結(jié)果外，更重要的是使用SC-ICP-MS 在不同細胞系的細胞核上都檢測到極高的順鉑濃度，并隨著時間延長而顯著升高。使用質(zhì)量守恒計算得到細胞核內(nèi)順鉑的平均濃度比細胞質(zhì)約高兩倍，表明順鉑主要作用于細胞核的DNA[53]。因此，SC-ICP-MS方法具有區(qū)分對藥物敏感和耐受的不同細胞系之間差異的潛力，有助于研究細胞對金屬藥物的耐藥性機理和預測金屬藥物的治療效果，金屬藥物治療也需要針對細胞異質(zhì)性制定一定的評估標準。

3.2.3 納米顆粒的檢測

納米顆粒因其獨特的理化性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于生物、材料和能源等領(lǐng)域。近年來，納米顆粒的環(huán)境與健康風險日益受到關(guān)注，對細胞的納米顆粒攝入、耐受性和累積效應(yīng)的研究逐漸增多。

金納米顆粒（AuNPs）由于化學性質(zhì)穩(wěn)定且制備過程簡單，常作為研究納米顆粒在單細胞中攝入行為的模型分析物。Merrifield 等[13]在探究淡水藻（卵形引藻）對AuNPs 的攝入時發(fā)現(xiàn)，隨著時間和濃度的增加，含Au 細胞的百分比和每個細胞中的Au 含量均顯著增加，并且在細胞內(nèi)具有持久性。Oliver 等[15]在人類急性單核細胞白血病細胞系（THP-1）攝入銀納米顆粒（AgNPs）的研究中也觀察到相似的結(jié)果。在量子點（羧基CdSeS）的攝入動力學研究中，研究者對比了SC-ICP-MS 和流式細胞術(shù)兩種單細胞技術(shù)對小鼠白血病單核巨噬細胞（RAW 264.7）的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)整體趨勢一致，即CdSeS 的攝取在前8 h 逐漸增加，并在8～12 h 趨于平穩(wěn)。但是，由于量子點的聚集、降解和熒光淬滅，流式細胞術(shù)在12 h 與2 h 的歸一化熒光強度的比值比SC-ICP-MS 的歸一化Cd 強度比值低2.8 倍，而SC-ICP-MS 可通過元素直接檢測細胞內(nèi)的量子點及其降解產(chǎn)物，因此可作為量子點攝取動力學研究的重要手段[17]。Cassano 等[54]以摻雜AuNPs 的聚乙烯（PE-Au）和聚氯乙烯（PVC-Au）作為模型探究人結(jié)腸癌細胞（Caco-2）和小鼠白血病單核細胞巨噬細胞（RAW 264.7）對納米塑料的攝入，證實了納米塑料的內(nèi)吞途徑以及與細胞膜和微絨毛的相互作用。同時，該研究還發(fā)現(xiàn)，雖然當細胞暴露于100 μg/mL 的PE-Au 或PVC-Au 時，在RAW 264.7 和Caco-2 細胞中都檢測到內(nèi)化的納米塑料；當納米塑料暴露條件為1 μg/mL 時，Caco-2 細胞內(nèi)卻未檢測到任何內(nèi)化的PE-Au 或PVC-Au?？紤]到環(huán)境中尺寸低于0.5 μm的塑料碎片的濃度可能比實驗研究濃度低幾個數(shù)量級（約1 μg/L）， 表明不現(xiàn)實的劑量條件可能導致關(guān)于塑料垃圾對海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的誤導性結(jié)論[54]。

需要指出的是，在SC-ICP-MS 分析模式下，有別于溶解態(tài)元素產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)信號，單個細胞和納米顆粒均會產(chǎn)生瞬態(tài)峰信號。因此，使用SC-ICP-MS 探究細胞對納米顆粒的攝入行為時，區(qū)分樣品溶液中游離的納米顆粒、已攝入和未攝入納米顆粒的細胞是最基本的要求。首先，可以通過檢測元素信號強度進行粗略判斷。如圖3A 所示， 31P 的檢出可以確定這些事件均為細胞，攝入微塑料的細胞的12C 信號強度明顯高于未攝入微塑料的細胞[55]。為了進一步獲取準確的信息，使用SC-ICP-TOF-MS 同時測定納米顆粒和細胞的指示元素是目前常用的研究方法。如圖3B 所示， Tian 等[47]在探究藍藻細胞對AgNPs 的攝入行為時，同時檢出107Ag 和31P 的事件為攝入AgNPs 的藍藻細胞，而單獨檢出107Ag 的事件為游離的AgNPs。然而，當納米顆粒與細胞不具有易區(qū)分的特征元素時，如探究細胞對納米塑料的攝入行為時，可以選擇化學穩(wěn)定、相對容易獲得、對元素分析無干擾的元素（通常為金屬元素）對納米塑料進行標記，以該元素作為納米塑料的指示元素進行測定。圖3C 和3D 分別展示了使用Au[54]和Pd[56]標記納米塑料之后，可以有效區(qū)分溶液中游離的納米塑料、已攝入和未攝入納米塑料的細胞。

3.3 SC-ICP-MS 同時檢測內(nèi)外源物質(zhì)

在檢測外源物質(zhì)的過程中， SC-ICP-MS 通過測定內(nèi)源元素可識別檢測到的細胞；更重要的是，在進行外源刺激或暴露后，通過內(nèi)源元素含量的變化可以指示外源性物質(zhì)與細胞之間的相互作用。SC-ICPTOF-MS 技術(shù)通過同時檢測單個細胞的完整質(zhì)譜，表現(xiàn)出比SC-ICP-Q-MS 更強的配對事件獲取能力[47]，在同時檢測細胞內(nèi)外源物質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用。

在檢測外源元素的同時， SC-ICP-MS 可以通過同時測定細胞內(nèi)源的關(guān)鍵指示元素反映細胞功能和狀態(tài)，對檢出細胞數(shù)的定量和內(nèi)外源物質(zhì)的區(qū)分有重要作用。內(nèi)源指示元素的選取標準為：（1）低電離能和低干擾；（2）在細胞中具有高且穩(wěn)定的含量[57]。P作為生物膜、酶和核酸的重要組成元素之一，通常作為多種細胞檢出和定量分析的良好指示元素[58]。Mg 作為葉綠素的重要組成元素，常作為反映浮游植物細胞生理狀態(tài)的指示元素[12]。被細胞用作酶的輔因子的必需過渡金屬元素（如Cu、Fe 和Zn）也常作為輔助指示元素[56]。在SC-ICP-MS 測定過程中，將測定到的內(nèi)源指示元素的峰信號認定為細胞信號，進而獲得檢出的細胞事件數(shù)。采用SC-ICP-TOF-MS 在檢測外源納米顆粒特征元素的同時檢測多種內(nèi)源指示元素，從而區(qū)分納米顆粒和細胞事件，該部分內(nèi)容已在上文詳細討論。

在進行外源刺激或暴露后，內(nèi)源元素含量和分布也會發(fā)生變化，這種變化可指示外源影響與細胞之間的相互作用。一方面，可以體現(xiàn)外源物質(zhì)對細胞生理狀態(tài)的影響。在Cr（Ⅵ）脅迫下，小球藻細胞中的Mg 元素強度分布變得不對稱，表明不同細胞對Cr（Ⅵ）脅迫的反應(yīng)存在差異[12]。Ca 是精子活力的關(guān)鍵元素， Zhang 等[59]發(fā)現(xiàn)，缺乏鈣泵PMCA4 的小鼠附睪精子在獲能刺激后，Ca 含量顯著高于正常精子，其它元素（如Zn、Fe、Cu 和Mn）的含量和動態(tài)變化也與正常精子不同，提示元素平衡失調(diào)。此外， Lum 等[41]將小球藻暴露于AgNPs 中，使用SC-ICP-TOF-MS 同時檢測單個藻細胞的內(nèi)源性元素。第72 h 和第168 h的測定結(jié)果顯示，未暴露AgNPs 的單個藻細胞中Mn/Mg 的質(zhì)量比隨時間延長而降低，而AgNPs 暴露組中單個藻細胞中Mn/Mg 的質(zhì)量比率隨時間延長而增加，表明AgNPs 可能會通過影響藻細胞對礦物元素的吸收，進而影響藻類生長。另一方面，可以根據(jù)內(nèi)源元素的含量和分布推測外源物質(zhì)的作用。von der Au等[60]將硅藻細胞暴露于5 種不同劑量的Zn（0、0.1、0.5、1 和5 mg/L）， 對細胞中同時檢出的Mg、Si、P、Fe和Zn 進行典型判別分析（Canonical discriminant analysis）， 0、0.5、1 和5 mg/L Zn 暴露組中至少有75%的細胞事件，并且0.1 mg/L Zn 暴露組中約60%的細胞事件可以正確地對應(yīng)到相應(yīng)的暴露劑量組中，這種分析方法為研究潛在有害物質(zhì)和聯(lián)合毒性提供了新的見解。

4 結(jié)論與展望

隨著儀器和方法學的發(fā)展，SC-ICP-MS 分析技術(shù)可以通過對單個細胞進行分析獲得比總量分析更多的信息。在相同條件下，研究細胞之間的元素含量差異和細胞內(nèi)源元素分布規(guī)律可以為區(qū)分細胞系或細胞亞群提供新的見解；對外源物質(zhì)的攝取動力學研究，為金屬藥物、納米材料的制備和使用提供了毒理學數(shù)據(jù)。探索細胞不同元素之間以及元素與生理指標之間的關(guān)系有助于了解細胞與外源物質(zhì)的相互作用，評估不同物種的細胞在應(yīng)對外部壓力時的差異，并提供有關(guān)作用機制的重要信息。總之， SC-ICP-MS是一種有良好發(fā)展前景的單細胞分析工具。同時，在以下方面仍有許多問題和挑戰(zhàn)值得探討。

（1）方法學研究在基于SC-ICP-MS 的單細胞分析中占有重要地位。首先，需提高單細胞樣品制備的效率和準確性。近年來，微流控芯片由于具有成本低、制備簡單、用途廣泛、易于設(shè)計的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用[61-62]，在單細胞樣品制備環(huán)節(jié)實現(xiàn)了快速、高通量的細胞聚焦和分選，減少了傳統(tǒng)的純化、離心和洗滌等操作過程中的細胞損失，具有良好的發(fā)展前景。其次，需要優(yōu)化細胞傳輸效率的評估標準，基于細胞內(nèi)源高豐度元素制定內(nèi)標方法可更有針對性地評估不同種類細胞的傳輸效率。此外，應(yīng)建立細胞離子化效率的評估標準，并優(yōu)化等離子體參數(shù)，提高細胞離子化效率。

（2） SC-ICP-MS 技術(shù)與其它分析技術(shù)耦合是未來單細胞分析的發(fā)展方向。一方面，相較于對某種元素的常規(guī)測定，這種技術(shù)的耦合可實現(xiàn)單細胞內(nèi)元素形態(tài)分析。如液滴裂解微芯片可作為樣品引入系統(tǒng)與ICP-MS 結(jié)合，對單細胞中FePt 納米粒子和釋放出的Fe、Pt 分別進行定量分析[63]。Yu 等[64]在使用SC-ICP-MS 測定細胞內(nèi)總Zn 的同時，以N-（6-甲氧基-8-喹諾基）對甲苯磺胺為探針，結(jié)合流式細胞儀檢測細胞內(nèi)活性Zn 的變化，為探索生物學的復雜性提供了新思路。另一方面，通過將SC-ICP-MS 與光學檢測系統(tǒng)[65]和熒光系統(tǒng)[61，66]相結(jié)合，在單細胞水平上可同步獲得金屬攝取、光學和蛋白表達信息。這種多維度的信息整合提供了一個更加全面的細胞功能和狀態(tài)的視角。后續(xù)還可以結(jié)合抗體標記、多維成像和實時監(jiān)測等技術(shù)，開發(fā)多參數(shù)細胞分析平臺和對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，開辟基于單細胞的多維數(shù)據(jù)集成和生物信息學的新領(lǐng)域。

（3）隨著技術(shù)的進步， SC-ICP-MS 在環(huán)境科學、生物學、制藥學、毒理學和醫(yī)學等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。未來可進一步通過同位素標記、金屬標記和元素指紋等手段研究新型污染物、新型金屬藥物以及新型納米材料等在細胞水平上對生物體的影響，評估其生物積累和毒性效應(yīng)，為其設(shè)計、使用和風險評估提供科學的依據(jù)。