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    珀金埃爾默:從ICP-MS的過去看未來

    儀器信息網 2019/07/04 16:48:44 點擊 3587 次
    賽多利斯
    [導讀] 分析儀器是人們眼睛的擴展和延伸,大腦所獲得的信息中,超過80%是通過眼睛獲得的。現在是信息時代,我們從信息論的角度重新回顧下ICP-MS的發展史。

    電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)技術問世至今已近40年,ICP-MS技術迅速發展成為一種應用廣泛且受到高度評價的分析技術。就ICP-MS而言,國際上的主要生產商有安捷倫、賽默飛、珀金埃爾默、島津、德國耶拿等,同時國產儀器廠商近年也在積極研制ICP-MS產品,廠商分別有聚光科技、譜育科技、東西分析(原GBC)、鋼研納克、天瑞儀器、博暉創新(原Advion)、毅新博創、衡昇儀器等。為幫助用戶更好地學習、了解ICP-MS技術及應用的最新進展內容,儀器信息網特別策劃了“精進不休:ICP-MS新技術新應用”專題,并邀請到市場上的主流生產商們,請他們談談對ICP-MS技術發展及最新應用進展的看法。本文特別邀請到珀金埃爾默公司(PerkinElmer)北中國區技術支持經理姚繼軍博士,與他就ICP-MS技術的發展歷程,應用及未來發展趨勢等進行了深入交流。

    姚博_meitu_1.jpg

      PerkinElmer北中國區技術支持經理姚繼軍

      Q:回顧PerkinElmer ICP-MS的發展歷程,有哪些關鍵的時間節點和重要的事件呢?

      PerkinElmer于1937年4月由Richard Perkin和Charles Elmer合伙創建,1944年推出世界上第一臺商用紅外光譜儀IR (Model 12),1955年推出世界上第一臺商用氣相色譜儀GC (Model 154),1983年推出世界第一臺商用 ICP-MS (ELAN 250),1999年推出世界第一臺帶反應池的ICP-MS,并獲Pittcon金獎( ELAN 6100 DRC)。

      以往大家一般都是從技術演進的角度來進行回顧。分析儀器是人們眼睛的擴展和延伸,大腦所獲得的信息中,超過80%是通過眼睛獲得的。現在是信息時代,我們可以從信息論的角度重新看一下其歷史,如下表所示。

      表1. 從信息論的角度重新審視ICP-MS的發展歷史

    出現的問題

    解決方案

    時間

    1974ICP發射光譜儀出現后,常量元素的定性和定量取得快速發展,但分析微量和痕量元素時,分析信號弱,而干擾信號卻相對很強,如何在強干擾背景下采集和放大弱信號呢?

    ICP-MS誕生,質譜比光譜靈敏度提高上千倍,同時元素的同位素一般不超過10個,譜線干擾大大降低,例如,Fe的譜線在ICP上有4400多條,而在ICP-MS上只有545657584條譜線,因而ICP-MS中譜線能量更集中,譜線相互干擾更少。

    1983

    ICP-MS自誕生之日起,LiInUBeYBi這些沒有干擾的金屬元素的檢出限就可以達到ppt量級,一直到現在幾乎未有實質性的改進。但是,SiPSClAsSe,這些元素的分析信號依然很弱,而在特定基體中的干擾信號卻相對很強,如何在強干擾背景下采集和放大這些弱信號呢?KCaFeVZnCrCd這些金屬元素雖然分析信號很強,但在特定基體下干擾信號更強,怎么辦?

    在原有一個四極桿的基礎上,再增加一個四極桿,形成串極質譜,通過CH4NH3等還原性氣體形成還原反應,或者O2NO等氧化性氣體形成氧化反應,直接消除干擾物,或者質量轉移將分析物轉移到沒有干擾的新位置,即便在干擾信號比分析信號強一百萬倍以上的情況下,依然可以對分析信號進行準確測定。

     

    1999

    在消除了海產品中砷分析的干擾后,人們發現海產品中砷的含量比其他食品要高很多,但毒性卻很小,進一步的研究發現,三價砷、五價砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜堿對老鼠的半致死量LD50分別是4.5151800260010000 mg/kg,毒性最大相差2000多倍。如何在極為相近的信號中找出有價值的信息呢?

    ICP-MS的基礎上,再增加一個HPLC,將砷的各種形態先在時間軸上分開,再進行檢測。

    在此基礎上人們也研究了汞、硒、錫、鉻等的價態和形態,另外也研究了GCCE等各種分離設備與ICP-MS聯用的可能性和應用。

    隨著GB 5009.11-2014 食品中總砷及無機砷的測定等標準的發布,形態分析已經從科學研究轉變成了日常性的檢測工作。

    地質年代學研究需要測試鋯石,傳統分析需要空氣磨蝕、化學分解和U/Pb分離等比較復雜的前處理過程,實驗流程本底要求特別低,一般全流程鉛空白為0.030.05ng,鈾空白為0.0020.004 ng,而且其最大的缺陷是無法揭示復雜鋯石內部微區的U/Pb207Pb/206Pb年齡信息。如何在微米級別的區域內提取出有用的信息呢?

    ICP-MS的基礎上,再增加一個激光燒蝕LA,通過激光微米級別的光斑將樣品瞬間氣化并吹入等離子體,從而將樣品在三維空間軸上分開,實現微區分析。

    后來人們通過連續的激光掃描,實現了樣品的元素二維或三維空間成像。

    激光光束波長變短,光斑變小,脈沖周期變短(目前已經發展到飛秒激光),使得微區分析和元素成像不斷發展。

    微米級別的差異都可以分開了,那,納米級別的差異呢?

    ICP-MS的基礎上,提高儀器的信號采集速度,再增加一個專用的納米顆粒分析軟件。

    2014

    鋯石和納米顆粒都是死的,那活的細胞之間的差異能分析嗎?

    在四極桿ICP-MS的基礎上,提高儀器的信號采集速度,再增加一個專用的單細胞分析軟件。

    2016

    能不能分析細胞之間上百個維度上的差異呢?

    四極桿ICP-MS的分析速度已經無法滿足信息獲取速度的要求,只能將四極桿換成TOF,這就是CyTOF,即質譜細胞儀。

    2004

      Q:PerkinElmer作為率先提出單顆粒和單細胞ICP-MS的廠商,有何先發優勢呢?

    J. Anal. At. Spectrom 2017年有一篇文章,Dimensional characterization of gold nanorods by combining millisecond and microsecond temporal resolution single particle ICP-MS measurements,這篇文章里面不僅展示了球形納米顆粒的測量,還可以測量棒狀的納米顆粒

    球形納米顆粒測量.jpg

      天下功夫唯快不破。華為的5G也就僅僅是比美國的4G快了一點而已,為什么美國總統特朗普就像要了命、丟了魂似的呢?從上圖可以看出,一個納米顆粒的信號僅停留200微秒,可以說,信息獲取的速度直接決定了信息的質量。如果儀器每100微秒測量一次,一個納米顆粒頂多獲得兩個數據,用兩個數據無法畫出一個峰形,還丟失了很多關鍵的信息。而且這兩個數據在納米顆粒峰形的兩邊還是中間,將很大程度上影響數據的大小。PerkinElmer的ICP-MS可以每10微秒測量一次,以準確捕獲納米顆粒的細節信息。

    不僅如此,量變將會引起質變。我們怎么才能知道信號是來自完整的細胞,還是細胞破碎后的碎片呢?細胞碎片所包含的元素或者納米顆粒會產生假陽性的虛假信息,如果不能剔除,得出的結論可能是經不住推敲的。

      斯坦福大學醫學院Sean Bendall博士被列入全美“40 Under 40”名錄(每年評選40位各領域的杰出青年),在Bendall 2014年4月發表在Cell上的文章中,他在正常人的骨髓中發現了B細胞前體的幾個新組分。這些新組分的B細胞起到了“看門人”的角色,決定了B細胞的成熟同時作為“檢查站”防止自身免疫的發生,但這些細胞在骨髓中的比率僅約為萬分之一。

      而在單細胞分析中,由于霧化氣的沖擊,細胞在霧化器噴嘴處破碎的幾率遠遠超過萬分之一。如何判斷這萬分之一是來自完整的細胞,還是來自細胞的碎片呢?我們測得的信號是細胞的功能性吸收引起的,還是細胞碎片隨機的吸附引起的呢?

      解決的辦法是在細胞核上結合Rh、Ir、Pd、Pt中的任何一個元素,而在細胞表面抗體上結合的是稀土元素,只有當細胞核上的元素和細胞表面的元素同時被測到,才認為是一個有效的事件,而把其他的都作為假信息處理。這就要求在單細胞分析時至少兩個元素能夠同時測量。

      從信息論的角度,ICP-MS的發展脈絡大致如下:

      1. 樣品整體中元素總量的信息采集,干擾要少,信息的信噪比要高。

      2. 元素在樣品中存在的形態有很多種,通過色譜把各種形態在時間軸上拉開。

      3. 元素在樣品中不同位置的分布很不均勻,通過LA將樣品在空間軸上拉開。

      4. 樣品小到微米和納米尺度,這些樣品也不簡單,納米顆粒有納米球和納米棒,還有多種元素相互包裹的復合納米顆粒,而細胞就更復雜,要測一個細胞中的一個元素已經不夠用了,要同時測單個細胞中的兩個元素,甚至同時測單個細胞中的上百個抗體的特征性信息。以前分析2小時的數據量不超過1K,現在2分鐘獲得的數據量超過28G,這就是信息時代的信息爆炸。在最近的三年里,全世界產生的數據,比三年前到有文字以來人類產生的數據的總和還多。

      Q:通過對ICP-MS歷史的回顧,能夠讓我們對其未來發展有哪些啟示呢?

      工業時代和信息時代的游戲規則是不同的。工業時代的強者為了繼續生存,都在對傳統的產品進行信息化的改造。可以說,信息時代,誰的信息加工處理能力強,誰就是王者。

      信息時代,信息的價值和錢一樣重要。信息就是錢。問題是,在信息泛濫的情況下,怎么才能挖掘出有價值的信息為我們的生活服務呢?

      大數據已經出現了,我們就應該用大數據思維來應對信息時代的不確定性。我們可以把大數據計算變成人工智能,進行精準的服務,動態調整我們做事情的策略,發現原來不知道的規律。

      為誰服務呢?服務什么呢?當然是為人民服務,讓人民過得更幸福。這才是初心。ICP-MS也好,CT機也好,這些都是工具而已。

      比如說,清華大學學生朱令鉈中毒,出現了嘔吐、脫發直至呼吸衰竭的癥狀,她血液中鉈的濃度和她的癥狀之間存在因果關系,當年醫院并不知道這種因果關系,耽誤了很長時間,導致這個案件至今未破。鉈是一個毒性極強的元素,它的中毒癥狀也比較明顯,那么其它元素呢?如果我們能夠找出所有有毒有害物質的中毒癥狀,并建立因果關系,無疑對以后類似事件的處理會起到很大的協助作用。

      信息之間構成因果關系,也就是說信息之間是等價的。更多的時候,信息之間并不是等價的,而僅僅是相關的。信息時代的任務就是找出那些具有強相關性的信息。

      如何評價信息之間的相關性強弱呢?這就要用到互信息這個概念。互信息高,則相關性就強。細胞作為生命結構和生命活動的基本單位,單細胞的信息和健康的信息,哪些信息之間的互信息高呢?這是當下最熱門的研究領域,對于人類的健康和攻克癌癥具有極其重要的意義。

      單細胞分析可獲得細胞在微環境中準確的個體信息,大量細胞個體呈現的差異性信息可以用于研究細胞的信號傳導、生理病理和重大疾病的早期診斷。基于ICP-MS 的單細胞分析方法,可實現單個細胞的多參數分析和準確的定量分析,為在單細胞水平上研究與金屬元素相關的生物過程提供了一個通用的策略,在細胞內多元素監測、金屬藥物代謝動力學研究、快速診斷金屬相關疾病、基于元素調查細胞的異質性等相關研究領域具有廣闊的應用前景。PerkinElmer基于單細胞ICP-MS技術利用專利的Asperon單細胞霧化室將單個完整細胞引入ICP-MS等離子體中,再結合NexION系列ICP-MS質譜分析儀瞬時采集速度快的優勢,實現測定單細胞內的金屬元素含量。針對單細胞和納米顆粒研究的不同應用領域,PerkinElmer也充分與用戶合作共同開展研究,比如,檢驗檢疫科學研究所課題組開展了檢測食品領域納米添加的研究;南開大學環境科學與工程學院利用單顆粒檢測功能開展了環境中納米顆粒的形成機理、結構特性和生物毒性方面的研究等。

      Q:未來十年ICP-MS儀器和應用方面將會有哪些發展趨勢呢?

      1. 儀器的使用會越來越“傻瓜化”,英國的垃圾箱上沒有文字說明,只有圖案標識:一個是玻璃瓶,一個紙袋,一個碎屑的點,哪怕不識字的人也知道怎么進行垃圾分類。規則越簡單,執行越容易。“傻瓜”就是愚蠢,但“傻瓜式”卻是頂級聰明人的匠心之作。

      2. 儀器的結構模塊化,為了應對企業及第三方檢測機構用戶的幾乎不停機的需求,模塊式插拔和更換將有可能讓用戶在幾分鐘內自行維修完畢。

      3. 儀器的分析自動化程度會越來越高,從取樣到報告,無人值守將成為可能甚至成為必須。配備了自動進樣器的激光燒蝕系統(LA)有可能讓土壤、地礦等領域的樣品從壓片到上機全程自動化,并且每天檢測上萬個樣品,而食品和臨床的樣品經過深度破碎至5微米以下而直接進樣,也可以達到每天上萬個樣品分析的高通量。

      4. 儀器的結果圖形化呈現,透過數據看規律和找規律會成為儀器使用者的主要工作,設計實驗方案的人可能完全不懂儀器,但他們可能會成為真正的分析專家或者分析科學家,就像一個大廚,他并不知道菜刀的成分是什么,更不知道菜刀是怎么做出來的,他甚至不知道液化氣灶貧燃和富燃時為什么顏色不一樣,但這并不妨礙他做出一桌子色香味俱佳的美味。

        除上述內容,姚繼軍還對“He氣碰撞可消除一切干擾”的說法發表了其看法。詳情可點擊查看附件。

    所有元素在常見的還原性氣體和氧化性氣體中干擾消除的有效性.pdf


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