張新榮：ICPMS在生命科學分析中的應用潛力

　　2013年11月23日-25日，2013年全國無機及同位素質譜學學術會議在江蘇昆山召開，23日下午清華大學教授張新榮教授做題為《ICP-MS在生命科學分析中的應用潛力》的報告，為從事ICP-MS原子光譜分析的與會者打開了廣闊的創新應用思路。

　　清華大學教授張新榮

　　作為重要的元素分析手段，ICP-MS具有分析速度快、線性范圍寬、靈敏度高等優點，此外還有兩大強勢優點：絕對定量能力強，多組分同時分析能力強，若充分發揮這兩大優點，將促使ICP-MS在生命科學領域中獲得極其廣泛的應用。

　　一、ICP-MS的絕對定量能力強

　　1、金屬蛋白分析：近年來，有很多利用ICP-MS測定生物大分子的研究，其中大多數聚焦在金屬蛋白的分析。盡管金屬蛋白研究只是蛋白質組學研究中非常小的一部分，但眾所周知，金屬蛋白雖然豐度很低，卻是酶的重要組成部分，有非常重要的作用，而人類對于金屬蛋白的認識還遠遠不夠。所以ICP-MS在金屬蛋白研究中還可以發揮很大的作用。

　　2、S、P分析：雖然ICP-MS不太擅長測定生物分子中常見的元素 C、H、O、N，但一直以來，ICP-MS是很好的S、P元素分析工具。S、P是蛋白質中非常重要的元素，特別是S，每個蛋白質都含有S元素，同時S的同位素有32S、34S；利用同位素稀釋法，則可實現蛋白質絕對定量。

　　3、通過S/P比測定蛋白質磷酸化：很多癌癥并不是因為基因的變化而引起蛋白質結構的變化，而是由于環境變化引起蛋白質結構的變化，比如磷酸化，利用ICP-MS可以從一個質譜峰明顯的看出S/P比值，從而確定蛋白質磷酸化的程度。

　　4、As含量測定。以前我們尋找生命物質是追蹤S或P，沒有人想到去尋找As。最近有研究發現在富As環境中竟然有生物存在，則這些生物的DNA中很可能不含P而是以As作為骨架元素。大家都知道N、P、As是同族元素，所以這點很有可能。“美國NASA對這一發現很重視，他們討論以前尋找外星生物是不是找錯了方向，并采用ICP通過測定As來尋找外星生命，在相關論文發表后，Nature上有多篇評論文章認為他們的工作還不是很完善。但不管怎么說P、S、As以及其他更多的元素在生命科學中的分析非常重要，而ICP-MS是分析這些元素的一個非常好的工具。”張新榮說道。

　　二、ICP-MS多元素同時分析能力強，多標記能力大大優于熒光標記

　　 1、免疫分析

　　2001年，張新榮在國際上第一個發表了有關ICP-MS是將來能夠取代熒光分析的重要工具的論文（J. Anal. At. Spectrom., 2001,16, 1393-1396），目前已成為國際上分析科學家研究的一個重要方向。

　　熒光標記在目前的生命科學研究中非常重要，但也存在光漂白、有毒性等問題。張新榮說：“免疫分析實際是走了一個彎路，最早獲得諾貝爾獎的免疫標記方法是放射性同位素標記法，后來由于放射性同位素對人體健康有害，所以就產生了熒光標記、酶標記，還有納米粒子標記、量子點標記、化學發光試劑標記等方法。”

　　張新榮說：“其實如果放射性同位素有危害，我們直接改用穩定同位素標記不就可以了嗎，為什么還要繞這么一大圈呢。只有一個原因就是以前還沒有ICP-MS，如果用穩定同位素標記，沒有分析工具，但是現在我們有了。”

　　“相較于熒光標記或酶聯免疫法，ICP-MS有著突出的優勢，因為我們有大量的穩定同位素可以利用，可在一個樣品中不經任何分離，同時測定經過同位素標記的10種、20種甚至30種抗體。企業家們可以關注一下，這將是一個非常重要的領域，如果能實現儀器大小和成本也同樣具有優勢就更好了。”

　　2、不再需要生物芯片？

　　 生物芯片在生命分析和臨床應用中占據重要地位。為什么要做生物芯片，因為不同的基因序列或蛋白序列，熒光分析每次只能分析一個，所以就要放在不同的位置上，如果能夠在同一個位置上可以分析不同的序列，生物芯片的用處就不大了。我們曾做過一個工作，將15個不同的DNA用15個不同的穩定同位素標記，然后用ICP-MS一次分析出結果，根本不需要再用生物芯片。

　　 3、細胞分析

　　 DVS Sciences公司的技術總監Scott Tanner在一個細胞上標記了33個穩定同位素的抗體，然后用ICP-MS測定細胞，可以對細胞中各種金屬標簽進行定量檢測，進而得知細胞中各目標蛋白的含量，從而確定細胞的病變程度。

　　據介紹，Scott Tanner和斯坦福大學遺傳學家Garry Nolan合作開發了質譜流式細胞儀，他們的研究成果發布后，立刻引起了轟動，現在美國的幾家大制藥公司都給他注資，認為這是未來的發展方向，熒光流式細胞儀一定會被這種質譜流式細胞儀取代。熒光流式細胞儀根本不可能在同一個細胞上同時實現33個分子的測定。據了解斯坦福大學接下來還計劃在未來1-2年內實現利用ICP-MS同時測定細胞中的100個分子。

　　 4、其它如DNA測序

　　張新榮總結說道：“ICP-MS在生命科學領域還有許多沒有人做，但我認為非常有意義值得去研究的工作，比如：DNA測序，如果利用ICP-MS測序很可能比現在的任何一種測序技術速度都快，因為無論是凝膠測序還是多道毛細管電泳測序，都是用4種熒光染料來標記，每次只能標記一個DNA。

  但如果我們有32個標記物，每次就可以標記8個DNA，同時測定8個樣品，這樣不僅速度加快，而且可以在同樣的條件下進行分析，避免了毛細管電泳重復性差的問題，測定結果更準確。如果再擴大標記物的范圍，我們就可以同時測定更多的樣品。我們有那么多的穩定同位素，為什么非要選擇熒光染料標記呢？如果這項技術取得突破，也許就可以研制出新一代的測序儀。”

   ICP-MS在生命科學領域將有著廣泛的應用前景，這些都值得我們去深思。

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