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珀金埃尔默:从ICP-MS的过去看未来

仪器信息网 2019/07/04 16:48:44 点击 3766 次
默克工艺
[导读] 分析仪器是人们眼睛的扩展和延伸,大脑所获得的信息中,超过80%是通过眼睛获得的。现在是信息时代,我们从信息论的角度重新回顾下ICP-MS的发展史。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术问世至今已近40年,ICP-MS技术迅速发展成为一种应用广泛且受到高度评价的分析技术。就ICP-MS而言,国际上的主要生产商有安捷伦、赛默飞、珀金埃尔默、岛津、德国耶拿等,同时国产仪器厂商近年也在积极研制ICP-MS产品,厂商分别有聚光科技、谱育科技、东西分析(原GBC)、钢研纳克、天瑞仪器、博晖创新(原Advion)、毅新博创、衡昇仪器等。为帮助用户更好地学习、了解ICP-MS技术及应用的最新进展内容,仪器信息网特别策划了“精进不休:ICP-MS新技术新应用”专题,并邀请到市场上的主流生产商们,请他们谈谈对ICP-MS技术发展及最新应用进展的看法。本文特别邀请到珀金埃尔默公司(PerkinElmer)北中国区技术支持经理姚继军博士,与他就ICP-MS技术的发展历程,应用及未来发展趋势等进行了深入交流。

姚博_meitu_1.jpg

  PerkinElmer北中国区技术支持经理姚继军

  Q:回顾PerkinElmer ICP-MS的发展历程,有哪些关键的时间节点和重要的事件呢?

  PerkinElmer于1937年4月由Richard Perkin和Charles Elmer合伙创建,1944年推出世界上第一台商用红外光谱仪IR (Model 12),1955年推出世界上第一台商用气相色谱仪GC (Model 154),1983年推出世界第一台商用 ICP-MS (ELAN 250),1999年推出世界第一台带反应池的ICP-MS,并获Pittcon金奖( ELAN 6100 DRC)。

  以往大家一般都是从技术演进的角度来进行回顾。分析仪器是人们眼睛的扩展和延伸,大脑所获得的信息中,超过80%是通过眼睛获得的。现在是信息时代,我们可以从信息论的角度重新看一下其历史,如下表所示。

  表1. 从信息论的角度重新审视ICP-MS的发展历史

出现的问题

解决方案

时间

1974ICP发射光谱仪出现后,常量元素的定性和定量取得快速发展,但分析微量和痕量元素时,分析信号弱,而干扰信号却相对很强,如何在强干扰背景下采集和放大弱信号呢?

ICP-MS诞生,质谱比光谱灵敏度提高上千倍,同时元素的同位素一般不超过10个,谱线干扰大大降低,例如,Fe的谱线在ICP上有4400多条,而在ICP-MS上只有545657584条谱线,因而ICP-MS中谱线能量更集中,谱线相互干扰更少。

1983

ICP-MS自诞生之日起,LiInUBeYBi这些没有干扰的金属元素的检出限就可以达到ppt量级,一直到现在几乎未有实质性的改进。但是,SiPSClAsSe,这些元素的分析信号依然很弱,而在特定基体中的干扰信号却相对很强,如何在强干扰背景下采集和放大这些弱信号呢?KCaFeVZnCrCd这些金属元素虽然分析信号很强,但在特定基体下干扰信号更强,怎么办?

在原有一个四极杆的基础上,再增加一个四极杆,形成串极质谱,通过CH4NH3等还原性气体形成还原反应,或者O2NO等氧化性气体形成氧化反应,直接消除干扰物,或者质量转移将分析物转移到没有干扰的新位置,即便在干扰信号比分析信号强一百万倍以上的情况下,依然可以对分析信号进行准确测定。

 

1999

在消除了海产品中砷分析的干扰后,人们发现海产品中砷的含量比其他食品要高很多,但毒性却很小,进一步的研究发现,三价砷、五价砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜碱对老鼠的半致死量LD50分别是4.5151800260010000 mg/kg,毒性最大相差2000多倍。如何在极为相近的信号中找出有价值的信息呢?

ICP-MS的基础上,再增加一个HPLC,将砷的各种形态先在时间轴上分开,再进行检测。

在此基础上人们也研究了汞、硒、锡、铬等的价态和形态,另外也研究了GCCE等各种分离设备与ICP-MS联用的可能性和应用。

随着GB 5009.11-2014 食品中总砷及无机砷的测定等标准的发布,形态分析已经从科学研究转变成了日常性的检测工作。

地质年代学研究需要测试锆石,传统分析需要空气磨蚀、化学分解和U/Pb分离等比较复杂的前处理过程,实验流程本底要求特别低,一般全流程铅空白为0.030.05ng,铀空白为0.0020.004 ng,而且其最大的缺陷是无法揭示复杂锆石内部微区的U/Pb207Pb/206Pb年龄信息。如何在微米级别的区域内提取出有用的信息呢?

ICP-MS的基础上,再增加一个激光烧蚀LA,通过激光微米级别的光斑将样品瞬间气化并吹入等离子体,从而将样品在三维空间轴上分开,实现微区分析。

后来人们通过连续的激光扫描,实现了样品的元素二维或三维空间成像。

激光光束波长变短,光斑变小,脉冲周期变短(目前已经发展到飞秒激光),使得微区分析和元素成像不断发展。

微米级别的差异都可以分开了,那,纳米级别的差异呢?

ICP-MS的基础上,提高仪器的信号采集速度,再增加一个专用的纳米颗粒分析软件。

2014

锆石和纳米颗粒都是死的,那活的细胞之间的差异能分析吗?

在四极杆ICP-MS的基础上,提高仪器的信号采集速度,再增加一个专用的单细胞分析软件。

2016

能不能分析细胞之间上百个维度上的差异呢?

四极杆ICP-MS的分析速度已经无法满足信息获取速度的要求,只能将四极杆换成TOF,这就是CyTOF,即质谱细胞仪。

2004

  Q:PerkinElmer作为率先提出单颗粒和单细胞ICP-MS的厂商,有何先发优势呢?

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,这篇文章里面不仅展示了球形纳米颗粒的测量,还可以测量棒状的纳米颗粒

球形纳米颗粒测量.jpg

  天下功夫唯快不破。华为的5G也就仅仅是比美国的4G快了一点而已,为什么美国总统特朗普就像要了命、丢了魂似的呢?从上图可以看出,一个纳米颗粒的信号仅停留200微秒,可以说,信息获取的速度直接决定了信息的质量。如果仪器每100微秒测量一次,一个纳米颗粒顶多获得两个数据,用两个数据无法画出一个峰形,还丢失了很多关键的信息。而且这两个数据在纳米颗粒峰形的两边还是中间,将很大程度上影响数据的大小。PerkinElmer的ICP-MS可以每10微秒测量一次,以准确捕获纳米颗粒的细节信息。

不仅如此,量变将会引起质变。我们怎么才能知道信号是来自完整的细胞,还是细胞破碎后的碎片呢?细胞碎片所包含的元素或者纳米颗粒会产生假阳性的虚假信息,如果不能剔除,得出的结论可能是经不住推敲的。

  斯坦福大学医学院Sean Bendall博士被列入全美“40 Under 40”名录(每年评选40位各领域的杰出青年),在Bendall 2014年4月发表在Cell上的文章中,他在正常人的骨髓中发现了B细胞前体的几个新组分。这些新组分的B细胞起到了“看门人”的角色,决定了B细胞的成熟同时作为“检查站”防止自身免疫的发生,但这些细胞在骨髓中的比率仅约为万分之一。

  而在单细胞分析中,由于雾化气的冲击,细胞在雾化器喷嘴处破碎的几率远远超过万分之一。如何判断这万分之一是来自完整的细胞,还是来自细胞的碎片呢?我们测得的信号是细胞的功能性吸收引起的,还是细胞碎片随机的吸附引起的呢?

  解决的办法是在细胞核上结合Rh、Ir、Pd、Pt中的任何一个元素,而在细胞表面抗体上结合的是稀土元素,只有当细胞核上的元素和细胞表面的元素同时被测到,才认为是一个有效的事件,而把其他的都作为假信息处理。这就要求在单细胞分析时至少两个元素能够同时测量。

  从信息论的角度,ICP-MS的发展脉络大致如下:

  1. 样品整体中元素总量的信息采集,干扰要少,信息的信噪比要高。

  2. 元素在样品中存在的形态有很多种,通过色谱把各种形态在时间轴上拉开。

  3. 元素在样品中不同位置的分布很不均匀,通过LA将样品在空间轴上拉开。

  4. 样品小到微米和纳米尺度,这些样品也不简单,纳米颗粒有纳米球和纳米棒,还有多种元素相互包裹的复合纳米颗粒,而细胞就更复杂,要测一个细胞中的一个元素已经不够用了,要同时测单个细胞中的两个元素,甚至同时测单个细胞中的上百个抗体的特征性信息。以前分析2小时的数据量不超过1K,现在2分钟获得的数据量超过28G,这就是信息时代的信息爆炸。在最近的三年里,全世界产生的数据,比三年前到有文字以来人类产生的数据的总和还多。

  Q:通过对ICP-MS历史的回顾,能够让我们对其未来发展有哪些启示呢?

  工业时代和信息时代的游戏规则是不同的。工业时代的强者为了继续生存,都在对传统的产品进行信息化的改造。可以说,信息时代,谁的信息加工处理能力强,谁就是王者。

  信息时代,信息的价值和钱一样重要。信息就是钱。问题是,在信息泛滥的情况下,怎么才能挖掘出有价值的信息为我们的生活服务呢?

  大数据已经出现了,我们就应该用大数据思维来应对信息时代的不确定性。我们可以把大数据计算变成人工智能,进行精准的服务,动态调整我们做事情的策略,发现原来不知道的规律。

  为谁服务呢?服务什么呢?当然是为人民服务,让人民过得更幸福。这才是初心。ICP-MS也好,CT机也好,这些都是工具而已。

  比如说,清华大学学生朱令铊中毒,出现了呕吐、脱发直至呼吸衰竭的症状,她血液中铊的浓度和她的症状之间存在因果关系,当年医院并不知道这种因果关系,耽误了很长时间,导致这个案件至今未破。铊是一个毒性极强的元素,它的中毒症状也比较明显,那么其它元素呢?如果我们能够找出所有有毒有害物质的中毒症状,并建立因果关系,无疑对以后类似事件的处理会起到很大的协助作用。

  信息之间构成因果关系,也就是说信息之间是等价的。更多的时候,信息之间并不是等价的,而仅仅是相关的。信息时代的任务就是找出那些具有强相关性的信息。

  如何评价信息之间的相关性强弱呢?这就要用到互信息这个概念。互信息高,则相关性就强。细胞作为生命结构和生命活动的基本单位,单细胞的信息和健康的信息,哪些信息之间的互信息高呢?这是当下最热门的研究领域,对于人类的健康和攻克癌症具有极其重要的意义。

  单细胞分析可获得细胞在微环境中准确的个体信息,大量细胞个体呈现的差异性信息可以用于研究细胞的信号传导、生理病理和重大疾病的早期诊断。基于ICP-MS 的单细胞分析方法,可实现单个细胞的多参数分析和准确的定量分析,为在单细胞水平上研究与金属元素相关的生物过程提供了一个通用的策略,在细胞内多元素监测、金属药物代谢动力学研究、快速诊断金属相关疾病、基于元素调查细胞的异质性等相关研究领域具有广阔的应用前景。PerkinElmer基于单细胞ICP-MS技术利用专利的Asperon单细胞雾化室将单个完整细胞引入ICP-MS等离子体中,再结合NexION系列ICP-MS质谱分析仪瞬时采集速度快的优势,实现测定单细胞内的金属元素含量。针对单细胞和纳米颗粒研究的不同应用领域,PerkinElmer也充分与用户合作共同开展研究,比如,检验检疫科学研究所课题组开展了检测食品领域纳米添加的研究;南开大学环境科学与工程学院利用单颗粒检测功能开展了环境中纳米颗粒的形成机理、结构特性和生物毒性方面的研究等。

  Q:未来十年ICP-MS仪器和应用方面将会有哪些发展趋势呢?

  1. 仪器的使用会越来越“傻瓜化”,英国的垃圾箱上没有文字说明,只有图案标识:一个是玻璃瓶,一个纸袋,一个碎屑的点,哪怕不识字的人也知道怎么进行垃圾分类。规则越简单,执行越容易。“傻瓜”就是愚蠢,但“傻瓜式”却是顶级聪明人的匠心之作。

  2. 仪器的结构模块化,为了应对企业及第三方检测机构用户的几乎不停机的需求,模块式插拔和更换将有可能让用户在几分钟内自行维修完毕。

  3. 仪器的分析自动化程度会越来越高,从取样到报告,无人值守将成为可能甚至成为必须。配备了自动进样器的激光烧蚀系统(LA)有可能让土壤、地矿等领域的样品从压片到上机全程自动化,并且每天检测上万个样品,而食品和临床的样品经过深度破碎至5微米以下而直接进样,也可以达到每天上万个样品分析的高通量。

  4. 仪器的结果图形化呈现,透过数据看规律和找规律会成为仪器使用者的主要工作,设计实验方案的人可能完全不懂仪器,但他们可能会成为真正的分析专家或者分析科学家,就像一个大厨,他并不知道菜刀的成分是什么,更不知道菜刀是怎么做出来的,他甚至不知道液化气灶贫燃和富燃时为什么颜色不一样,但这并不妨碍他做出一桌子色香味俱佳的美味。

    除上述内容,姚继军还对“He气碰撞可消除一切干扰”的说法发表了其看法。详情可点击查看附件。

所有元素在常见的还原性气体和氧化性气体中干扰消除的有效性.pdf


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