张新荣:ICP-MS在生命科学领域大有用武之地

　　仪器信息网讯2013年11月22日-25日，2013年全国无机及同位素质谱学学术会议在江苏昆山举行。会议中清华大学教授张新荣做了题为《ICP-MS在生命科学分析中的应用潜力》的报告，他精彩的演讲内容及创新思路得到了与会人员的好评。

清华大学教授张新荣

　　ICP-MS作为重要的元素分析手段，除了具有分析速度快、线性范围宽、灵敏度高等优点外，还有两个潜在的优点：一是绝对定量能力，一是多组分同时分析能力，张新荣认为这两个优点将有可能促使ICP-MS在生命科学领域中获得非常广泛的应用。

　　一、ICP-MS绝对定量能力在生命科学领域的应用

　　近年来，有很多利用ICP-MS测定生物大分子的研究，其中大多数聚焦在金属蛋白的分析。张新荣说：“尽管金属蛋白研究只是蛋白质组学研究中非常小的一部分，但是大家都知道金属蛋白虽然丰度很低，但它们是酶的重要组成部分，有着非常重要的作用，而人类对于金属蛋白的认识还远远不够。所以ICP-MS在金属蛋白研究中还可以发挥很大的作用。”

　　虽然ICP-MS测定金属元素独具优势，但是对于生物分子中常见的元素 C、H、O、N等元素的测定并不是它的长项。张新荣说：“尽管如此，但是我们知道ICP-MS是很好的S、P元素分析工具。S、P是蛋白质中非常重要的元素，特别是S，每个蛋白质都含有S元素，同时S的同位素有³²S、³⁴S，那么我们利用同位素稀释法，就可以进行蛋白质绝对定量。”

　　“做S/P比就更重要，很多癌症并不是因为基因的变化而引起蛋白质结构的变化，而是由于环境变化引起蛋白质结构的变化，比如磷酸化，利用ICP-MS我们可以从一个质谱峰明显的看出S/P比值，从而确定蛋白质磷酸化的程度。”张新荣介绍说。

　　“另外As的含量也很重要，以前我们寻找生命物质是追踪S或P，没有人想到去寻找As。最近有研究发现在富As环境中竟然有生物存在，那么他们的DNA中很可能不含P而是以As作为骨架元素。大家都知道N、P、As是同族元素，所以这是很有可能的。NASA对这一发现很重视，他们讨论以前寻找外星生物是不是找错了方向，并采用ICP来测定As，寻找外星生命，在相关论文发表后，Nature上有多篇评论文章，大家认为他们的工作还不是很完善。但不管怎么说P、S、As以及其他更多的元素在生命科学中的分析非常重要，而ICP-MS是分析这些元素的一个非常好的工具。”张新荣说道。

　　以上所谈主要针对ICP-MS的绝对定量分析能力，它还有一个非常重要的能力多元素同时分析。

　　二、ICP-MS多元素同时分析能力在生命科学领域的应用

　　2001年，张新荣在国际上第一个发表了有关ICP-MS是将来能够取代荧光分析的重要工具的论文，目前这已成为国际上分析科学家研究的一个重要方向。

　　荧光标记在目前的生命科学研究中非常重要，但也存在光漂白、有毒性等问题。张新荣说：“免疫分析实际是走了一个弯路，最早获得诺贝尔奖的免疫标记方法是放射性同位素标记法，后来由于放射性同位素对人体健康有害，所以就产生了荧光标记、酶标记，还有纳米粒子标记、量子点标记、化学发光试剂标记等方法。”

　　张新荣说：“其实如果放射性同位素有危害，我们直接改用稳定同位素标记不就可以了吗，为什么还要绕这么一大圈呢。只有一个原因就是以前还没有ICP-MS，如果用稳定同位素标记，没有分析工具，但是现在我们有了。”

　　“相较于荧光标记或酶联免疫法，ICP-MS有着突出的优势。因为我们有大量的稳定同位素可以利用，可以在一个样品中不经任何分离，同时测定经过同位素标记的10种、20种甚至30种抗体。企业家们可以关注一下，这将是一个非常重要的领域，如果能实现仪器大小和成本也同样具有优势就更好了。”

　　“还有生物芯片，号称将来要在临床应用中占据重要地位。为什么要做生物芯片，因为不同的基因序列或蛋白序列，荧光分析每次只能分析一个，所以就要放在不同的位置上，如果能够在同一个位置上可以分析不同的序列，生物芯片的用处就不大了。我们曾做过一个工作，将15个不同的DNA用15个不同的稳定同位素标记，然后用ICP-MS一次分析出结果，根本不需要再用生物芯片。”

　　另外，张新荣介绍说：“DVS Sciences公司的技术总监Scott Tanner在一个细胞上标记了33个稳定同位素的抗体，然后用ICP-MS测定细胞，可以对细胞中各种金属标签进行定量检测，进而得知细胞中各目标蛋白的含量，从而确定细胞的病变程度。”

　　据介绍，Scott Tanner和斯坦福大学遗传学家Garry Nolan合作开发了质谱流式细胞仪，他们的研究成果发布后，立刻引起了轰动，现在美国的几家大制药公司都给他注资，认为这是未来的发展方向，荧光流式细胞仪一定会被这种质谱流式细胞仪取代。荧光流式细胞仪根本不可能在同一个细胞上同时实现33个分子的测定。据了解斯坦福大学接下来还计划在未来1-2年内实现利用ICP-MS同时测定细胞中的100个分子。

　　最后，张新荣说道：“ICP-MS在生命科学领域还有许多没有人做，但我认为非常有意义值得去研究的工作，比如：DNA测序，如果利用ICP-MS测序很可能比现在的任何一种测序技术速度都快，因为无论是凝胶测序还是多道毛细管电泳测序，都是用4种荧光染料来标记，每次只能标记一个DNA。”

“但如果我们有32个标记物，每次就可以标记8个DNA，同时测定8个样品，这样不仅速度加快，而且可以在同样的条件下进行分析，避免了毛细管电泳重复性差的问题，测定结果更准确。如果再扩大标记物的范围，我们就可以同时测定更多的样品。我们有那么多的稳定同位素，为什么非要选择荧光染料标记呢?如果这项技术取得突破，也许就可以研制出新一代的测序仪。ICP-MS在生命科学领域将有着广泛的应用前景，这些都值得我们去深思。”

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