人类向环境排放的重金属日益增多,不仅污染了土壤和水体环境,也给人类本身的健康造成极大的危害。传统的治理水体中重金属方法,如沉淀法、活性炭法、螯合树脂法等,操作繁琐,费用昂贵。而藻类是一种非常有希望的替代方法,对重金属吸附和富集能力较强,不产生二次污染,原料廉价易得分布广。藻类吸附重金属的研究,已经成为一个热点。
对藻类吸附重金属的定量和定性研究,会使用到ICP-MS。目前,利用ICP-MS 对于细胞内金属含量的常规测定方法为:通过离心或过滤将细胞从其天然培养介质中分离出来,再用新鲜介质进行清洗,然后用酸消解后上机检测。采用这种方法可以得到一定数量细胞中金属的总量,而无法获得单个细胞的相关数据。只能通过假定所有细胞内含有的金属颗粒或离子浓度相同,通过计算获得。
单细胞ICP-MS具有可以精确地对单个细胞中金属离子或纳米颗粒进行定量的优势,一次性检测的细胞数量也大于显微镜方法。可以用于监控单细胞对金属离子和纳米颗粒的摄入和排出行为,从而改进藻类吸附重金属的方法,并对生物曝露风险进行研究和评估。
本文利用SC-ICP-MS 技术测定单个淡水中藻类(Cyptomonas ovata)对金离子和金纳米颗粒的摄入行为。
样品
细胞培养液的浓度为200,000 细胞/mL,分别曝露于不同浓度的金离子和金纳米颗粒(60 nm,NIST 8013)溶液中。藻类曝露过程研究在20 ℃下进行,以光照12 小时、黑暗12 小时为一个循环,循环三次,共72 小时。
藻类细胞在不同浓度的金离子浓度和金纳米浓度溶液下暴露
测定时,取出1mL样品,经过下面的前处理后,进行单细胞ICP-MS分析。
实验
使用NexION 2000 ICP-MS,Asperon ™单细胞雾室, Syngistix ™操作软件配备单细胞模块。
NexION 2000 ICP-MS及实验条件
实验结果
上图显示了随着曝露时间的增加,含有金元素的细胞数量增加,同时含有多个纳米颗粒的细胞数量也增加。单个60 nm 金颗粒对应着约1800 ag,上图(A)-(D)中,横坐标1700 ag 附近有一个很明显的峰值,代表细胞内含有一个纳米颗粒(1NP/1C)。随着曝露时间从2 小时(图(A))到74 小时(图(D))3400 ag 处和5200 ag 处出现了信号峰,代表细胞内出现了两个和三个纳米颗粒(2NP/1C 和3NP/1C)。
SC-ICP-MS 的主要优势之一在于不仅能测定含有纳米颗粒的细胞的数量,还能够确认含有一个或多个纳米颗粒的细胞的比例。上图显示了不同培养液纳米颗粒浓度中,含有不同数量纳米颗粒的细胞的百分含量随时间的变化情况。无论是随着曝露时间的增加,还是培养液纳米颗粒浓度增加(从200,000 到600,000 part/mL), 含有1 个纳米颗粒的细胞数量都增加。相同的趋势也出现在培养液纳米颗粒浓度为600,000 part/mL 时,含有两个和三个纳米颗粒的细胞数量。当培养液浓度为200,000 part/mL 时,含有两个及以上纳米颗粒的细胞数量太少,其数量跟曝露时间的相关性不明显。
为观察细胞对金离子的摄入行为,藻类细胞被分别曝露于1、2、3 μg/L 金离子溶液中74 小时,曝露过程中,在第2、第28 和第74 小时对溶液取样进行分析。无论培养液金离子起始浓度是多少,随着时间的增加,每个细胞中含有金离子的平均值(ag/cell)都明显下降。随着曝露时间和初始金离子浓度增加,含有金的细胞百分比呈现增加的趋势。这些数据说明,存在某种细胞作用机制,限制了细胞对金的摄入,而这种机制受培养液中金离子浓度的显著影响。
实验中,还验证了Asperon ™单细胞雾室可保证细胞100%存活率,空白实验,以及验证纳米颗粒存在细胞内部等实验。
结论
本文介绍了SC-ICP-MS 在检测藻类细胞内部金属离子和纳米颗粒含量的能力。随着曝露在金纳米颗粒培养液的时间和培养液浓度的增加,含有一个纳米颗粒的细胞比例增加;而含有2 个或3 个纳米颗粒的细胞比例只在高培养液浓度(600,000 part/mL)时才随时间而增加。与此相对,在金离子培养液中,随着曝露时间和培养液浓度的增加,含有金的细胞数量有所增加,但每细胞中含有的金并没有增加。
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[来源:珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司]
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