单细胞ICP-MS应用：藻类吸附环境中重金属

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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