张新荣：ICP-MS在生命科学分析中的应用潜力
2013年11月23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召开，23日下午清华大学教授张新荣教授做题为《ICP-MS在生命科学分析中的应用潜力》的报告，为从事ICP-MS原子光谱分析的与会者打开了广阔的创新应用思路。
清华大学教授张新荣
作为重要的元素分析手段，ICP-MS具有分析速度快、线性范围宽、灵敏度高等优点，此外还有两大强势优点：绝对定量能力强，多组分同时分析能力强，若充分发挥这两大优点，将促使ICP-MS在生命科学领域中获得极其广泛的应用。
一、ICP-MS的绝对定量能力强
1、金属蛋白分析：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。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，但众所周知，金属蛋白虽然丰度很低，却是酶的重要组成部分，有非常重要的作用，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。
2、S、P分析：虽然ICP-MS不太擅长测定生物分子中常见的元素 C、H、O、N，但一直以来，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；利用同位素稀释法，则可实现蛋白质绝对定量。
3、通过S/P比测定蛋白质磷酸化：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。
4、As含量测定。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，则这些生物的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，所以这点很有可能。“美国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通过测定As来寻找外星生命，在相关论文发表后，Nature上有多篇评论文章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。
二、ICP-MS多元素同时分析能力强，多标记能力大大优于荧光标记
1、免疫分析
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（J. Anal. At. Spectrom., 2001,16, 1393-1396），目前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。”
2、不再需要生物芯片？
生物芯片在生命分析和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。
3、细胞分析
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。
4、其它如DNA测序
张新荣总结说道：“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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