電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)問(wèn)世至今已近40年，ICP-MS技術(shù)迅速發(fā)展成為一種應(yīng)用廣泛且受到高度評(píng)價(jià)的分析技術(shù)。就ICP-MS而言，國(guó)際上的主要生產(chǎn)商有安捷倫、賽默飛、珀金埃爾默、島津、德國(guó)耶拿等，同時(shí)國(guó)產(chǎn)儀器廠商近年也在積極研制ICP-MS產(chǎn)品，廠商分別有聚光科技、譜育科技、東西分析(原GBC)、鋼研納克、天瑞儀器、博暉創(chuàng)新(原Advion)、毅新博創(chuàng)、衡昇儀器等。為幫助用戶更好地學(xué)習(xí)、了解ICP-MS技術(shù)及應(yīng)用的最新進(jìn)展內(nèi)容，91儀器信息網(wǎng)特別策劃了“精進(jìn)不休：ICP-MS新技術(shù)新應(yīng)用”專題，并邀請(qǐng)到市場(chǎng)上的主流生產(chǎn)商們，請(qǐng)他們談?wù)剬?duì)ICP-MS技術(shù)發(fā)展及最新應(yīng)用進(jìn)展的看法。本文特別邀請(qǐng)到珀金埃爾默公司（PerkinElmer）北中國(guó)區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理姚繼軍博士，與他就ICP-MS技術(shù)的發(fā)展歷程，應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了深入交流。

PerkinElmer北中國(guó)區(qū)技術(shù)支持經(jīng)理姚繼軍

Q：回顧PerkinElmer ICP-MS的發(fā)展歷程，有哪些關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和重要的事件呢?

PerkinElmer于1937年4月由Richard Perkin和Charles Elmer合伙創(chuàng)建，1944年推出世界上第一臺(tái)商用紅外光譜儀IR (Model 12)，1955年推出世界上第一臺(tái)商用氣相色譜儀GC (Model 154)，1983年推出世界第一臺(tái)商用 ICP-MS (ELAN 250)，1999年推出世界第一臺(tái)帶反應(yīng)池的ICP-MS，并獲Pittcon金獎(jiǎng)( ELAN 6100 DRC)。

以往大家一般都是從技術(shù)演進(jìn)的角度來(lái)進(jìn)行回顧。分析儀器是人們眼睛的擴(kuò)展和延伸，大腦所獲得的信息中，超過(guò)80%是通過(guò)眼睛獲得的。現(xiàn)在是信息時(shí)代，我們可以從信息論的角度重新看一下其歷史，如下表所示。

表1. 從信息論的角度重新審視ICP-MS的發(fā)展歷史

出現(xiàn)的問(wèn)題

解決方案

時(shí)間

1974年ICP發(fā)射光譜儀出現(xiàn)后，常量元素的定性和定量取得快速發(fā)展，但分析微量和痕量元素時(shí)，分析信號(hào)弱，而干擾信號(hào)卻相對(duì)很強(qiáng)，如何在強(qiáng)干擾背景下采集和放大弱信號(hào)呢？

ICP-MS誕生，質(zhì)譜比光譜靈敏度提高上千倍，同時(shí)元素的同位素一般不超過(guò)10個(gè)，譜線干擾大大降低，例如，F(xiàn)e的譜線在ICP上有4400多條，而在ICP-MS上只有54、56、57、58這4條譜線，因而ICP-MS中譜線能量更集中，譜線相互干擾更少。

1983年

ICP-MS自誕生之日起，Li、In、U、Be、Y、Bi這些沒(méi)有干擾的金屬元素的檢出限就可以達(dá)到ppt量級(jí)，一直到現(xiàn)在幾乎未有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。但是，Si、P、S、Cl、As、Se，這些元素的分析信號(hào)依然很弱，而在特定基體中的干擾信號(hào)卻相對(duì)很強(qiáng)，如何在強(qiáng)干擾背景下采集和放大這些弱信號(hào)呢？K、Ca、Fe、V、Zn、Cr、Cd這些金屬元素雖然分析信號(hào)很強(qiáng)，但在特定基體下干擾信號(hào)更強(qiáng)，怎么辦？

在原有一個(gè)四極桿的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)四極桿，形成串極質(zhì)譜，通過(guò)CH4、NH3等還原性氣體形成還原反應(yīng)，或者O2、NO等氧化性氣體形成氧化反應(yīng)，直接消除干擾物，或者質(zhì)量轉(zhuǎn)移將分析物轉(zhuǎn)移到?jīng)]有干擾的新位置，即便在干擾信號(hào)比分析信號(hào)強(qiáng)一百萬(wàn)倍以上的情況下，依然可以對(duì)分析信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。

1999年

在消除了海產(chǎn)品中砷分析的干擾后，人們發(fā)現(xiàn)海產(chǎn)品中砷的含量比其他食品要高很多，但毒性卻很小，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，三價(jià)砷、五價(jià)砷、一甲基砷、二甲基砷、砷甜菜堿對(duì)老鼠的半致死量LD50分別是4.5、15、1800、2600、10000 mg/kg，毒性最大相差2000多倍。如何在極為相近的信號(hào)中找出有價(jià)值的信息呢？

在ICP-MS的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)HPLC，將砷的各種形態(tài)先在時(shí)間軸上分開(kāi)，再進(jìn)行檢測(cè)。

在此基礎(chǔ)上人們也研究了汞、硒、錫、鉻等的價(jià)態(tài)和形態(tài)，另外也研究了GC、CE等各種分離設(shè)備與ICP-MS聯(lián)用的可能性和應(yīng)用。

隨著GB 5009.11-2014 食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定等標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，形態(tài)分析已經(jīng)從科學(xué)研究轉(zhuǎn)變成了日常性的檢測(cè)工作。

地質(zhì)年代學(xué)研究需要測(cè)試鋯石，傳統(tǒng)分析需要空氣磨蝕、化學(xué)分解和U/Pb分離等比較復(fù)雜的前處理過(guò)程,實(shí)驗(yàn)流程本底要求特別低,一般全流程鉛空白為0.03～0.05ng,鈾空白為0.002～0.004 ng，而且其最大的缺陷是無(wú)法揭示復(fù)雜鋯石內(nèi)部微區(qū)的U/Pb和207Pb/206Pb年齡信息。如何在微米級(jí)別的區(qū)域內(nèi)提取出有用的信息呢？

在ICP-MS的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)激光燒蝕LA，通過(guò)激光微米級(jí)別的光斑將樣品瞬間氣化并吹入等離子體，從而將樣品在三維空間軸上分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)微區(qū)分析。

后來(lái)人們通過(guò)連續(xù)的激光掃描，實(shí)現(xiàn)了樣品的元素二維或三維空間成像。

激光光束波長(zhǎng)變短，光斑變小，脈沖周期變短（目前已經(jīng)發(fā)展到飛秒激光），使得微區(qū)分析和元素成像不斷發(fā)展。

微米級(jí)別的差異都可以分開(kāi)了，那，納米級(jí)別的差異呢？

在ICP-MS的基礎(chǔ)上，提高儀器的信號(hào)采集速度，再增加一個(gè)專用的納米顆粒分析軟件。

2014年

鋯石和納米顆粒都是死的，那活的細(xì)胞之間的差異能分析嗎？

在四極桿ICP-MS的基礎(chǔ)上，提高儀器的信號(hào)采集速度，再增加一個(gè)專用的單細(xì)胞分析軟件。

2016年

能不能分析細(xì)胞之間上百個(gè)維度上的差異呢？

四極桿ICP-MS的分析速度已經(jīng)無(wú)法滿足信息獲取速度的要求，只能將四極桿換成TOF，這就是CyTOF，即質(zhì)譜細(xì)胞儀。

2004年

Q:PerkinElmer作為率先提出單顆粒和單細(xì)胞ICP-MS的廠商，有何先發(fā)優(yōu)勢(shì)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，這篇文章里面不僅展示了球形納米顆粒的測(cè)量，還可以測(cè)量棒狀的納米顆粒。

天下功夫唯快不破。華為的5G也就僅僅是比美國(guó)的4G快了一點(diǎn)而已，為什么美國(guó)總統(tǒng)特朗普就像要了命、丟了魂似的呢?從上圖可以看出，一個(gè)納米顆粒的信號(hào)僅停留200微秒，可以說(shuō)，信息獲取的速度直接決定了信息的質(zhì)量。如果儀器每100微秒測(cè)量一次，一個(gè)納米顆粒頂多獲得兩個(gè)數(shù)據(jù)，用兩個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)法畫(huà)出一個(gè)峰形，還丟失了很多關(guān)鍵的信息。而且這兩個(gè)數(shù)據(jù)在納米顆粒峰形的兩邊還是中間，將很大程度上影響數(shù)據(jù)的大小。PerkinElmer的ICP-MS可以每10微秒測(cè)量一次，以準(zhǔn)確捕獲納米顆粒的細(xì)節(jié)信息。

不僅如此，量變將會(huì)引起質(zhì)變。我們?cè)趺床拍苤佬盘?hào)是來(lái)自完整的細(xì)胞，還是細(xì)胞破碎后的碎片呢?細(xì)胞碎片所包含的元素或者納米顆粒會(huì)產(chǎn)生假陽(yáng)性的虛假信息，如果不能剔除，得出的結(jié)論可能是經(jīng)不住推敲的。

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Sean Bendall博士被列入全美“40 Under 40”名錄(每年評(píng)選40位各領(lǐng)域的杰出青年)，在Bendall 2014年4月發(fā)表在Cell上的文章中，他在正常人的骨髓中發(fā)現(xiàn)了B細(xì)胞前體的幾個(gè)新組分。這些新組分的B細(xì)胞起到了“看門(mén)人”的角色，決定了B細(xì)胞的成熟同時(shí)作為“檢查站”防止自身免疫的發(fā)生，但這些細(xì)胞在骨髓中的比率僅約為萬(wàn)分之一。

而在單細(xì)胞分析中，由于霧化氣的沖擊，細(xì)胞在霧化器噴嘴處破碎的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)萬(wàn)分之一。如何判斷這萬(wàn)分之一是來(lái)自完整的細(xì)胞，還是來(lái)自細(xì)胞的碎片呢?我們測(cè)得的信號(hào)是細(xì)胞的功能性吸收引起的，還是細(xì)胞碎片隨機(jī)的吸附引起的呢?

解決的辦法是在細(xì)胞核上結(jié)合Rh、Ir、Pd、Pt中的任何一個(gè)元素，而在細(xì)胞表面抗體上結(jié)合的是稀土元素，只有當(dāng)細(xì)胞核上的元素和細(xì)胞表面的元素同時(shí)被測(cè)到，才認(rèn)為是一個(gè)有效的事件，而把其他的都作為假信息處理。這就要求在單細(xì)胞分析時(shí)至少兩個(gè)元素能夠同時(shí)測(cè)量。

從信息論的角度，ICP-MS的發(fā)展脈絡(luò)大致如下：

1. 樣品整體中元素總量的信息采集，干擾要少，信息的信噪比要高。

2. 元素在樣品中存在的形態(tài)有很多種，通過(guò)色譜把各種形態(tài)在時(shí)間軸上拉開(kāi)。

3. 元素在樣品中不同位置的分布很不均勻，通過(guò)LA將樣品在空間軸上拉開(kāi)。

4. 樣品小到微米和納米尺度，這些樣品也不簡(jiǎn)單，納米顆粒有納米球和納米棒，還有多種元素相互包裹的復(fù)合納米顆粒，而細(xì)胞就更復(fù)雜，要測(cè)一個(gè)細(xì)胞中的一個(gè)元素已經(jīng)不夠用了，要同時(shí)測(cè)單個(gè)細(xì)胞中的兩個(gè)元素，甚至同時(shí)測(cè)單個(gè)細(xì)胞中的上百個(gè)抗體的特征性信息。以前分析2小時(shí)的數(shù)據(jù)量不超過(guò)1K，現(xiàn)在2分鐘獲得的數(shù)據(jù)量超過(guò)28G，這就是信息時(shí)代的信息爆炸。在最近的三年里，全世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，比三年前到有文字以來(lái)人類產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的總和還多。

Q:通過(guò)對(duì)ICP-MS歷史的回顧，能夠讓我們對(duì)其未來(lái)發(fā)展有哪些啟示呢?

工業(yè)時(shí)代和信息時(shí)代的游戲規(guī)則是不同的。工業(yè)時(shí)代的強(qiáng)者為了繼續(xù)生存，都在對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)品進(jìn)行信息化的改造?？梢哉f(shuō)，信息時(shí)代，誰(shuí)的信息加工處理能力強(qiáng)，誰(shuí)就是王者。

信息時(shí)代，信息的價(jià)值和錢(qián)一樣重要。信息就是錢(qián)。問(wèn)題是，在信息泛濫的情況下，怎么才能挖掘出有價(jià)值的信息為我們的生活服務(wù)呢?

大數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)了，我們就應(yīng)該用大數(shù)據(jù)思維來(lái)應(yīng)對(duì)信息時(shí)代的不確定性。我們可以把大數(shù)據(jù)計(jì)算變成人工智能，進(jìn)行精準(zhǔn)的服務(wù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整我們做事情的策略，發(fā)現(xiàn)原來(lái)不知道的規(guī)律。

為誰(shuí)服務(wù)呢?服務(wù)什么呢?當(dāng)然是為人民服務(wù)，讓人民過(guò)得更幸福。這才是初心。ICP-MS也好，CT機(jī)也好，這些都是工具而已。

比如說(shuō)，清華大學(xué)學(xué)生朱令鉈中毒，出現(xiàn)了嘔吐、脫發(fā)直至呼吸衰竭的癥狀，她血液中鉈的濃度和她的癥狀之間存在因果關(guān)系，當(dāng)年醫(yī)院并不知道這種因果關(guān)系，耽誤了很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致這個(gè)案件至今未破。鉈是一個(gè)毒性極強(qiáng)的元素，它的中毒癥狀也比較明顯，那么其它元素呢?如果我們能夠找出所有有毒有害物質(zhì)的中毒癥狀，并建立因果關(guān)系，無(wú)疑對(duì)以后類似事件的處理會(huì)起到很大的協(xié)助作用。

信息之間構(gòu)成因果關(guān)系，也就是說(shuō)信息之間是等價(jià)的。更多的時(shí)候，信息之間并不是等價(jià)的，而僅僅是相關(guān)的。信息時(shí)代的任務(wù)就是找出那些具有強(qiáng)相關(guān)性的信息。

如何評(píng)價(jià)信息之間的相關(guān)性強(qiáng)弱呢?這就要用到互信息這個(gè)概念?；バ畔⒏?，則相關(guān)性就強(qiáng)。細(xì)胞作為生命結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的基本單位，單細(xì)胞的信息和健康的信息，哪些信息之間的互信息高呢?這是當(dāng)下最熱門(mén)的研究領(lǐng)域，對(duì)于人類的健康和攻克癌癥具有極其重要的意義。

單細(xì)胞分析可獲得細(xì)胞在微環(huán)境中準(zhǔn)確的個(gè)體信息，大量細(xì)胞個(gè)體呈現(xiàn)的差異性信息可以用于研究細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)、生理病理和重大疾病的早期診斷?；贗CP-MS 的單細(xì)胞分析方法，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的多參數(shù)分析和準(zhǔn)確的定量分析，為在單細(xì)胞水平上研究與金屬元素相關(guān)的生物過(guò)程提供了一個(gè)通用的策略，在細(xì)胞內(nèi)多元素監(jiān)測(cè)、金屬藥物代謝動(dòng)力學(xué)研究、快速診斷金屬相關(guān)疾病、基于元素調(diào)查細(xì)胞的異質(zhì)性等相關(guān)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。PerkinElmer基于單細(xì)胞ICP-MS技術(shù)利用專利的Asperon單細(xì)胞霧化室將單個(gè)完整細(xì)胞引入ICP-MS等離子體中，再結(jié)合NexION系列ICP-MS質(zhì)譜分析儀瞬時(shí)采集速度快的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)定單細(xì)胞內(nèi)的金屬元素含量。針對(duì)單細(xì)胞和納米顆粒研究的不同應(yīng)用領(lǐng)域，PerkinElmer也充分與用戶合作共同開(kāi)展研究，比如，檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究所課題組開(kāi)展了檢測(cè)食品領(lǐng)域納米添加的研究;南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院利用單顆粒檢測(cè)功能開(kāi)展了環(huán)境中納米顆粒的形成機(jī)理、結(jié)構(gòu)特性和生物毒性方面的研究等。

Q：未來(lái)十年ICP-MS儀器和應(yīng)用方面將會(huì)有哪些發(fā)展趨勢(shì)呢?

1. 儀器的使用會(huì)越來(lái)越“傻瓜化”，英國(guó)的垃圾箱上沒(méi)有文字說(shuō)明，只有圖案標(biāo)識(shí)：一個(gè)是玻璃瓶，一個(gè)紙袋，一個(gè)碎屑的點(diǎn)，哪怕不識(shí)字的人也知道怎么進(jìn)行垃圾分類。規(guī)則越簡(jiǎn)單，執(zhí)行越容易?！吧倒稀本褪怯薮?，但“傻瓜式”卻是頂級(jí)聰明人的匠心之作。

2. 儀器的結(jié)構(gòu)模塊化，為了應(yīng)對(duì)企業(yè)及第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)用戶的幾乎不停機(jī)的需求，模塊式插拔和更換將有可能讓用戶在幾分鐘內(nèi)自行維修完畢。

3. 儀器的分析自動(dòng)化程度會(huì)越來(lái)越高，從取樣到報(bào)告，無(wú)人值守將成為可能甚至成為必須。配備了自動(dòng)進(jìn)樣器的激光燒蝕系統(tǒng)(LA)有可能讓土壤、地礦等領(lǐng)域的樣品從壓片到上機(jī)全程自動(dòng)化，并且每天檢測(cè)上萬(wàn)個(gè)樣品，而食品和臨床的樣品經(jīng)過(guò)深度破碎至5微米以下而直接進(jìn)樣，也可以達(dá)到每天上萬(wàn)個(gè)樣品分析的高通量。

4. 儀器的結(jié)果圖形化呈現(xiàn)，透過(guò)數(shù)據(jù)看規(guī)律和找規(guī)律會(huì)成為儀器使用者的主要工作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的人可能完全不懂儀器，但他們可能會(huì)成為真正的分析專家或者分析科學(xué)家，就像一個(gè)大廚，他并不知道菜刀的成分是什么，更不知道菜刀是怎么做出來(lái)的，他甚至不知道液化氣灶貧燃和富燃時(shí)為什么顏色不一樣，但這并不妨礙他做出一桌子色香味俱佳的美味。

    除上述內(nèi)容，姚繼軍還對(duì)“He氣碰撞可消除一切干擾”的說(shuō)法發(fā)表了其看法。詳情可點(diǎn)擊查看附件。

所有元素在常見(jiàn)的還原性氣體和氧化性氣體中干擾消除的有效性.pdf