基于微流控芯片的样品前处理技术与等离子体质谱联用用于细胞分析

The project aims to develop novel chip-based sample pretreatment techniques including chip-based liquid phase microextraction and chip-based monolithic microextraction, to fabricate highly integrated microfluidic devices which contain multiple units of cell counting, cell rupture, enzymatic digestion, microextraction and etc., to develop high efficient and low dead-volume interface between microfluidic chip and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), to establish novel analytical methods of chip-based sample pretreatment techniques combined with (chromatography-)ICP-MS for trace metals and their species analysis as well as protein quantification based on elemental tags in cells, and to investigate the transportation and transformation mechanism of trace metals in cells. The fulfillment of the proposed project will provide effective and applicable analytical methodologies for cell analysis, and provide metallomics information in cells. This project will also greatly promote the development of analytical chemistry, especially atomic spectrometry/mass spectrometry.

探索适合于细胞分析的微流控芯片样品前处理技术（如芯片液相微萃取和芯片整体柱微萃取），构建集细胞计数、破壁、酶解、萃取等功能单元于一体的高集成化微流控芯片装置，研发高效、死体积小的微流控芯片系统-等离子体质谱(ICP-MS)联用技术的接口，建立微流控芯片样品前处理系统（-色谱)-ICP-MS联用技术用于细胞内痕量元素/形态分析以及元素标记蛋白质定量分析的新方法，为金属组学研究提供新的技术平台。课题的完成，不仅对分析化学学科（特别是原子光谱/质谱）的发展和学术水平的提高具有重要的学术意义，而且为从金属组学的角度揭示痕量元素的毒性及其在生命体中的迁移与转化过程及与人体健康的关系提供理论依据、实验方法和基础数据，并具有广阔的应用前景。

细胞是生命活动的基本单元，细胞中痕量元素的调控机制是生物体中许多生命功能的基础。然而到目前为止，还不能从分子水平上明确阐述依赖于痕量元素的生物化学过程，细胞中痕量元素被储存或成为辅助因子的机理尚不清楚。了解相关金属或类金属在生物体内存在的全部形态信息是研究其生理功能的基础，因此急需建立灵敏度高、准确性好、样品消耗量小的分析方法用于细胞内痕量元素与形态分析、以及相关蛋白质定量和细胞计数。针对这一问题，本项目构建了适用于细胞分析的高效、高通量和高集成化的新型阵列磁固相萃取和整体柱微萃取微流控芯片，设计制作了芯片与等离子体质谱(ICP-MS)/高效液相色谱(HPLC)-ICP-MS在线联用的接口，该接口具有死体积小、传输效率高、分析速度快等优点，建立了芯片阵列磁固相微萃取/芯片阵列整体柱微萃取-ICP-MS/HPLC-ICP-MS细胞内痕量元素及其形态分析的新方法；在此基础上深入系统地开展了细胞内痕量元素与元素形态分析、单细胞分析以及细胞内硒-汞拮抗作用的研究，从分子水平上探讨了在SeCys2存在的条件下，MeHg入胞、胞内转换以及出胞形式，提出了SeCys2抑制MeHg细胞毒性的可能机理；开发了新型元素标签，包括双重放大元素标签、多功能元素标签等，实现了蛋白质和细胞的高灵敏、多目标物同时检测、以及定量/成像的同时分析。所取得的研究成果不仅为金属组学研究提供了高效的、新的技术平台，而且对于分析化学学科（特别是原子光谱/质谱）的发展和学术水平的提高，促进生物、医学等相关学科的发展均具有重要的学术意义，并具有广阔的应用前景。