3D打印技术研制ICP-MS单细胞测定技术接口

Some studies implied that the toxicity of metals in each individual cell within a population of cell varied depending on status of each cell. It was seldom investigated for the limitation in methodology. Flow cytometry is currently the most popular method for single-cell analysis, which applications are however limited by its channels for simultaneous detection. Mass cytometry dramatically increase the channels, demonstrating its promising potentials in single-cell analysis via its application in past several years; it however lack specifically designed interface systems as well as fully optimized methods. The study is to develop new interface systems and methods for single cell analysis with ICP-MS. The new interface systems will be precisely fabricated via 3D printing in lab with the assistance of computer simulation in design and optimization of geometry. The toxicity of mercury and arsenic in HepG2 and SK-N-SH in single cell level will then be investigated on the basis of the newly developed system and method.

金属污染物在单个细胞中的毒性效应与细胞的状态密切相关，由于技术瓶颈目前尚缺乏针对性的研究。流式细胞术是目前应用最为广泛的单细胞研究方法，但是常规流式细胞术能同时监测的细胞信号数量有极大限制。以ICP-MS为基础的质谱流式技术极大的增加了同时可监测的细胞信号的数量，其近几年在免疫学研究中的应用显示了ICP-MS单细胞测定技术具有极大的应用前景。目前ICP-MS单细胞测定技术仪器硬件设计缺乏针对性、方法有待系统优化，尤其是接口部分并不完全适合非均一性单细胞悬液样品测定。本研究拟结合计算机模拟设计和3D打印技术，开发针对单细胞测定的新型高效ICP-MS仪器接口系统、系统探究单细胞ICP-MS技术的方法学、初步开展汞和砷在典型细胞系中的单细胞细胞毒理的研究。为更全面和深入的解释金属毒理和生物学功能以及单细胞细胞毒理学做方法学的储备。同时，为3D打印技术的应用做探索性研究。

金属污染物在单个细胞中的毒性效应与细胞的状态密切相关，然而由于技术瓶颈，目前尚缺乏针对性的研究。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的样品制备和引入过程简单，能够实现高灵敏度、低检出限和大线性范围的多元素分析检测，因此在单细胞内金属元素测定的研究中具有极大的应用前景。目前ICP-MS接口系统的样品传输效率非常低，设计缺乏针对性，尤其是接口部分并不适合非均一性单细胞悬液样品测定。亟待开发高效的接口器件。.本研究利用计算机三维辅助设计和3D打印技术研制了针对单细胞测定的新型直喷型ICP-MS进样接口，研究了接口的单细胞测定性能，建立了用于单细胞ICP-MS测定的相关方法和技术，并初步开展了典型金属污染物在单细胞中的毒性效应研究。本研究首先设计了一种全耗型单通道ICP-MS雾化室，通过计算流体力学对其性能进行了理论模拟，并对其几何结构和进样参数进行了优化。随后，使用多种3D打印材料来制造雾化室，对打印参数进行调试和优化的同时，还对打印材料进行了遴选和优化，确定了光固化树脂最适宜用于制造该雾化室。之后，基于该雾化室搭建了一种用于ICP-MS单细胞测定的进样系统，对金属离子和金属纳米颗粒标准溶液的测试结果表明，当进样流速为2 μL min-1时，雾化室的传输效率最高，表明该系统更适用于低进样流速样品的分析，符合单细胞分析的需求。本研究基于该接口技术建立了一种单颗粒ICP-MS分析方法，可用来直接定量分析微量血液样品中的纳米颗粒。使用该方法分析了经过不同纳米金颗粒暴露的小鼠血液样品，实现了微量样品中纳米颗粒粒度分布和数量浓度的同时在线检测，此外，本研究还建立了一种采用流式进样的spICP-MS检测方法，用于实现四膜虫中重金属元素Hg的检测。.本研究的顺利完成为后续的3D打印技术对分析仪器及部件的开发研究有一定启示性作用，可以为后续的单细胞（金属）毒理学开展探索性研究。