English

• 1.   引言

  免疫分析在临床医学检测领域具有重要地位^[1]。免疫分析的特异性通常取决于抗体-抗原特异性，而灵敏度则与耦合在抗原抗体复合物上标记物的可检测性能有关^[2~4]。1959年，Yalow等^[5]首先建立了放射免疫分析法，并通过Ⅰ-131标记抗体和闪烁计数法实现了血清中胰岛素的定量检测。放射免疫分析法可靠、精确而灵敏，并获得了1977年的诺贝尔生理学或医学奖。然而，放射性元素的使用带来了一系列问题，例如废料处理、放射污染所造成的健康威胁以及同位素半衰期所造成的试剂盒寿命较短等。之后，人们提出了酶联免疫分析(ELISA)^{[6, 7]}、化学发光免疫分析(CLIA)^{[8, 9]}、时间分辨荧光免疫分析(TRFIA)^{[2, 10]}和电化学发光免疫分析(ECLIA)^[11~14]等一系列非放射性免疫分析方法，并逐渐应用于临床检测。然而，这些传统的非放射性免疫方法受到光谱重叠等问题的限制，不适合于临床上的多组分同时检测^[15~18]。2001年，本课题组提出了基于电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)检测的免疫分析方法^[19]。此后ICP-MS免疫分析得到了快速发展，并且已经被证明可用于小分子、蛋白质、核酸以及单细胞等一系列生物样品的检测。由于ICP-MS对于大多数金属元素的检测具有很低的检出限、宽线性范围和多元素同时检测的特点^[20~23]，基于元素标记和ICP-MS检测的免疫分析方法具有明显的优势。首先，大量元素可用于标记，并且ICP-MS对于这些元素的检测具有很好的分辨率，使得ICP-MS免疫分析具有多组分同时检测的潜力；其次，通过金属纳米粒子标记或增加标记元素原子的数目可以提高检测的灵敏度；并且由于ICP-MS直接对标记原子本身进行检测，因此检测不受标记物的光学、电学、电化学、磁性等性质的影响^[4]。本文综述了ICP-MS免疫分析方法的特点，并对相关研究的发展方向和前景进行了展望。

  2.   基于元素标记ICP-MS检测的免疫分析

  2.1   ICP-MS简介

  1980年，Houk等^[24]首先采用电感耦合等离子体作为质谱的离子源检测痕量元素。1983年，第一台商用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)诞生。此后，ICP-MS发展成为最重要的元素检测技术。如图 1所示^[25]，样品以溶液形式泵入由喷雾室和雾化器组成的进样系统。之后，以气溶胶的形式通过ICP炬管进入等离子体基部。等离子体(高度电离的气体)分成不同的加热区域，可以使样品干燥、蒸发、原子化并离子化。在等离子体基部，样品由液态气溶胶转变为固相粒子。在等离子体6000~7000 K的分析区域，包含有大量的激发态原子和单原子正电荷离子。这主要是源于ICP产生的常压等离子体高效的原子化和离子化能力，使得分子的原子组成能够完全分解，并将产生的原子高效电离^[26]。高效的离子提取和离子传输使得ICP-MS具有检测痕量元素的能力。另外，ICP-MS具有对不同质荷比的多元素或多同位素的同时检测能力，该特点可以用于实现同位素稀释绝对定量策略^[27]。

  图 1

  

  图 1.  ICP-MS检测示意图^[25]

  Figure 1.  Schematic illustration of inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) detection ^[25]

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  ICP-MS可检测元素周期表中大多数元素^[28]，部分元素的检出限可达到万亿分之一(ppt)的量级甚至更低。配备了四极杆质量分析器的ICP-MS具有0.7~1.0个原子单位的分辨率，并且可以以很高的灵敏度同时检测超过100种同位素。尽管ICP-MS是纯粹的元素检测器，然而通过与分离技术联用，如色谱和电泳等，也可以通过检测不同生物分子中的金属或类金属元素实现对生物分子的特异性检测。但通常认为不含有能够被ICP-MS检测的元素的生物分子，不能用ICP-MS进行检测。

  2.2   基于ICP-MS的免疫分析的特点

  为使抗体能够被ICP-MS有效地检测，必须在抗体上进行元素标记^[4]。采用元素标记，其ICP-MS检测信号不受标记物所处环境的影响，结果更加稳定。另外，ICP-MS检测不存在自发荧光的现象，可以获得更低的背景。由于可同时使用大量不同种类的元素进行标记，ICP-MS免疫分析具有很大的多组分检测潜力。相对于现有的其它免疫分析方法，基于ICP-MS的免疫分析的主要特点有：(1)金属元素标记结合ICP-MS检测对相同标记的生物分子具有相同的灵敏度，这是定量分析的前提条件^[29]；而应用生物分子中不含有的金属元素作为标准，使得对生物分子绝对定量成为可能。(2)相比传统的生物分析方法，生物样品的基质效应对ICP-MS检测影响很小。(3)对基质和待测物分别校准可提供更高的精密度和准确度。(4)ICP-MS检测的线性范围可达到9~12个数量级，几乎不会受到饱和效应的影响^[30]。(5)标记物稳定性具有不随时间、温度、光照条件变化的特点。(6)若使用稀土元素作为标记物，可以降低背景信号，因而获得极低的检出限。(7)蛋白质降解不影响元素标记物的分析。(8)由于有超过100个稳定同位素可以被ICP-MS同时灵敏地检测，因此ICP-MS免疫分析具有良好的多组分检测潜力。(9)更好的谱图分辨率^[31]。(10)易实现信号放大。

  2.3   基于ICP-MS的单组分免疫分析

  2001年，本课题组通过将免疫反应和ICP-MS检测联用的方式建立了元素标记免疫分析的方法^[19]。如图 2所示，通过固定在多孔板上的抗促甲状腺激素(TSH)单克隆抗体捕获TSH，之后在溶液中加入生物素化的二抗和Eu³⁺标记的链霉亲和素，形成夹心免疫复合物；洗去多余反应物之后，用1% HNO₃使复合物上的Eu³⁺解离下来，并引入ICP-MS进行检测，从而得到TSH的浓度。这一结果与放射免疫分析结果具有很好的相关性。2002年，本课题组又报道了利用竞争免疫反应测定总甲状腺素(Total T₄)的工作^[32]。如图 3所示，首先向预包被了牛血清白蛋白-生物素的微孔加入链霉亲和素对多孔板进行包被，包被后的多孔板对于生物素化抗体具有极强的结合能力。之后利用不同浓度T4抗原对生物素化抗体和Eu³⁺标记抗原T4之间的反应抑制能力不同进行定量，检出限为7.4 ng/mL，并且定量结果与化学发光免疫分析具有良好的一致性。同年，本课题组建立了胶体金纳米粒子标记抗体应用于夹心免疫反应的方法，提高了检测的灵敏度^[33]。该方法以胶体金纳米粒子标记的羊抗兔免疫球蛋白G(IgG)测定了兔抗人IgG，其检出限为0.4 ng/mL。

  图 2

  

  图 2.  镧系元素离子标记的基于ICP-MS的夹心免疫分析检测TSH^[19]

  Figure 2.  Detection of thyroid stimulating hormone (TSH) by ICP-MS based lanthanide-ions-labeling sandwich immunoassay ^[19]

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  图 3

  

  图 3.  镧系元素离子标记的基于ICP-MS的竞争免疫分析检测总甲状腺素^[32]

  Figure 3.  Detection of total thyroxin by ICP-MS based lanthanide-ions-labeling competitive immunoassay^[32]

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  Baranov等^{[29, 34]}将离心过滤、蛋白质琼脂糖A亲和色谱、体积排阻凝胶过滤和酶联免疫吸附分析4种免疫分析方法与ICP-MS联用，并采用金纳米粒子和Eu³⁺标记，高效快速地测定目标蛋白，并在复杂的生物基质中获得了极高的灵敏度和精密度。Giesen等^[35]通过金纳米粒子标记和辣根过氧化物酶标记二抗对比了ICP-MS免疫分析和光度法免疫分析对于红酒中赫曲霉素A含量的测定结果，其检出限为0.003 ng/mL，远低于欧盟的标准值。之后，金纳米粒子标记方法被用于对肠道出血性埃希氏大肠杆菌(E.coli O157：H7)的快速灵敏检测^[36]。首先用金纳米粒子标记抗E.coli单克隆抗体，并与含有E.coli的细胞进行孵育；酸解离后进行ICP-MS检测。该方法的检出限为500 CFU/mL，动态检测范围为5×10²~5×10⁵ CFU/mL。

  本课题组以甲胎蛋白AFP和兔抗人IgG为模型蛋白首次证明了通过ICP-MS的时间分辨模式可以实现单纳米粒子标记的免疫分析^{[37, 38]}。纳米粒子电离产生的离子瞬时信号在给定的时间内是一个脉冲信号，其频率与纳米粒子标记物的浓度线性相关，因此可用来对标记抗体进行定量分析。Hu等^[37]利用15 nm的金纳米粒子标记证明了该方法可用于竞争免疫分析，AFP的检出限达到0.016 ng/mL。之后，Liu等^[38]证明了该方法也可用于非竞争免疫分析，对兔抗人IgG的检出限达到了0.1 ng/mL；并且讨论了直径为20、45和80 nm的金纳米粒子信号特征，对比了传统积分模式下和单粒子模式下ICP-MS分析数据的不同，证明该方法可以实现更高灵敏度的免疫分析。之后，Liu等^{[39, 40]}通过建立银增强-金纳米粒子标记的方法，达进一步提高检测灵敏度，如图 4所示。采用这种方法检测人癌胚抗原CEA，通过信号放大，检出限低至0.03 ng/mL，检测灵敏度提高了60倍。

  图 4

  

  图 4.  银增强-金纳米粒子标记的基于ICP-MS的免疫分析原理图(左)及与金纳米粒子信号强度对比(右)^[39]

  Figure 4.  Schematic diagram of silver amplification-gold nanoparticles labeling ICP-MS based immunoassay (left) and comparison of signal intensities (right)^[39]

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  另外，量子点也可用作ICP-MS免疫分析的标记探针。Montoro-Bustos等^[41]采用CdSe/ZnS量子点标记免疫分析检测牛乳中的黄体酮，并对比了荧光法和ICP-MS的检测结果，检出限分别为0.11 ng/mL和0.028 ng/mL。结果表明，ICP-MS检测方法可以降低基质干扰和量子点表面的非特异性吸附的影响，并由此获得更高的灵敏度。

  2.4   基于ICP-MS的多组分免疫分析

  基于元素标记的ICP-MS免疫多组分分析首先由Quinn等^[34]提出。他们用Eu³⁺和1.4 nm金纳米簇标记鼠骨骼肌细胞系内生蛋白Smad 2和Smad 4对应的抗体，线性响应范围为2~100 ng/mL。他们将原用于时间分辨荧光测定的Wallace全自动免疫分析试剂用于ICP-MS免疫分析测定目标蛋白，检出限低至0.1~0.5 ng/mL，比全自动免疫分析仪测定结果低一个数量级^[29]。

  本课题组设计了一种双抗夹心免疫分析方法同时测定了甲胎蛋白AFP和游离β人绒毛膜促性腺激素hCGβ两种肿瘤标志物^[42]。首先，将捕获肿瘤标记物的两种抗体固定在多孔板上的同一个孔中，捕获对应的标志物蛋白后，用Eu³⁺标记抗AFP和Sm³⁺标记抗hCGβ单克隆抗体与抗原结合。最后，用HNO₃将Eu³⁺和Sm³⁺离子从免疫复合物上解离下来，用ICP-MS进行检测。检测AFP和hCGβ的线性范围分别为4.6~500 μg/L和5.0~170 μg/L，检出限分别为1.2和1.7 μg/L，批间和批内相对标准偏差均不高于10%，证明了该方法的分析稳定性。该方法对于这两种标记物的检测结果与免疫放射测定结果具有良好的一致性。由于ICP-MS信号强度与标记物上对应元素的原子数呈线性正相关，因此标记在相应抗体上的镧系元素数量十分关键，直接影响了基于ICP-MS的免疫分析方法的灵敏度。

  2004年，Hutchinson等^[43]通过流动注射式ICP-MS双重免疫分析实现了对于两种前列腺癌肿瘤标志物的检测。利用商品化的时间分辨荧光免疫分析试剂盒中的Eu³⁺标记抗体和Sm³⁺标记抗体，对人血清中的游离前列腺特异性抗原fPSA和总前列腺特异性抗原tPSA进行了检测。对同一样品分别进行时间分辨荧光检测和ICP-MS检测，检出限分别为0.01和0.02 μg/L，其灵敏度和可靠性与时间分辨荧光分析法检测相当。

  Ornatsky等^[44]利用Sm³⁺、Eu³⁺、Tb³⁺和纳米金标记建立了4组分同时检测的方法，并研究了人白血病细胞株模型。Careri等^[45]也利用全自动免疫分析试剂中的Eu³⁺标记检测了食品中隐藏的花生过敏原。粗提取的花生蛋白检出限为1.5 ng/mL，而该方法可检出低至2 mg/kg谷物基质。同时，他们对比了基于ICP-MS的免疫分析和液相色谱-串联质谱(LC/MS/MS)联用技术^[46]，并提出LC/MS/MS方法应用于复杂基质的限制主要是由电喷雾离子源ESI造成的，因此产生不准确的定量结果，而ICP-MS方法除了注射泵的记忆效应和免疫反应产生的误差，不存在明显的仪器缺陷。此外，作者认为由于ICP-MS对Eu³⁺标记抗体的检出限低至0.1 ng/mL，方法检出限主要受到抗原抗体结合效率和非特异性结合的影响^[45]。相同的方法也被应用于mRNA的检测^[47]。经过原位杂交后，Eu³⁺标记的商品化抗体和金纳米粒子标记的生物素化寡核苷酸与Tb³⁺标记的链霉亲和素反应，实现了用ICP-MS对白血病细胞中mRNA和蛋白质的同时检测。之后，Terenghi等^[48]研究了临床上对于血清和组织裂解物中肿瘤标志物的多组分ICP-MS检测。他们建立了一种液相免疫分析，实现了对于5种肿瘤标志物(甲胎蛋白AFP、人绒毛膜促性腺激素hCG、癌胚抗原CEA、卵巢肿瘤抗原CA125/MUC16、胃癌抗原CA19-9)的同时检测。这种方法基于不同镧系元素(Pr³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺、Ho³⁺、Tb³⁺)标记的5种抗体在血清或组织间液中进行培养，之后再通过体积排阻色谱ICP-MS(SEC-ICPMS)对免疫复合物进行特异性检测。其灵敏度与ELISA和RIA相当，却具有多组分检测能力、无需样品前处理和节约样品的优势。该方法可以分析血清中的蛋白，并且可以将卵巢和子宫肿瘤组织与健康人组织区分开来。Wang课题组^[49]通过设计一种镧系元素编码蛋白酶特异性多肽-纳米粒子探针，实现了高效精确的非标记多组分蛋白酶分析。

  为了实现ICP-MS检测信号增强，Lou等^[50]合成了一种马来酰亚胺修饰的含有更多目标元素的聚合物作为标记物，极大地提高了免疫分析的灵敏度，实现了在一次分析中检测多种含量差异巨大的蛋白质的目的。作者采用该方法同时检测了两种细胞(人急性骨髓白血病细胞CD33和CD34)表面上的5种标志物，而这些标志物的含量相差了近500倍。这一成果使得应用多组分分析在不同体系下对单个类型细胞株进行指纹图谱检测成为可能。Bandura等^[51]设计了质谱流式细胞仪ICP-TOF-MS(CyTOF^TM，DVS公司)。采用不同稀土元素标记的抗体，实现了对白血病细胞株和白血病人的单细胞表面20种抗原的同时检测^[52](图 5)。在此工作的基础上，Bendall等^[53]利用单细胞质谱流式细胞仪，实现了人骨髓单细胞中34个组分的指纹图谱检测(图 6)。细胞亚结构在受到外部刺激或抑制时，其18个标志物的功能性信号行为完全反映了造血过程。这些数据可以在算法上区分由表面抗原表达所导致的不同细胞类型，从而产生在药物抑制下细胞信号响应的叠加谱图。这一研究结果既揭示了传统亚细胞结构的精确信号响应，也揭示了细胞群体间与细胞表型有关的连续磷酸化响应。Bodenmiller等^[54]于2012年描述了大量标记细胞编码(MCB)的概念，使用n个金属离子标记实现了对2ⁿ份样品的高通量检测。他们只使用了7个标记物就覆盖了整个96多孔板；并利用MBC的概念实现了对人外周血单核细胞(PBMC)动态信号，细胞间通讯，来自8个人类捐献者的PBMC间的信号差异以及27种抑制剂的影响的表征。对于每一种抑制剂，作者检测了在96种情形下14个PBMC上的14个磷酸化点位，得到了18816个定量的磷酸化水平。这种高维度、系统性的研究可以对抑制剂进行分类并阐明脱靶效应。应用MCB进行高含量、高通量筛选对于人类疾病的药物研究、临床前测试和机理研究具有重要意义。

  图 5

  

  图 5.  对白血病细胞株的20种抗原的流式细胞仪分析^[52]

  Figure 5.  Mass cytometric analysis of 20 antigens of human leukemia cell lines ^[52]

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  图 6

  

  图 6.  免疫细胞响应模式的流式细胞仪分析流程^[53]

  Figure 6.  Workflow summary of mass cytometry analysis for immune cell response patterns^[53]

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  2.5   基于ICP-MS的磁球免疫分析

  近年来，免疫磁球作为一种高效的捕获、富集和分离技术，广泛应用于对复杂基质中目标待测物的免疫分析中^[55]。此外，免疫磁球具有较大的比表面积、较好的稳定性、易于修饰功能性基团以及较快的反应动力学等特点，使其很适合进行快速、灵敏的免疫反应^[56]。基于ICP-MS的磁球免疫分析，Zhao等^[57]提出了一种利用两个亲和适配体提高特异性，金纳米粒子用于信号扩增，磁球用于快速分离，以及ICP-MS用于超灵敏检测的夹心免疫分析方法，以检测人α凝血酶，并证明该方法具有良好的选择性。之后，Cho等^[58]通过合成了19.8 nm的TiO₂纳米粒子修饰单克隆抗体以标记前列腺特异性抗原PSA，建立了一种新的磁球免疫方法，血清中PSA的检出限达到了1.16 fg/mL，比当前癌症诊断时测定PSA的水平低了3.44×10⁶倍。Chen等^[59]提出了一种微流控芯片磁球免疫分析结合PbS纳米粒子和电热蒸发进样ICP-MS(ETV-ICP-MS)的方法对人类血清中的癌胚抗原CEA进行了检测。他们设计了一种微流控芯片用于磁球免疫分析，并且制备了亚氨基二乙酸修饰二氧化硅包被的磁性纳米粒子(IDA-SCMNPs)，通过磁场作用下的自组装填充在微孔道形成固相柱。之后，通过一抗、抗原、PbS纳米粒子标记的二抗之间在固相柱上发生的免疫反应，被捕获的Pb进入ETV-ICP-MS检测，结果与化学发光免疫分析(CLIA)具有一致性。Peng等^[60]又提出了用汞纳米粒子进行标记的基于ICP-MS的磁球免疫分析方法对人类血清癌胚抗原CEA进行检测，并使用体积排阻色谱对标记汞离子的抗体和过量汞离子进行分离，再应用ICP-MS检测标记抗体。该方法与化学发光法的结果具有一致性。之后，他们采用聚合物元素标记实现了糖基化蛋白的多组分磁球免疫分析^[61]。触珠蛋白HP、血液结合素HPX和卵清蛋白OVA作为目标蛋白首先由外源凝集素包被的磁球利用与乙二醇结构的反应进行捕获，之后用Cd、Hg、Pb的聚丙烯酸聚合物标记的抗体进行免疫反应，该方法对于HP、HPX和OVA线性检测范围分别在0.1~100 ng/mL、0.1~100 ng/mL和0.5~100 ng/mL，并通过血清加标回收实验证明该方法在复杂样品中的实用性。

  2013年，Konz等^[62]应用同位素稀释法建立了一种对人体基质中痕量铁蛋白进行高灵敏度绝对定量的基于ICP-MS的磁球免疫分析。该方法以钌-联吡啶螯合物连接的抗体作为标记探针，并借助链霉亲和素化磁性微球作为免疫夹心复合物的捕获探针。由于钌复合物可以产生电致化学发光ECL，因此将ICP-MS和ECL的数据组合可以建立铁蛋白：钌的计量化学方法，并奠定了以同位素富集的⁹⁹Ru为载体的流动注射分析，实现了在皮摩尔级对铁蛋白绝对定量分析，具有良好的精密度和准确度。

  在细胞检测方面，Zhang等^[63]于2014年报道了应用金纳米粒子标记的磁球免疫ICP-MS分析方法检测肿瘤细胞的工作。如图 7所示，首先以抗CD3抗体修饰的纳米磁珠作为捕获探针从细胞混合物中高效快速分离淋巴T细胞，并以金纳米粒子标记的抗CD2抗体作为ICP-MS检测的标记探针。上述两个探针对于CD2/CD3阴性的细胞(97L细胞和A549细胞)不产生任何结合，因此具有很强的亲和性和特异性。更重要的是，该工作建立了一种基于细胞表面生物标志物的细胞同时检测方法。2016年，Zhang等^[64]应用金纳米粒子标记和杂交链式反应的双重扩增效应产生的金纳米粒子标记DNA多联体，建立了一种能够灵敏地检测血液循环中肿瘤细胞的ICP-MS磁球免疫分析方法，并利用上皮细胞粘附分子抗体连接的磁球作为选择性探针。该方法将外周血中HepG2细胞的检出限降低至15个细胞，并且具有很强的特异性和灵敏度。之后，该课题组^[65]又提出对HepG2细胞检测和成像的磁球免疫方法。在用铯Cs掺杂的多核磁性纳米粒子对HepG2细胞进行捕捉之后，用CdSe/ZnS量子点进行标记，可以同时利用量子点的光致发光性质进行荧光成像和以Cd/Cs为元素标记进行ICP-MS计数，使得该方法应用同一标记过程即可达到同时对癌症细胞进行计数和可视化的目的。

  图 7

  

  图 7.  基于ICP-MS的磁球免疫分析检测淋巴T细胞^[63]

  Figure 7.  Detection of Jurkat T cells by ICP-MS based magnetic immunoassay ^[63]

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  本课题组^[66]应用功能化磁性微球作为捕获探针，并应用金属稳定同位素标记策略，建立了多组分核酸分析方法，如图 8所示。应用Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的稳定同位素离子标记实现了在均相溶液中对15种临床疾病(包括癌症、遗传病和病毒性疾病)相关的DNA序列的同时检测，并通过同位素稀释策略建立了两种目标DNA的同时绝对定量。该方法同样适用于免疫多组分的同时检测分析。

  图 8

  

  图 8.  基于金属稳定同位素标记策略的多组分核酸分析^[66]：(A)镧系元素稳定同位素标记DNA探针；(B)多组分DNA分析流程

  Figure 8.  DNA assays based on the metal stable isotope tagging strategy ^[66]: (A) tagging DNA with lanthanide stable isotope tags; (B) multiplex DNA assay procedures

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  3.   结论与展望

  近年来，基于ICP-MS的免疫多组分分析方法逐步成熟，特别是基于单细胞的质谱流式分析取得很大成功。基于ICP-MS免疫分析具有多组分同时分析的优点，与目前临床常规检测方法相比，能够大大减小用血量, 提高检测效率。但十几年来该技术一直局限在实验室研究，没有推广到常规临床检验。主要障碍是多个组分的包被抗体在多孔板的同一个孔中进行包被时，由于包被抗体的行为具有差异性，很难保证不同的包被抗体能够均等包被。其次，不同抗原-抗体的结合常数不同，血清中大小不同的蛋白质受到的基质影响不同，而且几个组分浓度存在大的差异，定量分析会产生较大偏差和歧视效应。采用免疫磁球代替多孔板作为免疫反应固相载体，由于免疫磁球在溶液中进行反应，在一定程度上克服多组分检测时所面临的歧视效应和位阻效应，在不久的将来，有望将ICP-MS的多组分免疫分析推广到临床检测。

  基于ICP-MS检测的免疫多组分分析可以实现少量样本(如“一滴血”)中多个疾病标志物的同时检测，建立临床免疫指纹图谱，有望实现对疾病的预防、诊断。此外，利用免疫磁球可以任意混合的特点，不同抗体标记的磁球可以进行任意组合式免疫，从而实现ICP-MS的组合式免疫多组分分析，以满足不同个体对不同指标检测的需求，更好地实现个体化检测。此外，如微生物的快速鉴定、微生物相互作用的研究等，基于ICP-MS检测的免疫多组分分析同样具有更广阔的应用前景。

  
  
• 1. [1]

     Hage D S. Anal. Chem., 1995, 67(12):R455-R462 doi: 10.1021/ac00108a030

  2. [2]

     Hagan A K, Zuchner T. Anal. Bioanal. Chem., 2011, 400(9):2847-2864 doi: 10.1007/s00216-011-5047-7

  3. [3]

     Jackson T M, Ekins R P. J. Immunol. Methods., 1986, 87(1):13-20 doi: 10.1016/0022-1759(86)90338-8

  4. [4]

     Liu R, Wu P, Yang L, Hou X, Lyu Y. Mass Spectrom. Rev., 2014, 33(5):373-393 doi: 10.1002/mas.v33.5

  5. [5]

     Yalow R S, Berson S A. Nature, 1959, 184(4699):1648-1649 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13846363

  6. [6]

     Lequin R M. Clin. Chem., 2005, 51(12):2415-2418 doi: 10.1373/clinchem.2005.051532

  7. [7]

     Engvall E, Perlmann P. J. Immunoass. Immunoch., 1971, 8(9):871-875 doi: 10.1016/0019-2791(71)90454-X

  8. [8]

     Schroeder H R, Vogelhut P O, Carrico R J, Bogulaski R C, Buckler R T. Anal. Chem., 1976, 48(13):1933-1937 doi: 10.1021/ac50007a032

  9. [9]

     Zhao L, Sun L, Chu X. TrAC-Trends Anal. Chem., 2009, 28(4):404-415 doi: 10.1016/j.trac.2008.12.006

  10. [10]

      Soini E, Hemmila I. Clin. Chem., 1979, 25(3):353-361 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/400437

  11. [11]

      Blackburn G F, Shah H P, Kenten J H, Leland J, Kamin R A, Link J, Peterman J, Powell M J, Shah A, Talley D B, Tyagi S K, Wilkins E, Wu T G, Massey R J. Clin. Chem., 1991, 37(9):1534-1539 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1716534

  12. [12]

      Kenten J H, Casadei J, Link J, Lupold S, Willey J, Powell M, Rees A, Massey R. Clin. Chem., 1991, 37(9):1626-1632 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1654234

  13. [13]

      Marquette C A, Hezard P, Degiuli A, Blum L J. Sens. Actuators B, 2006, 113(2):664-670 doi: 10.1016/j.snb.2005.07.015

  14. [14]

      Forster R J, Bertoncello P, Keyes T E. Annu. Rev. Anal. Chem., 2009, 2:359-385 doi: 10.1146/annurev-anchem-060908-155305

  15. [15]

      Han M Y, Gao X H, Su J Z, Nie S. Nat. Biotechnol., 2001, 19(7):631-635 doi: 10.1038/90228

  16. [16]

      Chattopadhyay P K, Price D A, Harper T F, Betts M R, Yu J, Gostick E, Perfetto S P, Goepfert P, Koup R A, de Rosa S C, Bruchez M P, Roederer M. Nat. Med., 2006, 12(8):972-977 doi: 10.1038/nm1371

  17. [17]

      Biju V, Itoh T, Ishikawa M. Chem. Soc. Rev., 2010, 39(8):3031-3056 doi: 10.1039/b926512k

  18. [18]

      Wu P, Miao L N, Wang H F, Shao X G, Yan X P. Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50(35):8118-8121 doi: 10.1002/anie.v50.35

  19. [19]

      Zhang C, Wu F B, Zhang Y Y, Wang X, Zhang X R. J. Anal. At. Spectrom., 2001, 16(12):1393-1396 doi: 10.1039/b106387c

  20. [20]

      Bings N H, Bogaerts A, Broekaert J A C. Anal. Chem., 2010, 82(12):4653-4681 doi: 10.1021/ac1010469

  21. [21]

      Zheng C, Yang L, Sturgeon R E, Hou X. Anal. Chem., 2010, 82(9):3899-3904 doi: 10.1021/ac1004376

  22. [22]

      Gao Y, Peng X, Shi Z, Zhang R, Xia X, Yue F, Liu R. At. Spectrosc., 2012, 33(3):73-77

  23. [23]

      Proefrock D, Prange A. Appl. Spectrosc., 2012, 66(8):843-868 doi: 10.1366/12-06681

  24. [24]

      Houk R S, Fassel V A, Flesch G D, Svec H J, Gray A L, Taylor C E. Anal. Chem., 1980, 52(14):2283-2289 doi: 10.1021/ac50064a012

  25. [25]

      Bettmer J, Montes Bayon M, Ruiz Encinar J, Fernandez Sanchez M L, del Rosario Fernandez de la Campa M, Sanz Medel A. J. Proteomics, 2009, 72(6):989-1005 doi: 10.1016/j.jprot.2009.05.003

  26. [26]

      Adams F C. J. Am. Soc. Mass. Spectrom., 2008, 19(11):R1-2 doi: 10.1016/j.jasms.2008.07.008

  27. [27]

      Rodriguez-Gonzalez P, Marchante-Gayon J M, Alonso J I G, Sanz-Medel A. Spectrochim. Acta B, 2005, 60(2):151-207 doi: 10.1016/j.sab.2005.01.005

  28. [28]

      PerkinElmer, Inc.2003.The 30-minute guide to ICP-MS. http://www.perkinelmer.com/CMSResources/Images/44-74849tch_icpmsthirtyminuteguide

  29. [29]

      Baranov V I, Quinn Z, Bandura D R, Tanner S D. Anal. Chem., 2002, 74(7):1629-1636 doi: 10.1021/ac0110350

  30. [30]

      Corthals G L, Wasinger V C, Hochstrasser D F, Sanchez J C. Electrophoresis, 2000, 21(6):1104-1115 doi: 10.1002/(ISSN)1522-2683

  31. [31]

      Liu R, Zhang S X, Wei C, Xing Z, Zhang S C, Zhang X R. Acc. Chem. Res., 2016, 49(5):775-783 doi: 10.1021/acs.accounts.5b00509

  32. [32]

      Zhang C, Wu F, Zhang X R. J. Anal. At. Spectrom., 2002, 17(10):1304-1307 doi: 10.1039/b205623b

  33. [33]

      Zhang C, Zhang Z Y, Yu BB, Shi J J, Zhang X R. Anal. Chem., 2002, 74(1):96-99 doi: 10.1021/ac0103468

  34. [34]

      Quinn Z A, Baranov V I, Tanner S D, Wrana J L. J. Anal. At. Spectrom., 2002, 17(8):892-896 doi: 10.1039/b202306g

  35. [35]

      Giesen C, Jakubowski N, Panne U, Weller M G. J. Anal. At. Spectrom., 2010, 25(10):1567-1572 doi: 10.1039/c0ja00009d

  36. [36]

      Li F, Zhao Q, Wang C, Lu X, Li X F, Le X C. Anal. Chem., 2010, 82(8):3399-3403 doi: 10.1021/ac100325f

  37. [37]

      Hu S, Liu R, Zhang S, Huang Z, Xing Z, Zhang X. J. Am. Soc. Mass. Spectrom., 2009, 20(6):1096-1103 doi: 10.1016/j.jasms.2009.02.005

  38. [38]

      Liu R, Xing Z, Lv Y, Zhang S, Zhang X. Talanta, 2010, 83(1):48-54 doi: 10.1016/j.talanta.2010.08.037

  39. [39]

      Liu R, Liu X, Tang Y, Wu L, Hou X, Lv Y. Anal. Chem., 2011, 83(6):2330-2336 doi: 10.1021/ac103265z

  40. [40]

      Liu R, Zhang Y, Zhang S, Qiu W, Gao Y. Appl. Spectrosc. Rev., 2013, 49(2):121-138 doi: 10.1080/05704928.2013.807817?journalCode=laps20

  41. [41]

      Bustos A R M, Trapiella-Alfonso L, Encinar J R, Costa-Fernandez J M, Pereiro R, Sanz-Medel A. Biosens. Bioelectron., 2012, 33(1):165-171 doi: 10.1016/j.bios.2011.12.046

  42. [42]

      Zhang S, Zhang C, Xing Z, Zhang X. Clin. Chem., 2004, 50(7):1214-1221 doi: 10.1373/clinchem.2003.029850

  43. [43]

      Hutchinson R W, Ma R L, McLeod C W, Milford-Ward A, Lee D. Can. J. Anal. Sci. Spectros., 2004, 49(6):429-435

  44. [44]

      Ornatsky O, Baranov V, Bandura D R, Tanner S D, Dick J. J. Immunol. Methods, 2006, 308(1-2):68-76 doi: 10.1016/j.jim.2005.09.020

  45. [45]

      Careri M, Elviri L, Mangia A, Mucchino C. Anal. Bioanal. Chem., 2007, 387(5):1851-1854 doi: 10.1007/s00216-006-1091-0

  46. [46]

      Careri M, Elviri L, Maffini M, Mangia A, Mucchino C, Terenghi M. Rapid Commun. Mass Spectrom., 2008, 22(6):807-811 doi: 10.1002/(ISSN)1097-0231

  47. [47]

      Ornatsky O I, Baranov V I, Bandura D R, Tanner S D, Dick J. Translational Oncogenomics, 2006, 1:1-9 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23662035

  48. [48]

      Terenghi M, Elviri L, Careri M, Mangia A, Lobinski R. Anal. Chem., 2009, 81(22):9440-9448 doi: 10.1021/ac901853g

  49. [49]

      Yan X, Yang L, Wang Q. Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50(22):5130-5133 doi: 10.1002/anie.v50.22

  50. [50]

      Lou X, Zhang G, Herrera I, Kinach R, Ornatsky O, Baranov V, Nitz M, Winnik M A. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46(32):6111-6114 doi: 10.1002/(ISSN)1521-3773

  51. [51]

      Bandura D R, Baranov V I, Ornatsky O I, Antonov A, Kinach R, Lou X, Pavlov S, Vorobiev S, Dick J E, Tanner S D. Anal. Chem., 2009, 81(16):6813-6822 doi: 10.1021/ac901049w

  52. [52]

      Ornatsky O, Bandura D, Baranov V, Nitz M, Winnik M A, Tanner S. J. Immunol. Methods, 2010, 361(1-2):1-20 doi: 10.1016/j.jim.2010.07.002

  53. [53]

      Bendall S C, Simonds E F, Qiu P, Amir E D, Krutzik P O, Finck R, Bruggner R V, Melamed R, Trejo A, Ornatsky O I, Balderas R S, Plevritis S K, Sachs K, Pe'er D, Tanner S D, Nolan G P. Science, 2011, 332(6030):687-696 doi: 10.1126/science.1198704

  54. [54]

      Bodenmiller B, Zunder E R, Finck R, Chen T J, Savig E S, Bruggner R V, Simonds E F, Bendall S C, Sachs K, Krutzik P O, Nolan G P. Nat. Biotechnol., 2012, 30(9):858-867 doi: 10.1038/nbt.2317

  55. [55]

      Beveridge J S, Stephens J R, Williams M E. Annu. Rev. Anal. Chem., 2011, 4:251-273 doi: 10.1146/annurev-anchem-061010-114041

  56. [56]

      Chikkaveeraiah B V, Bhirde A A, Morgan N Y, Eden H S, Chen X. ACS Nano, 2012, 6(8):6546-6561 doi: 10.1021/nn3023969

  57. [57]

      Zhao Q, Lu X, Yuan C G, Li X F, Le X C. Anal. Chem., 2009, 81(17):7484-7489 doi: 10.1021/ac900961y

  58. [58]

      Cho H K, Lim H B. J. Anal. At. Spectrom., 2013, 28(4):468-472 doi: 10.1039/c3ja30299g

  59. [59]

      Chen B, Hu B, Jiang P, He M, Peng H, Zhang X. Analyst., 2011, 136(19):3934-3942 doi: 10.1039/c1an15387k

  60. [60]

      Peng H, Chen B, He M, Zhang Y, Hu B. J. Anal. At. Spectrom., 2011, 26(6):1217-1223 doi: 10.1039/c1ja00007a

  61. [61]

      Peng H, Jiao Y, Xiao X, Chen B, He M, Liu Z, Zhang X, Hu B. J. Anal. At. Spectrom., 2014, 29(6):1112-1119 doi: 10.1039/c4ja00003j

  62. [62]

      Konz T, Anon Alvarez E, Montes-Bayon M, Sanz-Medel A. Anal. Chem., 2013, 85(17):8334-8340 doi: 10.1021/ac401692k

  63. [63]

      Zhang Y, Chen B, He M, Yang B, Zhang J, Hu B. Anal. Chem., 2014, 86(16):8082-8089 doi: 10.1021/ac500964s

  64. [64]

      Zhang X, Chen B, He M, Wang H, Hu B. Biosens. Bioelectron., 2016, 86:736-740 doi: 10.1016/j.bios.2016.07.073

  65. [65]

      Yang B, Chen B, He M, Hu B. Anal. Chem., 2017, 89(3):1879-1886 doi: 10.1021/acs.analchem.6b04314

  66. [66]

      Han G, Zhang S, Xing Z, Zhang X. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(5):1466-1471 doi: 10.1002/anie.201206903

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  图 1  ICP-MS检测示意图^[25]

  Figure 1  Schematic illustration of inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) detection ^[25]

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  图 2  镧系元素离子标记的基于ICP-MS的夹心免疫分析检测TSH^[19]

  Figure 2  Detection of thyroid stimulating hormone (TSH) by ICP-MS based lanthanide-ions-labeling sandwich immunoassay ^[19]

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  图 3  镧系元素离子标记的基于ICP-MS的竞争免疫分析检测总甲状腺素^[32]

  Figure 3  Detection of total thyroxin by ICP-MS based lanthanide-ions-labeling competitive immunoassay^[32]

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  图 4  银增强-金纳米粒子标记的基于ICP-MS的免疫分析原理图(左)及与金纳米粒子信号强度对比(右)^[39]

  Figure 4  Schematic diagram of silver amplification-gold nanoparticles labeling ICP-MS based immunoassay (left) and comparison of signal intensities (right)^[39]

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  图 5  对白血病细胞株的20种抗原的流式细胞仪分析^[52]

  Figure 5  Mass cytometric analysis of 20 antigens of human leukemia cell lines ^[52]

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  图 6  免疫细胞响应模式的流式细胞仪分析流程^[53]

  Figure 6  Workflow summary of mass cytometry analysis for immune cell response patterns^[53]

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  图 7  基于ICP-MS的磁球免疫分析检测淋巴T细胞^[63]

  Figure 7  Detection of Jurkat T cells by ICP-MS based magnetic immunoassay ^[63]

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  图 8  基于金属稳定同位素标记策略的多组分核酸分析^[66]：(A)镧系元素稳定同位素标记DNA探针；(B)多组分DNA分析流程

  Figure 8  DNA assays based on the metal stable isotope tagging strategy ^[66]: (A) tagging DNA with lanthanide stable isotope tags; (B) multiplex DNA assay procedures

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