CN110333282A - 一种流式单细胞质谱分析仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流式单细胞质谱分析仪及其使用方法，其特征在于，包括进样室、电离室、质谱检测器、前级机械泵和分子泵；进样室内设置有进样系统、流体聚焦装置和加热干燥装置，进样系统的出口连接流体聚焦装置，流体聚焦装置的出口连接加热干燥装置；加热干燥装置的出口连接电离室，电离室内设置有真空离子化激光源、加速电极和离子聚焦透镜，真空离子化激光源用于发射脉冲激光束以形成离子，加速电极用于对形成的离子进行加速，离子聚焦透镜用于对加速后的离子进行聚焦；电离室的出口连接质谱检测器；电离室和质谱检测器均连接一前级机械泵和分子泵，本发明可以广泛应用于分析与检测仪器领域中。

Description

一种流式单细胞质谱分析仪及其使用方法

技术领域

本发明是关于一种流式单细胞质谱分析仪及其使用方法，属于分析与检测仪器领域。

背景技术

生物体的结构以及功能的基本单位是细胞，只有深入研究细胞的结构、功能及其行为，才能了解生命的活动规律，阐明疾病的发生机理。以往的研究大多以群体细胞作为研究对象，得到的是平均化的结果，随着分析手段的发展，研究者发现单细胞之间存在异质性，这是源于随机性的生物过程，例如DNA转录、蛋白质表达和外界环境的微小变化累积。获得细胞在微环境中准确的个体信息，对于研究细胞的信号传导、重大疾病的早期诊断、细胞耐药性和干细胞分化研究具有十分重要的意义，因此，针对个体细胞的单细胞分析，在各种研究领域均受到关注。

目前，最常用的流式细胞术是以荧光探针标记-细胞免疫分析为基础的流式细胞术，荧光探针分别标记在不同的细胞抗体上，通过细胞免疫，每个细胞上均会带上多色荧光标签，采用流式细胞仪检测，获得细胞个体的荧光指纹图谱，据此进行细胞分型研究。这种方法的不足之处是荧光探针之间彼此由于存在波长重叠干扰，每个细胞上能够获得的信息量有限，难以对肿瘤细胞进行精细分型。在众多分析方法中，质谱具有极高的灵敏度和多种物质同时检测的能力，最大的优势是无需标记，是一种适合于单细胞分析的检测方法。斯坦福大学的Nolan教授等提出一种基于稀土稳定同位素标记、ICP-TOF-MS(InductivelyCoupled Plasma Time-of-flight Mass Spectrometry，电感耦合等离子体飞行时间质谱)进行流式细胞检测的方法，称为质谱流式细胞仪(Mass cytometry)，该方法在每个细胞上获得了30余种信号，可以实现细胞的分型、癌细胞的筛选以及细胞的药物高通量分析，受到广泛关注。然而，质谱流式细胞仪所采用的进样装置基于气动雾化的原理，雾化效率低，传输效率有限，细胞的进样效率大概在30％左右，不利于珍贵细胞样品的测试。且由于电离源为电感耦合等离子体，只可以得到细胞的元素信息，无法进一步获得其他小分子代谢物信息。且样品引入和离子化方法的限制，现有的质谱流式细胞仪只能通过标记才能够对单个细胞中的组分进行检测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无需标记即能够获得小分子代谢物信息的流式单细胞质谱分析仪及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，包括进样室、电离室、质谱检测器、前级机械泵和分子泵；所述进样室内设置有进样系统、流体聚焦装置和加热干燥装置，所述进样系统的出口连接所述流体聚焦装置，所述流体聚焦装置用于将细胞分散液在载气的驱动下聚焦生成含有单细胞样品的微滴，所述流体聚焦装置的出口连接所述加热干燥装置，所述加热干燥装置用于对含有单细胞样品的微滴进行加热干燥形成单细胞颗粒束流；所述加热干燥装置的出口连接所述电离室，所述电离室内设置有真空离子化激光源、加速电极和离子聚焦透镜，所述真空离子化激光源用于发射脉冲激光束以形成离子，所述加速电极用于对形成的离子进行加速，所述离子聚焦透镜用于对加速后的离子进行聚焦；所述电离室的出口连接所述质谱检测器；所述电离室和质谱检测器均依次连接一所述前级机械泵和分子泵。

进一步地，所述离子聚焦透镜是由一个或多个静电控制的透镜元件组成。

进一步地，所述静电控制的透镜元件包括施加静电的金属板、金属桶或金属圆桶。

进一步地，所述进样系统的出口通过进样毛细管连接所述流体聚焦装置。

进一步地，所述电离室与所述质谱检测器相互垂直设置。

进一步地，所述进样系统为注射泵和/或流式细胞仪。

进一步地，所述真空离子化激光源的激发波长为133～2500nm，脉宽范围为1～50ns，重复频率为1～15KHz。

进一步地，所述质谱检测器为四级杆质谱仪、飞行时间质谱仪和/或离子阱质谱仪。

进一步地，所述载气的速度范围为0.1～0.5MPa。

一种流式单细胞质谱分析仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：1)前级机械泵和分子泵依次分别对电离室和质谱检测器抽真空，使得电离室和质谱检测器达到极限真空度；2)将待测细胞分散在缓冲液得到待测细胞的细胞分散液，吸入至进样系统中；3)进样系统推动待测细胞的细胞分散液经进样毛细管进入流体聚焦装置中，在载气的驱动下，经流体聚焦装置的小孔聚焦后在流体聚焦装置的管口形成锥形结构，并在锥形结构的顶端形成一股微射流，该微射流在小孔外破碎成单分散性的含有待测细胞样品的微滴；4)生成的含有待测单细胞样品的微滴进入加热干燥装置内进行加热干燥，形成待测单细胞颗粒束流；5)形成的待测单细胞颗粒束流在载气的带动下进入电离室，被真空离子化激光源发出的脉冲激光束解吸电离形成离子；6)形成的离子依次经加速电极加速、离子聚焦透镜聚焦和质谱检测器检测后，得到待测单细胞的质谱。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用流动进样方式和流动聚焦方式，由于设置有进样系统和流动聚焦装置，具有样品通量大、分析速度快的优点，且能够减少样品进样中的细胞损失，可以提高细胞颗粒的传输效率。2、本发明采用由于设置有真空离子化激光源，采用激光电离方式，将细胞中的小分子及代谢物直接电离，无需标记即可通过质谱检测器得到单细胞中的大量分子信息，既可以得到元素信息，又可以得到小分子代谢物信息，进一步还可拓展元素标记的蛋白检测，可以广泛应用于分析与检测仪器领域中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例1中对Hela细胞(海拉细胞)的质谱分析结果示意图，其中，图2(a)为质谱检测器记录的m/z＝606离子的提取强度随时间变化示意图，图2(b)为选取的一个单细胞的指纹图谱示意图；

图3是本发明实施例2中质谱检测器记录的金属Mg、Mn、Cu和Zn的离子信号强度随时间变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的流式单细胞质谱分析仪包括进样室、电离室、质谱检测器1、前级机械泵和分子泵2。

进样室内设置有进样系统3、流体聚焦装置4和加热干燥装置5，进样系统3的出口通过进样毛细管31连接流体聚焦装置4，流体聚焦装置4的出口连接加热干燥装置5，进样系统3用于细胞分散液的进样，流体聚焦装置4用于将细胞分散液在载气41的驱动下聚焦生成含有单细胞样品的微滴，加热干燥装置5用于对含有单细胞样品的微滴进行加热干燥形成单细胞颗粒束流。加热干燥装置5的出口连接电离室，电离室内设置有真空离子化激光源6、加速电极和离子聚焦透镜7，真空离子化激光源6用于向单细胞颗粒束流发射脉冲激光束以形成离子，加速电极用于对形成的离子进行加速，离子聚焦透镜7用于对加速后的离子进行聚焦。电离室的出口连接质谱检测器1，且电离室与质谱检测器1相互垂直设置，质谱检测器1用于对聚焦后的离子进行质谱检测得到单细胞的质谱。电离室和质谱检测器1均连接一前级机械泵和分子泵2，前级机械泵用于对电离室和质谱检测器1进行预抽真空，分子泵2用于对预抽后的电离室和质谱检测器1进行精抽，使得电离室和质谱检测器1达到极限真空度。

在一个优选的实施例中，质谱检测器1为四级杆质谱仪、飞行时间质谱仪和/或离子阱质谱仪。

在一个优选的实施例中，进样系统3可以采用注射泵和/或流式细胞仪。

在一个优选的实施例中，流体聚焦装置4的流动结构为流体聚焦装置4的内部为气体、外部为液体，在一定的液体流量Q_l和气体流量Q_g驱动下，经流体聚焦装置4内的小孔聚焦后在管口形成稳定的锥形结构，并在锥形结构的顶端形成一股微射流，该微射流在小孔外的一定距离处破碎成单分散性的含有待测细胞样品的微滴，其中，流体聚焦装置4为现有技术公开的装置，具体结构在此不多做赘述。

在一个优选的实施例中，真空离子化激光源6的激发波长为133～2500nm，脉宽范围为1～50ns，重复频率为1～15KHz。

在一个优选的实施例中，离子聚焦透镜7是由一个或多个静电控制的透镜元件组成，其中，静电控制的透镜元件可以采用施加一定静电的金属板、金属桶或金属圆桶。

下面通过具体实施例详细说明本发明流式单细胞质谱分析仪的使用方法：

1)前级机械泵对电离室和质谱检测器1进行预抽真空后，分子泵2对电离室和质谱检测器1进行精抽真空，使得电离室和质谱检测器1达到极限真空度。

2)将待测细胞分散在缓冲液得到待测细胞的细胞分散液，吸入至注射泵中。

3)注射泵以1～10μL/min的速度推动待测细胞的细胞分散液经内径为100～250μm的进样毛细管31进入流体聚焦装置4中，在0.1～0.5MPa高速载气41的驱动下，经流体聚焦装置4的小孔聚焦后在流体聚焦装置4的管口形成稳定的锥形结构，并在锥形结构的顶端形成一股微射流，该微射流在小孔外距离0.5～2.0cm处破碎成单分散性的含有待测细胞样品的微滴。

4)生成的含有待测单细胞样品的微滴进入4mm内径的加热干燥装置5内进行加热干燥，形成待测单细胞颗粒束流。

5)形成的待测单细胞颗粒束流在10～100mL/min速度的载气的带动下进入电离室，被真空离子化激光源6发出的功率为1～5mJ、波长为266nm的脉冲激光束解吸电离形成离子。

6)形成的离子依次经加速电极加速、离子聚焦透镜7聚焦和质谱检测器1检测后，得到待测单细胞的质谱。

7)如图2所示，为实施例1对待测Hela细胞的质谱分析结果示意图，其中，图2(a)为质谱检测器1记录的m/z＝606离子的提取强度随时间变化示意图，一个脉冲信号代表一个Hela单细胞被成功检测，图2(b)为选取的一个Hela单细胞的指纹图谱示意图，与质谱图数据库进行检索即可得到Hela单细胞的代谢物信息。

8)如图3所示，为质谱检测器1记录的金属Mg、Mn、Cu和Zn的离子信号强度随时间变化示意图，一个脉冲信号代表一个单细胞被成功检测，成功获得单个细胞中的金属信息。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，包括进样室、电离室、质谱检测器、前级机械泵和分子泵；

所述进样室内设置有进样系统、流体聚焦装置和加热干燥装置，所述进样系统的出口连接所述流体聚焦装置，所述流体聚焦装置用于将细胞分散液在载气的驱动下聚焦生成含有单细胞样品的微滴，所述流体聚焦装置的出口连接所述加热干燥装置，所述加热干燥装置用于对含有单细胞样品的微滴进行加热干燥形成单细胞颗粒束流；

所述加热干燥装置的出口连接所述电离室，所述电离室内设置有真空离子化激光源、加速电极和离子聚焦透镜，所述真空离子化激光源用于发射脉冲激光束以形成离子，所述加速电极用于对形成的离子进行加速，所述离子聚焦透镜用于对加速后的离子进行聚焦；所述电离室的出口连接所述质谱检测器；

所述电离室和质谱检测器均依次连接一所述前级机械泵和分子泵。

2.如权利要求1所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述离子聚焦透镜是由一个或多个静电控制的透镜元件组成。

3.如权利要求2所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述静电控制的透镜元件包括施加静电的金属板、金属桶或金属圆桶。

4.如权利要求1所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述进样系统的出口通过进样毛细管连接所述流体聚焦装置。

5.如权利要求1所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述电离室与所述质谱检测器相互垂直设置。

6.如权利要求1至5任一项所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述进样系统为注射泵和/或流式细胞仪。

7.如权利要求1至5任一项所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述真空离子化激光源的激发波长为133～2500nm，脉宽范围为1～50ns，重复频率为1～15KHz。

8.如权利要求1至5任一项所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述质谱检测器为四级杆质谱仪、飞行时间质谱仪和/或离子阱质谱仪。

9.如权利要求1至5任一项所述的一种流式单细胞质谱分析仪，其特征在于，所述载气的速度范围为0.1～0.5MPa。

10.一种流式单细胞质谱分析仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)前级机械泵和分子泵依次分别对电离室和质谱检测器抽真空，使得电离室和质谱检测器达到极限真空度；

2)将待测细胞分散在缓冲液得到待测细胞的细胞分散液，吸入至进样系统中；

3)进样系统推动待测细胞的细胞分散液经进样毛细管进入流体聚焦装置中，在载气的驱动下，经流体聚焦装置的小孔聚焦后在流体聚焦装置的管口形成锥形结构，并在锥形结构的顶端形成一股微射流，该微射流在小孔外破碎成单分散性的含有待测细胞样品的微滴；

4)生成的含有待测单细胞样品的微滴进入加热干燥装置内进行加热干燥，形成待测单细胞颗粒束流；

5)形成的待测单细胞颗粒束流在载气的带动下进入电离室，被真空离子化激光源发出的脉冲激光束解吸电离形成离子；

6)形成的离子依次经加速电极加速、离子聚焦透镜聚焦和质谱检测器检测后，得到待测单细胞的质谱。