上海优宁维生物科技股份有限公司

「质谱流式」技术的介绍

1   定义

质谱流式细胞术（Mass Cytometry）无疑是流式细胞技术领域极具开创性的革新成果，它创新性地将流式细胞技术与质谱分析技术进行有机整合，由此催生了一种全新的高通量流式技术模式。其独特之处在于运用金属同位素标记取代传统的荧光标记手段，借此达成多通道蛋白质表达谱的单细胞精准检测。这一突破性的融合技术能够在单细胞层面同步剖析逾 50 种细胞参数，所涵盖的分析范畴极为广泛，涵盖蛋白质、核酸乃至小分子物质等，从而达成对细胞群体的细致入微的分群甄别，并且能够深入细胞内部对诸如信号通路、细胞增殖、细胞周期等关键环节展开精细剖析与探究。

2   传统流式技术的局限性

生物体是由丰富多样且类型各异的细胞所构成，这些细胞展现出极为显著的异质性特征。传统流式细胞术（Flow CytoMetry，FCM）作为解析复杂细胞群体的关键利器，能够迅速、精确、客观地针对单个生物微粒（主要为细胞，也包含染色体、微生物、人工合成微球等）的多种物理及生物学特性实施同步检测与分析（即多参数分析功能），与此同时，还具备对不同群体加以有效区分、分选以及定量测定的能力，堪称当下最为普及通用的单细胞技术之一。借助流式细胞仪，能够获取相对细胞大小、相对细胞颗粒密度、内部复杂度以及染色细胞的相对荧光强度等多维度信息。而其所能检测参数的数量多寡，在很大程度上决定了我们对所研究细胞群体异质性的认知深度与广度。

传统的流式细胞仪构建于荧光检测体系之上，借助各类荧光基团作为标记抗体开展工作，历经 40 余年的发展演进，在生物学的众多研究领域均有着极为广泛的应用实践。然而，由于不同荧光基团发射光谱存在重叠现象，致使传统流式技术的进一步拓展遭遇了难以逾越的瓶颈障碍：

从检测通道数量维度审视，传统流式细胞仪的发展陷入了僵局，难以实现质的飞跃突破。当前，BD 公司最为高端的分析型流式细胞仪仅具备 20 个检测通道，而实验室日常所使用的流式细胞仪通道数量普遍少于 12 个。这主要是因为荧光发射信号的带宽较宽，使得流式信号的检测窗口空间极为局促，几无容纳新增检测通道的余地。

在多参数检测层面，传统流式细胞仪发射光谱的重叠问题引发了不同通道间信号的相互干扰与混杂。当检测通道数量超出 8 个时，实验设计的复杂性以及补偿计算的繁琐程度将呈指数级增长，使得多参数检测工作演变为一项耗时费力且技术要求极高的艰巨任务，这无疑极大地限制了传统流式技术在多参数检测领域的应用范畴与深度。

伴随生物学各研究领域的持续蓬勃发展，在造血发生、免疫细胞分化成熟、癌细胞转化、干细胞自我更新与分化等核心生物学关键领域的研究持续深入推进过程中，我们对于清晰洞察细胞群体内部纷繁复杂的变化动态有着愈发迫切的需求，这无疑对流式技术的通道数量以及信号质量提出了更为严苛的要求。传统的荧光流式细胞仪已然无法充分满足科研实践的需求，甚至在某些前沿研究场景中已完全无法胜任，因此，迫切需要一种更为高效、便捷易用且具备强大多参数检测能力的新型流式细胞仪来支撑未来科学研究的深入开展。

3   质谱流式技术的拓展延伸

3.1 技术特点

质谱流式细胞仪作为一种基于质谱原理针对单细胞实施多参数检测的前沿流式技术，它巧妙地传承了传统流式细胞仪高速分析的卓越特性，同时又深度融合了质谱检测的高分辨优势，不仅从根本上彻底化解了荧光串色这一困扰传统流式技术已久的顽疾，还成功实现了单细胞数十个参数的同步检测，无疑代表了流式细胞技术未来发展的全新方向与趋势。质谱流式技术将强大的数据获取能力与现代信息生物学的先进分析手段紧密衔接，为生物学多个领域的研究注入了强劲动力，有力推动了相关研究的深入发展与突破创新。

相较于传统流式技术，质谱流式技术主要呈现出两大显著差异：

（1）标记系统的差异：传统流式细胞检测技术主要依赖各类荧光基团作为标记抗体，而质谱流式技术则别出心裁地选用各种金属元素作为标记抗体，从而开启了一种全新的标记模式与检测思路。

（2）检测系统的差异：传统流式细胞检测技术采用激光器和光电倍增管作为核心检测手段，而质谱流式技术则运用 ICP 质谱技术作为检测依托，借助质谱技术的高分辨与高精度特性实现对细胞的精准检测与分析。

与传统流式技术相比，质谱流式技术还具备诸多显著优势：

（1）检测通道数量大幅扩充：质谱流式仪所配备的 ICP - TOF 质谱装置拥有极为宽泛的原子量检测范围（通常介于 75 ～ 210Da 之间），这一特性使其能够同步测量上百个不同参数，极大地拓宽了检测维度与深度，为细胞分析提供了更为丰富全面的信息数据。

（2）通道间无干扰且无需补偿计算：ICP 质谱装置具备超高的分辨能力，能够清晰精准地区分用于标记的各种金属元素，成功攻克了长期困扰传统流式技术的 “荧光串色” 难题，使得实验流程得以显著简化，同时有效减少了样品与试剂的损耗，提高了实验效率与资源利用率。

（3）金属标签资源丰富且背景极低：金属标签借助多聚螯合物实现与抗体的稳固共价偶联，这种金属螯合物与细胞组分的非特异性结合率处于极低水平。此外，作为金属标记的镧系金属在细胞中的天然含量近乎于零，由此造就了其极低的信号背景。目前市场上已商品化的金属标签种类已达 30 余种，并且随着未来技术的持续进步与创新，金属标签的涵盖范围有望进一步拓展，纳入更多的金属元素种类，为细胞标记与检测提供更为多元丰富的选择。

（4）高灵敏度与高稳定性兼而有之：质谱流式技术凭借其高速分析能力与高分辨能力的双重优势，能够提供高灵敏度的检测结果，确保数据结果的精确性、可靠性与稳定性，为科学研究提供坚实的数据支撑与保障。

3.2 基本原理

质谱流式采用金属元素标记物（通常为金属元素偶联的特异抗体或者染料）对细胞表面或细胞内部蛋白进行标记处理，随后借助一个雾化装置将细胞逐一输送至 ICP - TOF 质谱装置内部开展检测作业；在此过程中，通过质谱检测技术精准测定出细胞表面和内部各个金属元素标签的含量信息；最后，将这些原始检测数据转换为标准化的流式数据格式，以便于后续的数据处理、分析与解读工作的顺利开展。

3.3 步骤流程

在针对单细胞水平蛋白质组展开检测时，质谱流式技术的实施步骤流程如下：

（1）单细胞悬液的制备环节。起始阶段，针对源自体液的细胞样本或者组织样本实施处理操作，从而精心制备出单细胞悬液，为后续的检测工作奠定基础。

（2）抗原抗体组合染色步骤。把金属标记抗体与待检测的单细胞悬液进行充分孵育，以此促使标记抗体能够精准且牢固地与细胞表面或者细胞内部的目标检测蛋白相结合，完成特异性标记过程。

（3）测定不同金属种类和含量阶段。细胞会依序被单细胞进样系统引导并传输进入电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP - TOF - MS）装置内部。当单细胞处于电感耦合等离子（ICP）环境中时，会发生电离现象，单个细胞所产生的离子云会通过大气 - 真空接口顺利进入真空系统，随后历经离子筛选、导引等一系列精细操作，最终由飞行时间腔体传输至检测器，在此处记录下原始信号。飞行时间检测器所检测出的时间序列信号会被进一步还原成离子的质量数，如此便能精确地针对单个细胞表面所结合的各类金属离子展开定量测定工作，获取关键数据信息。

（4）原始数据分析流程。对原始信号进行预处理操作，并且通过基线校正等技术手段，最终生成通用的流式细胞文件（FCS 文件），进而换算得出重金属标记蛋白质的含量数值。鉴于金属离子与抗体以及待测蛋白之间存在着明确的定量关系，所以能够依据金属标记的含量精准换算出抗体所结合蛋白的具体含量，为深入了解细胞蛋白质组信息提供有力数据支撑。

（5）高级统计工作。紧密结合临床试验的整体设计方案，以及生物学与转化医学领域的不同研究目标与需求，基于质谱流式所产生的高维数据开展高级统计分析以及数据可视化处理工作。通过这些操作，能够从海量复杂的数据中挖掘出具有重要生物学意义的信息与规律，为相关领域的研究与应用提供极具价值的参考依据与决策支持。

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