基于ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）的元素检测在生物分析中的应用

20世纪70年代，电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）由于其优良的特性在短时间内发展成为元素分析的重要技术，然而在实际分析中，Ga、Mg、Al、Fe等元素的光谱干扰问题使得分析谱线的选择非常困难，严重制约了该技术的发展，因此一种更为理想的元素测定技术应运而生，即电感耦合等离子体质谱（ICP-MS，inductively coupled plasma mass spectrometry）。ICP-MS将电感耦合等离子体的高温电离特性以及质谱的检出限特性结合起来，形成一种强有力的同时测定多元素且检出限低的元素分析技术^[1]。本文将介绍ICP-MS的原理、特点以及在生物分析方面的应用，包括微量元素、小分子金属基抗癌药物、放射性核素偶联药物以及生物大分子的分析。

ICP-MS的原理及特点

ICP-MS的工作原理是在震荡磁场的作用下，氩气形成高温等离子体，样品以恒定的速率进入雾室雾化后，以气溶胶的形式进入等离子体并实现离子化，再通过其特有的接口锥，聚焦样品离子并引入至真空系统，离子经偏转四级杆过滤后，在四极杆质量筛选器中对特定质荷比的离子进行准确筛选，最终到达检测器后进行信号放大和输出。仪器主要部件如图1所示。  

气溶胶在通过等离子体的不同加热区域时，化合物的状态会发生变化，其主要变化过程为含有化合物的液体被干燥、蒸发、原子化，最后失去一个最外层电子，成为带一个正电荷的离子，如图2所示。因此，在ICP-MS中检测对象是元素，不依赖其化学结构。

图1. ICP-MS仪器主要部件示意图^[2]

图2. 化合物在ICP中的离子化过程

ICP-MS是环境、矿物、冶金、制药等领域中最常用的金属检测分析仪器, 与其显著的特点密切相关：

• 测定的元素面宽：除C、H、O、N和少数元素（如惰性元素及无天然存在的同位素元素）外，元素周期表中大多数元素都可以用ICP-MS检测；

• 灵敏度高、检测限低：定量下限达到ppb (ng/mL) 甚至ppt (pg/mL)；

• 动态线性范围宽：线性范围可达9个数量级；

• 多平台联用：ICP-MS由于其常压接口技术，可以和多种平台联用，如HPLC、激光消融等。

ICP-MS在生物分析中的应用

由于具备诸多突出的优势，ICP-MS在多种药物和分析物的生物分析领域的应用也逐渐发展和成熟。

微量元素的检测

微量元素是细胞生物结构中必不可少的成分，作为许多慢性病的生物标志物，微量元素在疾病诊断中愈发重要。在许多疾病中可观察到微量元素水平的显著差异，如乳腺癌、急性白血病、糖尿病和帕金森病等，通过组织和体液样本可以准确地评估微量元素的水平。2020年Azmawati Mohammed Nawi等人采用硝酸和盐酸 (1:1，v/v) 对血清样本进行消解，并利用ICP-MS对包括铁（Fe）、锌（Zn）和铅（Pb）在内的25种微量金属元素进行了方法开发和验证^[3]。值得注意的是，对某些内源性微量元素进行药代动力学研究是具有挑战性的，因为在分析过程中，高且不断波动的背景水平会对分析带来影响。张永杰等人报道了一种快速、灵敏和有效的ICP-MS与⁵⁸Fe稳定同位素标记相结合的方法，系统地研究了氯化血红素在动物体内的药代动力学。同位素标记技术通常用于区分内源性和外源性物质，采用标记的化合物，用ICP-MS分析时能降低生物基质的干扰^[4]。

小分子金属基药物

金属/类金属化合物已在医学上用于疾病治疗，ICP-MS方法已经应用于各种小分子金属基药物的分析，尤其是金属基抗癌药物的药代动力学研究^[5]。基于含铂（Pt）的药物，如顺铂、卡铂和奥沙利铂（分子结构如图3所示）是主要的抗癌化疗药物。卡铂和奥沙利铂的分子结构中存在可电离基团，用LC-MS/MS分析定量下限（LLOQ）超过10ng/mL，若用ICP-MS监测Pt（195）元素，LLOQ可以达到1ng/mL，甚至更低，灵敏度得到提升；对于顺铂这类在质谱离子源中很难电离，且液相保留很弱的极性化合物，ICP-MS可作为首选的分析平台对Pt元素进行定量，提高灵敏度的同时，无需考虑原型药物的色谱保留问题。Martin Vojteka等人开发并验证了用ICP-MS方法简单快速地测定基于含Pt药物在11种生物基质样品（脂肪组织、肌肉、肝脏、肾脏、脾脏、睾丸、心脏、肺、脑、血液和血清）中的方法^[6]。

图3. 几种含Pt药物的结构

放射性核素偶联药物的检测

近几年兴起的热门分子放射性核素偶联药物（RDC）是一种新兴的肿瘤精准靶向药物，RDC药物由linker将精准靶向分子（如单抗、多肽或小分子）和强力杀伤因子（核素）连接在一起。随着Pluvicto(¹⁷⁷Lu-PSMA-617)和¹⁷⁷Lu-Dotatate获得FDA批准上市，RDC药物成为全球研究的热潮。RDC中常见的核素有Lu、Cu、Ga、Ac等金属元素，也有部分非金属元素，如I等。在早期药物筛选阶段，RDC药物中的核素如果是已有临床使用经验的放射性核素，可采用非放射性的稳定同位素替代放射性核素开展临床前研究，以节约成本和提高效率。利用ICP-MS在普通的生物分析实验室就可以实现对非放射性目标元素的快速定量分析。

在生物大分子分析中的应用

ICP-MS对痕量和超痕量的元素有较强的检测能力，在待测生物大分子所含元素信息已知的前提下，通过元素测量就可以得到待测生物分子的定量结果，此为直接法。还可以通过元素标记技术，向生物分子中定量引入合适的元素，随后用ICP-MS进行检测，从而实现生物大分子的定量分析，此为间接法，间接法在蛋白分析中也较常用。利用元素标记法，通过共价键直接将杂原子与特定氨基酸结合，或者通过配位化合物引入金属元素^[7]，如将蛋白质或者肽段与特定的物质（如双酸酐）进行结合，再让该物质与镧系金属元素螯合生成蛋白质-金属螯合物或肽段金属螯合物，利用ICP-MS对镧系元素进行检测，从而达到对蛋白质或肽段定量的目的，尤其适用于可被金属标记的低浓度蛋白的定量检测^[8]。

ICP-MS应用于生物样品分析的案例及注意事项

生物样品由于样本体积小、干扰物质多等特点，在样品处理与分析上更加困难，而ICP-MS能够有效的消除生物样品中的干扰，实现目标元素的准确定量。不仅可以对血浆等流体样品进行元素检测，也可对脏器等组织样品进行分析。

将卡铂配制在生理盐水中，以IP给药的方式给到male SD大鼠中，给药剂量为10 mg/kg，在设定的时间点采集血浆样品，利用ICP-MS（前处理：酸稀释法）对样品中总Pt（195）元素进行定量检测（定量下限1ng/mL），与用LC-MS/MS（前处理：蛋白沉淀法）直接定量卡铂的浓度是一致的（定量下限10ng/mL），且三只动物的平行性良好，结果如下图4所示。

图4. LC-MS/MS和ICP-MS平台Carboplatin检测浓度结果对照

用ICP-MS分析生物样品，需要特别注意：为了确保化合物有效的雾化，在引入等离子体之前，样品状态需均一，因为固体成分可能会粘附在ICP-MS样品导入系统的表面，从而对结果的准确性产生影响。为了防止这种情况，生物样品通常需要用酸或碱进行消解^[9]。对于生物流体样品如CSF、尿液、血浆等，也可以采用直接稀释法处理样品。

综上所述，ICP-MS 具备高灵敏度、高通量、方法可靠、易与其他技术联用等特点，符合生物分析的需求。除此之外，它还提供了许多与LC-MS/MS互补的特性，无需考虑原型药物与生物基质中的组份（如蛋白或GSH等）结合，从而造成提取回收率差、灵敏度低的问题，研究者可根据实验目的选择分析平台。下表列出了ICP-MS和LC-MS/MS主要的区别和特征：

表1. ICP-MS和LC-MS/MS主要的区别和特征

结语

随着ICP-MS仪器的逐渐发展和研究工作的不断深入，元素检测需求日益增加。药明康德药性评价部目前已经建立了筛选和IND申报阶段的项目元素生物分析能力，并已具备了多个金属元素分析的经验，包括Pt、Ge、Bi、Be、Li、Pb、Lu，Mn及Au等。样品进行前处理时，采用微波消解仪，保证样品完全消解，在质量控制精准性、运行可靠性、安全性等方面均有保障。药明康德DMPK拥有样品采集、样品前处理及ICP-MS生物分析的完整项目解决方案，利用ICP-MS和LC-MS/MS双平台优势，助力药物研发进程。

作者：高莉，李娜，任彦甫，邢丽丽

编辑：富罗娜·克里木，钱卉娟

设计：倪德伟，张莹莹

药明康德DMPK依托在中国（上海、苏州、南京和南通）和美国（新泽西）的研发中心，提供从早期筛选、临床前开发、到临床研究阶段的综合型药代动力学服务，助力您快速推进药物研发流程。拥有上千人的研发团队，服务超1600家全球客户，具有超过十五年的新药申报经验，已成功支持超过1500个新药临床研究申请（IND）。 

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