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人類向環(huán)境排放的重金屬日益增多，不僅污染了土壤和水體環(huán)境，也給人類本身的健康造成極大的危害。傳統(tǒng)的治理水體中重金屬方法，如沉淀法、活性炭法、螯合樹脂法等，操作繁瑣，費用昂貴。而藻類是一種非常有希望的替代方法，對重金屬吸附和富集能力較強，不產(chǎn)生二次污染，原料廉價易得分布廣。藻類吸附重金屬的研究，已經(jīng)成為一個熱點。

對藻類吸附重金屬的定量和定性研究，會使用到ICP-MS。目前，利用ICP-MS 對于細(xì)胞內(nèi)金屬含量的常規(guī)測定方法為：通過離心或過濾將細(xì)胞從其天然培養(yǎng)介質(zhì)中分離出來，再用新鮮介質(zhì)進(jìn)行清洗，然后用酸消解后上機檢測。采用這種方法可以得到一定數(shù)量細(xì)胞中金屬的總量，而無法獲得單個細(xì)胞的相關(guān)數(shù)據(jù)。只能通過假定所有細(xì)胞內(nèi)含有的金屬顆粒或離子濃度相同，通過計算獲得。

單細(xì)胞ICP-MS具有可以精確地對單個細(xì)胞中金屬離子或納米顆粒進(jìn)行定量的優(yōu)勢，一次性檢測的細(xì)胞數(shù)量也大于顯微鏡方法。可以用于監(jiān)控單細(xì)胞對金屬離子和納米顆粒的攝入和排出行為，從而改進(jìn)藻類吸附重金屬的方法，并對生物曝露風(fēng)險進(jìn)行研究和評估。

本文利用SC-ICP-MS 技術(shù)測定單個淡水中藻類（Cyptomonas ovata）對金離子和金納米顆粒的攝入行為。

樣品

細(xì)胞培養(yǎng)液的濃度為200,000 細(xì)胞/mL，分別曝露于不同濃度的金離子和金納米顆粒（60 nm，NIST 8013）溶液中。藻類曝露過程研究在20 ℃下進(jìn)行，以光照12 小時、黑暗12 小時為一個循環(huán)，循環(huán)三次，共72 小時。

藻類細(xì)胞在不同濃度的金離子濃度和金納米濃度溶液下暴露

測定時，取出1mL樣品，經(jīng)過下面的前處理后，進(jìn)行單細(xì)胞ICP-MS分析。

實驗

使用NexION 2000 ICP-MS，Asperon ™單細(xì)胞霧室， Syngistix ™操作軟件配備單細(xì)胞模塊。

NexION 2000 ICP-MS及實驗條件

實驗結(jié)果

上圖顯示了隨著曝露時間的增加，含有金元素的細(xì)胞數(shù)量增加，同時含有多個納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量也增加。單個60 nm 金顆粒對應(yīng)著約1800 ag，上圖(A)-(D)中，橫坐標(biāo)1700 ag 附近有一個很明顯的峰值，代表細(xì)胞內(nèi)含有一個納米顆粒（1NP/1C）。隨著曝露時間從2 小時（圖(A)）到74 小時（圖(D)）3400 ag 處和5200 ag 處出現(xiàn)了信號峰，代表細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了兩個和三個納米顆粒（2NP/1C 和3NP/1C）。

SC-ICP-MS 的主要優(yōu)勢之一在于不僅能測定含有納米顆粒的細(xì)胞的數(shù)量，還能夠確認(rèn)含有一個或多個納米顆粒的細(xì)胞的比例。上圖顯示了不同培養(yǎng)液納米顆粒濃度中，含有不同數(shù)量納米顆粒的細(xì)胞的百分含量隨時間的變化情況。無論是隨著曝露時間的增加，還是培養(yǎng)液納米顆粒濃度增加（從200,000 到600,000 part/mL）， 含有1 個納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量都增加。相同的趨勢也出現(xiàn)在培養(yǎng)液納米顆粒濃度為600,000 part/mL 時，含有兩個和三個納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量。當(dāng)培養(yǎng)液濃度為200,000 part/mL 時，含有兩個及以上納米顆粒的細(xì)胞數(shù)量太少，其數(shù)量跟曝露時間的相關(guān)性不明顯。

為觀察細(xì)胞對金離子的攝入行為，藻類細(xì)胞被分別曝露于1、2、3 μg/L 金離子溶液中74 小時，曝露過程中，在第2、第28 和第74 小時對溶液取樣進(jìn)行分析。無論培養(yǎng)液金離子起始濃度是多少，隨著時間的增加，每個細(xì)胞中含有金離子的平均值（ag/cell）都明顯下降。隨著曝露時間和初始金離子濃度增加，含有金的細(xì)胞百分比呈現(xiàn)增加的趨勢。這些數(shù)據(jù)說明，存在某種細(xì)胞作用機制，限制了細(xì)胞對金的攝入，而這種機制受培養(yǎng)液中金離子濃度的顯著影響。

實驗中，還驗證了Asperon ™單細(xì)胞霧室可保證細(xì)胞100%存活率，空白實驗，以及驗證納米顆粒存在細(xì)胞內(nèi)部等實驗。

結(jié)論

本文介紹了SC-ICP-MS 在檢測藻類細(xì)胞內(nèi)部金屬離子和納米顆粒含量的能力。隨著曝露在金納米顆粒培養(yǎng)液的時間和培養(yǎng)液濃度的增加，含有一個納米顆粒的細(xì)胞比例增加；而含有2 個或3 個納米顆粒的細(xì)胞比例只在高培養(yǎng)液濃度（600,000 part/mL）時才隨時間而增加。與此相對，在金離子培養(yǎng)液中，隨著曝露時間和培養(yǎng)液濃度的增加，含有金的細(xì)胞數(shù)量有所增加，但每細(xì)胞中含有的金并沒有增加。

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