生命体是由多种生物分子复杂组合而成，通过生物分子之间的相互作用，从而使生命体表达出不同的生理状态。因此，能精确检测生物分子的多重分析技术在阐明分子作用机制和疾病的早期诊断方面发挥着重要作用。金属稳定同位素标记在精确定量蛋白质、酶、小分子、核酸和单细胞的多重检测方面取得了很大的成功，这得益于电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）出色的分辨率。其拥有9个数量级的宽动态范围，低基质效应，高计量值的绝对量化等优点。值得注意的是金属稳定同位素标记优势在于基于精确的多重和比率型检测，但其常常受到灵敏度不高的制约。

由于每个金属纳米粒子都是由数量庞大的原子组成，且ICP-MS信号与原子数量成正相关。因此，金属纳米粒子标记配合ICP-MS可以实现高灵敏度检测，具有巨大的潜力。其中，因为镧系纳米粒子具有在生物样品基质中背景低，受多原子干扰少，以及低第一电离势带来的高电离效率等优势，其仍然是ICP-MS中最有前途的标记物。然而在临床生理样品的质谱分析中使用镧纳米颗粒标记的报道却较少。主要原因是：1.在复杂的样品基质如血清中，有许多共存蛋白，非特异性吸附，以及其他干扰多组分同时分析的问题；2.镧系纳米粒子的合成和生物偶联方法通常相当复杂，需要多个中间步骤，通常需要24小时以上。

针对上述的情况，四川大学化学学院的吕弋教授及刘睿教授团队提出了一种基于镧系纳米探针同时检测乳腺癌生物标志物的策略，以实现针对乳腺癌生物标志物的多重检测。这一方法展现了三种生物标志物的宽线性范围以及低检出限。通过简单的溶剂热法一步合成了所需的镧系纳米粒子，并通过对三元素标记实现在血清样品中三种生物标志物的同时检测。由于ICP-MS的多组分同时分析的能力，该方法也适用于其他的疾病标志物的多重检测中，具有很大的潜力。该成果的详情见2021年10月Analytical Chemistry上发表的论文“Lanthanide Nanoprobes for the Multiplex Evaluation of Breast Cancer Biomarkers”（Anal. Chem. 2021, 93, 13719-13726.）。文章的第一作者是四川大学硕士研究生陈雪。

采用一锅溶剂热法，设计并合成了多种镧系纳米颗粒标签(NaEuF₄、NaTbF₄和NaHoF₄)，用于人血清样本中乳腺癌生物标志物CEA、CA153和CA125的多重检测。以链霉亲和素修饰的磁珠作为反应平台。捕获抗体通过生物素和链霉亲和素的高亲和反应标记在磁珠上，检测抗体通过羧胺反应与镧系纳米颗粒连接。首先，磁珠可以通过抗原与捕获抗体之间的特定反应从样品基质中提取目标抗原。加入镧系纳米探针后，抗原与检测抗体发生特异性反应，将镧系纳米探针吸附在抗原上，形成三明治夹心结构。最后，将磁性珠上标记的镧系纳米颗粒消解，并用ICP-MS检测三种镧系元素，从而定量三种乳腺癌生物标志物。该方法对人血清样品中三种乳腺癌相关生物标志物的检测具有较高的准确性，与临床电化学发光(ECL)检测结果吻合良好。

▼图1 乳腺癌生物标志物的ICP-MS免疫分析示意图

来源：Analytical Chemistry

▼图2 磁珠反应前后的形貌及元素组成

来源：Analytical Chemistry

▼图3 镧系纳米粒子信号与乳腺癌生物标志物浓度之间的线性关系

来源：Analytical Chemistry

▼图4 ECL与ICP-MS定量检测定量结果的相关性

来源：Analytical Chemistry

近年来，该课题组已开发了一系列基于稳定同位素检测的生物分析方法，用于构建高灵敏度和高准确性的生物传感平台（Anal. Chem. 2021, 93, 37, 12714–12722; Chem. Commun., 2021, 57, 10423–10426; Anal. Chem. 2020, 92, 24, 16105–16112; Anal. Chem. 2020, 92, 3, 2876-2881; Anal. Chem. 2019, 91, 10870-10878; Chem. Commun. 2019, 55, 10665-10668; Anal. Chem. 2019, 13, 8691-8696; Chem. Eur. J. 2019, 25, 12270-1227; Anal. Chem. 2018, 90, 14469-14474; Chem. Commun. 2018, 54, 13782-13785; J. Anal. At. Spectrum. 2018, 1, 57-67）。

编辑 | 顾心怡 

审阅 | 陈  姣