本次“旅行”咱们继续来流式技术的世界里遨游，今天跟各位旅行家去探访流式世界的老牌强者——质谱流式。之前咱们一起游览了光谱流式“景区”，属于新生力量，质谱流式的出现比全光谱流式早几年，在细胞多色检测领域，质谱流式是绝对的前辈”高人“。

流式细胞术从20世纪60年代末开始，成为细胞研究的重量级工具。但因为荧光素光谱重叠问题，能同时研究的标记物数量有限，这大大限制了它在复杂生物体系研究中的应用。就在这个背景下，质谱流式应“需”而生。在全光谱流式还未出现的日子里，研究人员想要深入了解细胞的深层秘密，质谱流式就是他们唯一的依靠。不过，那时候质谱流式的仪器和试剂都价格不菲，可以说是流式界的“贵”族。但现在不一样了，咱们国产厂商开始在这个领域发力，质谱流式会越来越亲民，性价比更高。

咱还是老规矩。先给各位旅行家瞅瞅今儿这场 “探访之旅” 的攻略是咋安排的。这第一站呢，咱就去扒一扒质谱流式的发展历程。接着第二站，就深入探究下到底啥是质谱流式，顺便把它的工作原理也搞清楚，揭开它神秘的面纱。到了第三站，咱再去市场上逛逛，瞅瞅都有哪些质谱流式的产品在 “争奇斗艳”。Go！马上开启今天这场超有趣的探索之旅！

第一站：质谱流式的发展简史

说起质谱流式，就如同文章标题里讲的那般，恰似质谱和流式之间一场美妙又浪漫的邂逅。至于流式的过往，咱和各位旅行家之前可都已经详细的聊过啦。刚加入咱们旅途的旅行家，可以去瞅瞅流式之眼的开头三篇与“与大家的聊天记录”，本篇就不重复唠叨了。接下来，就从质谱这儿开始讲起。为啥从这开始？因为质谱流式细胞术这个厉害的技术，原本就是在质谱仪的基础上衍生发展而来的。

1.质谱(Mass)技术的诞生：

这里我们通过两个在质谱领域有着极大贡献的科学家来看质谱技术的起源。

第一位叫做阿瑟·杰弗里·登普斯特（ Arthur Jeffrey Dempster），他第一台现代质谱仪的发明者，于 1918 年建造了世界上第一台质谱仪（图1-1），能够分离并精确测量不同带电粒子的质量，对于研究物质结构和同位素分析具有划时代的意义。

第二位叫弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston），他在1919年首次制成了聚焦性能较高的质谱仪（图1-2），并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，肯定了同位素的普遍存在，还提出了元素质量的整数法则，因此荣获了 1922 年的诺贝尔化学奖。

2.质谱流式的诞生及商品化：

因为有了前辈们的不懈努力和卓越贡献，质谱技术才能如同茁壮成长的树苗，一路蓬勃发展。时间转瞬即逝，到了 2009 年。在这个时期，传统的荧光流式技术其实已经取得了相当大的进步，在很多方面都有了显著的提升。然而，任何技术都会面临其局限性，传统荧光流式由于技术条件的限制，始终无法有效地避免荧光素光谱相互重叠，这就导致了当时细胞多参数检测最多就只能同时检测 18 个荧光参数，很难再继续拓展。

为了解决这个问题，多伦多大学的Tanner 团队另辟蹊径，他们基于发展成熟的高灵敏的质谱检测技术，用稳定的金属同位素标记探针替代传统的荧光分子，结合敏感且高参数的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）免疫分析技术与流式的液流系统，于2009年创造出了全新的单细胞分析平台--质谱流式系统，命名为CyTOF，成功的避免了荧光素光谱重叠问题, 这一突破使得在单细胞水平上同时检测超过 40 个参数成为可能，开启了高维单细胞分析的新时代。

紧接着加拿大DVS Sciences 公司将CyTOF商品化，同年推出世界首款CyTOF质谱流式系统：CyTOF 1(图1-3)，

图1-3.CyTOF 12013年DVS Sciences 公司又推出升级版的CyTOF2（图1-4）。

2014 年，美国Fluidigm（富鲁达）公司收购了 DVS Sciences 公司和 CyTOF 技术。此后，质谱流式技术开始了高速发展，Fluidigm不断改进质谱系统，相继推出了Helios（CyTOF3）、CyTOF XT 。2022 年 4 月Fluidigm获得 Casdin Capital 和Viking Global Investors 的 2.5 亿美元投资后，更名为 Standard BioTools（思百拓）。

3.国产质谱流式的发展：

这里要特别说一下质谱流式国产化发展，在这一充满挑战的征程中，有几家国内公司那可真是不得不提。上海宸安生物是国内第一家吃螃蟹的，2016 年开始成立研发团队，2021 年上市了首款质谱流式仪 ——Starion 星瀚系列，这是全球第二套、国内第一套质谱流式系统。到 2023 年，宸安生物Starion M1.0 拿到了医疗器械注册证，这是全球第一台被批准用于体外诊断的质谱流式。同年，普罗亭科技的第一款质谱流式仪 PLT-MC601 上市并取得了医疗器械注册证，在临床和科研领域同时发布。还有谱康医学的 MSFLO也发布上市，这些公司在质谱流式这一块儿都不含糊，不光让中国智造在国际上更有面子，还把质谱流式从设备到试剂的成本都拉下来了，设备比有些高端荧光分析流式还便宜，金属标签抗体价格也变得亲民，质谱流式不在遥不可及，“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。

第二站：什么是质谱流式，优势，原理及实验流程

上一站我们一同领略了质谱流式的发展征程。这一站，我们就要引领着各位充满探索精神的旅行家，揭开质谱流式那神秘面纱的一角，深入探寻它究竟是怎样巧妙地施展 “魔法”，从而实现细胞多参数检测这一神奇而关键的过程，去发掘隐藏其中的独特奥秘与精妙机制。

1.什么是质谱流式

质谱流式（Mass Cytometry，MC）巧妙融合了流式细胞术精准的单细胞分析专长以及质谱技术所具备的高灵敏度与卓越的多参数检测优势，其使用金属同位素标记的抗体，首先将细胞样本进行雾化，使之成为能够被质谱仪敏锐捕捉的离子云形态。随后，依据质荷比（mass-to-charge ratio）这一关键指标，对这些离子进行精细的分离与精准的检测操作，进而达成对细胞多重参数的精确定量分析。这种创新性的技术手段，使得质谱流式在单个细胞水平上能够一次性同步检测多达 40 种以上的各类分子标志物

2.质谱流式优势

多参数分析：能够同时检测多种生物分子，提供更全面的细胞信息，有助于深入了解细胞的功能和状态。

高灵敏度：可以检测到低丰度的生物分子，对于研究稀有细胞群体和细胞内微量蛋白质的变化具有重要优势。

抗串扰能力强：通过使用金属标签作为标记物，避免了荧光标记中常见的光谱重叠和背景信号问题，具有较强的抗串扰能力。

3.质谱流式检测原理

质谱流式巧妙地运用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）与时间飞行质谱（TOF-MS）技术的相得益彰，通过对特异性地与金属标签紧密结合的抗体进行精准检测，以一种高度精确且高效的方式，达成了在单细胞的微观层面上，对多种生物分子展开同步的量化分析，其过程如下：

(1)细胞雾化

样品引入：细胞在被引入质谱仪时被雾化成微小的 droplets（液滴）,这个过程将含有金属标签抗体或其他细胞探针标记的单细胞悬液引入等离子体炬中（图2-1）。

(2)细胞离子化

a.这些液滴随后进入电感耦合氩等离子体（ICP）中，在高温和高频电场的作用下，细胞内的共价键被断裂，原子和离子被释放出来。这个过程是使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）（图2-2）进行，ICP-MS 是一种用于分析元素组成和含量的仪器技术。在质谱流式中，ICP-MS 用于将与金属标签结合的细胞探针中的金属元素离子化，并根据离子的质荷比（m/z）对其进行分离，为后续TOF-MS提供了元素特异性的检测信号。

 

b.等离子体作用：在高频感应耦合等离子体的高温环境（约 6000 - 10,000 K）下，样品中的金属元素被原子化和离子化，形成金属离子（图2-3）。

(3)离子过滤与富集

产生的离子云通过真空锥接口进入四极离子偏转器，采用四极杆按照离子的质荷比（m/z）对离子进行过滤并富集，去除常见的生物元素离子，只富集含有目标金属报告离子（根据质荷比大小）的部分（图2-4）。这样可以提高后续质谱分析的准确性和特异性，只检测与抗体结合的重金属标记的蛋白质离子。

 

(4)时间飞行质谱质谱检测

富集后的离子云被送到时间飞行质谱仪（TOF-MS）中，根据离子的质荷比（m/z）对离子进行分离和检测，不同质荷比的离子在飞行时间上有所差异，TOF-MS 用于对经过 ICP-MS 离子化后的金属离子进行精确测量，实现了对不同金属标记的生物分子的准确识别和定量，过程如下（图2-5）：

离子加速与飞行：离子从离子源中被引出后，进入一个高电场区域，被加速飞向检测器。离子的飞行速度与其质荷比成正比，质荷比越大，飞行速度越慢，因此通过测量离子的飞行时间，可以计算出离子的质荷比。

飞行时间检测：离子在飞行过程中，通过飞行时间探测器对其进行检测。探测器记录离子到达的时间，并将其转化为数字信号，与相应的质荷比进行关联。

数据采集：TOF-MS 可以在短时间内对大量离子进行快速测量，从而实现对单细胞内多种金属标记的生物分子的同时检测和定量分析。

 

4.质谱流式实验流程

了解了质谱流式的检测原理之后，再让我们带各位旅行家看看从细胞制备到质谱流式上机的完整检测流程（图2-7）。

Step1.细胞采集与准备：整个分析流程的第一步，获取单细胞悬液，以实现单细胞标志物的分析，与传统荧光流式处理方式及要求一致。

Step2.抗体孵育与细胞处理（图2-6）：将单细胞悬液与带有金属标签的抗体进行孵育。抗体与细胞内的目标蛋白质结合，形成抗体 - 蛋白质复合物，以便后续的检测。如果要检测胞内的靶标，则需要进行细胞破膜（permeabilization）处理。通常使用化学物质或物理方法破坏细胞膜，使抗体能够进入细胞内，与细胞内的蛋白质结合，除了使用的是带有金属元素标签的抗体，过程与传统荧光流式的检测流程也无差别。

 

Step3.使用质谱流式检测（详见3.质谱流式检测原理）。

Step4.数据收集与分析：收集到的数据被编译成 FCS 文件，包含了每个细胞在质谱分析中获得的每种标记的金属离子信号强度。FCS 文件可以使用各种流式数据分析软件进行数据分析，可以对数据进行处理、统计分析和可视化展示，例如绘制细胞群体的直方图、散点图、聚类图等，帮助研究人员理解细胞的特征和分布情况，揭示细胞之间的差异和关系。

通过这段探索，穿越质谱流式的技术长廊，各位旅行家想必此时已然对质谱流式的原理有了更透彻的了解。曾经笼罩在质谱流式之上的那层神秘面纱，此刻已然被轻轻揭开，以一种亲切而明晰的姿态，展现在各位旅行家的面前。

第三站：目前市场上有哪些质谱流式的产品

领略完质谱流式的精妙原理之后，各位充满探索欲的旅行家们，想必此刻心中都怀揣着对当下市场中商品化产品的好奇与期待吧？如今市场之中，质谱流式产品恰似那春日里生机勃勃的竹笋，层出不穷且日益丰富多样，那么，事不宜迟，接下来，就让我们一起瞅瞅，如今到底有哪些 “宝藏” 产品可供挑选（如有错误或者遗漏，欢迎各位旅行家留言或者私信指正），出场顺序就按照产品大致上市时间排序。

1.CyTOF XT 质谱流式系统（图3-1）

上市时间：2021 年 5 月 25 日

生产厂商：Standard BioTools（思百拓）（原名Fluidigm）

产品特点：具备135个检测通道，目前可以实现一管内50多个标志物进行多参数分析，选配自动化上样和采集。

 

2.Starion 星瀚系列质谱流式（图3-2）

上市时间：2021年

生产厂商：上海宸安生物

产品特点：具备140个独立检测通道，目前可以实现40色及以上标志物检测，具有临床医疗器械注册证。

 

3.Lunarion 质谱流式细胞分析仪（图3-3）

上市时间：2022年12月

生产厂商：上海宸安生物

产品特点：具备140个独立检测通道，目前可以实现40色及以上标志物检测，内置高通量自动进样器，样本仓可控温，有临床医疗器械注册证。

 

4.MSFLO质谱流式细胞分析仪（图3-4）

上市时间：2023年

生产厂商：谱康医学

产品特点：采用垂直炬管设计，垂直引入反射式飞行时间质量分析器，具备全通、带通、单通三种工作模式的多模式四极杆。

5.PLT-MC601质谱流式细胞分析仪（图3-5）

上市时间：2023年8月生产厂商：普罗亭

产品特点：有130个检测通道，具备临床医疗器械注册证，可以用于临床检测。图3-5.PLT-MC601 质谱流式细胞分析仪

 

6.MC-801系列质谱流式（图3-6）

上市时间：2024 年 11月

生产厂商：普罗亭产品特点：具有140个检测通道，有样本自动进样器，支持样本冷却控温。

 

可以看到当下质谱流式产品的可选种类已然较为丰富多样了。尽管相较于荧光流式而言，其种类数量或许尚有差距，但是随着质谱流式技术的发展，尤其更多金属标签的开发，未来可期。

总结：

现今，全光谱流式技术的发展迅猛，相比较在一定程度上质谱流式的发展确实减缓了，但质谱流式恰似一位底蕴深厚的 “高手”，历经漫长岁月打磨自身的技术，赋予了它出色的检测稳定性，这无疑是其作为老牌强者所拥有的显著优势，更为关键的是，质谱流式的高灵敏度、高分辨率以及高准确性，可以对单细胞进行深度剖析，这种强大的分析能力在目前的细胞多色检测领域中依旧极具竞争力，特别是在国产力量加入这一领域之后，通过不断研发创新，使仪器在性能提高的同时，硬件和试剂成本下降，降低了使用门槛，大大增加了用户的普及范围，这一切都为质谱流式的未来勾勒出充满希望的画卷，特别是质谱流式衍生出的组织质谱成像技术IMC（Imaging Mass Cytometry），目前在空间蛋白质组学领域有着绝对的优势，今天我们主要还是专注在流式方向，以后有机会跟各位旅行家聊聊个有趣的技术。

 

参考文献：

[1]Mass Cytometry: Single Cells, Many Features, Cell. Matthew H. Spitzer and Garry P. Nolan,2016 May 5; 165(4): 780–791. doi:10.1016/j.cell.2016.04.019.

[2]Approaching Mass Cytometry Translational Studies by Experimental and Data Curation Settings, Teresa S. Hawley and Robert G. Hawley (eds.), Flow Cytometry Protocols, Methods in Molecular Biology, vol. 2779,https://doi.org/10.1007/978-1-0716-3738-8_17,

[3]Mass Cytometry, Methods in Molecular Biology, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-9454-0[4]Mass Cytometry: The Time to Settle Down, Antonio Cosma, Garry Nolan, and Brice Gaudilliere, Cytometry A. 2017 January ; 91(1): 12–13.doi:10.1002/cyto.a.23032.[5]https://cytoforum.stanford.edu/index.php

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