一种免标记原理的质谱流式细胞进样与离子化装置的制作方法

本发明涉及质谱分析领域，具体涉及一种免标记原理的质谱流式细胞进样与离子化装置。

背景技术：

传统流式细胞术(flowcytometry)采用荧光激活分选法，荧光标记抗体后的悬浮态细胞逐个快速通过检测区域并通过光电装置实现单个细胞多参数同时检测分选技术。目前荧光流式细胞仪已较为成熟，可同时测量10～15个荧光信号和多种散射光信号，已被广泛地应用于生命分析领域的基础研究和临床检测中，成为细胞分析的重要工具。

传统流式细胞术是基于荧光标记的荧光发射光谱的检测，以激光器和光电倍增管为检测装置。荧光发射光谱具有一定的谱带宽度，谱带重叠严重限制了检测通道数在20个以内。为解决谱带重叠问题，需要复杂的补偿计算。

流式细胞术结合质谱仪是流式细胞联用技术领域最为成功的一次结合，它结合了传统流式细胞术的优势以及质谱的精确度和分辨率，实现了多参数的单细胞蛋白分析。2009年，toronto大学tanner及其团队首次提出质谱流式细胞仪概念。质谱流式细胞仪用金属元素替代荧光基团作为标签系统，用电感耦合等离子体(icp)质谱技术代替光电装置作为检测手段，有效解决了谱带重叠问题，无需补偿计算，检测通道数可达到上百个。

然而不论是传统流式细胞术还是质谱流式细胞仪，都需要对细胞样品进行标记荧光基团或金属探针。复杂的样品前处理必然会带来细胞样品的损失和误差，同时多组分标记难度大，不利于在临床检测中推广。因此，需要开发一种无需标记的多通道、高通量的单细胞检测技术，能够简单高效地实现悬浮态细胞的快速检测。

有机质谱是单细胞研究的一种很重要的手段，其通用性强、灵敏度高、分析速度快、动态范围广，能够同时分析上千种化合物并实现精准定量。不同于电感耦合等离子体(icp)质谱，有机质谱无需标记或衍生就可进行多组分的同时分析。根据质量分析器的不同，有机质谱既可检测生物大分子(如蛋白质)，又可检测重要的小分子代谢物等，可用于单细胞的基因组学，转录组学，蛋白组学和代谢物组学等，目前在单细胞代谢组学、脂质组学和蛋白组学分析中获得了广泛的应用。

目前已经发展出了多种不同的质谱离子化方法，能够对不同类型的样品进行离子化。其中电喷雾离子化(esi)是一种大气压敞开式离子源，可以在大气压条件下实现小体积样品的离子化且不需要复杂的制样过程，适合用于单细胞样品的快速检测。基于单细胞为采样的大气压敞开式质谱技术包括：纳升电喷雾离子源(nano-esi)、激光剥蚀电喷雾质谱(laesi)、探针电喷雾离子源(pesi)和解吸附电喷雾(desi)等。这些离子化方法在检测细胞内物质中表现出了高灵敏度、低检出限的特点，但均较难实现高通量单细胞检测。因此，需要开发一种基于流式原理的高通量的单细胞进样方法，与有机质谱结合实现免标记的单细胞多组分分析。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种免标记原理的质谱流式细胞进样与离子化装置。

本发明提供的质谱流式细胞进样与离子化装置，包括同轴三层套管；

所述同轴三层套管由内至外依次为样品管4、鞘流液毛细管6和载气毛细管12，且所述鞘流液毛细管6的出口端长于所述样品管4的出口端，所述载气毛细管12的出口端短于所述鞘流液毛细管6的出口端；所述鞘流液毛细管6的出口端为电喷雾端口。

具体的，所述质谱流式细胞进样与离子化装置还包括鞘流液进样管7和载气进样管13；

所述鞘流液进样管7的一端与所述鞘流液毛细管6相连，另一端与驱动装置9(如图1所示恒流注射器9)相连；

所述载气进样管13的一端与所述载气毛细管12相连，另一端与载气储气装置(如图1所示15气瓶)相连。

更具体的，所述质谱流式细胞进样与离子化装置还包括三通a5和三通b11；

所述样品管4穿过三通a5，所述鞘流液毛细管6从所述样品管4的出口端套上，形成样品管4和鞘流液毛细管6双套管结构；且所述鞘流液毛细管6在所述三通a5内与所述鞘流液进样管7相连；所述鞘流液进样管7的另一端与驱动装置9(如图1所示恒流注射器9)相连；

所述样品管4和鞘流液毛细管6双套管结构简写为双套管；

所述双套管穿过三通b11，所述载气毛细管12从所述双套管的出口端套上；且所述载气毛细管12在所述三通b11内与所述载气进样管13相连；所述载气进样管的另一端与载气储气装置(如图1所示15气瓶)相连。

所述鞘流液进样管7和所述三通a5相连的管口为高压电接口16。

上述装置中，构成所述同轴三层套管的材料为石英；

构成所述三通a的材料为耐腐蚀且导电性能良好的材料；具体为金属材料；

构成所述三通b的材料为耐压材料；

所述高压电接口的高压来自于正负直流电源，电压取值范围为正负直流电压±0-5kv；具体可为+2.0kv；施加高压电后，导电鞘流液可将高压电传输到鞘流液样品管出口端，利于电喷雾的形成。

所述鞘流液出口端长于所述样品管出口端1-10mm；

所述载气毛细管出口端短于所述鞘流液出口端1-5mm。

所述样品管与细胞悬浮液相连；

所述细胞悬浮液进样于所述样品管的方式为压力驱动；细胞悬浮液的流速可由恒压装置精准调节。具体为采用正压力进样方式，在恒压条件下将细胞悬浮液匀速压入样品毛细管中。

为保证单细胞样品尽可能保持活性且样品溶液与质谱相容好，所述细胞悬浮液中所用溶剂为等渗浓度的可挥发性盐溶液；具体选自醋酸铵或甲酸铵的水溶液；所述溶剂的离子浓度为280-320mmol/l。可适用的细胞悬浮液浓度由质谱仪扫描速度和样品流速决定。

所述鞘流液/样品管出口端间距和流速比符合流体力学聚焦原理；细胞悬浮液从样品管出口端流出后沿三层套管中轴线向鞘流液出口端运动。细胞悬浮液流速为0.1-10μl/min；具体可为1μl/min；鞘流液流速为1-100μl/min；具体可为9μl/min。所述细胞悬浮液从样品管出口端流出后，不会与鞘流液形成湍流混合。而是在流体力学聚焦作用下，悬浮液中的细胞沿三层套管中轴线向鞘流液出口端(即电喷雾端口)运动。

所述鞘流液的流速可由驱动装置精准控制；所述驱动装置具体可为注射泵等压力装置或其他驱动装置；

所述鞘流液为溶液体系a或溶液体系b；

所述溶液体系a为易挥发溶剂或由所述易挥发溶剂与水组成的混合液；

所述溶液体系b为掺杂有挥发性酸碱的溶液体系a；

所述易挥发溶剂具体选自甲醇、乙腈和异丙醇中至少一种；

所述挥发性酸碱具体选自甲酸和氨水；所述挥发性酸碱具体占所述溶液体系b的体积浓度为0.1％-1％。

所述鞘流液的作用为：鞘流液的选择为易挥发溶剂，其作用：1)萃取细胞内容物、2)实现细胞同轴聚焦、3)辅助电喷雾；

所述载气毛细管中的载气为氮气、氦气或二氧化碳。在电喷雾形成气溶胶过程中，载气辅助去溶剂化，保证样品在质谱检测前充分雾化。根据鞘流液种类和流速调节载气流速、鞘流液毛细管和载气毛细管间的距离、高压电以获得最大强度离子信号。载气压强为0.1-0.2mpa；具体可为0.15mpa；

所述电喷雾端口与质谱仪的进样口之间的距离为0.3-1.5cm。

本发明提供的细胞进样的方法，包括：通入载气使其充满所述装置中的载气毛细管后，使所述装置中的鞘流液毛细管中充满鞘流液，再将待测细胞样品的悬浮液充满所述装置中的样品管中，于所述鞘流液毛细管的出口端喷出，完成所述细胞进样。

上述方法中，所述待测细胞样品的悬浮液中，所用溶剂为等渗浓度的可挥发性盐溶液；具体选自醋酸铵或甲酸铵的水溶液；所述溶剂的离子浓度为280-320mmol/l；

所述鞘流液为溶液体系a或溶液体系b；

所述溶液体系a为易挥发溶剂或由所述易挥发溶剂与水组成的混合液；

所述溶液体系b为掺杂有挥发性酸碱的溶液体系a；

所述易挥发溶剂具体选自甲醇、乙腈和异丙醇中至少一种；

所述挥发性酸碱具体选自甲酸和氨水；所述挥发性酸碱具体占所述溶液体系b的体积浓度为0.1％-1％；

所述载气毛细管中的载气为氮气、氦气或二氧化碳；载气压强为0.1-0.2mpa。

所述待测细胞样品的悬浮液的流速为0.1-10μl/min；所述鞘流液的流速为1-100μl/min。

为保证可以得到单个细胞代谢物的质谱信号，细胞悬浮液的浓度、所述细胞悬浮液的进样流速和鞘流液流速应与质谱信号的扫描时间应相匹配。以上因素共同决定了该装置的分析通量。另外，上述本发明提供的装置在细胞的质谱检测、免标记细胞的质谱检测、免标记细胞的多组分质谱检测或免标记单细胞多组分质谱检测中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明具有以下优点：

1、利用该基于免标记原理的质谱流式细胞进样与离子化装置：同轴三层套管出口端二维错位的结构的设计、合理的细胞样品进样方式以及细胞悬浮液和鞘流液和载气的种类和流速，可实现免标记、高通量的质谱流式细胞进样与离子化，通过与质谱结合可实现单细胞多组分在线分析。

2、细胞悬浮液所用的等渗的可挥发性盐溶液，既可维持细胞活性和完整性，也不会对单细胞质谱信号产生干扰或抑制。

3、细胞直接进样，采取压力驱动等进样方式使细胞悬浮液直接进入样品管中。这种方法不会引入进样死体积，可避免管路堵塞。调节驱动力可精准调控细胞流速。

4、三层套管二维错位的设计有利于单细胞样品的在线分析。细胞在样品管内保持活性状态。样品溶液与鞘流液接触的极短时间内可萃取到单个细胞中的分析物。样品出口端与鞘流液毛细管出口端距离短，且由于流速比产生的流体聚焦效果，使萃取物不会发生明显的扩散。高压电通过鞘流液传递到电喷雾端口，并在载气的辅助下形成良好的电喷雾。

5、本发明装置中悬浮态细胞可在保持活性的状态下连续进样，并发生电喷雾离子化。利用本发明装置与质谱结合可以连续稳定地获得单个细胞代谢组学、蛋白组学等多组分参数信息，具有免标记、高通量、通道数多、活细胞在线分析的优势。

6、本装置无需复杂前处理，使用便捷，适用范围广。无需标记即可直接分析血样或消化成悬浮态细胞的新鲜组织，可作为癌症诊断和治疗及药物筛选、系统生物学、细胞异质性研究等的有效手段。

附图说明

图1为质谱流式细胞进样与离子化装置示意图。

图2为电喷雾端口角度调节模块示意图。

图3为三层套管结构示意图。

图4为二通/三通固定支架和高度调节模块。

图5为用于固定装置的三维操作平台。

图6中a)利用本发明装置得到正模式下hela细胞磷脂信号提取流图，b)hela细胞正模式下的代谢物指纹图谱，c)负模式下hela细胞磷脂信号提取流图，d)hela细胞负模式下的代谢物指纹图谱。

图7为不同浓度hela细胞磷脂信号提取流图及质谱脉冲个数与细胞相对浓度呈正比例关系。

图8为负模式下七种细胞的代谢物指纹图谱。

图9为七种细胞负模式下代谢物指纹图谱的高维数据降维与可视化(t-sne)分析。

图10中a为四种癌细胞负模式代谢物指纹图谱的主成分分析(pca)；b为对应的载荷图。

图中各附图标记为：

图1：1样品，2细胞悬浮液，3进样装置，4样品管，5三通a，6鞘流液毛细管，7鞘流液进样管，8两通，9恒流注射器，10双套管结构，11三通b，12载气毛细管，13载气进样管，14气路连接管，15气瓶，16高压电接口，17高压电源，18质谱进样锥口；

图2：1角度调节模块，2第二个三通组件

图4：(a，b)二通/三通固定支架由四个凸起的固定块与底座组成，底座中间设有m4螺丝阶梯孔；(c,d)高度调节模块一，(e,f)高度调节模块二：其中高度调节模块一(c,d)正反两面有两组互相垂直且间距为12mm的m4螺丝阶梯孔，高度调节模块二(e,f)正面由两组间距为25mm平行的且间距为12mm的m4螺丝阶梯孔组，反面则有垂直于正面的间距同为12mm的m4螺丝阶梯孔组，位置在正面两组正中间。高度调节模块三与高度调节模块一(c,d)设计相同，仅高度不同

图5：1三维移动基座，2、3离子源固定底座，4、6、8高度调节模块，5、7单轴一维平移模块，9角度调节模块，10、11、12二通/三通架，13样品支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、

如图1所示，为本发明提供的免标记原理的质谱流式细胞进样与离子化装置示意图。

该质谱流式细胞进样与离子化装置，包括同轴三层套管(如图3所示)、鞘流液进样管7、载气进样管13、三通a5和三通b11；

同轴三层套管由内至外依次为样品管4、鞘流液毛细管6和载气毛细管12，且鞘流液毛细管6的出口端长于样品管4的出口端，控制距离为1-5mm。载气毛细管12的出口端短于鞘流液毛细管6的出口端，控制距离为1mm；鞘流液毛细管6的出口端为电喷雾端口。

鞘流液进样管7的一端与鞘流液毛细管6相连，另一端与驱动装置9(如图1所示恒流注射器9)相连；载气进样管13的一端与载气毛细管12相连，另一端与载气储气装置(如图1所示15气瓶)相连。

样品管4穿过三通a5，鞘流液毛细管6从样品管4的出口端套上，形成样品管4和鞘流液毛细管6双套管结构；且鞘流液毛细管6在三通a5内与鞘流液进样管7相连；鞘流液进样管7的另一端与驱动装置9(如图1所示恒流注射器9)相连；样品管4和鞘流液毛细管6双套管结构简写为双套管；双套管穿过三通b11，载气毛细管12从双套管的出口端套上；且载气毛细管12在三通b11内与载气进样管13相连；载气进样管的另一端与载气储气装置(如图1所示15气瓶)相连。鞘流液进样管7和三通a5相连的管口为高压电接口16。

1为样品，样品溶液为细胞悬浮液2。在压力进样装置3的正压力驱动下，细胞悬浮液进入样品管4(石英毛细管，150μmo.d.，50μmi.d.)。样品管4穿过三通a5，鞘流液毛细管6(石英毛细管，350μmo.d.，200μmi.d.)从样品管4的出口端套入，与鞘流液进样管7在三通a内连接。鞘流液进样管7与两通8连接，通过恒流注射器9控制注入鞘流液的流速，样品管4和鞘流液毛细管6的双套管结构10穿过三通b11，载气毛细管12(石英毛细管，750μmo.d.，530μmi.d.)从鞘流液毛细管6出口端套入，与载气进样管13在三通b11内连接。气路连接管14连接气瓶15和载气进样管13。高压电接口16通过铜丝连接在三通a5上，高压电源17通过高压电接口16与装置连接。电喷雾端口初始位置与质谱进样锥口18同轴，可通过调节角度模块1(±20°)调整电喷雾端口和质谱进样锥口间的角度达到最佳喷雾效果。

样品管4中加入细胞悬浮液(10³-10⁵个/ml)2，溶剂为甲酸铵溶液(140mm)。压力进样装置3的正压力驱动控制细胞悬浮液的流速为1μl/min，鞘流液为甲醇，流速为9μl/min，载气为氮气，气压控制在0.1-0.2mpa。高压电控制在±1-3kv。

利用图4固定模块和高度调节模块和商品化的三维调节模块搭建了如图5所示的模块化平台基座。三维移动基座1与离子源固定底座2与3通过四颗m6螺丝旋合。高度调节模块4通过两颗m4螺丝与离子源固定底座3旋合，通过两颗m4螺丝与单轴一维平移模块5旋合。高度调节模块6通过四颗m4螺丝与离子源固定底座3旋合，通过两颗m4螺丝与单轴一维平移模块7旋合。高度调节模块8通过两颗m4螺丝与离子源固定底座2旋合，通过两颗m4螺丝与角度调节模块9旋合。二通/三通架10、11、12通过一颗m4螺丝与轴一维平移模块5、7、9旋合。样品支架13通过一颗m6螺丝与两颗m4螺丝与离子源固定底座3旋合。

将本发明中三通a4固定在三通架11上，三通b11固定在三通架10上，鞘流液进样两通固定在两通架12上，样品瓶放置于样品支架13上。通过调节各模块保证三层套管结构处于同轴状态，保证了结构的合理性。将本发明装置固定在此操作平台上易于调节仪器参数，提高可操作性，保证实验的稳定性。

所有的质谱检测均在轨道离子阱质谱qe-orbitrapmassspectrometer(thermoscientific,sanjose,ca)上完成。仪器的运行参数如下：

毛细管温度(capillarytemperature)：320℃；

分辨率(resolution):35000

最长注入时间(maximuminjecttime)：10ms；

agctarget:1*10⁶

在实验前，需先将qe-orbitrap商用esi离子源卸掉，接入外源质谱接口。

首先将生长到80％汇合的hela等贴壁细胞处理成单细胞悬浮液，步骤如下：移除旧培养基，用无菌磷酸生理缓冲液dpbs洗涤细胞2次，加入trypsin-edta溶液消化2-3分钟后加入培养基吹散成单细胞悬浮液，通过离心法去除上清液后加入140mm甲酸铵溶液后再混匀，通过细胞计数计数调整细胞浓度至10⁴个/ml。

样品管中加入浓度为10⁴个/ml的hela细胞甲酸铵悬浮液，压力控制细胞悬浮液进样流速为1μl/min。正模式下鞘流液采用甲醇，流速为10μl/min，载气为氮气，压强控制在0.15mpa，施加+2.0kv的正高压，采集m/z500-1000的质谱数据。采用上述条件，得到的正模式下单细胞脉冲信号及代谢物指纹图谱。图6.a为m/z760.58的提取流图，图6.b为正模式下单细胞代谢物的指纹图谱。负模式下鞘流液采用掺杂1％氨水的甲醇，流速为10μl/min，载气为氮气，压强控制在0.15mpa，施加-2.0kv的负高压，采集m/z300-1000的质谱数据。采用上述条件，得到的负模式下单细胞脉冲信号及代谢物指纹图谱。图6.c为m/z804.57的提取流图，图6.d为负模式单细胞代谢物的指纹图谱。该结果证明利用本发明装置和质谱结合，无需标记，就能获得连续稳定的单细胞代谢物多组分信息。

图7为细胞相对浓度和单细胞脉冲信号频率的关系。从图7-c中可以看出单细胞脉冲信号频率与细胞的相对浓度呈正比关系，可证明每个脉冲信号都来自单个细胞。可看到图中最高通量约为30个/min，该实验验证了本发明装置与质谱结合能够高通量进行细胞分析。本实施中细胞分析通量受限于使用的轨道离子阱质量分析器的扫描时间和细胞进样速度，换用更短扫描时间的质量分析器(如飞行时间质量分析器tof)并优化实验条件可获得更高的细胞分析通量。

图8是利用单细胞代谢物指纹图谱得到的细胞分型结果。采用上述条件，样品管中依次加入a549、hela、hepg2、mcf7、mcf10a、mda-mb-468、bt-474七种细胞的甲酸铵悬浮液，采用上述条件，施加负高压-2.0kv，得到的七种细胞单细胞脉冲信号及代谢物指纹图谱。

图9是七种细胞负模式下代谢物指纹图谱的高维数据降维与可视化(t-sne)分析，结果表明基于该装置得到的单细胞代谢物多组分指纹图谱可以对七种细胞进行分型，具体区分四种不同类型癌细胞及乳腺癌细胞的四种亚型，证明了该装置获得的单细胞代谢物多组分信息可用于细胞分型。

图10是四种癌细胞负模式代谢物指纹图谱的主成分分析(pca)及对应的载荷图，结果表明基于该装置得到的单细胞多组分指纹图谱在区分不同类型细胞的基础上，可以找到不同类细胞间存在显著性差异的物质，为寻找分型标志物提供了可能。从本实施结果可以看出利用本发明装置与质谱联用在正负模式检测条件下均可高通量的得到单细胞的代谢物多组分信息。采集到的单细胞代谢物指纹图谱可以用于细胞分型和寻找差异化物质，有望用于解决癌症诊断和治疗及药物筛选、系统生物学、细胞异质性研究等生物学问题。