ナノ粒子分析
ナノ粒子は特有の物性を示すことから、研究開発が盛んに行われており、その適用範囲は生活用品から工業製品まで多岐に渡っています。一方で、一般消費財へのナノ粒子利用の増加に伴い、ナノ粒子が及ぼす環境や生体への影響が懸念されています。このようにナノ粒子を分析するニーズが高まっており、ナノ粒子を精確かつ簡便に測定することができるシングルパーティクル(SP)-ICP-MS法が新たな分析技術として注目されています。
シングルセル(単一細胞)分析
細胞内金属や細胞への金属取り込みに関する研究においては、細胞を酸分解 (均一化) してICP-MSで測定することが一般的です。しかし、この方法では細胞集団内の総金属量を把握できるものの、個々の細胞の金属量を把握できないという制約があります。近年、ライフサイエンスの領域では、一細胞単位で細胞の挙動を把握するニーズが高まっており、SP-ICP-MS法に基づく新しい細胞測定技術であるシングルセル(SC)-ICP-MS法は、細胞単位での細胞内金属や金属ナノ粒子を測定することを可能にします。
PerkinElmer社が提供するSP-ICP-MS、SC-ICP-MSシステムはナノ粒子および細胞懸濁液を直接イオン源に導入し、試料中の個々のナノ粒子や個々の細胞をそれぞれ検出することが可能です。さらに、業界初のナノ粒子および単一細胞分析に特化した専用ソフトウェアにより、高度な分析を簡便かつ迅速に実施することを可能にしました。
シングルパーティクルICP-MS法(SP-ICP-MS法)とは
粒子の粒径の測定手法としては動的光散乱法や電子顕微鏡法が代表的ですが、それぞれに特徴と課題があります。ICP-MS法は、多元素を一斉に測定できる分析手法として広く一般的に用いられており、元素を識別する能力と優れた検出下限値を有しています。SP-ICP-MS法は、混在する粒径の異なる金属ナノ粒子のサイズと濃度を把握できるとともに、溶存金属成分濃度情報も得ることができる手法であり、新しいナノ粒子分析法として注目を集めています。
溶存成分とナノ粒子から得られる信号の違い
ICP-MS法では通常、試料中に溶存している元素成分の測定を行いますが、SP-ICP-MS法では試料中に分散している粒子成分の測定も行うことができます。溶存成分と粒子成分から得られる信号には以下の図に示すような特徴があります。

上図:溶存成分の信号で一定の強度を持つ過渡信号
下図:ナノ粒子成分の信号でスパイク状のランダムな信号
(※画像をクリックすると拡大表示されます)
一定の強度を持つ溶存成分からの信号は、信号のどの部分を検出しても安定した信号が得られます。一方でナノ粒子の信号は、信号の取り込み間隔が適切でないと、信号を検出できなかったり、複数の信号を同時に検出してしまうなどの問題が生じます。
SP-ICP-MS法において、ICP-MSに求められる条件
ICP-MSは法において、信号の取り込みは“滞在時間(dwell time)”と“安定化時間(settling time)”で構成されています。安定化時間は、次の測定の前に電子制御系を安定させるためのオーバーヘッドおよびデータ処理時間で、この間は信号の取り込みは行われません。SP-ICP-MS法では、安定化時間を排除することと、十分短い滞在時間で測定を実施することが重要となります。ナノ粒子から得られる信号は約500 µ秒の幅を持っており、滞在時間は100 µ秒以下に設定することが望ましいと言われています(通常のICP-MS測定では50m秒に設定することが一般的)。以下の図では、滞在時間 50 µ秒と3000 µ秒で60 nm 金ナノ粒子分析を行った場合の測定結果を比較しました。50 µ秒では金ナノ粒子の分布が精確に得られているのに対し、3000 µ秒では試料中に存在しない粒径の大きな分布(約75 nm)が検出されています。この2つ目の分布は複数粒子を同時に誤検出したことで得られたピークです。
NexION350/2000ICP-MSでは滞在時間を10 µ秒から設定可能で、精確なSP-ICP-MS分析を行うことができます。

(※画像をクリックすると拡大表示されます)
SP-ICP-MS法で得られるナノ粒子の特性とナノ粒子の用途例
SP-ICP-MS法では以下のナノ粒子特性を一度の測定で得ることができます。
ナノ粒子の用途は多岐に渡っており、SP-ICP-MS法は様々な分野で活躍します。
SP-ICP-MS法で測定可能な
ナノ粒子の特性
- 粒子サイズ
- サイズ分布(粒度分布)
- 粒子濃度
- 無機元素組成
- 凝集の有無
- 金属膜厚の評価
- 粒子形状の評価
ナノ粒子の用途例
- 生活用品(食器、まな板、衣類消臭剤等)
- 食品・パッケージ
- 化粧品
- 臨床薬剤
- ドラッグデリバリーシステム
- 繊維
- 塗料・インク
- プラスチック
- ゴム
- 化学機械研磨剤
- 触媒
ナノ粒子分析のための専用ソフトウェア Syngistix ナノアプリケーションモジュール
Syngistixナノアプリケーションモジュールは、SP-ICP-MS分析専用として開発されたはじめてのプログラムです。このモジュールは、PerkinElmer社製 ICP 質量分析装置 NexION の制御ソフトウェアである Syngistix for ICP-MS Software の機能を拡張し、高速な連続データ収集能(最短10 µs の滞在時間、100,000 データポイント/s)を持つNexIONシリーズ ICP 質量分析装置による単一粒子の精確かつ迅速な分析を可能にします。ナノモジュールを用いた SP-ICP-MS 分析ではナノ粒子の元素組成・粒子濃度・粒子サイズ・粒子サイズ分布・凝集・溶存成分濃度等の情報を、簡便な操作により得ることができます。
- 一回の測定で、試料中の粒子濃度・サイズ・サイズ分布・溶解成分に関する情報が得られます。
- 10 µsからの高速データ取り込みによる豊富な情報量からナノ粒子の精確な分析が可能です。
- 簡便な操作性により、データ取得から解析までが可能です。
- 一検体の測定時間は約1分。
ナノモジュールについての詳細は下記技術資料をご請求ください。
- ナノ粒子分析 “SP-ICP-MS”専用Syngistix™ ナノアプリケーションモジュール
シングルセルICP-MS法(SC-ICP-MS法)とは
細胞中金属の測定手法としては電子顕微鏡法や酸分解したサンプルをICP-MSで測定する方法が代表的ですが、それぞれに特徴と課題があります。SC-ICP-MS法は、ナノ粒子分析法として定着しつつあるSP-ICP-MS法を応用した新たな細胞分析手法です。細胞中に含まれる金属濃度の把握や溶存金属および金属ナノ粒子の取り込み実験などに利用することができます。また、他の技術よりも少ない細胞数での実験を可能にするため、実験にかかる費用の大幅な削減にも貢献します。
細胞の保持に必須の専用試料導入系
個々の細胞中の情報を正しく得るためには、細胞の状態を保持したままICP-MS内に導入する必要があります。SC-ICP-MS法では、細胞懸濁液を直接イオン源に導入しますが、導入のためには細胞懸濁液を霧化するネブライザと霧状サンプルをイオン源に輸送するためのスプレーチャンバを用います。ネブライザの部分では、霧化の過程で細胞が壊れないことが求められます。また、細胞は一般的な溶液分析の際に生成するエアロゾルよりも大きいため、標準的なスプレーチャンバではイオン源へ到達できる細胞数が限られてしまいます。この制約を克服するため、細胞分析に適した新しいAsperon™ シングルセル スプレーチャンバ(特許出願済)を開発しました。これらの細胞分析に特化した試料導入系を搭載したNexION ICP-MSは、シングルセル分析に最適なシステムです。


淡水藻細胞の光学顕微鏡画像(左)ネブライザ噴霧前、(右)ネブライザ噴霧後:霧化後も細胞が保持されていることが分かります。

Asperon™ シングルセル スプレーチャンバ(特許出願済)
シングルセル測定用専用試料導入系についての詳細は下記技術資料をご請求ください。
- PerkinElmer Asperon™ Spray Chamber: Delivering “Intact Individual Cells” to the ICP-MS Plasma
SC-ICP-MS法で測定可能な項目と対応可能なアプリケーション例
SC-ICP-MS法では以下の測定項目及びアプリケーションに対応可能です。
- 細胞中金属含有量 (ag)
- 細胞への金属取り込み (ag)
- 金属含有細胞の濃度(細胞/mL)
- 金属ナノ粒子の取り込み (細胞中ナノ粒子数)
シングルセル分析のための専用ソフトウェア Syngistix Single Cellアプリケーションモジュール
Syngistix Single Cellアプリケーションモジュールは、SC-ICP-MS分析専用として開発されたはじめてのプログラムです。このモジュールは、PerkinElmer社製 ICP 質量分析装置 NexION の制御ソフトウェアである Syngistix for ICP-MS Software の機能を拡張し、高速な連続データ収集能(最短10 µs の滞在時間、100,000 データポイント/s)を持つNexIONシリーズ ICP 質量分析装置による単一細胞の精確かつ迅速な分析を可能にします。Single Cellモジュールを用いた SC-ICP-MS 分析では単一細胞の金属含有量・金属取り込み量・金属含有細胞濃度・細胞中ナノ粒子数等の情報を、簡便な操作により得ることができます。
- 単一細胞の金属含有量・金属取り込み量・金属含有細胞濃度・細胞中ナノ粒子数に関する情報が得られます。
- 10 µsからの高速データ取り込みによる豊富な情報量から単一細胞の精確な分析が可能です。
- 簡便な操作性により、データ取得から解析までが可能です。
- 一検体の測定時間は約1分。
Single Cellモジュールについての詳細は下記技術資料をご請求ください。
- Syngistix Single Cell Application Software Module for NexION ICP-MS Systems
技術論文
技術論文のリストです。リンク先より入手が可能です。
SP-ICP-MS
Technical
- Determining transport efficiency for the purpose of counting and sizing nanoparticles via single particle inductively coupled plasma-mass spectrometry
Heather E. Pace, Nicola J. Rogers, Chad Jarolimek, Victoria A. Coleman, Christopher P. Higgins, and James F. Ranville
Anal Chem. 2011 Dec 15; 83(24): 9361–9369
- Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry: A Powerful Tool for Nanoanalysis
Francisco Laborda, Eduardo Bolea, and Javier Jiménez-Lamana
Anal. Chem. 2014, 86, 2270−2278
- Effect of dwell time on single particle inductively coupled plasma mass spectrometry data acquisition quality
Aaron Hineman and Chady Stephan
J. Anal. At. Spectrom., 2014, 29, 1252–1257
- Nanoparticle Size Detection Limits by Single Particle ICP-MS for 40 Elements
Sungyun Lee, Xiangyu Bi, Robert B. Reed, James F. Ranville, Pierre Herckes, and Paul Westerhoff
Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 10291−10300
- Methods for the detection and characterization of silica colloids by microsecond spICP-MS
Manuel D. Montaño, Brian J. Majestic, Åsa K. Jämting, Paul Westerhoff, James F. Ranville
Anal. Chem., 2016, 88 (9), pp 4733–4741
- Single Particle ICP-MS: Advances toward routine analysis of nanomaterials
Montaño MD, Olesik JW, Barber AG, Challis K, Ranville JF, Anal Bioanal Chem. 2016 Jul;408(19):5053-74
- Critical considerations for the determination of nanoparticle number concentrations, size and number size distributions by single particle ICP-MS
F. Laborda, J. Jiménez-Lamana, E. Boleaa and J. R. Castilloa , J. Anal. At. Spectrom., 2013,28, 1220-1232
- Silver nanoparticle characterization using single particle ICP-MS (SP-ICP-MS) and asymmetrical flow field flow fractionation ICP-MS (AF4-ICP-MS)
D. M. Mitrano, A. Barber, A. Bednar, P. Westerhoff, C. P. Higginsd and J. F. Ranvillea, J. Anal. At. Spectrom., 2012,27, 1131-1142
- 特集 微量元素分析-規制・法令から生体機能解析まで- ナノ粒子分析のためのシングルパーティクルICP-MS
小林恭子, ぶんせき, 2016, 10, 414-417
Environmental ~環境
- Tracking dissolution of silver nanoparticles at environmentally relevant concentrations in laboratory, natural, and processed waters using single particle ICP-MS (spICP-MS)
D. M. Mitrano, J. F. Ranville, A. Bednar, K. Kazor, A. S. Heringd and C. P. Higgins
Environ. Sci.: Nano, 2014,1, 248-259
- Single particle ICP-MS characterization of titanium dioxide, silver, and gold nanoparticles during drinking water treatment
Ariel R. Donovan, Craig D. Adams, Yinfa Ma, Chady Stephan, Todd Eichholz, Honglan Shi
Chemosphere 144 (2016) 148-153
- Detection of zinc oxide and cerium dioxide nanoparticles during drinking water treatment by rapid single particle ICP-MS methods
Ariel R. Donovan, Craig D. Adams, Yinfa Ma, Chady Stephan, Todd Eichholz, Honglan Shi
Anal Bioanal Chem. 2016 Jul;408(19):5137-45
Food ~食品
- Measurement Methods to Detect, Characterize, and Quantify Engineered Nanomaterials in Foods
Gurmit Singh, Chady Stephan, Paul Westerhoff, David Carlander, and Timothy V. Duncan
Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, Vol. 13, 2014
- Characterization of Gold Nanoparticle Uptake by Tomato Plants Using Enzymatic Extraction Followed by Single-Particle Inductively Coupled Plasma−Mass Spectrometry Analysis
Yongbo Dan, Weilan Zhang, Runmiao Xue, Xingmao Ma, Chady Stephan, and Honglan Shi
Environ Sci Technol. 2015 Mar 3;49(5):3007-14
- Single particle ICP-MS method development for the determination of plant uptake and accumulation of CeO2 nanoparticles
Yongbo Dan, Xingmao Ma, Weilan Zhang, Kun Liu, Chady Stephan, Honglan Shi
Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2016, 408(19): 5157-5167
Industry ~工業系
- Characterization of titanium dioxide and zinc oxide nanoparticles in sunscreen powder by comparing different measurement methods
P.J. Lu, S.W. Fang, W.L. Cheng, S.C. Huang, M.C. Huang,
H.F. Cheng
Journal of Food and Drug Analysis, 2018, 1-9
- Gunshot residue (GSR) analysis by single particle inductively coupled plasma mass spectrometry (spICP-MS)
Rodrigo d. Heringera, James F. Ranvilleb
Forensic Science International, 288, 2018, e-20-e-25
Pharma & BioChemistry ~医薬品&生化学
- Extraction and Analysis of Silver and Gold Nanoparticles from Biological Tissues Using Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
Evan P. Gray, Jessica G. Coleman, Anthony J. Bednar, Alan J. Kennedy, James F. Ranville, and Christopher P. Higgins
Environ. Sci. Technol., 2013, 47 (24), pp 14315–14323
- Rapid analysis of titanium dioxide nanoparticles in sunscreens using single particle inductively coupled plasma–mass spectrometry
Yongbo Dan, Honglan Shi, Chady Stephan, Xinhua Liang
Microchemical Journal 122 (2015) 119–126
SC-ICP-MS
- Single-Cell ICP-MS Analysis: Quantifying the Metal Concentration of Unicellular Organisms at the Cellular Level
Ruth Merrifield, Lauren Amable, Chady Stephan
Spectroscopy, Volume 33, Issue 6, 33–39 (2018)
- Counting and Recognizing Single Bacterial Cells by a Lanthanide-Encoding Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometric Approach
Yong Liang, Qian Liu, Yang Zhou, Shi Chen, Limin Yang, Min Zhu, Qiuquan Wang
Anal. Chem. 2019, 91, 13, 8341-8349
- Investigating the Uptake of Arsenate by Chlamydomonas reinhardtii Cells and its Effect on their Lipid Profile using Single Cell ICP–MS and Easy Ambient Sonic-Spray Ionization–MS
Emmanouil Mavrakis, Leonidas Mavroudakis, Nikos Lydakis-Simantiris, Spiros A. Pergantis
Anal. Chem. 2019, 91 15, 9590-9598
- Quantification of Au Nanoparticle Biouptake and Distribution to Freshwater Algae Using Single Cell – ICP-MS
R. C. Merrifield, C. Stephan, J. R. Lead
Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 4, 2271-2277
- A Dose Metrics Perspective on the Association of Gold Nanomaterials with Algal Cells
Fazel Abdolahpur Monikh, Benjamin Fryer, Daniel Arenas-Lago, Martina G. Vijver, Gopala Krishna Darbha, Eugenia Valsami-Jones, Willie J. G. M. Peijnenburg
Environ. Sci. Technol. Lett. 2019, 6, 12, 732-738
- Evaluating the treatment effectiveness of copper-based algaecides on toxic algae Microcystis aeruginosa using single cell-inductively coupled plasma-mass spectrometry
Xing Shen, Haiting Zhang, Xiaolong He, Honglan Shi, Chady Stephan, Hua Jiang, Cuihong Wan & Todd Eichholz
Analytical and Bioanalytical Chemistry volume 411, pages5531–5543 (2019) 
- Quantification of copper content in Peripheral Blood Mononuclear Cell (PBMC) one Cell at a time using Single Cell lCP-MS
Magdalena Muszyńska, Chady Stephan, Andrzej Lechotycki, Grzegorz Gołąb 
- Quantitative Analysis of Gold Nanoparticles in Single Cells with Time-resolved ICP-MS
Jinhui Liu, Lingna Zheng, Junwen Shi, Xing Wei, Xue Li, Mingli Chen, Meng Wang
At. Spectrosc. 2021, 42(3), 114-119 
*2022.3.23 現在
イベント情報
パーキンエルマージャパンでは、ナノ粒子分析・シングルセル分析に関連するイベントを定期的に開催しています。
パーキンエルマージャパンのイベント情報はこちらから。
過去のナノ粒子・シングルセル分析イベント
2022年
2020年
2019年
- 日本薬学会第139年会 ランチョンセミナー
シングルセルICP-MS(SC-ICP-MS)法を用いたA2780/CP70ヒト卵巣癌細胞株におけるシスプラチン(CDDP)単一細胞内取込量の把握
- 第46回日本毒性学会学術年会 ポスター発表
シングルパーティクル(SP)-ICP-MS法による金属ナノ粒子の特性評価とITOターゲット研削
作業者の尿・血清試料の評価
- 日本分析化学会 第68年会 特別シンポジウム プラズマ質量分析計によるナノ粒子の高感度・高速計測 口頭発表
Monitoring the Behavior, Fate, and Ecological Effects of Nanomaterials using Single Particle and Single Cell ICP-MS
- 日本毒性学会主催 メタルバイオサイエンス研究会2019 ランチョンセミナー
金属による生体影響評価のためのSingle Particle/Single Cell-ICP-MS 法

2015 Nanolytica in 横浜
セミナー風景
|
2018年
- OpenTox Asia 2018 ポスター発表
Metal Nanoparticle Characterization and Bio-Monitoring by Single Particle (SP)-ICP-MS
- 第6回メタロミクス研究フォーラム ポスター発表
シングルパーティクルICP-MSによる金属ナノ粒子の特性評価とバイオモニタリング
2016年
2015年
2014年