ナノ粒子分析・シングルセル分析

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

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。
NexION 350/2000ICP-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。

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。

ナノ粒子分析のための専用ソフトウェア

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

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

SP-ICP-MS

Technical

• シングルパーティクルICP質量分析法（SP-ICP-MS法）の原理を理解する
• 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
• NexION シングルパーティクルICP-MS を用いたNIST 金ナノ粒子標準物質の分析
• SP-ICP-MS法による鉄ナノ粒子の分析：ユニバーサルセルテクノロジーによる多原子イオン干渉への対応
• 標準モード SP-ICP-MS法によるSiO₂ナノ粒子分析
• A Comparison of Microsecond vs. Millisecond Dwell Times on Particle Number Concentration Measurements　by Single Particle ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による粒子濃度測定における滞在時間の比較 - マイクロ秒 vs. ミリ秒）
• NexION 2000 ICP-MSを用いた10nm金ナノ粒子の粒径と粒子濃度の精確な測定
• シングルパーティクルICP-MS による炭素13 の測定：マイクロプラスチック検出の実現可能性に関する実験

Environmental　～環境

• SP-ICP-MSによる表層水中の銀ナノ粒子の挙動評価
• Quantitative Evaluation of Nanoparticle Dissolution Kinetics using SP-ICP-MS: A Case Study with Silver Nanoparticles
  （SP-ICP-MS法による銀ナノ粒子の溶解に関するケーススタディー）
• Measurement and Analysis of Silver Nanoparticles in Wastewaters with Single Particle ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による排水中の銀ナノ粒子分析）
• SP-ICP-MS法による各種水試料における金-銀コアシェルナノ粒子の変化に関する検討
• Monitoring Cerium Dioxide and Zinc Oxide Nanoparticles through Drinking Water Treatments using Single Particle ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による飲料水処理工程における酸化セリウムと酸化亜鉛の観察）
• Assessing the Fate of Nanoparticles During Coagulation Using SP-ICP-MS
  （SP-ICP-MS法を用いた凝集におけるナノ粒子の動態評価）
• Rapid Measurement of Nanoparticles in Seawater using Single Particle ICP-MS with All Matrix Solution
  （シングルパーティクルICP-MS法と高マトリックス対応サンプル導入システム(AMS)を用いた海水中ナノ粒子の迅速測定）
• Analysis of Cerium Dioxide Nanoparticles in Soil Using Single Particle ICP-MS
  （シングルパーティクルICP-MS法を用いた土壌中CeO₂ナノ粒子の測定）
• Monitoring the Fate of Silver Nanoparticles in Seawater Using Single Particle ICP-MS
  （シングルパーティクルICP-MS法を用いた海水中銀ナノ粒子の観察）

Food　～食品

• シングルパーティクルICP-MS法における飲料水中の銀・金・二酸化チタンナノ粒子の迅速分析
• シングルパーティクルICP-MS法によるトマト植物の金ナノ粒子取り込みに関する検討
• Determination of CeO₂ Nanoparticle Plant Uptake using Single Particle ICP-MS　
  （SP-ICP-MS法による植物へのCeO₂ナノ粒子取り込みに関する検討）

Industry　～工業系

• 化学機械研磨剤として使用される酸化物ナノ粒子スラリーのSP-ICP-MS法による特性評価
• リアクションモード シングルパーティクルICP-MS法を用いた半導体産業用有機溶剤中の鉄ナノ粒子分析
• SP-ICP-MS Analysis of Size and Number Concentration in Mixtures of Monometallic and Bimetallic (Core-shell) Nanoparticles
  （モノメタルおよびバイメタル(コアシェル)ナノ粒子混合試料のSP-ICP-MS法によるサイズ・粒子濃度の測定）
• Analysis of CeO₂ Chemical Mechanical Planarization Slurries Using SP-ICP-MS
  （SP-ICP-MS法によるCeO₂化学機械研磨スラリーの測定）
• Analysis of Single-Walled Carbon Nanotubes with SP-ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による単層カーボンナノチューブの測定）
• Characterizatio of TiO₂ Nanoparticle Release from Fabrics by Single Particle ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による生地から放出されるTiO₂の特性評価）
• Transport of Nanoparticles From Coated Surfaces Through Physical Contact
  （物理的接触によるコーティング表面からのナノ粒子の輸送）
• NexION 5000 SP-ICP-MSによる半導体グレード硫酸中の金属ナノ粒子の分析
• NexION 5000 SP-ICP-MS による半導体産業用薬液中の金属ナノ粒子の分析

Pharma & BioChemistry　～医薬品＆生化学

• SP-ICP-MSによるダイエットサプリメント中の銀ナノ粒子の特性評価
• SP-ICP-MS法による血液中の金および銀ナノ粒子の測定
• シングルパーティクルICP-MS法における日焼け防止剤中の二酸化チタンナノ粒子分析
• Analysis of Nanoparticles in Biological Tissues using SP-ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による生体組織中ナノ粒子の分析）
• Assessing the Fate of Nanoparticles in Biological Fluids using SP-ICP-MS
  （SP-ICP-MS法による生体試料中のナノ粒子分析）
• New Frontiers in Biomonitoring: Total and Single Particle Analysis of Titanium in Serum
  （バイオモニタリングにおける最新手法：血清中の総チタンとシングルパーティクル分析）

SC-ICP-MS

Technical

• An Introduction to Single Cell ICP-MS Analysis
  （シングルセル ICP-MS法とは）
• シングルセル ICP-MS法： 細胞レベルにおける金属含有量の定量
• PerkinElmer Asperon™ Spray Chamber: Delivering “Intact Individual Cells” to the ICP-MS Plasma
  （Asperonスプレーチャンバ：個々の細胞を非破壊でICP-MSプラズマへ輸送する方法）

Environmental　～環境

• シングルセルICP-MS法を用いた淡水藻類のナノ粒子およびイオン/溶存態金の取り込みの観察
• A Rapid, Novel Single Cell ICP-MS Method to Study the Treatment Efficiency of Algaecide for Toxic Algal Bloom Control
  （シングルセルICP-MS法を用いた有害藻類大量発生抑制のための殺藻剤処理効果に関する研究）
• SC-ICP-MS を用いた有毒藻類ブルームに対する殺藻剤の処理効率に関する研究

Food　～食品

Pharma & BioChemistry　～医薬品＆生化学

• シングルセル(SC)-ICP-MSによる卵巣がん細胞のシスプラチン取り込みに関する評価
• Iron Content Measurement in Individual Bacterial Cells Using SC-ICP-MS
  （シングルセル(SC)-ICP-MSによる個々のバクテリア細胞に含まれる鉄の分析）
• Quantification of Gold Nanoparticle Uptake into Cancer Cells using Single Cell ICP-MS
  （シングルセルICP-MS法によるがん細胞の金ナノ粒子取り込みの定量）

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