给纳米颗粒“拍照” | 基于 LA-spICP-MS 技术的原位分析新方法

2026-06-09 16:17:38, 安捷伦科技安捷伦科技（中国）有限公司

在纳米材料日益广泛应用的今天，其在生态系统中的行为与风险评估成为关注的焦点。植物作为环境纳米颗粒的重要汇集体，长期缺乏一种能够同时获取其尺寸、数量、空间分布及形态的综合分析手段。近期，一项基于激光剥蚀-单颗粒电感耦合等离子体质谱（LA–spICP–MS）的新方法，为这一难题提供了突破性的解决方案。

创新突破：

从“总体检测”迈向“微区解析”

固体样品中的纳米颗粒物检测的传统技术各有一定的局限性：电镜分辨率高但统计性不足，荧光方法存在淬灭与标记干扰，而常规 spICP-MS 虽可定量却缺乏空间信息。LA–spICP–MS 法为进行具有空间分辨率的原位纳米颗粒分析提供了一种具备前景的替代方法，它能提供有关纳米颗粒的组成、位置、大小和数量的信息。

图 1. LA–spICP–MS 法的工作流程示意图

仿生基质 → 提高校准准确性

仪器参数优化 → 保证信号真实性

动态基线算法 → 解决复杂背景

多技术验证 → 提升结论可靠性

该研究创新性地使用了双重校准策略（dual calibration）和动态离子基线校正算法（dynamic baseline correction）对激光剥蚀产生的不同含量的金纳米颗粒（AuNPs）和金离子（Au³⁺）进行定量分析。研究者构建含 AuNPs 与 AuCl₄⁻ 的仿生基底（明胶，GA 和羟丙基甲基纤维素，HPMC），在激光剥蚀进样的方式下同时校准颗粒信号和离子响应。并通过识别颗粒信号“局部极小值”建立动态基线，并结合峰脉冲宽度与最大/最小强度比两个判据，有效区分纳米粒子信号与离子背景，在复杂植物样品中仍可准确识别粒径 ≥20 nm 的 AuNPs 颗粒。这使 LA–spICP–MS 具备快速、原位分析能力，可同时解析纳米颗粒的“在哪里、有多少、大小如何”的问题。

关键实验流程：

构建标品 - 优化条件 - 数据解析

首先，对用于校准的仿生基底进行了稳定性与均一性验证。传统分析方法结果表明，仿生基底中的 AuNPs 未发生聚集且结构稳定；同时，通过 LA-spICP-MS 测量发现信号强度与粒径分布高度一致，证明 AuNPs 在基底中均匀分散且尺寸保持良好，适用于定量分析。

其次，对激光剥蚀的关键参数进行了优化并验证其对定量结果的影响。结果表明，颗粒检测数与激光能力、斑束面积相关；在较高剥蚀频率或大斑点条件下，由于信号重叠会导致粒子数低估及尺寸高估，因此最终选择较低剥蚀频率（50 Hz）与小斑束（5 μm）条件以兼顾准确性与空间分辨率。

传输效率（η）的准确获得是 NP 数量定量的关键。本文用双重校准策略，在不同仪器条件下验证了不同尺寸（30–127 nm）AuNPs 具有相似 η（约 80–96%），为统一定量提供基础。

针对复杂基体背景，本文构建了动态基线校正结合峰宽与信号强度比判据的数据处理算法，并通过标准样和模拟复杂背景体系进行了验证。结果表明，相比传统方法，该算法能有效区分 NPs 与离子信号及重叠峰，在复杂背景（不同粒径 AuNPs 和金离子共存）条件下仍可实现 73.7–101% 的回收率，并显著降低误判与漏检。

图 2. 原始数据示意图。激光剥蚀 AuNPs 与高浓度的 Au³⁺同时存在的样品时，动态离子基线（红色实线）比传统方法界定的离子基线（蓝色虚线）能更好的反应 Au³⁺浓度的变化，进而利于颗粒信号峰的识别

图 3. 用 LA-spICP-MS 法分析在仿生基底中添加不同粒径的 AuNPs 和 Au³⁺后，用不同的数据处理方法得到的 AuNPs 的回收率

应用成果：

揭示植物体内纳米行为机制

在实际应用中，该方法成功解析了两类关键过程：1) 外源 AuNPs 的吸收与迁移：发现纳米粒子主要通过根系吸收，并沿维管系统向叶片转运。2）拟南芥体内纳米粒子生物合成：证实 Au³⁺ 可在植物体内被还原形成 10–100 nm 范围的 AuNPs，并在不同组织中呈现差异化分布。结合 TEM 与样品酶解后的常规 spICP-MS 检测结果对比验证，发现 AuNPs 尺寸分布与两种独立方法高度一致，进一步证明了该方法在复杂生物样品中的准确性与可靠性。这些结果为理解纳米材料在植物中的迁移与转化机制提供了直接证据。

图 4. 在拟南芥的培养液中加入 AuNPs 培养后，对根切片和叶片进行 LA-spICP-MS 分析，可以定量得到各个区域的 AuNPs 的粒径分布和颗粒浓度值

跨学科应用拓展：

环境科学：追踪纳米污染物在土壤 - 植物等系统中的迁移路径

农业与食品安全：评估纳米农药或肥料在作物中的残留与分布

纳米医学：扩展到动物或组织切片，实现药物载体体内分布研究

结语

使用了双重校准和动态基线校正的 LA-spICP-MS 技术，实现了对纳米颗粒的平面成像。它不仅弥补了单一分析技术的不足，更为复杂生物体系中的纳米颗粒的迁移、转化行为研究提供了一种通用解决方案。随着算法优化与仪器升级，这种方法在环境、生物医药、农业等领域拥有广阔的应用前景。

更多详细信息，请参照 Zewei Cui et.al., LA–spICP–MS with Dual Calibration and Dynamic Baseline Correction for Rapid Multidimensional Analysis of AuNPs in Plants, 2026, Analytical Chemistry, DOI: 10.1021/acs.analchem.5c07891