为铁氧化还原物种（Fe（II）、Fe（III）定量设置毛细管电泳-电感耦合等离子体质谱仪（CE-ICP-MS）

这种铁氧化氧光谱法基于毛细管电泳-电感耦合等离子质谱法，样品堆叠与短分析相结合。该方法可快速分析铁氧化还原物种的定量限制，用于各种组织和生物流体样品。

铁代谢的病痛是许多疾病的病理生理框架，包括癌症和几种神经退行性疾病。过量的铁会导致自由氧化活性Fe（II），并可对细胞内产生破坏性影响，如氧化应激（OS）和称为铁氧体（FPT）的脂质过氧化死亡。因此，铁（II）和铁（三）铁的定量测量（而不是总铁测定）是更深入地了解这些有害过程的关键。由于Fe（II）/（III）测定可能因相关样品（如脑脊液（CSF）的快速氧化还原状态变化和低浓度而受阻，因此应提供快速分析并提供低定量限（LOQ）的方法。毛细管电泳 （CE） 具有快速 Fe（II）/Fe（III） 分离的优势，无需固定相，这可能会干扰氧化还原平衡或引起分析剂粘附。CE 与电感耦合等离子质谱仪 （ICP-MS） 相结合，作为探测器，可进一步提高检测灵敏度和选择性。该方法采用20 mM HCl作为背景电解质，电压为+25 kV。通过电导率-pH-堆叠，提高了峰值形状和浓度检测限值。为了减少56[ArO]，在⁺动态反应单元（DRC）模式下操作，NH₃作为反应气体。 ⁵⁶该方法实现了3μg/L的检测极限（LOD）， 由于堆叠，在不妨碍分离但改善LOD的情况下，可增加注塑量。与峰值区域相关的校准是线性的，高达 150 μg/L。测量精度为 2.2%（Fe（III））至 3.5%（Fe（II）。两个物种的迁移时间精度为<3%，以人类神经母细胞瘤（SH-SY5Y）细胞的1:2稀释的体质确定。标准添加的恢复实验显示精度为97%Fe（III）和105%Fe（II）。在像CSF这样的真实生物样品中，迁移时间可能因电导率（即盐度）而异。因此，峰值标识通过标准添加进行确认。

今天，最明显的是，铁的氧化应激（OS）在多种疾病中起着至关重要的作用，特别是在神经退行性脑部疾病，如阿尔茨海默氏症和帕金森病，以及癌症^{1，2，3，4。2,3,41}操作系统与氧化还原型产品（II）/Fe（III）的状态和平衡密切相关。虽然Fe（III）是氧化还原不活性的，Fe（II）通过催化_H2O₂分解，从羟基基生产和膜脂质过氧化^5，6，强效产生活性氧^{物种（ROS）。}在分子水平上，Fe（II）生成的ROS和过氧化物磷脂是蛋白质、脂质和^DNA7，8完整性^的强攻击。这种有害的细胞功能障碍被证明诱导线粒体功能障碍与减少^{ATP含量9，}甚至可以触发程序性坏死细胞死亡，称为铁生病（FPT）10，11。^10,11因此，定量Fe（II）/（III）红氧化物物种在广泛的红氧化物相关疾病中具有突出的重要性。

^,化学物种化是研究微量元素生物作用和代谢的成熟工具^{，在一般7、8,8}以及神经退行性疾病12、13、14、15、16、17等。^{12,13,14,15,1617}文献中发现的Fe-redox光谱方法通常基于液相色谱（LC）分离。一些文献使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）作为元件选择性检测器。但是，在常规 LC 工作中，运行之间需要过多的清除时间。更成问题的是，LC 列的批处理变化强制在每个列更改后重新优化洗脱条件。这些问题阻碍了高吞吐量。为了获得可接受的可靠性和再次彻底评估该方法，需要额外的时间。

为了规避这些缺点，本文提出了一种基于毛细管电泳电感耦合等离子质谱（CE-ICP-MS）的Fe（II）/Fe（III）氧化还原光谱的方法。与 LC 18 相比，CE^{具有各种优势}。毛细管没有固定相位，因此取决于（几乎）不依赖于批次标识。老化或阻塞时，它们被快速替换，显示通常不变的性能。样品之间的清除和清洗步骤有效且短，每个样品的分析时间也很短。

提出的方法是可靠的，有好的功绩。作为一种证明，该方法应用于人类多巴胺神经母细胞瘤（SH-SY5Y）细胞乳酸盐，一种在神经退化和癌症研究中重要的样本^类型。

注意:该方法使用盐酸（HCl，从超纯开始稀释，浓度1 M）和四甲酰胺氢化物（TMAH，从超纯开始稀释，浓度25%）。这两种物质都具有很强的腐蚀性。使用皮肤和眼睛保护。

1. 制备电解质

1. 制备 HCl 电解质:背景电解质 （20 mM HCl）、出口电解质 （5 mM HCl） 和端接电解质 （0.05 mM HCl）
   1. 在 100 mL 烧瓶中准备 20 mM HCl:将 2 mL 的 1 M HCl 放入烧瓶中，用超纯水填充到标记上，轻轻摇动。
   2. 在 100 mL 烧瓶中准备 5 mM HCl:将 500 μL 的 1 M HCl 放入烧瓶中，用超纯水填充到标记上，轻轻摇动。
   3. 两步准备 0.05 mM HCl:将 1 mL 的 20 mM HCl 放入 100 mL 烧瓶中，然后用超纯水填充到标记，轻轻摇动。随后，移液器2.5 mL的后一个溶液放入15mL锥形管（材料表）中，并加入7.5 mL的超纯水，然后轻轻摇动。
2. 在 15 mL 锥形管中制备领先的电解质 12% TMAH:将 4.8 mL 的 25% TMAH 放入管中，加入 5.2 mL 的超纯水并轻轻摇动。
   注:12% TMAH 用于在每次运行前清洗和清洁毛细管，并在注射样品前作为前导电解质）。

2. 标准和样品的制备和储存

1. 标准
   1. 对于Fe（II），重量35.61毫克的Fe（II）Cl₂+4H₂O放入100 mL烧瓶中，用超纯水填充至100 mL标记，浓度为100毫克Fe（II）/L库存浓度。轻轻摇动，直到完全溶解。
   2. 对于Fe（III），重量29.04毫克的Fe（III）Cl₃ 放入100 mL烧瓶中，用超纯水填充100 mL标记，浓度为100mg Fe（III）/L库存浓度。轻轻摇动，直到完全溶解。
   3. 根据表 1 稀释每个 标准解决方案， 以准备工作标准解决方案。
      注:在准备100毫克/升库存溶液的每日库存溶液后，必须冷冻储存后者。根据表1准备每日 标准后，1mg/L 库存溶液必须分为 1.5 mL 体积，并储存在 1.5 mL 管中冷冻（最好顶部没有空气）。对于每一个新的一天，每天一个股票上限解冻，以准备每日标准，并在使用后撤回。

表1:用于制定标准的移液方案。

2. SH-SY5Y 细胞酸盐
   注:细胞酸盐（SH-SY5Y）用作Fe（II）/（III）相关生物基质，以显示该方法的性能和可靠性。
   1. 使用以前运行的实验¹⁶的 lysate 。遵循此细胞脱酸制剂，避免 pH 变化或可能影响氧化还原平衡的化学物质。使用经过修改的放射性免疫沉淀测定 （RIPA） 裂解缓冲液 （PBS pH 7.4， 0.5% 脱氧钠，1% NP-40），避免金属溷合剂（如 EDTA）、还原剂（如 DTT、2-2-Mercaptothanol）和心离子表面活性剂和金属复合剂（如 SDS），以最大限度地减少收集后对 Fe（II）/Fe（III） 比率的改变。
   2. 在N_2-大气中工作，O₂ 可抑制环境空气的氧化，并在冰上工作，以尽量减少任何自氧化，直到在氮气下尽快将乳酸盐储存在-80°C。

3. 设置 CE 与 ICP-MS 的连字符仪器

1. 设置毛细管电泳仪。
   注:对于本节，读卡器主要参考实验室中可用仪器的手册。
   1. 安装长度合适的毛细管，从 CE 仪器的入口小瓶到 ICP-MS 的雾化器。仅在入口侧安装毛细管，并引导其在仪器外朝 CE-ICP-MS 接口。
      注:对于将 CE 连字符到 ICP-MS，在此协议中，根据一般仪器设置说明安装了 90 厘米熔融石英毛细管（ID 50 μm）。通常，需要 70×100 厘米的毛细管尺寸，具体取决于仪器在实验室中的位置。
   2. 在软件中停用 CE 仪器的插座提升，以平稳运行，因为当毛细管被引导到 CE-ICP-MS 接口外部时，该提升器未使用。
   3. 安装从 CE 仪器触发 OUT 到 ICP-MS 仪器的触发 IN 的触发电缆。
   4. 选择所有必要的解决方案（20 mM HCl、0.05 mM HCl、12% TMAH）、仪器样品和溶液转子中的标准和样品的位置，并像往常一样在仪器软件中定义它们的位置（请参阅仪器手册）。
   5. 选择转子和毛细管温度在20°C时相同，与受控实验室温度相同。
      注:CE 仪器内外毛细管部件的温度梯度没有。
2. 设置 ICP-MS 仪器
   1. 根据日常仪器标准设置和操作程序优化 ICP-MS 仪器。使用制造商的协议。
   2. 使用以NH₃ 作为DRC气体的动态反应电池（DRC）技术，0.6 mL/min NH₃=流速和RPq值= 0.45。
      注:对于铁的物种化，^{一个方法被编程为56Fe，}是最丰富的Fe同位素（91.754%的相对丰度），但是，受到^来自[40Ar^{16O] 聚类的严重}干扰。标准模式下的基于四极的ICP-MS几乎为盲，该同位素的探测器溢出。通过上述设置（参见步骤 3.2.2），可以实现低基线和高灵敏度（对于低 ng/L 范围内的常规总铁测定 LOD）。
   3. 选择每个同位素的停留时间设置为 50 ms，用于监测 CE 分离期间甚至出现尖锐和短的峰值。
   4. 编程由 CE 仪器触发的 ICP-MS 方法。
3. 设置 CE-ICP-MS 接口
   注:将CE毛细管连接到ICP-MS主要有两种选择。如果使用商业界面，请按照提供的设置说明操作。该协议使用基于修改后以前的出版物的简单、自制的界面²⁰.关键问题是高效雾化，除了采用整体流速到雾化器以获得最佳雾化外，毛细管外流稀释可能更少。此外，必须通过从雾化器自吸器分离毛细管来最小化吸流量，以及接地出口电极与毛细管端的电气连接。
   1. 雾化器选择
      1. 使用自吸量低的同心雾化器（例如，100 μL/min），适合低体积喷雾室。
         注:低吸收率只会导致毛细管的中等稀释，与仍然优化的雾化平行。出口电极的电气连接是通过电解质流围绕出口电极和毛细管端完成。
      2. 使用雾化器的自吸力，通过分离毛细管将吸力降至最低，并将流速采用雾化器所需的最佳值。
      3. 准备表 2 的以下部分 以安装此自用接口。
   2. 简单界面的设置
      注: 使用图 1 遵循简单接口的部件安装说明。图 1 和 以下文本中的数字引用表 2 中的数字。
      1. 通过将两个 3 向母 Luer 连接器（第 3 号）与公锥 Luer 连接器（4 号）连接，开始安装接口。将下部 3 路杆的左端连接到公连接器，将下部 3 路 Luer 的中间连接连接到上部 3 路路杆的中间连接。
      2. 在 Pt 线（7 号）上安装 1 厘米管（1 号）和在后一根管（5 号）上安装 1 厘米硅胶管和公 Luer 连接器的喷嘴（2 号）。通过 Luer 典型螺钉旋转将组件固定到下部 3 路 Luer 连接器的中间连接（3 号）。
      3. 将 1 厘米管（1 号）推到 CE 毛细管的出口端上，并放置它，从末端放置约 8-9 厘米。
      4. 将 1 厘米硅胶管（5 号）放在后者和公 Luer 连接器的喷嘴（2 号）上。
      5. 将整个组件从左侧穿过上部 3 路 T 连接器的杆，并通过 Luer 典型螺钉旋转固定母 Luer 连接器和母 3 路 Luer 连接器的左端（第 3 号）。
      6. 将 25 厘米硅胶管（5 号）固定在公 Luer 连接器（2 号）的喷嘴上，然后通过 Luer 典型螺钉旋转将整个组件固定在杆的下（右）端，从下部 3 路尔连接器（3 号） 固定。
      7. 拿 1 厘米硅胶管 （No.6）， 将其推入 5 mm 的雾化器末端， 而第二个公 Luer 锥形连接器 （No. 4） 紧密插入硅胶管的突出部分。
      8. 随后将上面安装的接口部分与突出的 CE 毛细管移动到雾化器的公锥体。小心地插入 CE 毛细管穿过公锥体，进一步穿过雾化器毛细管的较宽部分，直到后者变窄。鉴于毛细管的突出长度是适当选择的，上部母3路Luer连接器现在也紧贴于公锥体。
      9. 如有必要，通过移动管（1 号）的毛细管（向前/向后）以进入自制界面，校正凸出毛细管长度。
         注:在雾化器毛细管开始时，CE毛细管的最佳位置不是太关键。但是，不要将 CE 毛细管推得太近，靠近雾化毛细管的狭窄部分。这可能会阻碍或阻止出口电解质流动。此外，这将中断与出口电极的电气连接，并增加通过 CE 毛细管的吸力，从而导致分离中断。反过来，不要使CE毛细管端离雾化器毛细管太远，因为这样，尖锐的分离峰将扩大，分辨率将丢失。
      10. 使用镜头确定最佳位置。
          注 :图 1（ 右下）显示了雾化器内 CE 毛细管的最佳位置。

图1:CE-ICP-MS接口的示意图和安装。原理图可识别简单且廉价的 CE-ICP-MS 接口的逐步安装的单一部件。窗口显示一张在雾化器中 CE 毛细管的最佳定位照片。 请单击此处查看此图的较大版本。

表2:用于构建简单、自制的CE-ICP-MS接口的部件。 这些数字还引用图 1 和文本中的说明。

4. 测量准备

注:测量前，毛细管应用强碱性溶液（此处:12% TMAH）冲洗，用于清洁，然后填充背景电解质。为了改善分离，基于电导率和pH梯度的样品围绕样品构建堆叠缓冲三明治。 表 3 总结了毛细管的连续制备步骤，这些步骤由仪器根据编程方法自动处理:

表3:测量前毛细管准备步骤。 这些步骤使用 CE 方法中的 CE 系统软件进行编程，包括加压样品喷射和样品周围"堆叠三明治"的堆积。

1. 编程 CE 方法，该方法连续执行表 3 中 给出的步骤。
2. 在 CE 软件中定义示例表和序列，并复制此序列也复制到 ICP-MS 软件中。

5. 测量和数据评估

1. 在 CE 仪器上启动该方法。在毛细管的编程准备和填充后，当含有 20 mM HCl 的入口小瓶位于毛细管入口时，测量将自动开始。"启动触发器"发送到 ICP-MS，该中心开始在线监测 Fe 同位素。
   注:分离使用 +25 kV 的电压。将 CE 仪器连接到 ICP-MS 所必需的毛细管长度延长，导致分离时间不必要地增加。因此，在入口时，分离由 250 mbar 的低压支撑。出口处的自吸电解质为 5 mM HCl。对于电导率适中的样品，总分析持续 3 分钟。在 ICP-MS 软件的信号窗口中，可以在运行过程中观察到电泳图。在每个样本结束时，自动生成两个数据文件，一个仅从内部数据库的仪器软件访问，另一个在导出文件夹中以".xl"或".txt"格式访问，可通过导入功能从常规色谱软件访问。
2. 有关将文件导出到色谱软件，请参阅 ICP-MS 仪器的软件手册。

标准和校准的测量
迁移时间通过单一标准注入进行阐明:在迁移时间 118 s 时对 Fe（III） 标准进行监控，在迁移时间 136 s 时对 Fe（III） 标准进行监控。检测限值采用3+标准（参考基线噪声）计算，50微克/升_（II） 标准浓度为3.1微克/升_{，LOD（III）} 为3.2微克/升标准，两种铁种的峰值面积校准均从LOD线性到150μg/L。在被证明具有较高浓度的Fe（III）线性时，Fe（II）校准曲线的斜率降低。150 μg/L 的浓度上限被认为是足够的，因为与 Fe（II）/（III） 测定相关的生物样本通常具有较低的 Fe 浓度。如果浓度较高，样品可相应地稀释。峰值高度校准检查高达 600 μg/L，并显示整个测试范围内的线性度。如图 2 所示。

图2:Fe（III）和Fe（II）的校准曲线（峰值高度）。两个 Fe redox 物种的峰值高度相关校准是线性的，坡度为 161 *X 请单击此处查看此图的较大版本。

SH-SY5Y细胞酸酯分析
对SH-SY5Y细胞脱酸的分析表明，由于电导率稍高，铁氧化还原物种的迁移速度稍慢。Fe（III）在迁移时间124时受到监测，Fe（II）在迁移时间158时受到监测。SH-SY5Y细胞利沙酸盐的迁移时间精度为2%，Fe（III）为3%。使用这种方法进行定量 Fe（II）和Fe（III）测量时，发现Fe（III）浓度为330微克/升，Fe（II）浓度为84微克/升，均导致Fe（II）/Fe（III）比为0.25。图 ^{3所示，分别显示了相应的56Fe}选择性 电泳图。

图 ^3:56SH-SY5Y细胞解质的56Fe特异性电图。Fe（III）在123s监测达到58025 cps峰值高度，在158 s时与Fe（II）清晰分离，达到22800 cps 请点击这里查看这个数字的较大版本。

由于铁在OS进展中起着突出的作用，从而促进线粒体功能障碍或FTP，本文提出了一种基于CE-ICP-MS的多种定量方法，用于同时进行Fe（II）/Fe（III）的物种形成，并在细胞间乳酸盐中进行了示范。该方法提供较短的分析时间和优点（LOQ、精度、恢复）的数字，适用于与铁氧化氧物种形成相关的样品，具体用于神经退行和癌症研究。与以往基于LC的方法相比，这种基于CE的方法实际上与列批处理和以前观察到的LC柱更改后可重复性问题无关。每次跑步前的毛细管准备为 <4 分钟，每个样品的分析时间，适量盐度长达 3 分钟。除了分子电荷和大小外，CZE 中的迁移时间取决于样品塞的电导率，这会导致迁移时间变化或当样品本身对电导率产生显著影响时发生转移。这种迁移时间的变化在毛细管电泳中是众所周知的。这是一个CZE的不然问题，从文学^{21，22,中知道}。标准和SH-SY5Y细胞异物具有中度和均匀的导电性。因此，迁移时间变化不大，精度高。然而，对于电导率高的样品，可观察到长达 5 分钟的长时间迁移时间。因此，建议增加标准物种，以明确物种识别。

铁氧化还原物种的一个关键问题是物种稳定性（即维持Fe（II）/（III）平衡）在样品制备^8，13。8,不适当的 pH 或溷合化学品以及不适当的储存条件，如氧气（空气）与样品接触或深冻储存中断，很容易改变 Fe（II）/（III） 平衡。因此，对于SH-SY5Y细胞解液的制备，选择一种解液缓冲液，不带任何溷合化学品，生理pH值，但在样品制备过程中，在样品容器中应用惰性气体覆盖，并直接深度冷冻。

在文献中，人们可以找到半定量的方法来监测Fe（II）。为了更好地了解铁在氧化应激中的作用，几个研究小组开发了Fe（II）特异性探针，以半定量监测和可视化铁在体外异常升高。然而，重要的是要注意，这种探测器不考虑Fe（III），不量化，但只报告"更多"或"少"Fe（II）。迄今为止，只有几个生物标志物可用于确定OS和FPT，这是因为缺乏可靠的方法同时量化Fe（II）/Fe（III）红氧化物物种^{23，24。23,}考虑到这一点，提出的方法 - 促进快速定量的Fe（III）和Fe（II）在一次运行 - 可能成为一个有希望的工具，加深对铁依赖分子过程的洞察力。

作者没有什么可透露的。

VV得到了哥廷根大学医学中心校外研究补助金（Forschungsfürderung）和埃塞·克吕纳-弗雷塞纽斯-斯蒂夫通的埃尔斯·克吕纳研究项目的支持。