金属广泛存在于环境中，人们在生产生活中不可避免的会接触多种外源金属。 研究外源金属在生物体内的赋存和变化是了解其健康效应的第一步。金属纳米颗 粒由于具有独特而优异的物理化学性质，其在生物体中的行为规律与对应的离子 存在较大差异。生物体中不同细胞以及不同细胞中金属含量均具有异质性。目前 关于外源金属在生物体中赋存的研究主要局限于金属在不同生物组织中宏观的 整体含量变化，而缺乏微观层面的赋存特征，比如金属颗粒物的赋存和单个细胞 中金属的分布。本论文从单颗粒和单细胞角度出发，利用单颗粒或单细胞检测技 术，探究外源金属在生物体中的微观赋存规律。

       1）基于单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）技术，建立了高通量单 颗粒检测方法。利用微量自动进样器和无挡流板的旋流雾化室构建进样系统，提 高了单颗粒检测速度和传输效率，同时可以灵活调整样品的进样流速，进样流速 最低可至 5 µL min-1，实现了痕量样品的自动检测。选择纳米金作为系统性能评 价的金属纳米颗粒。结果显示，在超纯水中纳米金的粒径检测阈值为 19 nm，颗 粒浓度检测阈值为 8×104 个 L -1。应用该方法监测了单只小鼠血液中纳米金随时 间的变化规律，在 24 h 内 7 个不同时间点检测小鼠血液中纳米金的粒径分布和 浓度变化。血液样品中纳米金的回收率为 111.7%。优化的 spICP-MS 检测方法提 高了传输效率和检测效率，降低了样品消耗量，实现了低浓度、小体积样品中的 金属纳米颗粒的高通量检测，为生物体中金属纳米颗粒的赋存研究提供了强大的 工具。

      2）利用上述建立的高通量 spICP-MS 检测方法，探究了大脑中纳米银的赋 存和变化。大脑组织是银的主要靶器官之一，大脑组织中纳米银的存在可能损伤 大脑健康，但是关于银在大脑中存在形态以及赋存形态尚不清楚。本研究以大鼠 为模型，模拟人类使用含银滴鼻剂（包括含纳米银的滴鼻剂和含银离子的滴鼻剂） 的使用方式、用药剂量和疗程，探究大鼠大脑中纳米银的赋存规律。大鼠通过滴 鼻连续用药 2 周，随后停止用药并继续正常饲养 4 周。经 spICP-MS 检测发现大 鼠大脑中存在纳米银颗粒，随后利用高分辨透射电子显微镜和能谱仪（HRTEM- EDS）进一步分析纳米银的组成和形态特征。大脑中的纳米银同时含有硫和银两 种元素，并且其粒径大于用药前的粒径，说明大脑中的纳米银发生了转化。大脑 中纳米银的累积存在滞后效应。肝脏中银的含量较高，并且在 2 周后降低，考虑 大脑中纳米银累积的滞后效应，可以推测在停止用药后，大脑中的银可能来源于 肝脏，肝脏可能是大脑中银累积的中转站。本研究说明使用含银商品存在潜在的 大脑健康风险。

      3）建立了单个红细胞中金属含量的分析方法，通过检测铅中毒病人单个红 细胞中的铅含量，发现单个红细胞中的铅含量具有异质性和统一性。人的血液系 统中超过 99%的铅累积于红细胞中，探究铅在单个红细胞的行为规律和动态变化 对开发有效的脱铅治疗药物非常重要。基于质谱流式细胞仪（CyTOF），我们建 立了单个红细胞中金属含量的检测方法。利用该方法检测铅中毒病人单个红细胞 中的铅含量，并分析其在脱铅治疗中随时间的变化规律。单个红细胞中铅的含量 存在较大的异质性，最高和最低的铅含量可相差 20 倍以上。但同时铅在单个红 细胞中的整体赋存符合统一的概率分布模型—伽马分布，并且与铅中毒病人以及 治疗阶段无关，同时对照人群也符合该分布规律。伽马分布规律与红细胞中铅的 含量密切相关。另外在血液循环中，单个红细胞中铅的含量随着红细胞的寿命增 加而降低。

        4）利用单细胞分析技术探究了单个精子细胞中的金属含量，并发现其存在 异质性，且与男性生殖健康存在显著关联。大量研究表明金属暴露与男性生殖健 康损伤具有关联性。检测单个精子细胞中的金属含量可以更准确地分析金属暴露 对男性生殖健康的影响。本章研究实现单个精子细胞中 20 种金属或类金属（统 称为“金属”）元素的同时检测，包括溴、铷、锶、钇、锆、钼、铑、银、镉、 锡、锑、碘、钡、钨、铼、铂、金、汞、铅、铋。结果显示，单个精子细胞中金 属含量存在显著异质性，不同金属在精子细胞群中的分布规律不同。溴、铷、银、 锑、碘和铂的暴露和精液质量呈负相关，锶、锆和锡的暴露与精液质量呈正相关。 这些元素的暴露主要影响精子的浓度，其次为精子数量。多种金属共暴露也能影 响单个金属对精子浓度的健康效应。本研究说明单个精子细胞中的金属含量与精 液质量密切相关，是反映男性生殖健康的重要指标。

       5）结合金属的颗粒形态和单个细胞的性质，探究单个细胞中金属颗粒的赋 存规律。外源金属颗粒物在生物体中的赋存和变化取决于外源金属和生物体两方 面。金属纳米颗粒的性质可以影响其在生物体中的赋存规律，而生物体的不同细 胞类型一定程度上可以决定外源金属的分布规律。本研究选择性质比较稳定的纳 米金颗粒作为标准的金属纳米颗粒，探究金属纳米颗粒在小鼠不同免疫细胞中的 赋存和分布规律。选择 2 种粒径（5 nm 和 50 nm）和 6 种表面修饰（PEG、PVP、 BPEI、LIP、TAN、Citrate）共 12 种纳米金，通过静脉注射暴露小鼠，监测纳米 金在小鼠脾脏 19 种免疫细胞和在不同时间点（1 天、30 天和 180 天）的赋存和 分布规律。研究表明金属纳米颗粒物主要分布于 M2 macrophages 中，随着暴露 后时间增加，M2 macrophages 中金属纳米颗粒含量显著降低，而 Neutrophils 中 的累积量从第 30 天到 180 天时有所增加。免疫细胞中金属纳米颗粒的含量与表 面抗体 Gr-1、CD11C、CD44 和 CD11b 的表达量呈正相关，这说明细胞吞噬纳米 颗粒过程可能受细胞表面蛋白介导。金属纳米颗粒与单个细胞之间的相互作用规 律有待进一步深入探究。

      外源金属在生物体中的赋存规律是阐述其健康效应的重要环节。探究颗粒态 金属或单个细胞中外源金属的赋存，在微观水平上深入推进了外源金属在生物体 中的赋存研究。后续研究工作应加强外源金属在生物体中赋存规律的探究，并重 点揭示外源金属与生物体的相互作用机制。