A new ion source based on dielectric barrier discharge was developed as an alternative ionization source for ambient mass spectrometry. The dielectric barrier discharge ionization source, termed as DBDI herein, was composed of a copper sheet electrode, a discharge electrode, and a piece of glass slide in between as dielectric barrier as well as sample plate. Stable low-temperature plasma was formed between the tip of the discharge electrode and the surface of glass slide when an alternating voltage was applied between the electrodes. Analytes deposited on the surface of the glass slide were desorbed and ionized by the plasma and the ions were introduced to the mass spectrometer for mass analysis. The capability of this new ambient ion source was demonstrated with the analysis of 20 amino acids, which were deposited on the glass slide separately. Protonated molecular ions of [M+H]+ were observed for all the amino acids except for L-arginine. This ion source was also used for a rapid discrimination of L-valine, L-proline, L-serine and L-alanine from their mixture. The limit of detection was 3.5 pmol for L-alanine using single-ion-monitoring (SIM). Relative standard deviation (RSD) was 5.78% for 17.5 nmol of L-alanine (n=5). With the advantages of small size, simple configuration and ease operation at ambient conditions, the dielectric barrier discharge ion source would potentially be coupled to portable mass spectrometers.

Molecular analysis at cellular and subcellular levels, whether on selected molecules or at the metabolomics scale, is still a challenge now. Here we propose a method based on probe ESI mass spectrometry (PESI-MS) for single cell analysis. Detection of metabolites at cellular and subcellular levels was successfully achieved. In our work, tungsten probes with a tip diameter of about 1 μm were directly inserted into live cells to enrich metabolites. Then the enriched metabolites were directly desorbed/ionized from the tip of the probe for mass spectrometry (MS) detection. The direct desorption/ionization of the enriched metabolites from the tip of the probe greatly improved the sensitivity by a factor of about 30 fold compared to those methods that eluted the enriched analytes into a liquid phase for subsequent MS detection. We applied the PESI-MS to the detection of metabolites in single Allium cepa cells. Different kinds of metabolites, including 6 fructans, 4 lipids, and 8 flavone derivatives in single cells, have been successfully detected. Significant metabolite diversity was observed among different cells types of A. cepa bulb and different subcellular compartments of the same cell. We found that the inner epidermal cells had about 20 fold more fructans than the outer epidermal cells, while the outer epidermal cells had more lipids. We expected that PESI-MS might be a candidate in the future studies of single cell "omics".

A novel kind of quantum dots, sulfur quantum dots (S dots), is synthesized by simply treating sublimated sulfur powders with alkali using polyethylene glycol-400 as passivation agents. The synthesized S dots exhibit excellent aqueous dispersibility, eminent photostability and temperature dependent photoluminescence (PL). An "assemble–fission" mechanism is proposed for the S dots formation in which "assembling" and "fission" are involved and contest each other. The ultimate morphologies of the S dots are dependent on the balance of the two forces. Guided by the assemble–fission mechanism, weakening the assembling effect is beneficial for obtaining monodisperse S dots, which can be achieved by pretreating of sulfur powder with nitric acid. PL wavelength of the S dots has been successfully tuned between green and blue light (from 550 to 440 nm) by simply controlling reaction time. A satisfactory quantum yield of 3.8% is obtained. Significant electrochemiluminescence of the S dots is observed in an annihilation reaction. Chemiluminescence from the S dots has been observed by direct oxidation. Taking advantage of unique and inherent antimicrobial activity of the sulfur particles, it is believed that this new emerging luminescent nanomaterial is highly promising in the development of new types of optoelectronic devices and tracer for live cells, in vivo imaging and diagnostics.

Microalgae metabolite analysis is fundamental for the rational design of metabolic engineering strategies for the biosynthesis of high-value products. Mass spectrometry (MS) has been utilized for single-cell microalgae analysis. However, limitations in the detection throughput and polarities of detectable substances make it difficult to realize high-throughput screening of high-performance microalgae. Herein, a plasma-assisted label-free mass cytometry, named as PACyESI-MS, was proposed combining the advantages of orthogonal hybrid ionization and high-throughput MS analysis, which realized rapid metabolite detection of single microalgae. The cell detection throughput of PACyESI-MS was up to 52 cells/min. Dozens of the critical primary and secondary metabolites within single microalgae were detected simultaneously, including pigments, lipids, and energy metabolites. Furthermore, metabolite changes of

Analyzing single particle trajectories is a prominent issue in understanding complex dynamics such as nanoparticle-cell interactions. Existing methods treat data points as isolated “atoms” and use predefined mechanical models to “frame” their complicated relationship. Herein, we propose a “historical evolution” based model-free strategy. It allows spatiotemporal heterogeneity embedded in a trajectory to self-emerge as consecutive colored segments before any model assumption, provide both an overall picture and local state transitions on the particle movement with minimum information loss, and inspire further model-based investigation. We demonstrate with simulations and experiments that the underlying mechanisms of various time-series and motion states of single nanoparticles on live cell membranes could all be revealed successfully. Since complexity studies at different levels of molecules, particles, cells, human beings, vehicles, and even stars could all be reduced to analyzing spatiotemporal trajectories of “single particles”, this presuppositionless approach will help fundamental researches on many important systems.Impact Statement A preprocessing strategy for single particle trajectory analysis is established by providing an intuitive global pattern from “historical experiences” of the particle without predefining any mechanical models.