激光质谱成像研究单细胞

近日，厦门大学杭纬教授课题组在微透镜光纤激光解吸电离质谱成像研究方面取得进展。

探究化学物质在生物组织及细胞内的分布是生命科学研究的核心方向之一。质谱成像具有高通量、高灵敏度、无需标签、可对多种化学物质直接鉴别等优势。以二次离子质谱为代表的高分辨质谱成像技术已经在单细胞生命科学领域逐渐崭露头角，但存在谱图干扰严重的瓶颈问题。普适性更好的激光采样质谱技术常常是分析检测的更佳选择，但是由于光学衍射极限以及透镜数值孔径等因素的限制，其空间分辨能力仍然停留在微米级别，难以应用于单/亚细胞水平上的成像研究。

杭纬教授课题组近年来致力于发展激光质谱纳米成像技术。在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目的资助下，率先研制出了激光诱导针尖近场增强解吸电离飞行时间质谱仪，成像空间分辨率可以达到50纳米（Sci. Adv.,2017, 3, eaaq1059）。由于近场增强所使用的贵金属针尖寿命有限，课题组研制了有孔针尖近场解吸-激光后电离质谱仪，使激光通过开口仅200纳米的光纤硅针导出近场光，大幅度提高了针尖寿命和信号稳定性，并实现形貌与化学成分共成像（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4541-4546）。近期，课题组在此基础上，研发出了基于微透镜光纤的自动化激光解吸电离质谱成像平台，其成像分辨率可达300纳米，远超目前商品化的激光采样质谱技术，成功实现了对细胞内多种内源性和外源性的元素和分子在细胞器水平上的可视化定位。

课题组借助物理研磨的手段，在单模光纤的一端加工得到曲率半径极小的微球面(R=4.5微米)，以此微球作为微型平凸透镜，将激光聚焦在样品表面，实现对样品的解吸和电离，产生的离子通自行研制的飞行时间质量分析器进行检测。借助CCD相机的帮助，操作人员可以轻松控制光纤与样品之间的距离，使采样弹坑的达到最小尺寸。得益于单模微透镜光纤带来的优质的光束质量和极短的焦距，在样品表面得到的采样弹坑的直径可以小至350纳米，对于样品高低起伏的容忍度可以达到2微米。除此之外，微透镜光纤具有较长的使用寿命，可以允许数十万次的激光采样，并且在经过超声清洗后可以重复使用。

课题组选取纳米颗粒载药系统作为研究对象，将抗癌药物柔红霉素(DRB)负载在叶酸修饰的Fe3O4颗粒表面并与癌细胞共同培养，通过对不同培养时间的癌细胞进行原位质谱成像，可以同时获得细胞内纳米颗粒、纳米颗粒表面的叶酸修饰基团和所负载药物在细胞器水平上的分布，直观地揭示出药物随着培养时间的增加，从纳米颗粒表面释放，而后进入细胞核，并最终诱导癌细胞凋亡这一动态过程。该工作首次提出了一种经济可靠、操作简单、普适性强、具有纳米空间分辨率的激光质谱成像技术，并有望与现有的多种基于激光采样的检测方法相结合，推动相关技术在微纳分析领域中的应用。

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