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基于激光采样的高空间分辨质谱成像(HR-MSI)技术的最新进展及展望

质谱成像(MSI)技术作为一种重要的表征手段,因其具有非靶向性、无标记检测、高灵敏度、高分子特异性和多物质同时检测等诸多优势,已广泛应用于化学、物理、材料和生命科学领域。当前商品化质谱成像技术中,只有二次离子质谱(SIMS)可以提供化学成像的纳米级横向分辨率,但SIMS自身受到严重的背景峰干扰和基体效应。基于激光采样的MSI技术因其普适性和可靠性而被广泛使用,但受限于光学衍射极限,基于激光采样的质谱成像技术一直无法从微米级空间分辨率拓展到纳米尺度分析(图1a)。


对于任何成像技术,高空间分辨率都是永恒的追求,不仅可以提供更多的空间分布“细节”,还为新兴领域(如纳米材料表征、单细胞分析等)带来新的机遇。近年来多个课题组不懈努力,利用新型光学聚焦系统、极紫外波长激光、飞秒激光和近场光学技术等,已经使基于激光采样的MSI空间分辨率从几十微米降到亚微米量级(图1b)。例如,采用飞秒超短脉宽激光解吸-后电离技术在网格样品中实现了2 μm的空间分辨率;采用新型光学聚焦系统,大气压基质辅助激光解吸/电离质谱成像技术(AP-MALDI-MSI)在生物组织分析中实现了1.4 μm的最佳空间分辨率,而大气压下激光溅射-电感耦合等离子体技术在生物组织元素成像中实现了~ 1 μm的空间分辨率;采用真空紫外(VUV)或极紫外(EUV)超短波长的激光解吸/电离质谱成像技术在单细胞中获得了400 ~ 500 nm的空间分辨率。然而,不论是采用超短脉宽/波长的激光或超短焦距的光学系统,始终无法突破光学衍射极限而实现纳米尺度分析。而近场光学技术与质谱的结合为HR-MSI带来了新的机遇,通过将大气压近场光学采样系统与商品化MS结合,在获得MS信号的前提下,使用有孔针尖可获得约为200 nm的弹坑,但未能实现HR-MSI的实际应用。

图1. (a)常规的MSI技术和(b)基于激光采样技术的HR-MSI技术


针对这些挑战,厦门大学化学化工学院杭纬教授(点击查看介绍)课题组一直致力于开发高空间分辨质谱成像技术,先后研制了近场针尖增强溅射/电离飞行时间质谱仪(TEAI-TOFMS)和近场有孔针尖解吸-后电离飞行时间质谱仪(NDPI-TOFMS),分别将扫描隧道显微镜(STM)和原子显微镜(AFM)系统集成到实验室自制的反射式质谱仪中,进行整机研制,实现了50nm空间分辨率的元素成像(Sci. Adv., 2017, 3, eaaq1059, Nano Res., 2018, 11, 5989-5996)和350 nm空间分辨率的单细胞中药物分子(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4541-4546)的HR-MSI分析,进一步将基于激光采样的MSI技术推向了50 nm空间分辨率极限和单细胞成像应用(图2)。值得一提的是,在NDPI-TOFMS系统上,由于AFM系统的引入可记录下光纤尖端与样品表面之间的距离,使该仪器具有在一次实验中同时实现形貌与化学共成像分析的功能,不仅克服了样品表面起伏造成的假阳性成像结果,还可重构出真实的单细胞三维成像图。

图2. 高空间分辨率在单细胞成像分析中的重要性


最近,杭纬教授课题组应邀在Analytical Chemistry发表综述文章(Perspective),详细介绍了目前最新HR-MSI技术(空间分辨率低于5 μm)的发展历程及其在材料和生命科学领域的前沿应用,并总结了空间分辨率提高与其他质谱分析性能指标间的相互制约关系,如高质量分辨率、成像时间、检测灵敏度、分析物特异性、多模式成像、数据采集及处理等,最后展望了HR-MSI技术的未来挑战和发展机遇。


本篇文章得到了国家自然科学基金(21974116和21521004)和国家重大科研仪器研制项目(21427813)的资助。文章的第一作者是厦门大学博士研究生王彤彤,殷志斌博士和杭纬教授为本文的通讯作者。


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Perspective on Advances in Laser-Based High-Resolution Mass Spectrometry Imaging

Tongtong Wang, Xiaoling Cheng, Hexin Xu, Yifan Meng, Zhibin Yin*, Xiaoping Li, Wei Hang*

Anal. Chem., 2020, 92, 543-553, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04067


殷志斌博士简介


殷志斌,现中山大学药学院博士后。分别于2013年和2018年获得厦门大学学士学位和博士学位(导师:杭纬教授)。研究领域是质谱仪器的整机研制与高分辨质谱成像研究,自主研制了三台基于激光离子源的飞行时间质谱仪。已发表 SCI 论文20篇,以第一作者或共同通讯作者身份发表8篇 SCI 论文,主要发表在 Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem., J. Anal. At. Spectrom.和J. Mass Spectrom.等杂志。研究成果被Angew. Chem. Int. Ed.杂志选为Back Inside Cover和Hot Paper,并被J. Anal. At. Spectrom.杂志选为Front Cover。2015年被国际原子光谱顶尖杂志J. Anal. At. Spectrom.杂志进行“The next generation”专访。获2018 年中国质谱学术大会和第二届全国质谱分析学术报告会优秀青年报告奖,“广东省博士博士后 100 名创新人物”。主持国家自然科学青年基金、全国博士后创新人才支持计划(“博新”计划)、博士后科学基金面上一等项目等。


杭纬教授简介


杭纬,厦门大学特聘教授,1994年于厦门大学获得博士学位,后分别在美国University of Florida和美国Los Alamos 国家实验室从事博士后和研究员工作,2005年就职于厦门大学化学化工学院化学系,任美国University of Nevada客座教授。研究领域是新型离子源和质谱仪器研制和前沿应用。截止目前,已发表 SCI 论文150余篇,主要发表在Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Mass Spectrom. Rev., Nano Res., Anal. Chem.Trends in Anal. Chem.等杂志。研究成果曾多次被Angew. Chem. Int. Ed.和J. Anal. At. Spectrom.选为封面文章。获授权发明专利6项,参与撰写三本著作。曾任J. Anal. At. Spectrom.编委、Spectrochim. Acta B顾问编委、现任《光谱学与光谱分析》副主编、《质谱学报》编委、《分析试验室》编委、《中国无机分析化学》编委、中国质谱学会常务理事、中国化学会质谱分析委员会委员、中国仪器仪表学会质谱仪器专业委员会委员等。主持过国家重大科研仪器研制项目、国家基金委仪器专项项目、国家自然科学面上基金、“863”国家高科技研究发展计划项目、福建省重点项目、美国能源部项目、美国国土安全部项目、美国疾病防治中心项目、美国Los Alamos 国家实验室项目等20余项。


https://www.x-mol.com/university/faculty/14052


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