近日，廈門大學(xué)杭緯教授課題組在微透鏡光纖激光解吸電離質(zhì)譜成像研究方面取得進(jìn)展。

探究化學(xué)物質(zhì)在生物組織及細(xì)胞內(nèi)的分布是生命科學(xué)研究的核心方向之一。質(zhì)譜成像具有高通量、高靈敏度、無需標(biāo)簽、可對多種化學(xué)物質(zhì)直接鑒別等優(yōu)勢。以二次離子質(zhì)譜為代表的高分辨質(zhì)譜成像技術(shù)已經(jīng)在單細(xì)胞生命科學(xué)領(lǐng)域逐漸嶄露頭角，但存在譜圖干擾嚴(yán)重的瓶頸問題。普適性更好的激光采樣質(zhì)譜技術(shù)常常是分析檢測的更佳選擇，但是由于光學(xué)衍射極限以及透鏡數(shù)值孔徑等因素的限制，其空間分辨能力仍然停留在微米級別，難以應(yīng)用于單/亞細(xì)胞水平上的成像研究。

杭緯教授課題組近年來致力于發(fā)展激光質(zhì)譜納米成像技術(shù)。在國家自然科學(xué)基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目的資助下，率先研制出了激光誘導(dǎo)針尖近場增強(qiáng)解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，成像空間分辨率可以達(dá)到50納米（Sci. Adv.,2017, 3, eaaq1059）。由于近場增強(qiáng)所使用的貴金屬針尖壽命有限，課題組研制了有孔針尖近場解吸-激光后電離質(zhì)譜儀，使激光通過開口僅200納米的光纖硅針導(dǎo)出近場光，大幅度提高了針尖壽命和信號穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)形貌與化學(xué)成分共成像（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4541-4546）。近期，課題組在此基礎(chǔ)上，研發(fā)出了基于微透鏡光纖的自動化激光解吸電離質(zhì)譜成像平臺，其成像分辨率可達(dá)300納米，遠(yuǎn)超目前商品化的激光采樣質(zhì)譜技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞內(nèi)多種內(nèi)源性和外源性的元素和分子在細(xì)胞器水平上的可視化定位。

課題組借助物理研磨的手段，在單模光纖的一端加工得到曲率半徑極小的微球面(R=4.5微米)，以此微球作為微型平凸透鏡，將激光聚焦在樣品表面，實(shí)現(xiàn)對樣品的解吸和電離，產(chǎn)生的離子通自行研制的飛行時(shí)間質(zhì)量分析器進(jìn)行檢測。借助CCD相機(jī)的幫助，操作人員可以輕松控制光纖與樣品之間的距離，使采樣彈坑的達(dá)到最小尺寸。得益于單模微透鏡光纖帶來的優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)量和極短的焦距，在樣品表面得到的采樣彈坑的直徑可以小至350納米，對于樣品高低起伏的容忍度可以達(dá)到2微米。除此之外，微透鏡光纖具有較長的使用壽命，可以允許數(shù)十萬次的激光采樣，并且在經(jīng)過超聲清洗后可以重復(fù)使用。

課題組選取納米顆粒載藥系統(tǒng)作為研究對象，將抗癌藥物柔紅霉素(DRB)負(fù)載在葉酸修飾的Fe3O4顆粒表面并與癌細(xì)胞共同培養(yǎng)，通過對不同培養(yǎng)時(shí)間的癌細(xì)胞進(jìn)行原位質(zhì)譜成像，可以同時(shí)獲得細(xì)胞內(nèi)納米顆粒、納米顆粒表面的葉酸修飾基團(tuán)和所負(fù)載藥物在細(xì)胞器水平上的分布，直觀地揭示出藥物隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，從納米顆粒表面釋放，而后進(jìn)入細(xì)胞核，并最終誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡這一動態(tài)過程。該工作首次提出了一種經(jīng)濟(jì)可靠、操作簡單、普適性強(qiáng)、具有納米空間分辨率的激光質(zhì)譜成像技術(shù)，并有望與現(xiàn)有的多種基于激光采樣的檢測方法相結(jié)合，推動相關(guān)技術(shù)在微納分析領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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