厦门大学等在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展

近日，厦门大学化学化工学院杭纬教授课题组与斯坦福大学Richard Zare教授课题组合作，在高空间分辨率质谱成像技术研究上取得进展，相关成果以“Microlensed fiber allows subcellular imaging by laser-based mass spectrometry”为题发表于Nature Protocols (Doi：10.1038/s41596-023-00848-1)。

激光作为最常用的采样工具之一，被广泛应用于多种质谱成像技术，并形成了成熟的商品化仪器，如MALDI-MS, LA-ICP-MS, LA-ESI-MS等。但由于光学衍射极限、透镜像差以及需要较长的光学聚焦距离等限制，使用激光采样的质谱成像的空间分辨率始终局限在微米级别，这使得激光质谱很难在微纳样品的分析中发挥作用。现在少有的高空间分辨激光质谱成像技术大多依赖于复杂且昂贵的光束整形设备或近场光学技术，很难形成普适性的方法并推广至更多的激光质谱成像平台。

在两个国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（21427813，22027808）的支持下，杭纬教授课题组在2020年首次研发出了基于微透镜光纤的激光采样技术，最优空间分辨率可达300 nm，并与实验室自行搭建的质谱平台相结合，成功获取了抗癌药物在单细胞内的分布和转移过程（Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 17864-17871）。通过将微透镜光纤与商品化的ICP-MS相结合，课题组将LA-ICP-MS的空间分辨率提高至400 nm，相比于现有的技术提高了至少一个数量级，并进行了单细胞和小鼠小肠组织的成像分析（ACS Nano2021,15, 13220-13229）。通过引入157 nm的后电离激光和基于嵌入式均匀圆形聚苯乙烯微球的三维定位方法，微透镜光纤带来的高空间分辨能力可用于准确重构还原药物在单细胞内的三维分布（J. Am. Chem. Soc.2021,143, 21648-21656），空间分辨率可达500 nm。斯坦福大学的Richard N. Zare课题组将微透镜光纤与商品化仪器平台相结合，将现有的LA-ESI-MS成像分辨率提高了近一个数量级（Anal. Chem.2022,94, 10278-10282）。

相比于现有的成像方法，课题组提出的微透镜光纤技术是一种通用性、普适性强、经济可靠的高空间分辨质谱成像新手段，可以与现有的激光质谱成像平台相结合，大大提升成像的分辨率和精确性。该成像方法就像一台化学显微镜，无需标记且无通道数量限制，有望在单细胞化学、药物代谢以及纳米材料等多个领域发挥重要作用。

该工作是在杭纬教授和斯坦福大学Richard Zare教授共同指导下完成的，厦门大学为第一通讯单位。第一作者为2021届博士生孟一凡（已毕业，现斯坦福大学博士后）。研究工作得到国家自然科学基金（项目批准号：21974116，22027808）等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41596-023-00848-1