質譜成像技術(massspectrometry imaging, MSI)是基于質譜發展起來的一種分子影像技術，通過直接掃描生物樣本，可以同時獲得多種分子的空間分布特征，具有免熒光標記、不需要復雜樣品前處理等優點，已經成為基礎醫學、藥學、微生物學等研究領域關鍵技術之一。

近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室潘洋教授、劉成園副教授課題組與生命科學學院田長麟教授合作，發展了常壓透射式激光解吸/后光電離（t-AP-LDI/PI）的質譜成像新方法，以實現對生物組織中多種內源性化合物的原位可視化分析。研究成果以“Development of Transmission Ambient Pressure Laser Desorption Ionization/Postphotoionization Mass Spectrometry Imaging ”為題，于2024年3月25日以封面文章形式發表在分析化學領域知名期刊《Analytical Chemistry》（DOI:10.1021/acs.analchem.3c05605），該研究成果在課題組前期基于解吸電噴霧電離/后光電離基礎上（Analytical Chemistry, 2022, 94, 15108；Analytical Chemistry, 2019, 91, 6616），進一步提升了成像空間分辨率和靈敏度。

圖1.封面圖和t-AP-LDI/PI-MSI裝置工作原理圖

常壓質譜成像技術(Ambient MSI, AMSI)因可在大氣壓環境下直接對組織中化合物進行解吸和電離而受到關注。在傳統質譜成像技術中，待測物一般通過帶電液滴和激光從組織表面解吸、電離，繼而到達質譜儀被探測。基于液滴解吸電離的AMSI技術的空間分辨率較低（最高可達25 μm），且難以避免相鄰像素點的干擾。與帶電液滴相比，激光在AMSI實驗中可同時用于解吸和電離，同時由于其優異的聚焦性能，目前已開發了多種基于激光的具有高空間分辨率的MSI方法。然而，這些技術存在一些共同的局限性：(Ⅰ) 離子化效率低于1/1000，即絕大部分待測物解吸后仍然是中性分子；(Ⅱ) 生物組織表面高鹽的基質環境對待測物產生離子抑制。此外，在基于激光的高分辨率MSI實驗中，還存在靈敏度和空間分辨率之間的權衡。考慮到此類實驗中每像素點內可供解吸的化合物含量極低，因此激光燒蝕物質的有效電離對于實現高分辨率MSI至關重要。

t-AP-LDI/PI技術的關鍵是將透射式激光解吸電離和緊湊型后紫外光電離裝置結合，以實現對多種極性和非極性分子的高空間分辨率成像（4 μm），后光電離的引入可將組胺、腺苷、膽堿、腺嘌呤、維生素D3、膽固醇、谷氨酸、蘇氨酸、鳥嘌呤、神經酰胺、以及多種脂質如脂肪酸、PE、PA、MAG、DG、HexCer和GalCer等的探測靈敏度提高2-3個量級。圖2是小鼠海馬組織的4 μm高分辨成像圖，海馬組織的亞區結構如齒狀回、上丘臂和海馬角等均可以被明顯地觀測到。

圖2.(A)激光燒蝕鼠腦組織后產生的痕跡；(B)激光燒蝕組織后產生線寬的散點圖；(C-P)小鼠海馬組織光學圖及代表性化合物成像圖。

本工作進一步測試了t-AP-LDI/PI-MSI方法在復雜臨床樣本分析中的適用性（圖3）。腫瘤代謝重編程被認為是各種類型癌癥惡性轉化的新標志。在這部分中將黑素瘤組織詳細的病理學檢測和分區與內源性化合物空間分布相關聯，借助代謝通路分析等方法，揭示了黑素瘤微環境的代謝異質性，顯示出腫瘤細胞異常增殖和侵襲的趨勢，對于深入了解腫瘤發生的復雜分子機制具有很大的參考價值。

圖3.黑素瘤組織的光學圖及代表性化合物成像圖，(A-K)正離子模式，(L-U)負離子模式。

本論文第一作者是戚可可博士后，劉成園副教授、田長麟教授以及潘洋教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院重大科學基礎設施基礎研究計劃項目、中央高校基本科研業務費專項資金和中國科學院重點科技人才計劃項目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c05605

（國家同步輻射實驗室、科研部）