化學所研發通用、免標記直接生物質譜成像方法

　　在國家自然科學基金委和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所活體分析化學院重點實驗室的研究人員長期致力于動物組織質譜成像技術的研究，先后開發了系列小分子新基質（Anal. Chem. 2012, 84, 465； Anal. Chem. 2012, 84, 10291； Anal. Chem. 2013, 85, 6646；），并對半腦缺血（Anal. Chem. 2014, 86, 10114）、腫瘤轉移等生物模型小鼠（Anal. Chem. 2015, 87, 422）的腦、腎、脾等組織進行了分子組織學質譜成像研究。最近，研究人員發展了一種通用、免標記的直接質譜成像方法，快速檢測并對小鼠體內的碳納米管、石墨烯和碳量子點等碳納米材料進行定量成像研究。相關結果發表在近期的《自然·納米技術》（Nature Nanotech. 2015, 10, 176）雜志上。

　　碳納米材料因為其獨特的物理化學性質，在材料學領域具有非常廣闊的應用前景。近年來，碳納米材料由于在藥物輸送、光動力學治療、組織工程以及生物成像等方面的重要價值，成為生物醫學研究領域的熱點材料。但是有關碳納米材料的生物效應及生物安全性問題目前依然存在爭論，因此生物組織中的碳納米材料的生物分布研究具有重要的實際價值，尤其是亞器官的生物分布成像研究，有助于揭示納米材料與生物體之間的相互作用。但是目前為止，這方面研究仍缺乏實用有效的方法。

　　對于碳納米材料的生物監測或成像，通常采用放射性同位素或熒光標記法，因費時費力且標記物有解離的可能而具有一定局限性。而免標記的光譜學方法又存在成像速度慢、發光信號弱、背景干擾強等缺點。質譜成像技術提供了一種同時獲取生物樣品形貌及其分子信息的檢測手段，各個種類分子可以在10微米及以下的空間分辨率被獨立檢測出來。這種技術屬于內源性的“免標記”法，因為分子都有其固有質量，只要分子可以被離子化就可以被檢測出來。在質譜成像中最常用的分子離子化方法是基質輔助激光解吸／電離（MALDI），但需要有機基質（通常為被測物的10000倍）與目標樣品共結晶并用激光照射。基質吸收激光輻射后被快速激發并蒸發，隨后共結晶的樣品被轉移到氣相環境，樣品分子可以通過基質的電荷轉移離子化。然而，沒有人證實過MALDI質譜檢測完整碳納米材料的能力，因為很難找到與其共結晶的合適的基質。如果沒有基質，完整的分析物就很難被釋放到氣相中。而且，碳納米材料的巨大分子量也遠遠超出了質譜能夠檢測的質量范圍。

　　為了解決這個問題，研究人員放棄傳統基質，發現并利用碳納米材料在紫外激光解吸電離過程中產生的固有碳負離子簇（C2-C10）指紋信號，該質譜信號幾乎不受任何生物分子的背景信號干擾。結合飛行時間質譜，同時實現了小鼠體內碳納米材料的亞器官質譜成像和定量分析。該碳負離子簇質譜指紋信號的發現，克服了傳統質譜方法無法直接檢測納米材料的難題，將質量信號窗口轉移到了質譜靈敏度高的小分子質量范圍。與傳統的標記方法相比，該激光解吸電離質譜分析方法由于采用內源性的化學信號，避免了標記基團在活體循環過程中可能產生的解離、衰變或者失活。同時，與免標記的光譜方法相比還具有高信噪比、低背景干擾以及準確可靠的優點。

　　研究人員證實并比較了碳納米管、石墨烯和碳量子點的亞器官生物分布。研究發現，碳納米管和碳量子點在腎中主要分布在外部的實質區域。而在脾組織中，這三種碳納米材料主要分布在脾的紅質區域，還發現在邊緣區中碳納米管的濃度最高。定量結果表明，尺寸較大的未修飾碳納米管和石墨烯主要富集在肺組織中，而碳量子點主要停留在內皮網狀系統豐富的肝和脾中。此外，還意外地發現碳量子點在小鼠器官中的超長清除時間。最后，將該方法拓展到小鼠腫瘤組織中藥物負載的碳納米管成像以及二硫化鉬二維納米材料的組織成像研究。

　　這些重要的應用和發現，進一步表明該方法可以結合質譜成像和定量的優點，進行納米材料與生物體系相互作用研究，并有望發展成為一種碳納米材料乃至其它納米材料生物分析的通用方法。論文發表后，Nature Nanotechnology 雜志專門邀請國際知名質譜學專家Richard W. Vachet撰文在同期的“新聞視角”專欄評論：“這種成像技術提供了一種強大的活體定量納米材料的方法，一個特別讓人激動的優勢是該方法可拓展同時檢測納米材料及其附近的蛋白質或其他生物分子，將深層次揭示生物分子和材料的相互作用。無論如何，活體納米材料的質譜成像研究將有一個光明的未來。”

質譜成像揭示碳納米材料的亞器官生物分布