質譜成像技術的研究進展

(1. 北京理工大學附屬中學，北京 100089；2. 北京大學分析測試中心，北京 100871)

1 引言

質譜成像(mass spectrometry imaging, MSI)作為一種新型的分子影像技術，可以獲得樣品表面多種分子化學組成及各組分的空間立體結構信息[1-3]。其主要原理是將質譜分析與分子成像結合，通過激光或離子束照射樣本切片使其表面分子離子化，隨后帶電荷的離子進入質譜儀，離子化分子被適當?shù)碾妶龌虼艌鲈诳臻g或時間上按照質荷比大小分離，經(jīng)檢測器獲得質譜信號，再由成像軟件將測得的質譜數(shù)據(jù)轉化成響應像素點并重構出目標化合物在組織表面的空間分布圖像[4，5]。與放射自顯影、熒光成像等傳統(tǒng)成像技術相比，質譜成像具有以下優(yōu)點[6-10]：(1)樣品前處理過程簡單，無需提取組織中的目標物，可直接對樣本切片進行分析；(2)無需熒光或放射性同位素標記，可以面向所有目標分子及非目標分子同時進行成像分析；(3)不僅可以提供樣本切片表面的分子結構及質譜信息，還可以體現(xiàn)各分子的空間分布情況；(4)空間分辨率高、質量分辨率高、質量范圍寬，可以實現(xiàn)從元素、小分子到多肽、蛋白質的檢測。

隨著質譜成像技術的不斷發(fā)展與成熟，根據(jù)所用離子源及質量分析器不同，研究對象由元素分析發(fā)展到小分子質譜指紋圖譜再到多肽及蛋白質分子成像。質譜成像技術已被廣泛應用于基礎醫(yī)學、藥學、微生物學、動物學、植物學等各個生命科學領域。

2 質譜成像技術的種類

MSI技術根據(jù)電離方式的不同，主要可分為：基質輔助激光解析電離質譜成像(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry Imaging, MALDI-MSI)[11，12]、二次離子質譜成像(Secondary Ion Mass Spectrometry Imaging, SIMS)[13，14]、解吸電噴霧電離質譜成像(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging, DESI-MSI)[15，16]。其他一些離子化技術，如空氣輔助離子化(Air Flow Assisted Ionization, AFAI)[17]、表面解吸大氣壓化學離子化(Surface Desorption Atmospheric Pressure Chemical Ionization, SDAPCI)[18]、納米結構啟動質譜(Nanostructure-Initiator Mass Spectrometry, NIMS)離子化[19]，因適用于不同分析對象，在MSI分析中也得到應用。

2.1 MALDI-MSI

基質輔助激光解吸電離質譜成像技術(MALDI-MSI)是由Caprioli R M等[20]于1997年首次提出，是目前應用最為廣泛的質譜成像技術。通過采用不同的基質，MALDI-MSI可以實現(xiàn)從蛋白質[21]、多肽[22]等生物大分子到脂類[23]、核苷類物質[24]等中等分子量生物分子及藥物小分子的分析[25-27]。所使用的經(jīng)典基質有3, 5-二乙氧基-4-羥基肉桂酸(又稱芥子酸，SA)、α-氰基-4-羥基肉桂酸 (CHCA)和2, 5-二羥基苯甲酸(DHB)等。但由于這類基質的質譜響應易對小分子分析物產(chǎn)生背景干擾，因此常用于蛋白質等生物大分子的分析。有機鹽類及無機納米材料基質更適合小分子化合物的分析[28，29]。MALDI-MSI的流程通常如下：制備組織切片，選擇合適的基質噴涂于組織切片表面，質譜成像軟件根據(jù)切片尺寸大小將圖像均分為若干點組成的二維點陣，質譜儀記錄分子的空間信息(一般掃描間距為10～200 μm)，根據(jù)采集點的數(shù)量，采集時間一般2～6小時。采集具體過程為：聚焦的激光束照射掃描靶盤上的組織切片，基質與組織切面表面分子形成共結晶薄膜，基質從激光中吸收能量，提供卷流，將樣品分子送入氣相，樣品分子得到基質提供的電荷或反應離子從而發(fā)生電離，離子化分子進入質譜并被檢測器檢測并記錄，設定好m/z范圍，以峰高或者峰面積代表化合物的相對豐度，相對豐度以亮度強弱或者不同彩色圖案來顯示。計算機虛擬掃描質譜數(shù)據(jù)，形成該組織的二維離子密度圖像。每個點的質譜數(shù)據(jù)經(jīng)平均化處理獲得一副代表該區(qū)域化合物分布情況的質譜圖，最后所有數(shù)據(jù)集中得到該組織切片的化學組成及空間分布信息[30]。

2.2 SIMS

2.3 DESI-MSI

常壓敞開式離子化質譜概念首次于2004年被提出[36]，無需在高真空條件下進行，為質譜成像技術的發(fā)展提供了新的可能。其中，解吸電噴霧電離(DESI)是第一種被報道的常壓敞開式離子化技術，也是目前常壓敞開式離子化質譜成像領域研究最多的一種方法[37]。在DESI-MSI中，樣品的離子化是通過向樣品噴射由ESI產(chǎn)生的帶電霧滴來實現(xiàn)的，具體過程為施加有一定高電壓的噴霧溶劑從毛細管噴出，在外側霧化管所噴出的高速氣流(通常為N2)霧化，形成帶電的液滴后加速作用于載體的樣品表面濺射出溶解有多種分子的次級帶電液滴，次級液滴的溶劑在空間快速蒸發(fā)，電荷轉移到待測分子形成氣態(tài)樣品離子，釋放出的氣態(tài)離子通過離子傳輸管進入質譜分析器而被檢測[38]。DESI具有以下幾點優(yōu)勢：(1)離子化過程在常溫、常壓下進行；(2)無需基質處理，避免了基質在低質量范圍產(chǎn)生干擾，適合小分子化合物的成像分析；此外還避免了由于基質對樣品的溶解，所引起的被測分子的移位現(xiàn)象，保證了質譜成像的準確性；(3)電離方式軟，產(chǎn)生的碎片離子較少。但是DESI空間分辨率較低，一般為100～200 μm，盡管通過優(yōu)化溶劑組成及流速可以將分辨率提高至12 μm[39]，與SIMS和MALDI-MSI相比仍有一定差距；此外，由于蛋白質大分子和非極性物質較難解離，DESI對此類物質的靈敏度相對較低。這些不足限制了DESI在更多領域的應用。

3 MSI的主要應用

3.1 MSI在藥學領域的應用

藥物在體內的各組織器官的空間分布及含量信息，可為藥物的藥代動力學、藥理學、毒理學提供有力的依據(jù)。近年來，質譜成像技術逐漸成為藥學研究中的熱點，不僅可以反應各個組織中藥物分布情況，還能提供藥物代謝物信息及其含量變化規(guī)律，因此在藥物研發(fā)中的各個方面顯示出巨大的前景。

疾病會導致人體多處組織、器官中生理活動和生化反應的改變，通過質譜成像技術可以直觀的比較健康、病理及藥物治療狀態(tài)下人體器官組織中化學物質豐度的變化。Fartmann M等[40]建立了飛行時間二次離子質譜(time of flight secondary ion mass spectroscopy, TOF-SIMS)和非共振激光二次中性粒子質譜(non-resonant laser secondary neutral mass spectrometry, NR-Laser-SNMS)方法，對含硼(10B)抗癌藥物即巰基十二硼烷二鈉鹽在人黑色素瘤細胞中的分布及吸收量進行了研究。巰基十二硼烷二鈉鹽是硼簇類化合物，含硼量高，可以載帶更多的10B至腫瘤組織[41]。凍干人黑色素瘤細胞以巰基十二硼烷二鈉鹽進行孵育，K/Na比值的測定結果表明，所用的制備技術可保留活細胞的化學和結構完整性。質譜圖像顯示，細胞內和細胞外硼信號強度在不同硼濃度孵育后明顯不同，腫瘤細胞大約可以吸收10～30%10B。兩種技術相結合，可從癌細胞中獲得非常高靈敏度和亞細胞分辨率的元素和分子圖像。Vanbellingen Q P等[42]探討了B細胞淋巴瘤2(Bcl-2)的抑制劑ABT-737對A-172人膠質母細胞瘤細胞系的治療作用，利用3D-MSI-TOF-SIMS技術對未標記的藥物分子離子以及特征碎片離子進行定位和鑒定，并建立了藥物二次離子的定量檢測方法，該方法在一定的治療劑量內與藥物濃度呈良好的線性關系。

藥物代謝動力學的研究主要是為了對藥物在體內的吸收、分布、代謝、排泄規(guī)律進行闡述，是藥物研發(fā)中的重要組成部分。Khatib-Shahidi S等[43]利用MALDI技術對奧氮平在大鼠給藥后體內的分布及代謝產(chǎn)物進行了研究。研究者在大鼠口服給藥奧氮平(8 mg/kg)的2小時和6小時之后，對大鼠全身組織中的奧氮平及其代謝物進行分析。研究顯示，奧氮平廣泛分布在肺、脾、膀胱、腎、肝、胸腺等多個器官，同時可到達靶器官大腦及脊髓。其代謝物定位于膀胱，尿液中有7%的原型藥物被排出。該研究可為更深層次的藥理學及毒理學研究提供依據(jù)，在分子水平上揭示藥物的療效及副反應的產(chǎn)生原因。Chen J等[44]采用基質輔助激光解吸電離成像質譜系統(tǒng)(MALDI-MSI)，對特非那定及其活性代謝物非洛非那定在小鼠和大鼠全身組織中的分布及生物轉化途徑進行了研究。全身組織切片的MALDI-MSI數(shù)據(jù)顯示，特非那定的口服生物利用度差主要是由于在化合物到達全身循環(huán)之前在腸道和肝臟中發(fā)生了首過代謝。Brignolebaudouin F等[45]向家兔眼中滴入含有防腐劑苯扎氯銨的滴眼液，家兔處死后，取出眼球，包埋在西黃蓍膠中，冷凍切片，采用基質輔助激光解吸電離飛行時間串聯(lián)質譜成像(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight/time-of-flight, MALDI TOF/TOF)技術在正離子模式下對苯扎氯銨的分布情況進行觀察，結果顯示，苯扎氯銨在眼球外周、角膜和結膜以及角膜緣、近虹膜角、小梁網(wǎng)、視網(wǎng)膜和視神經(jīng)中均有分布，可能有存在潛在的青光眼風險。

藥物通常為小分子化合物，而MALDI技術中所使用的基質會對藥物的質譜成像結果產(chǎn)生較大的影響。Seneviratne H K等[46]利用MALDI-MSI技術檢測抗HIV病毒藥物TFV及其磷酸化合成代謝產(chǎn)物TFV-DP。研究者分別在正負離子模式下優(yōu)化TFV和TFV-DP的檢測條件，具體表現(xiàn)為通過測試不同基質、基質濃度和激光能量來研究電離模式對藥物的影響。所建立的MALDI-MS方法可用于檢測和鑒定TFV和TFV-DP，還可用于研究TFV和TFV-DP在不同類型的組織中的空間分布，如易感染HIV的陰道和結腸組織。

近年來，為了對分子量相近的化合物進行準確區(qū)分，高分辨質譜技術在MSI中逐漸得到開發(fā)和應用。傅里葉變換質譜儀(MALDI-FTMS)可提供最佳測量準確度和質量分辨能力。Groseclose M R 等[47]利用基質輔助激光解吸傅里葉變換離子回旋共振質譜成像(matrix-assisted laser desorption/ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry imaging, MALDI-FTICR-MSI)技術對吡非尼酮在正常小鼠組織中的代謝反應進行研究。將藥物代謝組學與組織學特征相結合，可為吡非尼酮對正常肺組織的代謝影響提供詳細信息。

3.2 MSI在醫(yī)學領域的應用

質譜成像技術可在分子水平對人體生理或病理活動進行可視化分析，在識別組織病理特征、確定代謝差異物、疾病早期診斷及治療等方面有著廣闊的應用。

Mirnezami R等[48]建立MALDI-MSI法，對腫瘤微環(huán)境(TME)的生物化學進行研究。在這項實驗中，研究者們對12位患者的新鮮冰凍切片結腸直腸癌(CRC)組織和相鄰的健康粘膜組織進行比較，結果表明，與健康組織相比，CRC組織含有特征磷脂標志物，且CRC的腫瘤微環(huán)境中不同形態(tài)區(qū)域之間存在生化差異。此外，研究者們發(fā)現(xiàn)腫瘤鄰近組織與健康組織MALDI-MSI圖顯示存在生化差異，可被看作是一種與癌癥相關的“場效應”。Martinlorenzo M等[49]用MALDI-MSI對動脈組織進行二維映射，用于蛋白質、代謝物和脂質的原位可視化。研究者采用常規(guī)飲食(對照組)和高膽固醇飲食(病理組)喂養(yǎng)家兔，建立早期動脈粥樣硬化模型。在組織學表征之后，建立了在不同動脈層(內膜、介質)內原始位置的代謝物、蛋白質和脂質的可視化的MALDI-MSI方法，用于研究人健康動脈及動脈粥樣硬化病變。蛋白質、代謝物和脂類的質譜成像分析共得到15個離子，可用于識別動脈粥樣硬化并同時進行定位，極大地幫助研究動脈粥樣硬化的潛在機制。Duhamel M等[50]通過將MALDI-MSI與蛋白質組學整合，對高級別膠質瘤(HGG)進行分類，并結合臨床數(shù)據(jù)進行相關診斷和預測。研究者對五例3級膠質瘤患者進行腫瘤切除術后分析，結果顯示在80%的病例中發(fā)現(xiàn)異檸檬酸脫氫酶1(IDH1)突變，40%病例中存在染色體1p19q共缺失，且60%的病例中表皮生長因子受體(EGFR)產(chǎn)生了表達。這一分析為HGG的組織結構提供了新的見解。從MALDI MSI分析和組織微蛋白質組學獲得的數(shù)據(jù)可以更準確用于活檢診斷及分類。He C等[51]使用納米二次離子質譜(NanoSIMS)成像，結合15個N-標記的膽固醇結合蛋白(PFO和ALO-D4)，生成中國倉鼠卵巢(CHO)質膜的高分辨率膽固醇分布圖像。這些圖像表明，由PFO或ALO-D4所結合的膽固醇在整個卵巢質膜上不是均勻分布的，而是在微絨毛上高度富集的。多形性膠質母細胞瘤(Glioblastoma multiforme, GBM)是最致命的人腦腫瘤之一。這些腫瘤生長的浸潤模式包括個體和/或腫瘤細胞群的擴散。鎂穩(wěn)態(tài)是治療高級別膠質瘤中一個活躍的研究領域。Chandra S等[52]使用F98大鼠膠質瘤作為人類GBM的模型，并結合二次離子質譜的元素/同位素成像技術(CAMECA IMS-3F離子顯微鏡)，用于研究凍干腦組織冷凍切片中單細胞中Mg分布，對主要腫瘤組織、鄰近腦組織和鄰近正常腦內浸潤腫瘤細胞進行定量觀察。腦組織中Mg含量顯著低于4.70±0.93 mmol/kg，與腫瘤組織中11.64±1.96 mmol/kg和浸潤腫瘤細胞中10.72±1.76 mmol/kg相比，具有顯著性差異。單個腫瘤細胞的細胞核中結合型Mg含量更高。這些觀察結果證實，Mg在腫瘤細胞中的流動及結合較強，該技術為進一步研究改變GBMs中鎂穩(wěn)態(tài)和激活鎂轉運通道，從而將其作為可能的治療靶點提供了強有力的支持。Abbassighadi N等[53]采用解吸-電噴霧質譜(DESI-MSI)技術，對食管腺癌的淋巴結轉移(LNM)進行了檢測。90例淋巴結(LN)和11例食管胃切除標本的原發(fā)性腫瘤活檢標本經(jīng)DESI-MSI檢測和分析，通過觀察食管腺癌中脂質體分布情況從而對淋巴結轉移進行預測。

3.3 質譜成像在植物學中的應用

MSI可通過非靶向性分析為植物初級及次級代謝產(chǎn)物如蛋白質、多肽提供高空間分辨率信息。香草醛是香草莢果中最重要的風味化合物。VPvAN蛋白對香草醛和香草醛葡萄糖苷的形成有催化作用。Gallage N J等[54]對香草切片進行解吸電噴霧電離質譜成像(DESI-MSI)分析，研究表明香草醛葡萄糖苷存在于在中果皮和胎盤層中，而香草醛則存在于中果皮中。VPvAN蛋白存于在葉綠體中。分離后的葉綠體質譜成像顯示其將14C苯丙氨酸和14C肉桂酸轉化成14C香蘭素葡萄糖苷，表明香草醛合成過程中苯丙氨酸轉化為香草醛葡萄糖苷的機制存在于葉綠體中。Duenas M E等[55]將高分辨MALDI-MSI應用于經(jīng)過不對稱克蘭茲解剖的玉米葉片上，研究兩種主要陰離子脂質，即磺基喹諾酮二酰甘油(SqDG)和磷脂酰甘油(PG)在四種基因型玉米的類囊體膜中的差異定位，并對SqDG和PG分子在葉肉(M)和叢鞘(BS)細胞中的含量進行了比較。結果顯示SqDG在不同基因型玉米的光合細胞中均勻分布，然而PG在光合細胞分布不同，主要取決于基因型和脂肪?；湷煞?。MALDI-MSI結合數(shù)據(jù)處理在中藥材的分析鑒定方面前景廣闊。王書娟等[56]應用基質輔助激光解吸電離質譜成像技術(MALDI-MSI)對人參、三七、西洋參3種參類組織切片進行直接分析。對植物組織冷凍切片的溫度、切片的厚度、基質的種類、基質噴涂循環(huán)的干燥程度和孵育時間進行條件優(yōu)化，從而提高方法的靈敏度，最終建立了31種皂苷在人參組織切片中的質譜成像圖。應用該方法對人參、三七、西洋參進行了分析，可以成功區(qū)分了人參、三七、西洋參3種參類，共得到 9個特征離子可以作為區(qū)分3種參類的標記物。Peukert M探討[57]了小分子成像技術中的樣品制備過程對于研究大麥籽粒發(fā)育的重要性。樣品制備的關鍵在于冷凍切片、基質的選擇和基質應用的模式。研究表明，對于冷凍切片過程，最佳切片厚度的選擇取決于兩個主要影響因素：組織類型和組織年齡。在處理年輕的植物材料時，切片厚度為20 μm效果最好。更成熟的植物材料中，谷物所積累的淀粉更多，最佳切片厚度為30～40 μm。此外，相較于40 μm的切片，切片厚度在20～30 μm之間時信號強度更高，這是由于基質吸收太多而使靈敏度降低。

當使用MALDI-MSI分析小分子化合物時，基質會干擾化合物的檢測。隨著對植物代謝產(chǎn)物的空間分布研究的進一步深入，可以消除基質干擾的質譜成像技術應運而生。Holscher D用[58]無基質激光解吸電離質譜(LDI-MSI)技術對金絲桃屬植物中具有高度紫外吸收的代謝產(chǎn)物進行研究。結果顯示在金絲桃屬植物葉、胎盤、雄蕊和花柱的暗腺中可檢測到萘并二蒽酮類物質，如金絲桃素和假金絲桃素；雙黃酮類化合也可在該屬植物的花粉中得到溯源。該技術的最高空間分辨率可達10 μm，此外還成功證明LDI-MSI對于分析黃酮類化合物的可行性，并在細胞水平上對山奈酚、槲皮素和異鼠李素及其糖苷在植物器官中的空間分布情況進行質譜成像。Nizio? J等[59]利用金納米粒子增強靶(AUPET)結合激光解吸電離質譜(LDI-SMSI)成像技術對大黃中的小分子物質進行研究。此方法無需任何基質且前處理簡單，重點分析了大黃中生物活性物質的空間分布，如蒽醌衍生物及其糖苷、花色苷、黃酮類、多酚類、有機酸、維生素類等。

3.4 質譜成像在司法鑒定領域中的應用

質譜成像技術對于目標物的分析具有非破壞性的優(yōu)勢，因此常用于司法鑒定中字跡真?zhèn)蔚蔫b定、痕量毒品的分析、指紋化學成分分析等方面。劉亞麗等[60]采用表面解吸常壓化學電離質譜(SDAPCI-MS)技術對手寫簽名樣品進行檢測，通過對所得的質譜特征峰信號進行成像處理，獲取書寫油墨分布的強度信息。實驗結果表明真實簽名和偽造簽名因為筆壓輕重不同而油墨分布位置不同，據(jù)此能夠區(qū)分簽名的真?zhèn)?。同時應用相似度算法對手寫簽名的特征成像數(shù)據(jù)進行分析，比較真跡之間以及真跡和偽跡之間的相似程度，結果表明改進的相似度算法能夠對手寫簽名的真?zhèn)芜M行有效鑒定，此技術可在分子水平提供豐富的化學信息，對于筆跡的可靠分析將在法醫(yī)鑒定等領域具有廣泛的應用前景。Szynkowska M I等[61]利用表面輔助激光解吸-飛行時間質譜法對手指沾染不同違禁藥物粉末后所留下的指紋進行表征及可視化分析。實驗選用四種不同的違禁藥物，即安非他明(AF)、甲基苯丙胺(MA)和亞甲基二氧基甲基苯丙胺(DMA，搖頭丸),在手指接觸過不同藥物粉末后，分別在鋼質、鋁質、銅質和玻璃4種基質上留下指紋，并對指紋中殘留的違禁藥物粉末進行分析。該方法對于痕量的毒品分析具有重大意義。隱形指紋的顯微成像和殘留化學成分分析在司法鑒定中具有巨大的應用價值?；谫|譜成像技術可對指紋中的痕量未知化學成分進行結構鑒定。黃璐璐等[62]利用基質輔助激光解吸電離質譜成像技術對隱形指紋進行采集，通過對指紋中不飽和脂肪酸含量對比分析，最終確定隱形指紋的殘留時間。樣品制備方法為將標準樣品C16:1取樣于半導體材料薄膜上，放置于室溫，在不同時間通過質譜分析測定其氧化物與標準樣品C16:1的峰信號強度之比。結果顯示，隨著時間的增長，氧化程度加深。在此基礎上，將采集的指紋放于室溫，在一定時間時，進行第二次指紋采集。通過質譜成像技術測定不同時間采集的指紋中不飽和脂肪酸信號強度變化，最終確定隱形指紋的時間。

3.5 質譜成像在其他領域中的應用

除藥學、醫(yī)學、植物學之外，MSI在其他領域也有廣泛的應用。丁麗英等[63]利用表面解析常壓化學電離串聯(lián)質譜(SDAPCI-MSn)，建立了一種能在無需樣品預處理條件下直接對紡織品中存在的致癌性鄰甲苯胺進行檢測的新方法。具體過程為分別以質子化鄰甲苯胺(m/z108)及其特征峰碎片離子(m/z91)為探針，對穿過的衣服袖口進行二維質譜掃描，用不同顏色表示袖口上芳香胺信號強度的高低，在無損衣服的情況下獲得該袖口上鄰甲苯胺的質譜影像，在分子水平上對衣袖中鄰甲苯胺的分布進行可視化表達，所成像圖的空間分辨率達0.2 mm2，對了解致癌性芳香胺在紡織品中的分布具有重要意義。Francese S等[64]利用基質輔助激光解吸電離質譜成像(MALDI-MSI)對蜜蜂毒液進行研究。以豬耳和大鼠腿為研究對象，建立蜜蜂螫傷的體外和體內模型。MALDI-MSI用于研究3種毒液變應原(Api m 1，Api m 4，and Api m6)和兩種毒液毒素(蜂毒明肽和肥大細胞脫粒肽)的擴散和分布，為設計和測試新毒液免疫療法(VIT)的體內臨床前研究開辟新的途徑。楊水平等[65]利用表面解吸常壓化學電離(SDAPCI)串聯(lián)質譜，對雞蛋中的三聚氰胺進行檢測。以三聚氰胺的特征碎片離子(m/z85)為探針，對熟雞蛋切面中進行二維質譜掃描，用不同顏色表示三聚氰胺的信號強度高低，獲得熟雞蛋切面中的三聚氰胺質譜成像。三聚氰胺的空間分辨率達0.6 mm2。結果表明超過99.8%的三聚氰胺不均勻的分布在蛋清中，蛋黃中幾乎不存在。李欣昕等[66]應用液體輔助表面解吸常壓化學電離源(LA-DAPCI)，對羅丹明6G進行測定。具體為通過電暈放電產(chǎn)生的初級離子和高密度帶電液滴，能夠對樣品表面的中性待測物進行解吸電離，該離子源具有較高的離子化效率，適合復雜基體樣品的質譜成像研究。為了滿足質譜成像對空間分辨率的要求，研究者通過減小毛細管直徑，更改萃取劑組成，調整萃取劑流速和載氣流速，優(yōu)化離子源的幾何位置，有效提高了LA-DAPCI源的空間分辨率，并應用 LA-DAPCI-MS/MS方法對羅丹明6G進行測定，檢測限可低至 0.01 ng/cm2，高空間分辨率及低檢出限為LA-DAPCI應用于復雜基體樣品的質譜成像研究提供潛能。王楠楠等[67]采用表面解吸常壓化學電離( SDAPCI) 串聯(lián)質譜成像技術，可以在無需樣品預處理條件下直接對土壤中的塑化劑鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)的分布情況進行分析。利用碰撞誘導解離串聯(lián)質譜法對待測物母離子進行了結構鑒定，排除檢測結果的假陽性；分別選擇質子化 DEP(m/z223)及其特征峰碎片離子(m/z177)對土壤固體表面進行二維質譜掃描，獲得 DEP 的質譜影像圖。結果表明，未經(jīng)任何樣品預處理的實際土壤固體表面的DEP以團簇或顆粒狀不均勻分布于土壤中，經(jīng)雨水浸潤后的土壤樣品表面的DEP 含量和分布發(fā)生變化。DEP的空間分辨率為0.25 mm2，為復雜基體中塑化劑的含量和分布情況的研究提供了一種新思路。

4 質譜數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

質譜成像所得到的數(shù)據(jù)是樣品表面所有點的質譜數(shù)據(jù)的總和，數(shù)據(jù)量龐大且數(shù)據(jù)處理非常復雜。多元統(tǒng)計分析方法可以通過對質譜成像數(shù)據(jù)進行降維和特征提取，從而建立適合質譜成像數(shù)據(jù)分析的應用模型。目前，常用的應用于質譜成像數(shù)據(jù)處理的多元統(tǒng)計方法包括主成分分析(Principal component analysis, PCA)、聚類分析(Hierarchical cluster analysis, HCA)，正交偏最小二乘判別分析(orthogonal partial least square discriminate analysis, OPLS-DA)等。此外還有因子分析法(Factor analysis, FA)、軟獨立建模分類法(soft independent modeling of class analogy, SIMCA)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network, ANN)等。這些方法成功地對大量質譜數(shù)據(jù)進行了降維和特征提取，推進了質譜成像技術在各領域的應用。

毛歆歆采[68]用空氣動力輔助離子化質譜(Air Flow Assisted Ionization, AFAI)技術與成像軟件的聯(lián)用技術，針對乳腺腫瘤、甲狀腺腫瘤兩種人類常見的腫瘤組織標本冰凍切片進行掃描，探索并建立了通過脂質分子診斷病理標本方法。采用PCA及OPLS-DA等模型識別方法，對乳腺腫瘤各組進行數(shù)據(jù)對照分析，根據(jù)提取出的統(tǒng)計學意義的質荷比(m/z)對各標本成像，并與相應病理切片對照，發(fā)現(xiàn)各分子空間分布特點與規(guī)律。陳穎茜等應[69]用空氣輔助離子化質譜成像技術(AFAI-MSI)，對鼻咽組織標本中富淋巴細胞區(qū)域進行代謝物輪廓分析。通過PCA建立相關模型、獨立樣本t檢驗，皮爾森相關性分析，ROC曲線分析等步驟，分別正/負離子檢測模式中篩選出7個/6個在鼻咽癌組織與鼻黏膜慢性炎癥組織中存在顯著性差異的小分子代謝物，結果表明AFAI-MSI技術可用于小標本病理組織檢測分析。陳一等[70]采用空氣動力輔助離子源質譜成像技術，對3種不同顏料(紅色、藍色、黑色)的筆跡樣品進行分析。采用因子分析法對該樣品的成像數(shù)據(jù)進行分析，提取出3種顏料的特征質荷比，成像數(shù)據(jù)被分為背景、黑色、藍色和紅色因子。對因子分析與主成分分析的成像數(shù)據(jù)處理結果進行了比較，結果顯示，因子分析可以更簡單和定量地對特征質荷比進行取舍，在生物標志物提取、疾病診斷、藥理分析等方面有較大的應用潛力。

5 結語與展望

質譜成像可提供待測分子的結構組成、豐度及其空間分布信息，因而該技術已經(jīng)成為醫(yī)學、藥學、微生物學和植物學等多個生命科學領域的關鍵研究技術之一。為適應各分析對象特性的不同，各種離子化技術在質譜成像方面得以發(fā)展和應用。然而，不同的質譜成像技術在儀器、樣品制備、空間分辨率和數(shù)據(jù)處理等多個方面都有各自缺點和局限性。為適應各領域的快速發(fā)展，質譜成像技術有待進一步的發(fā)展和改進，例如：(1)擴大質譜成像分析物范圍，實現(xiàn)一次掃描中小分子與大分子物質的同時定性與定量，解決大小分子同時測定時質譜靈敏度差異較大的問題；(2)提高質量分辨率和空間分辨率，實現(xiàn)單細胞至亞細胞水平的高分辨成像分析，可用于監(jiān)控特定基因的表達及細胞內生理活動；(3)開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)自動對質譜圖像進行統(tǒng)計分析，避免人工分析方法的繁瑣與誤差；(4)開發(fā)活體質譜成像技術，可直接觀察活體生物體內生理過程及病理變化，應用于疾病的診斷與治療及藥物研發(fā)等方面。

6 致謝

感謝指導老師北京大學聶洪港在英文文獻閱讀及文章邏輯關系方面的精心指導。