激光質譜成像研究單細胞

廈門大學杭緯教授課題組在微透鏡光纖激光解吸電離質譜成像研究方面取得進展。

探究化學物質在生物組織及細胞內的分布是生命科學研究的核心方向之一。質譜成像具有高通量、高靈敏度、無需標簽、可對多種化學物質直接鑒別等優勢。以二次離子質譜為代表的高分辨質譜成像技術已經在單細胞生命科學領域逐漸嶄露頭角，但存在譜圖干擾嚴重的瓶頸問題。普適性更好的激光采樣質譜技術常常是分析檢測的更佳選擇，但是由于光學衍射極限以及透鏡數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，難以應用于單/亞細胞水平上的成像研究。

杭緯教授課題組近年來致力于發展激光質譜納米成像技術。在國家自然科學基金委重大科研儀器研制項目的資助下，率先研制出了激光誘導針尖近場增強解吸電離飛行時間質譜儀，成像空間分辨率可以達到50納米（Sci. Adv.,2017, 3, eaaq1059）。由于近場增強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-激光后電離質譜儀，使激光通過開口僅200納米的光纖硅針導出近場光，大幅度提高了針尖壽命和信號穩定性，并實現形貌與化學成分共成像（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4541-4546）。近期，課題組在此基礎上，研發出了基于微透鏡光纖的自動化激光解吸電離質譜成像平臺，其成像分辨率可達300納米，遠超目前商品化的激光采樣質譜技術，成功實現了對細胞內多種內源性和外源性的元素和分子在細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，實現對樣品的解吸和電離，產生的離子通自行研制的飛行時間質量分析器進行檢測。借助CCD相機的幫助，操作人員可以輕松控制光纖與樣品之間的距離，使采樣彈坑的達到最小尺寸。得益于單模微透鏡光纖帶來的優質的光束質量和極短的焦距，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，可以允許數十萬次的激光采樣，并且在經過超聲清洗后可以重復使用。

課題組選取納米顆粒載藥系統作為研究對象，將抗癌藥物柔紅霉素(DRB)負載在葉酸修飾的Fe3O4顆粒表面并與癌細胞共同培養，通過對不同培養時間的癌細胞進行原位質譜成像，可以同時獲得細胞內納米顆粒、納米顆粒表面的葉酸修飾基團和所負載藥物在細胞器水平上的分布，直觀地揭示出藥物隨著培養時間的增加，從納米顆粒表面釋放，而后進入細胞核，并最終誘導癌細胞凋亡這一動態過程。該工作首次提出了一種經濟可靠、操作簡單、普適性強、具有納米空間分辨率的激光質譜成像技術，并有望與現有的多種基于激光采樣的檢測方法相結合，推動相關技術在微納分析領域中的應用。