日本大阪大学研究生院理学研究科的安田贤生硕士生、大冢洋一副教授、丰田岐聪教授等人的研究团队，对用于解析生物组织内各个细胞化学成分差异的质谱成像技术提高检测灵敏度，开发出一种能够长时间稳定检测的全新测量方法。相关研究成果已发表在《Analytical Chemistry》上。
图1 使用PFPTES修饰探针对小鼠脑组织切片进行质谱分析成像的结果。(a)本研究所用组织切片的光学图像；(b)17小时质谱分析成像获得的成分分布图像。该成分被推断为己糖基神经酰胺；(c)像素尺寸为10µm的离子图像；(d)像素尺寸为5µm的离子图像。(c)和(d)中虚线区域的放大图分别显示于各自右侧。（供图：大阪大学，来源：Anal. Chem. (2026) 98 (27): 20520–20530.）
大冢副教授此前一直主导着轻敲模式扫描探针电喷雾离子化（tapping-mode Scanning Probe Electrospray Ionization, t-SPESI）技术的研究开发，致力于实现生物组织中脂质分布的可视化。
在t-SPESI技术中，使一根尖端为几微米的细玻璃管（即毛细管探针）上下振动，同时在探针内部通入施加了高电压的溶剂。当探针尖端接触样品表面时，探针与样品表面之间会形成液桥（liquid bridge），从而可从局部提取样品成分。含有提取出的样品成分的溶剂被施加高电压后，会生成气态离子。生成的离子被导入质谱分析仪进行分析。令探针沿样品平面二维扫描，即可实现质谱分析成像。
然而，测量点的间隔越细，从单个测量点能获得的分子量就越少，因此需要较高的检测灵敏度；同时，精细测量大范围区域需要较长时间，在此期间如果探针尖端被组织来源的成分覆盖，分子的提取和离子化就会变得不稳定。因此，同时实现高检测灵敏度以及长期稳定的分子提取与离子化是亟待解决的课题。
因此，为了实现基于t-SPESI的单细胞质谱分析成像，研究团队进行了测量装置的小型化、毛细管探针表面的分子层形成，以及使用小鼠脑组织切片的性能评估。
首先，研究团队对用于观测样品位置以及探针尖端所形成液桥位置的显微组件与样品载物台进行了小型化。通过样品台的小型化，缩短了将探针尖端生成的离子导入质谱分析仪的金属离子传输管。离子传输管的缩短抑制了生成的离子到达质谱分析仪之前的损失，从而从微小测量区域获得的少量分子也能够被有效检测出来。使用碘化钠溶液评估装置性能后，确认离子信号强度平均提高了约2倍。
接下来，为抑制长时间检测过程中组织源性组分附着在探针表面，研究团队在毛细管探针表面制备了PFPTES分子层。已知PFPTES具有氟原子键合于苯环的分子结构，并且能与石英表面形成共价键。利用这一特性，可以在石英毛细管探针表面形成稳定的分子层，从而赋予探针表面由PFPTES分子带来的疏水性和疏油性。为了确认该分子层确实在探针表面形成，研究团队通过X射线光电子能谱（XPS）对探针尖端部分进行了成像。在形成了PFPTES分子层的探针上，清晰地观察到了源自氟的F1s信号沿探针形状分布。研究同时采用飞行时间二次离子质谱法（TOF-SIMS）开展成像分析，结果显示，在形成了PFPTES分子层的探针上，检测到了源自PFPTES的含氟和苯环的碎片离子。这些结果证实了含氟的PFPTES分子层分布在毛细管探针表面。
此外，研究团队使用形成了PFPTES分子层的毛细管探针，分别以10微米和5微米的像素尺寸对小鼠脑组织切片进行了质谱分析成像，并获取了多种脂质来源的信号。研究重点分析了一类脂质——己糖基神经酰胺，成功可视化出该物质呈现局部富集分布于小鼠脑组织的前连合、胼胝体以及纹状体局部区域。尤其是在10微米像素尺寸图像中看似单一区域的脂质分布，在5微米像素尺寸获取的图像中，确认其包含了更精细的岛状结构。此外，在大约17小时的测量过程中，未观察到离子信号出现大的波动，探针尖端也未发生明显变化。这表明，通过PFPTES对探针表面进行分子修饰，能够抑制组织成分的附着，从而稳定分子的提取与离子化。
该研究证明了生物组织的单细胞质谱分析成像能够长时间稳定进行。今后若将基于t-SPESI的单细胞质谱成像技术应用于病变组织，有望从分子层面揭示疾病发生后单个细胞层面的分子分布变化。
大冢副教授表示：“单细胞质谱成像是一种能够精细可视化生物组织组成细胞中的分子分布的技术方法。本研究证实，借助分子修饰调控探针表面特性，可有效保障长时间检测过程的稳定性。今后我们将活用表面科学与化学领域的理论成果，进一步优化探针外形结构与修饰分子，力求实现更高精度的分子分布信息可视化。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Analytical Chemistry
论文：Development of a Tapping-Mode Scanning Probe Electrospray Ionization Platform for High-Sensitivity and Long-Term Stability in Single-Cell Mass Spectrometry Imaging of Tissue
DOI：doi.org/10.1021/acs.analchem.6c02386
URL：https://pubs.acs.org/ancham/article/98/27/20520/5199977/Development-of-a-Tapping-Mode-Scanning-Probe
