本研究由Qiao Lu、Xiaokang Guan、Xue You、Zhouyi Xu及Renato Zenobi*共同完成，通讯作者Renato Zenobi来自厦门大学化学化工学院及瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）。研究成果于2021年10月26日发表于《Analytical Chemistry》期刊（2021, 93, 14694−14700），题为《High-Spatial Resolution Atmospheric Pressure Mass Spectrometry Imaging Using Fiber Probe Laser Ablation-Dielectric Barrier Discharge Ionization》。

学术背景

该研究属于质谱成像（Mass Spectrometry Imaging, MSI）领域，旨在解决常压质谱成像（AP-MSI）中高空间分辨率难以实现的技术瓶颈。传统MSI技术（如二次离子质谱SIMS和基质辅助激光解吸电离MALDI）虽能实现微米至纳米级分辨率，但存在设备昂贵、需高真空环境或分子碎片化严重等问题。本研究提出了一种基于光纤探针激光烧蚀（Fiber Probe Laser Ablation, FPLA）与介质阻挡放电电离（Dielectric Barrier Discharge Ionization, DBDI）联用的新型AP-MSI方法，目标是通过低成本光学元件实现5 μm级空间分辨率，为生物组织微区分析提供新工具。

研究流程与方法

1. 光纤探针系统开发

   • 光纤蚀刻技术：采用“管式蚀刻法”对多模石英光纤（芯径50 μm）尖端进行化学蚀刻，形成锥角约20°、外径200 nm的锐利探针，表面镀金以防止激光泄漏（图S1）。
     
   • 距离控制：通过微执行器（步进电机精度亚微米级）将探针与样品距离精确调节至10 μm，激光能量控制在0.16 μJ（功率密度1.43×10⁸ W/cm²），产生直径约5 μm的烧蚀坑（图3）。
     

2. 后电离源设计

   • DBDI源：自主研发的介质阻挡放电电离源以“主动采样毛细管”构型工作（电压3.5 kV，频率40 kHz），与质谱常压接口直接连接，实现激光烧蚀中性分子的高效软电离（图1）。
     

3. 质谱成像系统集成

   • 同步控制：二维压电平移台（纳米级精度）与激光脉冲（10 Hz）通过LabVIEW软件同步，每像素点单次激光照射，数据采集延迟100 ms以内（图S3）。
     
   • 样品制备：
     
     • 标准样品：通过掩模热蒸发沉积1,5-二氨基蒽醌（1,5-DAAQ）条纹图案。
       
     • 生物样品：人指甲切片经甲基绿锌盐（Methyl Green Zinc Chloride）溶液处理，冷冻切片厚度30 μm（图5b）。
       

4. 数据分析

   • 使用TOFWare 3.2.1和Surfer 12软件处理质谱数据，提取离子色谱图并生成MSI图像（图4d）。
     

主要结果

1. 分辨率验证

   • 标准样品MSI显示条纹边界清晰，空间分辨率达5 μm（图4d），信号稳定性测试相对标准偏差（RSD）为17.3%（图4e）。
     
   • 对比25 μm步长成像（图5c），5 μm步长能清晰分辨药物渗透边界（图5d），证实高分辨率优势。
     

2. 生物应用

   • 指甲切片中甲基绿锌盐的碎片离子（m/z 122.2和226.3）分布成像成功可视化药物渗透区域（图5a），但内源性化合物因灵敏度限制未检出。
     

3. 技术参数

   • 单次烧蚀样品量约20 fmol，耦合效率5.6%，激光光斑呈高斯分布（图S5）。
     

结论与价值

本研究通过FPLA-DBDI-MSI技术实现了常压条件下5 μm级空间分辨率，突破了传统激光质谱成像的衍射极限限制。其科学价值在于：
1. 方法创新：无需近场光学显微镜或复杂光学元件，仅通过蚀刻光纤探针即可实现高分辨率烧蚀，成本显著降低。
2. 应用潜力：适用于微电子、生物组织及药物渗透研究，如指甲中药物分布的微区分析（图5）。
3. 扩展性：该光纤探针系统可适配其他激光质谱平台（如LDI-MSI、MALDI-MSI），推动高分辨率MSI技术的普及。

研究亮点

1. 分辨率突破：5 μm分辨率优于多数常压MSI技术（表1所列LA-ESI-MSI约30 μm，LA-DART-MSI约60 μm）。
   
2. 简易性与经济性：摒弃昂贵的SPM距离控制系统，采用蚀刻光纤和常规步进电机实现精准控制。
   
3. 多学科交叉：结合激光工程、微纳加工与质谱技术，为生物医学微区分析提供新范式。
   

其他价值

研究还指出，开放式常压环境导致的塑化剂背景信号（图4a）可能通过封闭气控腔室进一步改善，为后续优化提供方向。支持数据详见补充材料（SEM图像、质谱参数等）。