Feifei Jia、Xia Zhao 和 Yao Zhao 等研究者撰写了一篇题为《Advancements in TOF-SIMS Imaging for Life Sciences》的综述文章，发表于 2023 年 8 月 24 日的《Frontiers in Chemistry》期刊中。以下是对该综述文章的学术报告。
本文作者分别来自中国国家食品药品检定研究院和中国科学院化学研究所等机构，他们对近年来 TOF-SIMS（飞行时间二次离子质谱技术）在生命科学领域内的发展进行了全面综述。
TOF-SIMS 是一种基于表面分析的高灵敏度质谱成像技术。在过去的二十年中，因其高空间分辨率和广泛的多模态分析潜力，该技术逐渐成为研究生物体系分子构成以及分布的一种重要工具。本文聚焦 TOF-SIMS 在代谢组学、脂质组学以及单细胞分析领域的应用，以及其在分子层级解析复杂生物系统中的优势。
TOF-SIMS 利用高能量初级离子束轰击样品表面，从而释放出次级离子进行质谱分析。相比于其他表面分析技术，TOF-SIMS 的主要优势包括： - 高空间分辨率，可达几十纳米。 - 能够检测范围广泛的元素及分子化合物。 - 提供样品表面成分的化学键及分子信息。
TOF-SIMS 属于静态二次离子质谱技术，其初级离子束为脉冲模式，适用于高分辨率的样品表面成像和分子团簇分析；而动态 SIMS（如 NANOSIMS）的初级离子束为连续模式，更善于进行元素和同位素的定量分析。
文章讨论了传统单原子金属离子束（如 Ga+ 和 In+）因对生物分子产生破坏而被逐步替换。近年来，集群离子源（如 Au_n+、Bi_n+ 和 Ar_n+）逐渐成为主流，这些集群离子束显著提升了大分子次级离子的生成效率，降低了对样品的损伤。
TOF-SIMS 的质量分析仪从早期模型的中等质量分辨率逐步提升至现代分析仪（如 TOF-SIMS M6）的高达 26,000 FWHM（Full Width at Half Maximum）水平。此外，混合式质量分析仪（如 TOF 和 Orbitrap 结合）具备更高的灵敏度和分辨率，为研究复杂样品提供了强有力的工具。
TOF-SIMS 能够高灵敏度地检测并成像低分子量代谢物（如氨基酸、脂肪酸、糖类及核苷酸），为非标记的空间代谢组学分析开辟了新路径。通过对代谢物空间分布的高分辨率成像，研究者能够揭示复杂的代谢过程及其相互作用。例如，文中提到一种结合免疫荧光方法将 TOF-SIMS 成像与代谢物功能研究相结合，用于探索代谢通路关键节点。
此外，TOF-SIMS 还可结合化学环境（例如基质效应）分析标准代谢物，通过与数据库比对提供代谢物的定量与鉴定信息。
TOF-SIMS 在脂质组学的作用体现在鉴定并定位细胞及组织中脂质分子的能力上。文章中提到，通过 TOF-SIMS 可研究脂质在细胞膜或亚细胞结构内的分布、组成及交互作用，以探索其在信号传递、能量存储和病理生理过程中的重要作用。例如： - 研究表明，肿瘤细胞膜的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine）增多与其迁移性增强和恶性程度增加有密切关系。 - 通过 Bi3+ 和 (CO2)_n+ 离子束结合，可对受药物处理的果蝇脑组织中脂质成分的变化进行分析，揭示药物机制。
此外，结合其他成像技术（如荧光显微镜和 MALDI），TOF-SIMS 能够提供关于脂质微环境更全面的信息。
TOF-SIMS 凭借其高空间分辨率成为单细胞水平成像的重要工具。通过在脱水或冷冻细胞样品中进行实验，研究者能够获取细胞内外的元素、脂质及氨基酸的分布信息，从而揭示细胞异质性及功能。例如： - 采用 TOF-SIMS 对抗肿瘤药物如顺铂（cisplatin）的亚细胞分布进行成像，发现药物主要累积于细胞膜及胞核区域，为其双靶点机制提供了支持。
此外，TOF-SIMS 还用于研究药物与生物分子（如蛋白质和 DNA）的相互作用，例如运用氟化标签蛋白结合 TOF-SIMS 成像直接观察药物-蛋白质结合情况。
本文全面回顾了 TOF-SIMS 在生命科学领域的最新进展，展示了其多样化的应用场景及强大的分析能力。文中对技术改进与应用实践的分析为后续研究指明了方向： 1. 技术方面：未来 TOF-SIMS 仪器发展应朝着更高分辨率、更高灵敏度及更广谱分析能力的方向发展。 2. 数据处理：结合人工智能（AI）的数据分析工具可加速复杂质谱数据的解读，提高输出结果的准确性。 3. 跨学科结合：将 TOF-SIMS 与荧光成像、电子显微镜等工具集成，能够实现更全面的多模态生物分析。
该文章无疑为生命科学研究者提供了重要的知识支持，并展现了 TOF-SIMS 技术的巨大潜力。