日本大阪大學研究生院理學研究科的安田賢生碩士生、大塚洋一副教授、豐田岐聰教授等人的研究團隊，對用於解析生物組織內各個細胞化學成分差異的質譜成像技術提高檢測靈敏度，開發出一種能夠長時間穩定檢測的全新測量方法。相關研究成果已發表在《Analytical Chemistry》上。
圖1 使用PFPTES修飾探針對小鼠腦組織切片進行質譜分析成像的結果。(a)本研究所用組織切片的光學圖像；(b)17小時質譜分析成像獲得的成分分佈圖像。該成分被推斷為己醣基腦醯胺；(c)畫素尺寸為10µm的離子圖像；(d)畫素尺寸為5µm的離子圖像。(c)和(d)中虛線區域的放大圖分別顯示於各自右側。（供圖：大阪大學，來源：Anal. Chem. (2026) 98 (27): 20520–20530.）
大塚副教授此前一直主導著輕敲模式掃描探針電噴霧離子化（tapping-mode Scanning Probe Electrospray Ionization, t-SPESI）技術的研究開發，致力於實現生物組織中脂質分佈的視覺化。
在t-SPESI技術中，使一根尖端為幾微米的細玻璃管（即毛細管探針）上下振動，同時在探針內部通入施加了高電壓的溶劑。當探針尖端接觸樣品表面時，探針與樣品表面之間會形成液橋（liquid bridge），從而可從局部提取樣品成分。含有提取出的樣品成分的溶劑被施加高電壓後，會生成氣態離子。生成的離子被導入質譜分析儀進行分析。令探針沿樣品平面二維掃描，即可實現質譜分析成像。
然而，測量點的間隔越細，從單個測量點能獲得的分子量就越少，因此需要較高的檢測靈敏度；同時，精細測量大範圍區域需要較長時間，在此期間如果探針尖端被組織來源的成分覆蓋，分子的提取和離子化就會變得不穩定。因此，同時實現高檢測靈敏度以及長期穩定的分子提取與離子化是亟待解決的課題。
因此，為了實現基於t-SPESI的單細胞質譜分析成像，研究團隊進行了測量裝置的小型化、毛細管探針表面的分子層形成，以及使用小鼠腦組織切片的性能評估。
首先，研究團隊對用於觀測樣品位置以及探針尖端所形成液橋位置的顯微模組與樣品載物臺進行了小型化。通過樣品臺的小型化，縮短了將探針尖端生成的離子導入質譜分析儀的金屬離子傳輸管。離子傳輸管的縮短抑制了生成的離子到達質譜分析儀之前的損失，從而從微小測量區域獲得的少量分子也能夠被有效檢測出來。使用碘化鈉溶液評估裝置性能後，確認離子信號強度平均提高了約2倍。
接下來，為抑制長時間檢測過程中組織源性成分附著在探針表面，研究團隊在毛細管探針表面製備了PFPTES分子層。已知PFPTES具有氟原子鍵合於苯環的分子結構，並且能與石英表面形成共價鍵。利用這一特性，可以在石英毛細管探針表面形成穩定的分子層，從而賦予探針表面由PFPTES分子帶來的疏水性和疏油性。為了確認該分子層確實在探針表面形成，研究團隊通過X射線光電子能譜（XPS）對探針尖端部分進行了成像。在形成了PFPTES分子層的探針上，清晰地觀察到了源自氟的F1s信號沿探針形狀分佈。研究同時採用飛行時間二次離子質譜法（TOF-SIMS）開展成像分析，結果顯示，在形成了PFPTES分子層的探針上，檢測到了源自PFPTES的含氟和苯環的碎片離子。這些結果證實了含氟的PFPTES分子層分佈在毛細管探針表面。
此外，研究團隊使用形成了PFPTES分子層的毛細管探針，分別以10微米和5微米的畫素尺寸對小鼠腦組織切片進行了質譜分析成像，並獲取了多種脂質來源的信號。研究重點分析了一類脂質——己醣基腦醯胺，成功視覺化出該物質呈現局部富集分佈於小鼠腦組織的前連合、胼胝體以及紋狀體局部區域。尤其是在10微米畫素尺寸圖像中看似單一區域的脂質分佈，在5微米畫素尺寸獲取的圖像中，確認其包含了更精細的島狀結構。此外，在大約17小時的測量過程中，未觀察到離子信號出現大的波動，探針尖端也未發生明顯變化。這表明，通過PFPTES對探針表面進行分子修飾，能夠抑制組織成分的附著，從而穩定分子的提取與離子化。
該研究證明了生物組織的單細胞質譜分析成像能夠長時間穩定進行。今後若將基於t-SPESI的單細胞質譜成像技術應用於病變組織，有望從分子層面揭示疾病發生後單個細胞層面的分子分佈變化。
大塚副教授表示：「單細胞質譜成像是一種能夠精細視覺化生物組織組成細胞中的分子分佈的技術方法。本研究證實，藉助分子修飾調控探針表面特性，可有效保障長時間檢測過程的穩定性。今後我們將活用表面科學與化學領域的理論成果，進一步優化探針外形結構與修飾分子，力求實現更高精度的分子分佈資訊視覺化。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Analytical Chemistry
論文：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
