质谱成像技术是近年来快速发展的分子成像技术，广泛应用于蛋白质，多肽，磷脂，氨基酸，寡糖等生物分子的成像。纳米材料由于其特殊的物理化学特性，广泛应用到包括疾病诊断，癌症治疗，生物传感，能量储存等在内的诸多领域，由此产生的潜在生物暴露影响和生物安全性的担忧尤为突出。因此，开发实用有效用于研究纳米材料的亚器管分布及其与生物体疾病之间相互联系的方法至关重要。
在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，我室聂宗秀研究员课题组长期致力于开发生物质谱成像新方法，先后开发了用于基质辅助激光解吸电离质谱成像的新基质和新技术（Anal. Chem. 2018, 90, 729；Chem. Comm. 2018, 54, 10905）和新型基质超声喷涂装置（Anal. Chem. 2018, 90, 8309.），获得了10μm分辨率的质谱成像。在此基础上，该课题组对颗粒质谱与成像进行了系统的探索研究，2015年利用激光解吸电离的方法 （LDI-MS）实现了碳纳米材料的免标记体内原位质谱成像（Nature Nanotech. 2015, 10, 176.）。进而，该研究组将该方法扩展到纳米载药体系研究中，实现了包括二硫化钼，金纳米颗粒，黑磷，和碳纳米管等在内的纳米载药体系在小鼠原位肿瘤的分布和药物释放行为研究（ Science Advances, 2018, 4, eaat9039.）。可以预见，基于这一技术原理，将会有更多的纳米体系相关的科学问题可以通过质谱成像的方法进行体内原位分析研究，对于我们了解纳米颗粒的体内行为和相互作用具有重大意义。
最近，他们利用前期建立的纳米材料质谱成像方法，实现了大气碳质气溶胶颗粒物（PM2.5）在小鼠肺中的多组分成像研究，获得了碳质气溶胶中有机碳（OC）和无机（或元素）碳（EC）的分布差异，定量结果显示OC在肺实质中释放更多，且能够比EC更快地被肺部清除，原位肺癌模型的结果显示OC比EC能够更加深入的进入到癌组织区域。此外，还对肺外器官中EC和OC的特异分布进行了定量，并在原位肝癌模型中也观察到了与肺部相似的结果。相关研究结果发表于近期的Angewandte Chemie International Edition期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23225），并被选为Inside back cover和Hot paper。文章第一作者是博士生江昱明，通讯作者为聂宗秀研究员、熊彩侨副研究员和孙洁博士。
图1 质谱成像揭示碳质气溶胶颗粒物（PM2.5）中有机碳和元素碳在体内特异性分布差异
