碳納米材料因為其獨特的物理化學(xué)性質(zhì),在材料學(xué)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。近年來,碳納米材料由于在藥物輸送、光動力學(xué)治療、組織工程以及生物成像等方面的重要價值,成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點材料。但是有關(guān)碳納米材料的生物效應(yīng)及生物安全性問題目前依然存在爭論,因此生物組織中的碳納米材料的生物分布研究具有重要的實際價值,尤其是亞器官的生物分布成像研究,有助于揭示納米材料與生物體之間的相互作用。但是目前為止,這方面研究仍缺乏實用有效的方法。
對于碳納米材料的生物監(jiān)測或成像,通常采用放射性同位素或熒光標(biāo)記法,因費(fèi)時費(fèi)力且標(biāo)記物有解離的可能而具有一定局限性。而免標(biāo)記的光譜學(xué)方法又存在成像速度慢、發(fā)光信號弱、背景干擾強(qiáng)等缺點。質(zhì)譜成像技術(shù)提供了一種同時獲取生物樣品形貌及其分子信息的檢測手段,各個種類分子可以在10微米及以下的空間分辨率被獨立檢測出來。這種技術(shù)屬于內(nèi)源性的“免標(biāo)記”法,因為分子都有其固有質(zhì)量,只要分子可以被離子化就可以被檢測出來。在質(zhì)譜成像中最常用的分子離子化方法是基質(zhì)輔助激光解吸/電離(MALDI),但需要有機(jī)基質(zhì)(通常為被測物的10000倍)與目標(biāo)樣品共結(jié)晶并用激光照射。基質(zhì)吸收激光輻射后被快速激發(fā)并蒸發(fā),隨后共結(jié)晶的樣品被轉(zhuǎn)移到氣相環(huán)境,樣品分子可以通過基質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移離子化。然而,沒有人證實過MALDI質(zhì)譜檢測完整碳納米材料的能力,因為很難找到與其共結(jié)晶的合適的基質(zhì)。如果沒有基質(zhì),完整的分析物就很難被釋放到氣相中。而且,碳納米材料的巨大分子量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了質(zhì)譜能夠檢測的質(zhì)量范圍。
為了解決這個問題,研究人員放棄傳統(tǒng)基質(zhì),發(fā)現(xiàn)并利用碳納米材料在紫外激光解吸電離過程中產(chǎn)生的固有碳負(fù)離子簇(C2-C10)指紋信號,該質(zhì)譜信號幾乎不受任何生物分子的背景信號干擾。結(jié)合飛行時間質(zhì)譜,同時實現(xiàn)了小鼠體內(nèi)碳納米材料的亞器官質(zhì)譜成像和定量分析。該碳負(fù)離子簇質(zhì)譜指紋信號的發(fā)現(xiàn),克服了傳統(tǒng)質(zhì)譜方法無法直接檢測納米材料的難題,將質(zhì)量信號窗口轉(zhuǎn)移到了質(zhì)譜靈敏度高的小分子質(zhì)量范圍。與傳統(tǒng)的標(biāo)記方法相比,該激光解吸電離質(zhì)譜分析方法由于采用內(nèi)源性的化學(xué)信號,避免了標(biāo)記基團(tuán)在活體循環(huán)過程中可能產(chǎn)生的解離、衰變或者失活。同時,與免標(biāo)記的光譜方法相比還具有高信噪比、低背景干擾以及準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點。
研究人員證實并比較了碳納米管、石墨烯和碳量子點的亞器官生物分布。研究發(fā)現(xiàn),碳納米管和碳量子點在腎中主要分布在外部的實質(zhì)區(qū)域。而在脾組織中,這三種碳納米材料主要分布在脾的紅質(zhì)區(qū)域,還發(fā)現(xiàn)在邊緣區(qū)中碳納米管的濃度最高。定量結(jié)果表明,尺寸較大的未修飾碳納米管和石墨烯主要富集在肺組織中,而碳量子點主要停留在內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)豐富的肝和脾中。此外,還意外地發(fā)現(xiàn)碳量子點在小鼠器官中的超長清除時間。最后,將該方法拓展到小鼠腫瘤組織中藥物負(fù)載的碳納米管成像以及二硫化鉬二維納米材料的組織成像研究。
這些重要的應(yīng)用和發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步表明該方法可以結(jié)合質(zhì)譜成像和定量的優(yōu)點,進(jìn)行納米材料與生物體系相互作用研究,并有望發(fā)展成為一種碳納米材料乃至其它納米材料生物分析的通用方法。論文發(fā)表后,Nature Nanotechnology 雜志專門邀請國際知名質(zhì)譜學(xué)專家Richard W. Vachet撰文在同期的“新聞視角”專欄評論:“這種成像技術(shù)提供了一種強(qiáng)大的活體定量納米材料的方法,一個特別讓人激動的優(yōu)勢是該方法可拓展同時檢測納米材料及其附近的蛋白質(zhì)或其他生物分子,將深層次揭示生物分子和材料的相互作用。無論如何,活體納米材料的質(zhì)譜成像研究將有一個光明的未來?!?/P>
質(zhì)譜成像揭示碳納米材料的亞器官生物分布