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飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS），也叫靜態(tài)二次離子質(zhì)譜，是飛行時(shí)間和二次離子質(zhì)譜結(jié)合的一種新的表面分析技術(shù)。因其免標(biāo)記、高靈敏、多組分檢測(cè)和高空間分辨成像等優(yōu)勢(shì)，為諸多生命科學(xué)問(wèn)題的研究提供了重要的技術(shù)支持。近年來(lái)，TOF-SIMS在基礎(chǔ)細(xì)胞生物學(xué)、組織生理病理學(xué)、生物醫(yī)藥與臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究中被廣泛應(yīng)用。

圖1. “水中小白鼠"斑馬魚（左）；冷凍干燥的斑馬魚頭部截面的光學(xué)顯微鏡圖像（右）。

小科普：斑馬魚（zebrafish）被稱為“水中小白鼠"，是生物學(xué)家的理想實(shí)驗(yàn)對(duì)象。斑馬魚和人類的基因有著高達(dá)87%的同源性——這意味著在斑馬魚身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果大多數(shù)情況下可類比到人身上。因此，大量的胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、毒理學(xué)研究，以及多種人類疾病相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，選用斑馬魚作為模式生物。[1]

圖2. PHI nanoTOF儀器與手套箱（N2氛圍）互聯(lián)[2]

例如，本文中為了解析細(xì)胞器離子環(huán)境的變化如何影響黑素體的生物形態(tài)和人類皮膚色素沉積，以斑馬魚作為模式生物（見(jiàn)圖1），利用冷凍-飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（cryo-TOF-SIMS，見(jiàn)圖2）對(duì)斑馬魚幼體的視網(wǎng)膜色素上皮組織（RPE）進(jìn)行化學(xué)成像分析。在這項(xiàng)工作中使用多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)對(duì)高空間分辨和高質(zhì)量分辨的TOF-SIMS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(PCA)，從而快速篩選出與黑色素生物合成相關(guān)的新標(biāo)記離子，并借此識(shí)別RPE和其他物質(zhì)。該項(xiàng)工作以題為“Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS"發(fā)表于《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》。[2]

圖3. 冷凍斑馬魚眼部切片的TOF-SIMS影像：正離子模式（上圖）和負(fù)離子模式（下圖） [2]

圖4. 正/負(fù)離子圖像單一數(shù)據(jù)集的PCA分析結(jié)果。PC 13的圖像可以清晰地區(qū)分RPE(綠色)與周圍材料(紅色)。[2]

通過(guò)將冷凍斑馬魚眼部切片的正/負(fù)極性離子圖像（見(jiàn)圖3）整合成單一的高光譜圖像數(shù)據(jù)集，而后進(jìn)行主成分分析，能夠同時(shí)識(shí)別來(lái)自兩種極性的質(zhì)量峰之間的正負(fù)相關(guān)性（見(jiàn)圖4）。此外，利用主成分分析獲得的信息，還可以輕松識(shí)別不同的化學(xué)成分。

圖5. 冷凍斑馬魚眼部切片各種物質(zhì)的成分疊加圖[2]

如圖5所示，借助標(biāo)記離子的疊加圖，可以直觀地描繪斑馬魚眼部橫截面中存在的各種化學(xué)物質(zhì)及其分布情況：ITO離子信號(hào)（紫色），水團(tuán)簇離子信號(hào)（青色），磷脂標(biāo)記物（綠色），氨基酸標(biāo)記物（紅色）和白多巴胺黑色素標(biāo)記物（藍(lán)色）。

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參考文獻(xiàn)：

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/121712003.

[2] Van Nuffel, S. et al. Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections

of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS. J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2020). DOI: org/10.1021/jasms.0c00300.