在2012年以前，汪福意研究員一直帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過有機(jī)質(zhì)譜，如電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS)、基質(zhì)輔助激光解析電離質(zhì)譜(MALDI-MS)等進(jìn)行藥物相互作用組學(xué)研究、抗腫瘤藥物的研究和開發(fā)等工作。一次與生物學(xué)家偶然的討論給汪福意帶來了啟發(fā)，他萌生了使用高空間分辨率的二次離子質(zhì)譜成像進(jìn)行化學(xué)生物學(xué)和分子生物學(xué)研究的念頭。中科院化學(xué)所領(lǐng)導(dǎo)對(duì)于他的想法非常贊成，在中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委的大力支持下，該團(tuán)隊(duì)在2012年購置了一臺(tái)飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(ToF-SIMS)儀，從此汪福意研究員和他的團(tuán)隊(duì)開始了生命科學(xué)領(lǐng)域SIMS成像新技術(shù)和新方法的研究工作。

　　SIMS與其它質(zhì)譜相比有什么特點(diǎn)?SIMS在哪些領(lǐng)域的應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢?汪福意團(tuán)隊(duì)用SIMS這個(gè)“龐然大物”在生命科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了哪些研究?國際上的SIMS相關(guān)領(lǐng)域有哪些前沿的創(chuàng)新?日前，儀器信息網(wǎng)編輯圍繞二次離子質(zhì)譜的應(yīng)用，在中國科學(xué)院化學(xué)研究所采訪了汪福意研究員。

汪福意研究員

離子源的發(fā)展把SIMS帶到了生命科學(xué)門口

　　二次離子質(zhì)譜(Secondary ion mass spectroscopy，SIMS) 的原理是利用聚焦的一次離子束轟擊樣品表面，使樣品中的化學(xué)物質(zhì)濺射產(chǎn)生二次離子，通過質(zhì)量分析器后進(jìn)入檢測器記錄離子的荷/質(zhì)比，獲得樣品表面化學(xué)成分的結(jié)構(gòu)信息。配合對(duì)樣品表面的掃描和濺射剝離，還可獲得樣品的二維/三維化學(xué)成像。SIMS能檢測元素周期表中所有元素及其同位素，質(zhì)量分辨率較高(對(duì)29Si的質(zhì)量分辨率大于11000)，檢測限達(dá)到ppm到ppb級(jí)。SIMS成像的橫向分辨率小于100 納米;基于濺射源的性能，縱向分辨率可達(dá)1 納米。

　　根據(jù)一次離子束運(yùn)行方式和質(zhì)量分析器的不同，SIMS又分為NanoSIMS和ToF-SIMS。NanoSIMS的質(zhì)量分析器為單聚焦或雙聚焦磁質(zhì)量分析器，其一次離子束為單原子或雙原子離子，如Cs+和O2+。聚焦的離子束以連續(xù)方式轟擊樣品表面，濺射產(chǎn)生低質(zhì)量數(shù)的離子碎片?；谶@些特點(diǎn)，NanoSIMS多用在天體化學(xué)、天體年代學(xué)、地質(zhì)沉積學(xué)、地礦探測和材料科學(xué)，特別是半導(dǎo)體材料研究等領(lǐng)域。顧名思義，ToF-SIMS的質(zhì)量分析器為飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，其一次離子束以脈沖方式轟擊樣品表面，電離能量較為溫和，與NanoSIMS相比，產(chǎn)生的碎片離子具有較高的質(zhì)量數(shù)。ToF-SIMS的一次離子束經(jīng)歷了長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，從早期的Ga+、Aun+ (n = 1 – 5), 到后來更易于聚焦的Bin+ (n = 1, 3), 再到現(xiàn)在的C60+、Arn+ (n 高達(dá)4000)等團(tuán)簇離子。團(tuán)簇離子源的誕生，使ToF-SIMS 離子化產(chǎn)生的離子的質(zhì)荷比更高，甚至可獲得大分子量物質(zhì)的準(zhǔn)分子離子。因而SIMS數(shù)據(jù)包含的結(jié)構(gòu)信息更為豐富，這對(duì)復(fù)雜生物體系的研究具有非常重要意義。可以說，正是離子源的發(fā)展將SIMS帶到了生命科學(xué)研究的門口。

　　由日本京都大學(xué)教授Jiro Matsuo (松尾次郎)發(fā)明的氬氣團(tuán)簇離子源是SIMS技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的事件。氬離子團(tuán)簇包含上千個(gè)氬原子，其離子半徑可以通過增加或減少亞原子數(shù)目進(jìn)行調(diào)控，最多可達(dá)4000個(gè)氬原子。氬團(tuán)簇離子源既可作為濺射源用于生物樣品如細(xì)胞和生物組織的濺射剝離，也可作為分析源進(jìn)行生物樣品的表面分析。因而，配備氬團(tuán)簇離子源的ToF-SIMS在生命科學(xué)研究領(lǐng)域得到越來愈多的青睞。

　　隨著一次離子源團(tuán)簇離子的直徑變大，SIMS成像的空間分辨率也會(huì)相應(yīng)降低。對(duì)此，汪福意說：“應(yīng)用SIMS成像進(jìn)行生物研究的時(shí)候，找到離子碎片大小和空間分辨率的平衡非常重要，也就是說在獲得質(zhì)量數(shù)較大的、結(jié)構(gòu)信息豐富的碎片離子的前提下盡量保證質(zhì)譜成像的空間分辨率。”

　　在團(tuán)簇離子源發(fā)明之前，SIMS在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制，因?yàn)閺?qiáng)調(diào)生物大分子結(jié)構(gòu)解析的生物學(xué)研究無法從SIMS產(chǎn)生的小碎片離子中得到足夠有用的信息。在上個(gè)世紀(jì)90年代，開始有人嘗試基于SIMS在同位素質(zhì)譜研究中的優(yōu)勢，從生物代謝的角度去了解生物合成過程。汪福意提到：“在這方面，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院有一支有名的研究團(tuán)隊(duì)，他們自己搭建SIMS裝置，研究的重點(diǎn)就是利用SIMS成像探索生物合成和生物代謝過程，如DNA的合成、復(fù)制與轉(zhuǎn)錄。這種研究不是關(guān)注高質(zhì)量數(shù)的離子碎片，只需要獲得N-15和C-13等同位素標(biāo)記的堿基碎片在細(xì)胞核內(nèi)的分布信息，就可以分析研究由化學(xué)刺激或抑制作用導(dǎo)致的生化過程?！痹撗芯拷M利用SIMS在細(xì)胞生物學(xué)前沿領(lǐng)域的研究中取得了很多高影響力的研究成果，對(duì)SIMS在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用起到了極大的促進(jìn)作用。

“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”，SIMS與顯微技術(shù)共締超高分辨細(xì)胞成像

　　作為傳統(tǒng)意義上的無機(jī)質(zhì)譜，SIMS與有機(jī)質(zhì)譜都可以應(yīng)用于生物組織成像研究?！澳軌蛴糜诮M織成像的質(zhì)譜技術(shù)有不少，但并沒有哪類技術(shù)能被取代。利用MALDI-MS、DESI-MS等有機(jī)質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行生物組織成像分析比SIMS更快捷和簡單，而SIMS在空間分辨率上的優(yōu)勢是其它質(zhì)譜成像技術(shù)無法超越的?！痹诮榻B不同質(zhì)譜技術(shù)在生物組織成像中的應(yīng)用和區(qū)別時(shí)，汪福意說：“SIMS不擅長分析生物大分子，如果想進(jìn)行多肽、蛋白質(zhì)或大DNA片段分析，有機(jī)質(zhì)譜是更好的選擇。SIMS的空間分辨率很高，即使是用氬團(tuán)簇離子源也能達(dá)到微米、甚至亞微米級(jí)的空間分辨率，能夠進(jìn)行單細(xì)胞或亞細(xì)胞器的成像分析。儀器廠商都在提高質(zhì)譜成像空間分辨率方面下了功夫，但到目前為止還是SIMS成像的空間分辨能力更有優(yōu)勢?！?p>　　在研究金屬抗腫瘤候選藥物細(xì)胞攝入和分布時(shí)，SIMS成像可以通過特征生物碎片，如磷脂碎片和DNA脫氧核糖碎片指示亞細(xì)胞器的位置，進(jìn)而確定金屬藥物在細(xì)胞中的定位和分布。但是，在這些特征生物碎片離子的信號(hào)較弱或其指代的生物信息并不唯一時(shí)，僅僅基于SIMS離子信號(hào)的藥物亞細(xì)胞器定位可能出現(xiàn)誤差。在這種情況下，結(jié)合亞細(xì)胞器熒光染色的光學(xué)顯微鏡成像可以彌補(bǔ)SIMS信號(hào)低，不能準(zhǔn)確定位的劣勢。常與SIMS結(jié)合使用的光學(xué)顯微鏡有激光共聚焦顯微鏡和超高分辨率的受激輻射耗盡(Stimulated Emission Depletion，STED)顯微鏡技術(shù)。二者的區(qū)別在于空間分辨率：激光共聚焦顯微鏡的空間分辨率在亞微米級(jí)，STED熒光顯微鏡分辨率可以達(dá)到30納米。

　　通過這種光學(xué)顯微鏡成像與SIMS化學(xué)成像相結(jié)合的方法，汪福意團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們自主研發(fā)的一種有機(jī)金屬釕抗腫瘤化合物可同時(shí)定位在細(xì)胞膜和細(xì)胞核上，證實(shí)了他們?cè)诜肿铀缴系难芯拷Y(jié)果，即該化合物可以同時(shí)作用于細(xì)胞膜上的受體激酶和細(xì)胞核內(nèi)的DNA，具有潛在的雙靶向特性。

　　利用SIMS與光學(xué)顯微鏡成像的融合，在完成金屬抗腫瘤化合物在細(xì)胞中的分布研究之后，團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了金屬藥物損傷DNA在細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)相互識(shí)別、相互作用的機(jī)理研究。

　　“我們用順鉑等金屬抗腫瘤藥物中的金屬離子指示藥物損傷的DNA，用光學(xué)顯微鏡來定位抗體染色或融合熒光蛋白定位DNA結(jié)合蛋白。如果光學(xué)成像信號(hào)與SIMS化學(xué)成像信號(hào)完全重疊的話，說明它們?cè)诩?xì)胞水平能相互識(shí)別和相互作用?！蓖舾Ｒ獗硎?，這個(gè)研究工作能夠證實(shí)從分子水平研究獲得的藥物分子作用機(jī)制的猜想，“很多人在體外生理模擬環(huán)境中做這類研究，但細(xì)胞水平上藥物損傷DNA與蛋白質(zhì)相互識(shí)別和相互作用的研究還沒有文獻(xiàn)報(bào)道?！蹦壳霸摴ぷ鬟M(jìn)展順利，團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)研究DNA結(jié)合蛋白與藥物損傷DNA的相互識(shí)別可能導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡等生物過程。

　　在用SIMS成像與光學(xué)顯微鏡成像聯(lián)用，研究細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間生物分子相互識(shí)別時(shí)，必然需要先后使用兩類儀器尋找、定位樣品板上微小區(qū)域內(nèi)的同一個(gè)或幾個(gè)單細(xì)胞。而在1平方厘米甚至更大面積的樣品板上準(zhǔn)確定位同一個(gè)微米級(jí)的細(xì)胞，是個(gè)不小的技術(shù)難題。為了解決這一制約研究進(jìn)展的技術(shù)問題，汪福意團(tuán)隊(duì)在硅片或玻璃樣品板上以光刻方式刻寫上200微米的方形網(wǎng)格，并給每個(gè)格子一個(gè)標(biāo)號(hào)，制備了一種簡單、實(shí)用的可尋址樣品板。這樣對(duì)于相同網(wǎng)格內(nèi)單個(gè)細(xì)胞的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理就變得簡便易行。“通過光刻網(wǎng)格定位單細(xì)胞僅是一個(gè)很小的技術(shù)改造，但確實(shí)給我們的研究帶來很多方便。”汪福意介紹到。

(圖)ToF-SIMS與共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)成像聯(lián)用時(shí)的可尋址細(xì)胞定位

借力微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)液相反應(yīng)體系的SIMS實(shí)時(shí)原位分析

　　SIMS是基于高真空的分析技術(shù)，分析室內(nèi)真空度極高，無法分析液態(tài)樣品，生物樣品一般都是采取冷凍干燥或樹脂包埋等方式處理后再進(jìn)行SIMS分析。在2010年前，沒有人嘗試過用SIMS分析液體樣品，直到美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的兩位華人科學(xué)家朱梓華(Zhu Zihua)和于曉英(Yu Xiaoying) 開始研究真空兼容的微流控技術(shù)和裝置。

　　汪福意從2013年初開始與兩位科學(xué)家合作，進(jìn)行基于微流控技術(shù)的液相SIMS技術(shù)研究。其研發(fā)技術(shù)的核心是真空兼容微流控裝置，在留有微通道的聚合物基底上嵌入100納米厚度的氮化硅薄膜，兩端連接上微流控管道，通過一次離子束的轟擊可在薄膜上打出2微米的小孔。由于小孔直徑很小，即使在高真空中，液體的表面張力也能將微流控池內(nèi)的液體限制在小孔內(nèi)。這時(shí)的小孔內(nèi)液面即為分析表面，用一次離子束轟擊液面濺射出帶電離子，即可進(jìn)行反應(yīng)池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的原位實(shí)時(shí)分析。

　　由于液體表面可以實(shí)時(shí)更新，所以該裝置可以測定瞬時(shí)反應(yīng)中間體。在氮化硅薄膜上鍍上一層金屬電極，在反應(yīng)池內(nèi)嵌入對(duì)電極和參比電極，即可構(gòu)成三電極電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，加上電壓之后，可進(jìn)行電化學(xué)氧化還原反應(yīng)過程的原位實(shí)時(shí)檢測。對(duì)于液相SIMS分析技術(shù)，汪福意評(píng)價(jià)說：“這樣的分析對(duì)研究化學(xué)和生物反應(yīng)很有幫助，能讓我們更深入地了解化學(xué)、生物反應(yīng)過程。實(shí)時(shí)和原位分析的優(yōu)勢是能夠捕捉到一些轉(zhuǎn)瞬即逝的中間產(chǎn)物?！?據(jù)了解，國內(nèi)外都有不少科學(xué)家致力于用電噴霧電離(ESI)和解析電噴霧電離(DESI)等質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行反應(yīng)中間體研究，而用SIMS進(jìn)行(電)化學(xué)反應(yīng)過程和中間體研究的團(tuán)隊(duì)相對(duì)較少。汪福意團(tuán)隊(duì)還將利用此裝置開展電池的充放電反應(yīng)和均相或液相催化反應(yīng)研究。

　　SIMS研究固體樣品，無論是礦物質(zhì)、材料還是生物質(zhì)凍干切片都是分析其最終狀態(tài)，而液相SIMS技術(shù)讓研究活細(xì)胞的生物化學(xué)過程，如神經(jīng)遞質(zhì)的釋放等成為可能。

增進(jìn)交流與學(xué)科交叉，鋪就SIMS發(fā)展之路

　　憑借超高的空間分辨率，發(fā)揮在藥物及代謝物成像研究和生物反應(yīng)中間產(chǎn)物分析中的優(yōu)勢，SIMS理應(yīng)在生物研究領(lǐng)域大有作為。然而，國內(nèi)用于研究的SIMS儀器數(shù)量仍然不多，包括地學(xué)和材料分析在內(nèi)也僅有二十多臺(tái)。據(jù)汪福意分析，目前ToF-SIMS的價(jià)格在800萬左右，NanoSIMS的價(jià)格更高，價(jià)格昂貴是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。另外，SIMS儀器維護(hù)較為復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高，樣品制備等過程對(duì)技術(shù)要求也比較高，也是制約SIMS廣泛應(yīng)用的因素。

　　汪福意對(duì)今后SIMS的應(yīng)用發(fā)展并不擔(dān)憂，他說：“國家在儀器研發(fā)和應(yīng)用研究方面的投入越來越大，相信以后會(huì)有更多的實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)SIMS儀器?！?在十二五國家重大科研儀器研制項(xiàng)目中，有兩個(gè)項(xiàng)目涉及二次離子質(zhì)譜，分別為“高分辨多功能化學(xué)成像系統(tǒng)”和“同位素地質(zhì)學(xué)專用TOFSIMS科學(xué)儀器”。汪福意參加了中科院化學(xué)所萬立駿院士領(lǐng)銜的 “高分辨多功能化學(xué)成像系統(tǒng)”的研究，負(fù)責(zé)SIMS和高分辨光學(xué)顯微鏡技術(shù)聯(lián)用成像子系統(tǒng)的研究工作;北京離子探針中心劉敦一研究員領(lǐng)導(dǎo)的 “同位素地質(zhì)學(xué)專用TOFSIMS科學(xué)儀器”項(xiàng)目主要研制和開發(fā)用于高精度同位素豐度分析的TOFSIMS新技術(shù)。

　　我國在二次離子質(zhì)譜在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與國際上同類研究的水平相當(dāng)，在一些領(lǐng)域甚至處于國際領(lǐng)先水平。“但是在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究與國際同行相比仍然有較大的差距，推進(jìn)SIMS在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用需要國內(nèi)同行共同努力?！蓖舾Ｒ夂推渌坞x子質(zhì)譜領(lǐng)域的專家們?cè)诓粩嗉訌?qiáng)與國際SIMS應(yīng)用研究同行的聯(lián)系與交流。他們把每兩年一屆的國際二次離子質(zhì)譜大會(huì)看作一個(gè)讓國內(nèi)研究學(xué)者直接接觸國際前沿SIMS技術(shù)的絕佳平臺(tái)，在中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)等組織的支持下，中國二次離子質(zhì)譜研究的專家學(xué)者們也一直致力于申請(qǐng)?jiān)摃?huì)議的主辦權(quán)。

采訪編輯：郭浩楠

　　后記：今年10月“第六屆中國二次離子質(zhì)譜會(huì)議”將在大連舉辦。汪福意研究員是此會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)的共同主席，他與其他SIMS領(lǐng)域的科學(xué)家們共同邀請(qǐng)到一些國際SIMS專家來介紹他們的前沿技術(shù)和最新研究成果，與國內(nèi)研究者們共同探討SIMS技術(shù)及應(yīng)用。正在或有意應(yīng)用SIMS技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究的科學(xué)家們希望通過會(huì)議或其他各種形式與國內(nèi)外同行交流、溝通，尋求與其它學(xué)科的交叉合作。

　　生命科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家可能并不完全了解SIMS技術(shù)，也不太清楚SIMS技術(shù)能解決生命科學(xué)研究中的哪些具體問題;而SIMS分析的研究者也可能不太了解生命科學(xué)的研究焦點(diǎn)，彼此存在“背靠背”的窘境。希望更多的科學(xué)家能夠了解SIMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域跨學(xué)科合作以解決更多生命科學(xué)難題。

附件：汪福意研究員簡歷

　　學(xué)習(xí)經(jīng)歷

　　1999年6月 武漢大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位

　　1991年6月 華中師范大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)，獲理學(xué)碩士學(xué)位

　　1983年7月 華中師范大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位

　　工作經(jīng)歷

　　2007 – 至今 中國科學(xué)院化學(xué)研究所“百人計(jì)劃” 研究員、課題組長、博士生導(dǎo)師、北京質(zhì)譜中心主任

　　2002 – 2007 英國愛丁堡大學(xué)化學(xué)系　英國研究基金會(huì)(RCUK) Research Fellow

　　2000 – 2002 英國愛丁堡大學(xué)化學(xué)系　英國皇家學(xué)會(huì)皇家獎(jiǎng)學(xué)金Research Fellow

　　1997 – 1999 華中師范大學(xué)分析測試中心　副教授，副主任

　　1991 – 1997 華中師范大學(xué)分析測試中心　講師，無機(jī)分析部主管

　　1983 – 1988 湖北咸寧師范高等專科學(xué)?！≈?，講師

　　學(xué)術(shù)任職

　　中國物理學(xué)會(huì)質(zhì)譜分會(huì)常務(wù)理事、有機(jī)質(zhì)譜專業(yè)委員會(huì)委員 (2008.9 – 2012.8)，生物質(zhì)譜專業(yè)委員會(huì)副主任委員(2012.8 –)

　　中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會(huì)蛋白質(zhì)組專業(yè)委員會(huì)委員 (2011.4 –)

　　美國化學(xué)會(huì)會(huì)員

　　中國化學(xué)會(huì)會(huì)員

　　國際生物無機(jī)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員