碳納米材料因?yàn)槠洫?dú)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(lái)，碳納米材料由于在藥物輸送、光動(dòng)力學(xué)治療、組織工程以及生物成像等方面的重要價(jià)值，成為生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(wèn)題目前依然存在爭(zhēng)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(shí)際價(jià)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(shí)用有效的方法。
對(duì)于碳納米材料的生物監(jiān)測(cè)或成像，通常采用放射性同位素或熒光標(biāo)記法，因費(fèi)時(shí)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(hào)弱、背景干擾強(qiáng)等缺點(diǎn)。質(zhì)譜成像技術(shù)提供了一種同時(shí)獲取生物樣品形貌及其分子信息的檢測(cè)手段，各個(gè)種類分子可以在10微米及以下的空間分辨率被獨(dú)立檢測(cè)出來(lái)。這種技術(shù)屬于內(nèi)源性的“免標(biāo)記”法，因?yàn)榉肿佣加衅涔逃匈|(zhì)量，只要分子可以被離子化就可以被檢測(cè)出來(lái)。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(cè)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(guò)基質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移離子化。然而，沒(méi)有人證實(shí)過(guò)MALDI質(zhì)譜檢測(cè)完整碳納米材料的能力，因?yàn)楹茈y找到與其共結(jié)晶的合適的基質(zhì)。如果沒(méi)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(cè)的質(zhì)量范圍。
為了解決這個(gè)問(wèn)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(guò)程中產(chǎn)生的固有碳負(fù)離子簇(C2-C10)指紋信號(hào)，該質(zhì)譜信號(hào)幾乎不受任何生物分子的背景信號(hào)干擾。結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜，同時(shí)實(shí)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(hào)的發(fā)現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)質(zhì)譜方法無(wú)法直接檢測(cè)納米材料的難題，將質(zhì)量信號(hào)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(hào)，避免了標(biāo)記基團(tuán)在活體循環(huán)過(guò)程中可能產(chǎn)生的解離、衰變或者失活。同時(shí)，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(diǎn)。
研究人員證實(shí)并比較了碳納米管、石墨烯和碳量子點(diǎn)的亞器官生物分布。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管和碳量子點(diǎn)在腎中主要分布在外部的實(shí)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(diǎn)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(diǎn)在小鼠器官中的超長(zhǎng)清除時(shí)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(diǎn)，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(qǐng)國(guó)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(píng)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(gè)特別讓人激動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是該方法可拓展同時(shí)檢測(cè)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(wú)論如何，活體納米材料的質(zhì)譜成像研究將有一個(gè)光明的未來(lái)。”
質(zhì)譜成像揭示碳納米材料的亞器官生物分布
