真空紫外激光解吸/电离单细胞质谱成像装置的研制和调试

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230360

摘要/Abstract

摘要：

开发同时具有亚微米分辨率以及高检测灵敏度的无基质质谱成像方法，对于可视化单细胞生物样品具有重要意义。在此，提出了真空紫外激光解吸/电离飞行时间质谱成像（VUVDI-ToFMSI）方法。通过调整基频光波长至777.7、403.22 和255 nm，汞蒸气池中氩气气压至1100 Pa以及温度至240 ℃，获得接近13 μJ/pulse的高强度VUV激光能量；同时，设计的同轴光路聚焦VUV激光至亚微米水平；另外，通过进一步调整偏转电场、离子聚焦电场以及反射电场的电负性以及电压等参数，离子的飞行路径得到矫正与优化。基于这种方法，实现了单个HeLa细胞中外源性药物亚甲基蓝（m/z 284.4）、内源性代谢物离子信号m/z 152.1以及m/z 81.1的纳米级成像（~500 nm/pixel），结果表明它们分别富集在细胞质、细胞核以及核仁内，证明了该方法在绘制单细胞不同区室内外源和内源性化学物质的高分辨以及高灵敏度的成像能力。该VUVDI-ToFMSI平台将为了解更多生物样本的精细结构与功能提供更完整、更深入的化学信息。

关键词: 单细胞, 质谱成像, 真空紫外, 亚微米分辨

Abstract:

Developing the matrix-free mass spectrometry imaging method with both sub-micron resolution and high detection sensitivity is of great significance for visualizing single-cell biological samples. Here， a vacuum ultraviolet laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry imaging （VUVDI-ToFMSI） method is proposed. By adjusting the frequency wavelengths of three fundamental beams to 777.7， 403.22 and 255 nm， and increasing the argon gas pressure and the temperature in the mercury vapor pool to 1100 Pa and 240 ℃， a high-intensity VUV laser was generated with energy close to 13 μJ/pulse in the laboratory. Meanwhile， the self-designed coaxial optical path focused the VUV laser to the sub-micron level. In addition， by further optimizing the voltage of the deflection， ion focusing， and reflection electric field， the flight path of ions was corrected. Based on this method， nanoscale images （~500 nm/pixel） of exogenous drug methylene blue （m/z 284.4）， endogenous metabolite ions at m/z 152.1 and m/z 81.1 were achieved in a single HeLa cell. The results showed that they were enriched in the cytoplasm， nucleus and nucleolus， respectively， demonstrating the high-resolution and high-detection-sensitivity imaging ability of this method in drawing the distributions of exogenous and endogenous chemicals in single-cell biological samples. The VUVDI-ToFMSI platform will provide more complete and in-depth chemical information for understanding the fine structure and function of more biological samples.

Key words: Single cell, Mass spectrometry imaging, Vacuum ultraviolet, Submicron resolution

中图分类号:

O652

邢蕾, 牟含章, 潘建斌, 康斌, 徐静娟, 陈洪渊. 真空紫外激光解吸/电离单细胞质谱成像装置的研制和调试[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 100-108.

Lei XING, Han-Zhang MOU, Jian-Bin PAN, Bin KANG, Jing-Juan XU, Hong-Yuan CHEN. Development of Vacuum Ultraviolet Laser Desorption/Ionization Single‑Cell Mass Spectrometry Imaging Instrument[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 100-108.

图/表 8

图1 VUVDI-ToFMSI装置的示意图与部分实物图。该仪器主要包括VUV光源产生系统（A、B）、分光室（C）、解吸/电离室（D）、反射式TOF分析仪（E）和信号采集系统

Fig.1 Schematic diagram and partial physical images of the VUVDI-ToFMSI device. The instrument mainly includes a system generating the VUV laser （A， B）， a separation chamber （C）， a desorption/ionization chamber （D）， a reflectron tube analyzer （E） and a signal acquisition system

图2 波长~403 nm（A）和~777 nm（B）的基频光对应的VUV光强度随波长的变化曲线

Fig.2 Variation curves of VUV laser intensity with wavelength corresponding to the fundamental lasers at wavelengths of ~403 nm （A） and ~777 nm （B）

图3 VUV光强度随（A）氩气压强及（B）汞蒸气温度的变化曲线

Fig.3 Variation curve of VUV laser intensity with （A） argon pressure and （B） the temperature of the mercury vapor

图4 透镜焦点法筛选VUV光示意图

Fig.4 Schematic diagram of screening VUV laser using lens focus method

图5 VUV 激光能量（~13 nJ）在~210000个脉冲过程中的变化

Fig.5 Changes in VUV laser energy （~13 nJ） during the ~210000 pulses

图6 （A） PMMA的质谱信号随VR2电压的变化图及（B）位于38 μs左右的质谱峰强度随VR2电压的变化曲线

Fig.6 Changes in mass spectra of PMMA with VR2 voltages （A） and variation curve of the peak intensity with VR2 voltages （B）， located around 38 μs

表1 VUVDI?ToFMSI仪器中反射腔内4个可调整的参数电压相对于地的正负性与最优值

Table 1 The polarity and optimal values of voltage elative to ground of four adjustable parameters in the reflectron tube of the VUVDI?ToFMSI instrument

Parameters	Polarity	Voltage value/V
Deflection electric field	-	200
Ion focusing lens	+	800
VR1	+	3 500
VR2	+	3 800

图7 （A）单个Hela细胞的光学图像。（B） DAPI的荧光图像。（C） MB的荧光图像。（D） m/z 152.1离子的质量图像。（E） m/z 81.1离子的质量图像。（F） MB（［C16H18N3S］+在m/z 284.4处）的质量图像。（G） A、B和C的合并图像。（H） D、E和F的合并图像。所有MS图像均以500 nm/像素检测。不同的颜色亮度代表离子的丰度，颜色越亮，离子的丰度越强。标尺： 8 μm

Fig.7 （A） Optical image of a single Hela cell. （B） Fluorescence image of DAPI. （C） Fluorescence image of MB. （D） mass image of ions at m/z 152.1. （E） Mass image of fragments of ions at m/z 81.1. （F） Mass image of MB （［C16H18N3S］+ at m/z 284.4）. （G） Merged image of A， B and C. （H） Merged image of D， E and F. All MS images were detected at 500 nm/pixel. Different color brightness represents the ion's abundance and the brighter the color， the stronger the abundance of the ions. Scale bar： 8 μm

参考文献 19

1	ZENONBI R. Single-cell metabolomics： analytical and biological perspectives［J］. Science， 2013， 342： 1243259.
2	XU S， MA W， BAI Y， et al. Ultrasensitive ambient mass spectrometry immunoassays： multiplexed detection of proteins in serum and on cell surfaces［J］. J Am Chem Soc， 2018， 141（1）： 72-75.
3	HU R， LI Y， YANG Y， et al. Mass spectrometry-based strategies for single-cell metabolomics［J］. Mass Spec Rev， 2021， 42（1）： 67-94.
4	OOMEN P E， AREF M A， KAYA I， et al. Chemical analysis of single cells［J］. Anal Chem， 2019， 91（1）： 588-621.
5	XING L， ZHAO C L， MOU H Z， et al. Next generation of mass spectrometry imaging： from micrometer to subcellular resolution［J］. Chem Biomed Imaging， 2023， 1： 670-682.
6	LIU H， PAN Y， XIONG C， et al. Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging （MALDI MSI） for in situ analysis of endogenous small molecules in biological samples［J］. Trac-Trend Anal Chem， 2022， 157： 116809.
7	YANG M， HU H， SU P， et al. Proteoform-selective imaging of tissues using mass spectrometry［J］. Angew Chem Int Ed， 2022， 61： e202200721.
8	MELANIE A B， BRUNET L G， MARY L K. Depth correction of 3D nanoSIMS Images shows intracellular lipid and cholesterol distributions while capturing the effects of differential sputter rate‍［J］. ACS Nano， 2022， 16（2）： 16221-16233.
9	HE C， HU X， JUNG R S， et al. High-resolution imaging and quantification of plasma membrane cholesterol by nanoSIMS［J］. Proc Natl Acad Sci， 2017， 114（8）： 2000-2005.
10	YUAN Z， ZHOU Q， CAI L， et al. SEAM is a spatial single nuclear metabolomics method for dissecting tissue microenvironment［J］. Nat Methods， 2021， 18（10）： 1223-1232.
11	BARUT I， HE X， SENER E， et al. Correlative cellular mass spectrometry imaging and amperometry show dose dependent changes in lipid composition and exocytosis［J］. Angew Chem Int Ed， 2023， 62（15）： e202217993.
12	HANLEY L， WICKRAMASINGHE R， YUNG Y P. Laser desorption combined with laser postionization for mass spectrometry［J］. Annu Rev Anal Chem， 2019， 12 （1）： 225-245.
13	YIN Z， CHENG X， LIU R， et al. Chemical and topographical single-cell imaging by near-field desorption mass spectrometry［J］. Angew Chem Int Ed， 2019， 58（14）： 4541-4546.
14	BOOKNEYER C， ROHLING U， DREISEWERD K， et al. Single-photon-induced post-ionization to boost ion yields in MALDI mass spectrometry imaging［J］. Angew Chem Int Ed， 2022， 61（34）： e202202165.
15	WANG J， LIU F， MO Y， et al. A new instrument of VUV laser desorption/ionization mass spectrometry imaging with micrometer spatial resolution and low level of molecular fragmentation［J］. Rev Sci Instrum， 2017， 88（11）： 114102.
16	WANG J， WANG Z， LIU F， et al. Mass spectrometry imaging of intact cholesterol in a mouse esophagus tissue section and mouse zygotes using VUV laser desorption/ionization method［J］. Int J Mass Spectrom， 2018， 432： 9-13.
17	WANG J， WANG Z， LIU F， et al. Vacuum ultraviolet laser desorption/ionization mass spectrometry imaging of single cells with submicron craters［J］. Anal Chem， 2018， 90（16）： 10009-10015.
18	MOU H Z， PAN J， ZHAO C L， et al. Nanometer resolution mass spectro-microtomography for in-depth anatomical profiling of single cells［J］. ACS Nano， 2023， 17（11）： 10535-10545.
19	LU Y， JIAO R， CHEN X， et al. Methylene blue-mediated photodynamic therapy induces mitochondria-dependent apoptosis in HeLa cell［J］. J Cell Biochem， 2008， 105（6）： 1451-1460.

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[1]	李琳, 钱四化, 吕天琦, 王宇辉, 郑建萍. 新一代测序技术的文库制备方法研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(1): 11-23.
[2]	李文杰, 王利雪, 孙令辉, 游伟, 赵雅彬. 基质辅助激光解吸电离质谱成像在指纹分析中的研究进展[J]. 应用化学, 2020, 37(10): 1137-1146.