021-5210 2968
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2026-06-25
敞开式质谱成像离子源是质谱成像系统的核心部件，其电离效率和极性覆盖范围直接决定了成像的信息深度和灵敏度水平。本文以传统DESI（解吸电喷雾电离）与新型DESI/PI（解吸电喷雾/光化学二次电离）双模式成像离子源为研究对象，从电离机制、离子传输效率、离子抑制效应三个维度进行系统性技术对比分析，并结合小鼠脑切片、植物代谢物、中药成分等典型实验数据，定量验证DESI/PI双模式在灵敏度提升和分子检出种类扩展方面的实际效果。
质谱离子源是将中性分子转化为气相离子的关键部件，其电离机制直接决定了质谱分析的分子覆盖范围和检测灵敏度。敞开式离子源（Ambient Ionization Source）因其无需复杂样品前处理、可在常压环境下直接分析的优势，成为质谱成像领域的主流选择。
| 发展阶段 | 代表技术 | 电离机制 | 极性覆盖 | 主要局限 |
|---|---|---|---|---|
| **代 | MALDI | 激光解吸/基质辅助 | 广泛 | 需基质喷涂，空间分辨率受限 |
| 第二代 | DESI | 电喷雾解吸/电离 | 仅极性组分 | 极性歧视，灵敏度不足 |
| 第三代 | DESI/PI | 电喷雾+光化学二次电离 | 全极性 | — |
DESI利用高压电场驱动的带电溶剂微滴（通常为甲醇/水混合溶剂）轰击样品表面，通过液滴撞击和溶剂萃取的双重作用将样品分子解吸，并在液滴飞溅过程中完成电离。
DESI的核心局限在于其电离机制的本质依赖性：
极性依赖电离：DESI的电离效率与分子的极性正相关，极性弱的分子（如中性脂质、萜类、黄酮类）电离效率极低
竞争性离子抑制：在复杂样品中，极性组分优先电离并竞争性地抑制弱极性组分的信号，导致弱极性组分的检出限大幅上升
灵敏度天花板：对非极性分子的检测灵敏度较极性分子低数个数量级
DESI/PI双模式成像离子源（MSI DPI）在传统DESI喷雾装置后增设一套光电离系统与高效离子传输管道，构成"两级电离+高效传输"的三段式架构：
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌──────────────┐ ┌────────┐ │ DESI喷雾 │ → │ 光电离系统 │ → │ 离子传输管 │ → │ 质谱仪 │ │ (一级电离) │ │ (二次电离) │ │ (钛合金) │ │ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └──────────────┘ └────────┘
DESI模块负责样品分子的解吸和极性组分的一级电离：
解吸过程：带电溶剂微滴撞击样品表面，将表面分子解吸进入气相
一级电离：极性分子在液滴飞溅过程中完成电离，生成[M+H]⁺、[M-H]⁻等离子
中性分子释放：弱极性和非极性分子以中性分子形式进入气相，等待二次电离
光电离模块对DESI释放的中性分子和弱极性分子进行光化学二次电离：
单光子电离机制：VUV光子能量（hv）大于分子电离能（IE）时，分子吸收光子发生电离：M + hv → M⁺ + e⁻
近通用电离覆盖：适当能量光子可电离IE在7-12 eV范围内的几乎所有有机分子
软电离特性：几乎不产生碎片离子，保持分子离子峰的完整性
通过开关光电离源，实现两种成像模式的灵活切换：
DESI模式（PI关闭）：获取极性组分的空间分布信息
DESI/PI模式（PI开启）：同时获取极性+非极性组分的空间分布信息
差减分析：将两种模式数据差减，可独立提取非极性组分的空间分布
DESI/PI双模式的灵敏度提升源于两个叠加效应：
新增电离通道：PI模块为非极性分子提供了全新的电离途径，这些分子在传统DESI模式下几乎无法电离
离子抑制效应减弱：PI电离是独立的单光子过程，不受DESI极性竞争电离的影响，弱极性组分信号不被极性组分抑制
灵敏度提升幅度 = DESI/PI信号 / DESI信号（对同一分子）
| 代谢物 | DESI信号 | DESI/PI信号 | 提升倍数 | 类别 |
|---|---|---|---|---|
| 茶氨酸 | 基准 | 14.5×基准 | 14.5倍 | 氨基酸 |
| 咖啡因 | 基准 | 61×基准 | 61倍 | 生物碱 |
| 胆固醇 | 几乎无信号 | 显著检出 | >205倍 | 非极性脂质 |
| 样品 | DESI检出种类 | DESI/PI新增检出 | 信号提升 |
|---|---|---|---|
| 鼠尾草 | 极性组分 | 单萜类、二萜类、三萜类 | 一个数量级 |
| 银杏 | 极性组分 | 黄酮类、银杏酸、腰果酚 | 显著 |
| 茶叶 | 极性组分 | 氨基酸类、儿茶素类、黄酮类 | 14.5-61倍 |
综合各类实验数据，DESI/PI双模式相对于传统DESI的灵敏度提升范围为1-4个数量级：
极性组分（DESI已可电离）：信号提升1-10倍（PI二次电离的叠加贡献）
弱极性组分：信号提升10-100倍（PI提供主要电离通道）
非极性组分（DESI几乎无法电离）：信号提升100-10000倍（PI唯一电离通道）
在DESI电离过程中，极性分子优先与带电液滴中的质子（H⁺）或其它离子结合，形成稳定的气相离子。当样品中极性组分浓度较高时，它们"抢走"了大部分可用质子，导致弱极性组分的电离概率大幅降低。这种竞争性抑制效应是DESI灵敏度不足的根本原因之一。
DESI/PI双模式通过引入独立的PI电离通道，从根本上改变了离子生成的竞争格局：
DESI通道：极性组分通过质子转移电离，竞争质子
PI通道：非极性组分通过光子吸收电离，不竞争质子
两通道独立运作：PI电离不受DESI离子抑制的影响，非极性组分的检出限大幅降低
这一机制使得复杂样品（如组织切片、中药材、血液）无需前处理即可直接上机分析，大幅提高了质谱成像的实用性和工作效率。
| 参数 | 传统DESI成像源 | MSI DPI成像源 |
|---|---|---|
| 电离方式 | 单一电喷雾电离 | 电喷雾+光化学二次电离 |
| 极性覆盖 | 仅极性组分 | 极性+弱极性+非极性 |
| 空间分辨率 | 50-200μm | 20-200μm |
| 灵敏度提升 | 基准 | 1-4个数量级 |
| 离子抑制效应 | 较强 | 显著减弱 |
| 样品前处理 | 需净化处理 | 直接上机 |
| 样品完整性 | 可能损伤 | 保持完整，可继续H&E检测 |
| 品牌兼容性 | 单一品牌 | Agilent/AB SCIEX/Thermo |
| 离子传输管 | 通用材质 | 自研钛合金，高效传输 |
| 温控系统 | 无/简单 | 320-350℃稳定加热 |
双电离耦合设计：DESI与PI的物理耦合与协同控制
自研钛合金离子传输管：高效离子传输+样品保护+便捷维护
电离室温控系统：320-350℃长时间稳定加热，保证离子脱溶剂效率和信号稳定性
多品牌兼容架构：一套成像源适配三大主流质谱品牌
模式灵活切换：DESI/DESI+PI双模式一键切换
在正离子模式中，DESI/PI模式成功检出：
黑素细胞痣区域：胆碱、磷酸胆碱、S1P、胆固醇、PC、SM
正常组织：非极性脂质MAG、DAG、TG
S1P、胆固醇、PC34:1、PC38:4的分布与H&E图高度吻合
参考文献：Talanta, 2021, 231, 122380
先盖章组：马克笔墨迹在交叉处有明显信号断裂
先写字组：印章印迹在交叉处信号显著低于先盖章组
精准区分"先写字后盖章"/"先盖章后写字"
卡马西平（CBZ）主要在叶缘检出，浓度是内部区域的2.3倍
揭示空间位置在污染物响应中的关键作用
参考文献：Environ. Sci. Technol. 2024, 58
DESI/PI双模式成像离子源通过耦合电喷雾一级电离和光化学二次电离，从根本上突破了传统DESI的极性歧视、灵敏度不足和离子抑制三大技术瓶颈。实验数据验证表明，该技术在灵敏度方面实现1-4个数量级的跃升，在分子检出种类方面新增百种脂质、萜类、黄酮类等重要代谢物，在离子抑制效应方面显著减弱，使复杂样品可直接上机分析。
作为国产自主研发的成像离子源，MSI DPI不仅实现了核心技术的自主可控，更通过多品牌兼容设计降低了质谱成像系统的建设门槛，为我国质谱成像技术的普及和应用拓展提供了可靠的技术支撑。
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