硅纳米线顶端增强光离子化耦合接触取样质谱技术的研究及其在代谢物快速分析中的应用

Metabolites are not only the important indicators of human health, but also can be served as biomarkers in cancer diagnosis and tumor precision classification. Therefore, the rapid monitoring of important metabolites in human tissues and body fluids is of great importance. However, current technologies for metabolites analysis usually require complex procedure for sample extraction and pretreatment, thereby decreasing the throughput in the clinical analysis. This project aims to establish a tip-contact sampling and ionization (TCSI) technology using silicon nanowires (SiNWs). The TCSI technology can rapidly analyze metabolites in tissues, skin and oral samples in both positive and negative ion mode on a mass spectrometric platform. To achieve the enhanced efficiency of laser desorption and ionization at the tip end of SiNWs array, the micro-structure and surface modification of SiNWs will be optimized. In addition, the efficiency of molecular imprinting, extraction and enrichment at the different surface-modified SiNWs array will also be explored when they are in contact with different types of biological samples mentioned above. Based on the TCSI technique, clinical samples including tumor tissues, sweat and oral secretion will be analyzed to reveal the feature metabolic biomarkers and the principle of relative content variation relating to certain disease. Furthermore, convenient approaches for the discrimination of tumor heterogeneity and monitoring of chronic metabolic diseases will also be established.

代谢物不仅是人体健康水平的重要指标，也可作为癌症检测及肿瘤精准分型的生物标志物。因此，对人体组织及体液中重要代谢物进行快速监测具有重要意义。 然而，目前对代谢物分析需经过复杂的提取及样本预处理过程，难以实现生物样本代谢物的快速临床分析。本项目拟构建硅纳米线（SiNWs）顶端接触取样及离子化技术（Tip-contact sampling and ionization，TCSI），在正负离子质谱模式下对组织、皮肤、口腔表面的代谢物快速分析。通过优化SiNWs微结构与表面修饰，增强纳米线顶端的激光解吸离子化效率；并探索不同表面修饰的SiNWs在与上述生物样本接触取样过程中的分子转印、萃取及富集效率。基于TCSI技术，拟分析代谢异常相关性高的肿瘤组织、汗液，口腔分泌物等样本，揭示与疾病显著相关的代谢标志物分子及其相对含量变化规律，并在此基础上建立肿瘤异质性判别方法及慢性代谢性疾病的快速监测手段。

代谢物是癌症诊断及精准分型的重要生物标志物。因此，对人体组织及体液中代谢物进行快速分析具有重要意义。然而，目前对医学样本代谢物分析需经复杂的提取及样本预处理过程，难以实现临床应用。本项目构建了硅纳米线（SiNWs）顶端接触取样及离子化技术（Tip-contact sampling and ionization，TCSI），在正负离子质谱模式下实现了对体液、细胞、组织中的代谢物快速分析。通过优化SiNWs微结构与表面修饰，增强了SiNWs顶端的激光解吸离子化效率；探索了不同表面修饰的SiNWs在与上述生物样本接触取样过程中的分子转印、萃取及富集、解吸与离子化效率。基于TCSI-MS技术，建立了肿瘤筛查、辅助诊断、细胞药敏及肿瘤异质性判别方法；揭示了与疾病显著相关的代谢标志物分子及其相对含量变化规律。通过本项目的实施，取得了如下成果：（1）通过光刻与金属辅助化学刻蚀联用技术，建立了垂直硅纳米质谱成像靶板及阵列式高通量质谱靶板的高度可控及可重复制备方法；（2）通过仿真计算及质谱探针分子明确了硅纳米线顶端增强解吸与离子化机理；提出了热驱动、电荷驱动、分子引发推进等机制在增强代谢分子激光解吸与离子化过程中的作用；提出了贵金属修饰及含氟高分子修饰对降低质谱背景信号，提升灵敏度、抗干扰、提高检测覆盖率等方面的重要作用；（3）建立了质谱数据的预处理、特征信号筛选，疾病诊断模型构建等算法；（4）成功地将TCSI芯片应用于血清、尿液、唾液、细胞提取液、组织提取液中代谢产物的分析，所建立的肝癌、泌尿系统肿瘤、胆管癌、肺癌等诊断模型在敏感性和特异性上均超过90%；（5）优化了TCSI-MSI质谱成像技术，通过二维材料修饰方式较好地解决成像过程中的“甜点”效应，同时提高了成像灵敏度、覆盖率和分辨率。TCSI-MSI成功地应用于肝癌、肾癌、非小细胞肺癌的鉴别诊断和分型。上述工作为临床代谢组高通量快速分析提供了优异的技术手段，部分成果已经处于转化应用过程中。