质谱成像技术的研究进展

2018-10-12

分析仪器 2018年5期

(1. 北京理工大学附属中学，北京 100089；2. 北京大学分析测试中心，北京 100871)

1 引言

质谱成像(mass spectrometry imaging, MSI)作为一种新型的分子影像技术，可以获得样品表面多种分子化学组成及各组分的空间立体结构信息[1-3]。其主要原理是将质谱分析与分子成像结合，通过激光或离子束照射样本切片使其表面分子离子化，随后带电荷的离子进入质谱仪，离子化分子被适当的电场或磁场在空间或时间上按照质荷比大小分离，经检测器获得质谱信号，再由成像软件将测得的质谱数据转化成响应像素点并重构出目标化合物在组织表面的空间分布图像[4，5]。与放射自显影、荧光成像等传统成像技术相比，质谱成像具有以下优点[6-10]：(1)样品前处理过程简单，无需提取组织中的目标物，可直接对样本切片进行分析；(2)无需荧光或放射性同位素标记，可以面向所有目标分子及非目标分子同时进行成像分析；(3)不仅可以提供样本切片表面的分子结构及质谱信息，还可以体现各分子的空间分布情况；(4)空间分辨率高、质量分辨率高、质量范围宽，可以实现从元素、小分子到多肽、蛋白质的检测。

随着质谱成像技术的不断发展与成熟，根据所用离子源及质量分析器不同，研究对象由元素分析发展到小分子质谱指纹图谱再到多肽及蛋白质分子成像。质谱成像技术已被广泛应用于基础医学、药学、微生物学、动物学、植物学等各个生命科学领域。

2 质谱成像技术的种类

MSI技术根据电离方式的不同，主要可分为：基质辅助激光解析电离质谱成像(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Mass Spectrometry Imaging, MALDI-MSI)[11，12]、二次离子质谱成像(Secondary Ion Mass Spectrometry Imaging, SIMS)[13，14]、解吸电喷雾电离质谱成像(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging, DESI-MSI)[15，16]。其他一些离子化技术，如空气辅助离子化(Air Flow Assisted Ionization, AFAI)[17]、表面解吸大气压化学离子化(Surface Desorption Atmospheric Pressure Chemical Ionization, SDAPCI)[18]、纳米结构启动质谱(Nanostructure-Initiator Mass Spectrometry, NIMS)离子化[19]，因适用于不同分析对象，在MSI分析中也得到应用。

2.1 MALDI-MSI

基质辅助激光解吸电离质谱成像技术(MALDI-MSI)是由Caprioli R M等[20]于1997年首次提出，是目前应用最为广泛的质谱成像技术。通过采用不同的基质，MALDI-MSI可以实现从蛋白质[21]、多肽[22]等生物大分子到脂类[23]、核苷类物质[24]等中等分子量生物分子及药物小分子的分析[25-27]。所使用的经典基质有3, 5-二乙氧基-4-羟基肉桂酸(又称芥子酸，SA)、α-氰基-4-羟基肉桂酸 (CHCA)和2, 5-二羟基苯甲酸(DHB)等。但由于这类基质的质谱响应易对小分子分析物产生背景干扰，因此常用于蛋白质等生物大分子的分析。有机盐类及无机纳米材料基质更适合小分子化合物的分析[28，29]。MALDI-MSI的流程通常如下：制备组织切片，选择合适的基质喷涂于组织切片表面，质谱成像软件根据切片尺寸大小将图像均分为若干点组成的二维点阵，质谱仪记录分子的空间信息(一般扫描间距为10～200 μm)，根据采集点的数量，采集时间一般2～6小时。采集具体过程为：聚焦的激光束照射扫描靶盘上的组织切片，基质与组织切面表面分子形成共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量，提供卷流，将样品分子送入气相，样品分子得到基质提供的电荷或反应离子从而发生电离，离子化分子进入质谱并被检测器检测并记录，设定好m/z范围，以峰高或者峰面积代表化合物的相对丰度，相对丰度以亮度强弱或者不同彩色图案来显示。计算机虚拟扫描质谱数据，形成该组织的二维离子密度图像。每个点的质谱数据经平均化处理获得一副代表该区域化合物分布情况的质谱图，最后所有数据集中得到该组织切片的化学组成及空间分布信息[30]。

2.2 SIMS

2.3 DESI-MSI

常压敞开式离子化质谱概念首次于2004年被提出[36]，无需在高真空条件下进行，为质谱成像技术的发展提供了新的可能。其中，解吸电喷雾电离(DESI)是第一种被报道的常压敞开式离子化技术，也是目前常压敞开式离子化质谱成像领域研究最多的一种方法[37]。在DESI-MSI中，样品的离子化是通过向样品喷射由ESI产生的带电雾滴来实现的，具体过程为施加有一定高电压的喷雾溶剂从毛细管喷出，在外侧雾化管所喷出的高速气流(通常为N2)雾化，形成带电的液滴后加速作用于载体的样品表面溅射出溶解有多种分子的次级带电液滴，次级液滴的溶剂在空间快速蒸发，电荷转移到待测分子形成气态样品离子，释放出的气态离子通过离子传输管进入质谱分析器而被检测[38]。DESI具有以下几点优势：(1)离子化过程在常温、常压下进行；(2)无需基质处理，避免了基质在低质量范围产生干扰，适合小分子化合物的成像分析；此外还避免了由于基质对样品的溶解，所引起的被测分子的移位现象，保证了质谱成像的准确性；(3)电离方式软，产生的碎片离子较少。但是DESI空间分辨率较低，一般为100～200 μm，尽管通过优化溶剂组成及流速可以将分辨率提高至12 μm[39]，与SIMS和MALDI-MSI相比仍有一定差距；此外，由于蛋白质大分子和非极性物质较难解离，DESI对此类物质的灵敏度相对较低。这些不足限制了DESI在更多领域的应用。

3 MSI的主要应用

3.1 MSI在药学领域的应用

药物在体内的各组织器官的空间分布及含量信息，可为药物的药代动力学、药理学、毒理学提供有力的依据。近年来，质谱成像技术逐渐成为药学研究中的热点，不仅可以反应各个组织中药物分布情况，还能提供药物代谢物信息及其含量变化规律，因此在药物研发中的各个方面显示出巨大的前景。

疾病会导致人体多处组织、器官中生理活动和生化反应的改变，通过质谱成像技术可以直观的比较健康、病理及药物治疗状态下人体器官组织中化学物质丰度的变化。Fartmann M等[40]建立了飞行时间二次离子质谱(time of flight secondary ion mass spectroscopy, TOF-SIMS)和非共振激光二次中性粒子质谱(non-resonant laser secondary neutral mass spectrometry, NR-Laser-SNMS)方法，对含硼(10B)抗癌药物即巯基十二硼烷二钠盐在人黑色素瘤细胞中的分布及吸收量进行了研究。巯基十二硼烷二钠盐是硼簇类化合物，含硼量高，可以载带更多的10B至肿瘤组织[41]。冻干人黑色素瘤细胞以巯基十二硼烷二钠盐进行孵育，K/Na比值的测定结果表明，所用的制备技术可保留活细胞的化学和结构完整性。质谱图像显示，细胞内和细胞外硼信号强度在不同硼浓度孵育后明显不同，肿瘤细胞大约可以吸收10～30%10B。两种技术相结合，可从癌细胞中获得非常高灵敏度和亚细胞分辨率的元素和分子图像。Vanbellingen Q P等[42]探讨了B细胞淋巴瘤2(Bcl-2)的抑制剂ABT-737对A-172人胶质母细胞瘤细胞系的治疗作用，利用3D-MSI-TOF-SIMS技术对未标记的药物分子离子以及特征碎片离子进行定位和鉴定，并建立了药物二次离子的定量检测方法，该方法在一定的治疗剂量内与药物浓度呈良好的线性关系。

药物代谢动力学的研究主要是为了对药物在体内的吸收、分布、代谢、排泄规律进行阐述，是药物研发中的重要组成部分。Khatib-Shahidi S等[43]利用MALDI技术对奥氮平在大鼠给药后体内的分布及代谢产物进行了研究。研究者在大鼠口服给药奥氮平(8 mg/kg)的2小时和6小时之后，对大鼠全身组织中的奥氮平及其代谢物进行分析。研究显示，奥氮平广泛分布在肺、脾、膀胱、肾、肝、胸腺等多个器官，同时可到达靶器官大脑及脊髓。其代谢物定位于膀胱，尿液中有7%的原型药物被排出。该研究可为更深层次的药理学及毒理学研究提供依据，在分子水平上揭示药物的疗效及副反应的产生原因。Chen J等[44]采用基质辅助激光解吸电离成像质谱系统(MALDI-MSI)，对特非那定及其活性代谢物非洛非那定在小鼠和大鼠全身组织中的分布及生物转化途径进行了研究。全身组织切片的MALDI-MSI数据显示，特非那定的口服生物利用度差主要是由于在化合物到达全身循环之前在肠道和肝脏中发生了首过代谢。Brignolebaudouin F等[45]向家兔眼中滴入含有防腐剂苯扎氯铵的滴眼液，家兔处死后，取出眼球，包埋在西黄蓍胶中，冷冻切片，采用基质辅助激光解吸电离飞行时间串联质谱成像(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight/time-of-flight, MALDI TOF/TOF)技术在正离子模式下对苯扎氯铵的分布情况进行观察，结果显示，苯扎氯铵在眼球外周、角膜和结膜以及角膜缘、近虹膜角、小梁网、视网膜和视神经中均有分布，可能有存在潜在的青光眼风险。

药物通常为小分子化合物，而MALDI技术中所使用的基质会对药物的质谱成像结果产生较大的影响。Seneviratne H K等[46]利用MALDI-MSI技术检测抗HIV病毒药物TFV及其磷酸化合成代谢产物TFV-DP。研究者分别在正负离子模式下优化TFV和TFV-DP的检测条件，具体表现为通过测试不同基质、基质浓度和激光能量来研究电离模式对药物的影响。所建立的MALDI-MS方法可用于检测和鉴定TFV和TFV-DP，还可用于研究TFV和TFV-DP在不同类型的组织中的空间分布，如易感染HIV的阴道和结肠组织。

近年来，为了对分子量相近的化合物进行准确区分，高分辨质谱技术在MSI中逐渐得到开发和应用。傅里叶变换质谱仪(MALDI-FTMS)可提供最佳测量准确度和质量分辨能力。Groseclose M R 等[47]利用基质辅助激光解吸傅里叶变换离子回旋共振质谱成像(matrix-assisted laser desorption/ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry imaging, MALDI-FTICR-MSI)技术对吡非尼酮在正常小鼠组织中的代谢反应进行研究。将药物代谢组学与组织学特征相结合，可为吡非尼酮对正常肺组织的代谢影响提供详细信息。

3.2 MSI在医学领域的应用

质谱成像技术可在分子水平对人体生理或病理活动进行可视化分析，在识别组织病理特征、确定代谢差异物、疾病早期诊断及治疗等方面有着广阔的应用。

Mirnezami R等[48]建立MALDI-MSI法，对肿瘤微环境(TME)的生物化学进行研究。在这项实验中，研究者们对12位患者的新鲜冰冻切片结肠直肠癌(CRC)组织和相邻的健康粘膜组织进行比较，结果表明，与健康组织相比，CRC组织含有特征磷脂标志物，且CRC的肿瘤微环境中不同形态区域之间存在生化差异。此外，研究者们发现肿瘤邻近组织与健康组织MALDI-MSI图显示存在生化差异，可被看作是一种与癌症相关的“场效应”。Martinlorenzo M等[49]用MALDI-MSI对动脉组织进行二维映射，用于蛋白质、代谢物和脂质的原位可视化。研究者采用常规饮食(对照组)和高胆固醇饮食(病理组)喂养家兔，建立早期动脉粥样硬化模型。在组织学表征之后，建立了在不同动脉层(内膜、介质)内原始位置的代谢物、蛋白质和脂质的可视化的MALDI-MSI方法，用于研究人健康动脉及动脉粥样硬化病变。蛋白质、代谢物和脂类的质谱成像分析共得到15个离子，可用于识别动脉粥样硬化并同时进行定位，极大地帮助研究动脉粥样硬化的潜在机制。Duhamel M等[50]通过将MALDI-MSI与蛋白质组学整合，对高级别胶质瘤(HGG)进行分类，并结合临床数据进行相关诊断和预测。研究者对五例3级胶质瘤患者进行肿瘤切除术后分析，结果显示在80%的病例中发现异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)突变，40%病例中存在染色体1p19q共缺失，且60%的病例中表皮生长因子受体(EGFR)产生了表达。这一分析为HGG的组织结构提供了新的见解。从MALDI MSI分析和组织微蛋白质组学获得的数据可以更准确用于活检诊断及分类。He C等[51]使用纳米二次离子质谱(NanoSIMS)成像，结合15个N-标记的胆固醇结合蛋白(PFO和ALO-D4)，生成中国仓鼠卵巢(CHO)质膜的高分辨率胆固醇分布图像。这些图像表明，由PFO或ALO-D4所结合的胆固醇在整个卵巢质膜上不是均匀分布的，而是在微绒毛上高度富集的。多形性胶质母细胞瘤(Glioblastoma multiforme, GBM)是最致命的人脑肿瘤之一。这些肿瘤生长的浸润模式包括个体和/或肿瘤细胞群的扩散。镁稳态是治疗高级别胶质瘤中一个活跃的研究领域。Chandra S等[52]使用F98大鼠胶质瘤作为人类GBM的模型，并结合二次离子质谱的元素/同位素成像技术(CAMECA IMS-3F离子显微镜)，用于研究冻干脑组织冷冻切片中单细胞中Mg分布，对主要肿瘤组织、邻近脑组织和邻近正常脑内浸润肿瘤细胞进行定量观察。脑组织中Mg含量显著低于4.70±0.93 mmol/kg，与肿瘤组织中11.64±1.96 mmol/kg和浸润肿瘤细胞中10.72±1.76 mmol/kg相比，具有显著性差异。单个肿瘤细胞的细胞核中结合型Mg含量更高。这些观察结果证实，Mg在肿瘤细胞中的流动及结合较强，该技术为进一步研究改变GBMs中镁稳态和激活镁转运通道，从而将其作为可能的治疗靶点提供了强有力的支持。Abbassighadi N等[53]采用解吸-电喷雾质谱(DESI-MSI)技术，对食管腺癌的淋巴结转移(LNM)进行了检测。90例淋巴结(LN)和11例食管胃切除标本的原发性肿瘤活检标本经DESI-MSI检测和分析，通过观察食管腺癌中脂质体分布情况从而对淋巴结转移进行预测。

3.3 质谱成像在植物学中的应用

MSI可通过非靶向性分析为植物初级及次级代谢产物如蛋白质、多肽提供高空间分辨率信息。香草醛是香草荚果中最重要的风味化合物。VPvAN蛋白对香草醛和香草醛葡萄糖苷的形成有催化作用。Gallage N J等[54]对香草切片进行解吸电喷雾电离质谱成像(DESI-MSI)分析，研究表明香草醛葡萄糖苷存在于在中果皮和胎盘层中，而香草醛则存在于中果皮中。VPvAN蛋白存于在叶绿体中。分离后的叶绿体质谱成像显示其将14C苯丙氨酸和14C肉桂酸转化成14C香兰素葡萄糖苷，表明香草醛合成过程中苯丙氨酸转化为香草醛葡萄糖苷的机制存在于叶绿体中。Duenas M E等[55]将高分辨MALDI-MSI应用于经过不对称克兰兹解剖的玉米叶片上，研究两种主要阴离子脂质，即磺基喹诺酮二酰甘油(SqDG)和磷脂酰甘油(PG)在四种基因型玉米的类囊体膜中的差异定位，并对SqDG和PG分子在叶肉(M)和丛鞘(BS)细胞中的含量进行了比较。结果显示SqDG在不同基因型玉米的光合细胞中均匀分布，然而PG在光合细胞分布不同，主要取决于基因型和脂肪酰基链成分。MALDI-MSI结合数据处理在中药材的分析鉴定方面前景广阔。王书娟等[56]应用基质辅助激光解吸电离质谱成像技术(MALDI-MSI)对人参、三七、西洋参3种参类组织切片进行直接分析。对植物组织冷冻切片的温度、切片的厚度、基质的种类、基质喷涂循环的干燥程度和孵育时间进行条件优化，从而提高方法的灵敏度，最终建立了31种皂苷在人参组织切片中的质谱成像图。应用该方法对人参、三七、西洋参进行了分析，可以成功区分了人参、三七、西洋参3种参类，共得到 9个特征离子可以作为区分3种参类的标记物。Peukert M探讨[57]了小分子成像技术中的样品制备过程对于研究大麦籽粒发育的重要性。样品制备的关键在于冷冻切片、基质的选择和基质应用的模式。研究表明，对于冷冻切片过程，最佳切片厚度的选择取决于两个主要影响因素：组织类型和组织年龄。在处理年轻的植物材料时，切片厚度为20 μm效果最好。更成熟的植物材料中，谷物所积累的淀粉更多，最佳切片厚度为30～40 μm。此外，相较于40 μm的切片，切片厚度在20～30 μm之间时信号强度更高，这是由于基质吸收太多而使灵敏度降低。

当使用MALDI-MSI分析小分子化合物时，基质会干扰化合物的检测。随着对植物代谢产物的空间分布研究的进一步深入，可以消除基质干扰的质谱成像技术应运而生。Holscher D用[58]无基质激光解吸电离质谱(LDI-MSI)技术对金丝桃属植物中具有高度紫外吸收的代谢产物进行研究。结果显示在金丝桃属植物叶、胎盘、雄蕊和花柱的暗腺中可检测到萘并二蒽酮类物质，如金丝桃素和假金丝桃素；双黄酮类化合也可在该属植物的花粉中得到溯源。该技术的最高空间分辨率可达10 μm，此外还成功证明LDI-MSI对于分析黄酮类化合物的可行性，并在细胞水平上对山奈酚、槲皮素和异鼠李素及其糖苷在植物器官中的空间分布情况进行质谱成像。Nizio? J等[59]利用金纳米粒子增强靶(AUPET)结合激光解吸电离质谱(LDI-SMSI)成像技术对大黄中的小分子物质进行研究。此方法无需任何基质且前处理简单，重点分析了大黄中生物活性物质的空间分布，如蒽醌衍生物及其糖苷、花色苷、黄酮类、多酚类、有机酸、维生素类等。

3.4 质谱成像在司法鉴定领域中的应用

质谱成像技术对于目标物的分析具有非破坏性的优势，因此常用于司法鉴定中字迹真伪的鉴定、痕量毒品的分析、指纹化学成分分析等方面。刘亚丽等[60]采用表面解吸常压化学电离质谱(SDAPCI-MS)技术对手写签名样品进行检测，通过对所得的质谱特征峰信号进行成像处理，获取书写油墨分布的强度信息。实验结果表明真实签名和伪造签名因为笔压轻重不同而油墨分布位置不同，据此能够区分签名的真伪。同时应用相似度算法对手写签名的特征成像数据进行分析，比较真迹之间以及真迹和伪迹之间的相似程度，结果表明改进的相似度算法能够对手写签名的真伪进行有效鉴定，此技术可在分子水平提供丰富的化学信息，对于笔迹的可靠分析将在法医鉴定等领域具有广泛的应用前景。Szynkowska M I等[61]利用表面辅助激光解吸-飞行时间质谱法对手指沾染不同违禁药物粉末后所留下的指纹进行表征及可视化分析。实验选用四种不同的违禁药物，即安非他明(AF)、甲基苯丙胺(MA)和亚甲基二氧基甲基苯丙胺(DMA，摇头丸),在手指接触过不同药物粉末后，分别在钢质、铝质、铜质和玻璃4种基质上留下指纹，并对指纹中残留的违禁药物粉末进行分析。该方法对于痕量的毒品分析具有重大意义。隐形指纹的显微成像和残留化学成分分析在司法鉴定中具有巨大的应用价值。基于质谱成像技术可对指纹中的痕量未知化学成分进行结构鉴定。黄璐璐等[62]利用基质辅助激光解吸电离质谱成像技术对隐形指纹进行采集，通过对指纹中不饱和脂肪酸含量对比分析，最终确定隐形指纹的残留时间。样品制备方法为将标准样品C16:1取样于半导体材料薄膜上，放置于室温，在不同时间通过质谱分析测定其氧化物与标准样品C16:1的峰信号强度之比。结果显示，随着时间的增长，氧化程度加深。在此基础上，将采集的指纹放于室温，在一定时间时，进行第二次指纹采集。通过质谱成像技术测定不同时间采集的指纹中不饱和脂肪酸信号强度变化，最终确定隐形指纹的时间。

3.5 质谱成像在其他领域中的应用

除药学、医学、植物学之外，MSI在其他领域也有广泛的应用。丁丽英等[63]利用表面解析常压化学电离串联质谱(SDAPCI-MSn)，建立了一种能在无需样品预处理条件下直接对纺织品中存在的致癌性邻甲苯胺进行检测的新方法。具体过程为分别以质子化邻甲苯胺(m/z108)及其特征峰碎片离子(m/z91)为探针，对穿过的衣服袖口进行二维质谱扫描，用不同颜色表示袖口上芳香胺信号强度的高低，在无损衣服的情况下获得该袖口上邻甲苯胺的质谱影像，在分子水平上对衣袖中邻甲苯胺的分布进行可视化表达，所成像图的空间分辨率达0.2 mm2，对了解致癌性芳香胺在纺织品中的分布具有重要意义。Francese S等[64]利用基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)对蜜蜂毒液进行研究。以猪耳和大鼠腿为研究对象，建立蜜蜂螫伤的体外和体内模型。MALDI-MSI用于研究3种毒液变应原(Api m 1，Api m 4，and Api m6)和两种毒液毒素(蜂毒明肽和肥大细胞脱粒肽)的扩散和分布，为设计和测试新毒液免疫疗法(VIT)的体内临床前研究开辟新的途径。杨水平等[65]利用表面解吸常压化学电离(SDAPCI)串联质谱，对鸡蛋中的三聚氰胺进行检测。以三聚氰胺的特征碎片离子(m/z85)为探针，对熟鸡蛋切面中进行二维质谱扫描，用不同颜色表示三聚氰胺的信号强度高低，获得熟鸡蛋切面中的三聚氰胺质谱成像。三聚氰胺的空间分辨率达0.6 mm2。结果表明超过99.8%的三聚氰胺不均匀的分布在蛋清中，蛋黄中几乎不存在。李欣昕等[66]应用液体辅助表面解吸常压化学电离源(LA-DAPCI)，对罗丹明6G进行测定。具体为通过电晕放电产生的初级离子和高密度带电液滴，能够对样品表面的中性待测物进行解吸电离，该离子源具有较高的离子化效率，适合复杂基体样品的质谱成像研究。为了满足质谱成像对空间分辨率的要求，研究者通过减小毛细管直径，更改萃取剂组成，调整萃取剂流速和载气流速，优化离子源的几何位置，有效提高了LA-DAPCI源的空间分辨率，并应用 LA-DAPCI-MS/MS方法对罗丹明6G进行测定，检测限可低至 0.01 ng/cm2，高空间分辨率及低检出限为LA-DAPCI应用于复杂基体样品的质谱成像研究提供潜能。王楠楠等[67]采用表面解吸常压化学电离( SDAPCI) 串联质谱成像技术，可以在无需样品预处理条件下直接对土壤中的塑化剂邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的分布情况进行分析。利用碰撞诱导解离串联质谱法对待测物母离子进行了结构鉴定，排除检测结果的假阳性；分别选择质子化 DEP(m/z223)及其特征峰碎片离子(m/z177)对土壤固体表面进行二维质谱扫描，获得 DEP 的质谱影像图。结果表明，未经任何样品预处理的实际土壤固体表面的DEP以团簇或颗粒状不均匀分布于土壤中，经雨水浸润后的土壤样品表面的DEP 含量和分布发生变化。DEP的空间分辨率为0.25 mm2，为复杂基体中塑化剂的含量和分布情况的研究提供了一种新思路。

4 质谱数据处理和统计分析

质谱成像所得到的数据是样品表面所有点的质谱数据的总和，数据量庞大且数据处理非常复杂。多元统计分析方法可以通过对质谱成像数据进行降维和特征提取，从而建立适合质谱成像数据分析的应用模型。目前，常用的应用于质谱成像数据处理的多元统计方法包括主成分分析(Principal component analysis, PCA)、聚类分析(Hierarchical cluster analysis, HCA)，正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least square discriminate analysis, OPLS-DA)等。此外还有因子分析法(Factor analysis, FA)、软独立建模分类法(soft independent modeling of class analogy, SIMCA)、人工神经网络(artificial neural network, ANN)等。这些方法成功地对大量质谱数据进行了降维和特征提取，推进了质谱成像技术在各领域的应用。

毛歆歆采[68]用空气动力辅助离子化质谱(Air Flow Assisted Ionization, AFAI)技术与成像软件的联用技术，针对乳腺肿瘤、甲状腺肿瘤两种人类常见的肿瘤组织标本冰冻切片进行扫描，探索并建立了通过脂质分子诊断病理标本方法。采用PCA及OPLS-DA等模型识别方法，对乳腺肿瘤各组进行数据对照分析，根据提取出的统计学意义的质荷比(m/z)对各标本成像，并与相应病理切片对照，发现各分子空间分布特点与规律。陈颖茜等应[69]用空气辅助离子化质谱成像技术(AFAI-MSI)，对鼻咽组织标本中富淋巴细胞区域进行代谢物轮廓分析。通过PCA建立相关模型、独立样本t检验，皮尔森相关性分析，ROC曲线分析等步骤，分别正/负离子检测模式中筛选出7个/6个在鼻咽癌组织与鼻黏膜慢性炎症组织中存在显著性差异的小分子代谢物，结果表明AFAI-MSI技术可用于小标本病理组织检测分析。陈一等[70]采用空气动力辅助离子源质谱成像技术，对3种不同颜料(红色、蓝色、黑色)的笔迹样品进行分析。采用因子分析法对该样品的成像数据进行分析，提取出3种颜料的特征质荷比，成像数据被分为背景、黑色、蓝色和红色因子。对因子分析与主成分分析的成像数据处理结果进行了比较，结果显示，因子分析可以更简单和定量地对特征质荷比进行取舍，在生物标志物提取、疾病诊断、药理分析等方面有较大的应用潜力。

5 结语与展望

质谱成像可提供待测分子的结构组成、丰度及其空间分布信息，因而该技术已经成为医学、药学、微生物学和植物学等多个生命科学领域的关键研究技术之一。为适应各分析对象特性的不同，各种离子化技术在质谱成像方面得以发展和应用。然而，不同的质谱成像技术在仪器、样品制备、空间分辨率和数据处理等多个方面都有各自缺点和局限性。为适应各领域的快速发展，质谱成像技术有待进一步的发展和改进，例如：(1)扩大质谱成像分析物范围，实现一次扫描中小分子与大分子物质的同时定性与定量，解决大小分子同时测定时质谱灵敏度差异较大的问题；(2)提高质量分辨率和空间分辨率，实现单细胞至亚细胞水平的高分辨成像分析，可用于监控特定基因的表达及细胞内生理活动；(3)开发数据处理软件，实现自动对质谱图像进行统计分析，避免人工分析方法的繁琐与误差；(4)开发活体质谱成像技术，可直接观察活体生物体内生理过程及病理变化，应用于疾病的诊断与治疗及药物研发等方面。