界面工程化等离子体共价有机框架纳米薄膜修饰二氧化钛纳米管实现通用质谱成像

《SCIENCE ADVANCES》：Interface-engineered plasmonic covalent organic framework nanofilms on TiO2 nanotubes for universal mass spectrometry imaging

本研究针对传统MALDI-MSI中有机基质干扰、空间分辨率受限等瓶颈问题，开发了基于液-液界面自组装的等离子体金纳米颗粒修饰COF纳米薄膜/TiO2纳米管复合基底。该平台通过协同等离子体增强、高效电荷转移和界面工程策略，实现了多种生物样本（植物印记、指纹转印、脑组织切片）的高灵敏度、高空间分辨率质谱成像，为复杂生物体系中分子空间分布分析提供了通用型无基质解决方案。

　　

在生命科学和医学研究领域，精确解析生物分子在组织中的空间分布对于理解生理病理机制具有革命性意义。质谱成像（MSI）技术能够在不使用标记物的情况下直接绘制生物组织中代谢物、脂质和蛋白质的二维分布图。然而，当前主流的基质辅助激光解吸电离（MALDI）技术严重依赖有机基质，这些基质晶体在低分子量区域（<500 Da）产生严重背景干扰，且其不均匀沉积会导致定量误差，极大限制了技术的灵敏度和空间分辨率。

为突破这一技术瓶颈，表面辅助激光解吸电离（SALDI）应运而生。该技术利用无机纳米材料替代有机基质，虽能避免基质干扰，但传统SALDI基底仍存在解吸/电离（DI）效率低、制备工艺复杂、与多样化生物样本兼容性差等问题。特别是在面对完整植物器官、多汁果实、指纹等特殊样本时，常规冷冻切片方法会导致组织变形或分子扩散，亟需开发能适配多种样本前处理方法的通用型SALDI平台。

针对这一挑战，研究人员在《Science Advances》上发表论文，提出了一种界面工程化的等离子体共价有机框架（COF）纳米薄膜修饰二氧化钛（TiO₂）纳米管的创新策略。该研究通过液-液界面自组装技术，在TiO₂纳米管（TDNT）上构建了金纳米颗粒（AuNP）修饰的DhaTph COF纳米薄膜（AuNP-DhaTph COF-TDNT），成功实现了对植物、动物和人体分泌物等多种生物样本的高性能质谱成像。

关键技术方法包括：通过电化学阳极氧化制备有序排列的TiO₂纳米管阵列；采用液-液界面自组装法在TDNT上生长金纳米颗粒修饰的COF纳米薄膜；利用扫描电子显微镜（SEM）、接触角测量仪等技术表征材料形貌与性质；应用355 nm Nd:YAG激光的飞行时间质谱仪进行SALDI-MS分析；对豇豆幼苗、长春花、小鼠/大鼠脑组织（来自南方医科大学实验动物中心）、草莓/猕猴桃和人体指纹等样本分别采用印记法、转印法和冷冻切片法进行前处理。

Fabrication and characterization of AuNP-DhaTph COF-TDNT substrates

研究团队开发了电位差介导的液-液界面自组装策略，在水/1,2-二氯乙烷界面成功构建了自支撑的AuNP-DhaTph COF纳米薄膜。该制备过程在常温常压下进行，通过分子内O-H···N-C氢键引导芳香骨架平面排列，形成具有规则纳米孔道的二维结构。扫描电镜显示COF纳米薄膜可均匀包覆在TDNT表面（管径69.2±11.6 nm），AuNP粒径为20.0±6.0 nm。接触角测试表明复合基底疏水性显著提升（90.5°），且对355 nm激光具有最高吸收效率，为高效光热转换奠定了基础。

SALDI-MS analysis of small biomolecules using AuNP-DhaTph COF-TDNT substrates

系统优化发现3天自组装时间可获得最佳性能。该基底对寡糖、核苷、生物碱、聚乙二醇、药物和染料等15类小分子均展现出优异检测能力，信噪比提升10-50倍，检测限达500 amol。以4-甲基苄基吡啶鎓（4-MeBP）为化学温度计和胡桃醌为电子捕获剂的评估表明，该基底具有显著提升的光热转换效率和电荷载流子迁移率。

Performance evaluation of AuNP-DhaTph COF-TDNT substrates

性能评估显示该基底具有卓越的稳定性和重现性，室温储存42天后性能保持稳定（RSD<7.5%），批次间和点间RSD均低于5%，显著优于传统有机基质。

Whole-plant imprinting MSI

研究人员首次实现了豇豆幼苗的全植物印记MSI分析，成功可视化三种新烟碱类农药（log K_ow值-0.549至0.800）在植物体内的迁移规律。发现dinotefuran（log K_ow: -0.549）在叶肉区域分布广泛，而acetamiprid（log K_ow: 0.800）主要积累在顶端叶脉。同时绘制了组氨酸、二糖等初生代谢物和2-糠酸、山奈酚等次生代谢物的组织特异性分布图。

Fingerprint stamping MSI

建立的转印MSI方法成功应用于草莓、猕猴桃等多汁果实和人体指纹分析。在指纹样本中实现了10 μm空间分辨率的脂质分子成像，清晰显示出汗腺孔、脊线分叉和终止点等微观特征，分辨率较FBI标准提升2.5倍。

Cryo-sectioning MSI of rat brains for early cerebral ischemia diagnosis

在大鼠大脑中动脉阻塞（MCAO）模型中，该技术成功可视化脑缺血区域的代谢重编程特征：ATP耗竭、次黄嘌呤减少表明能量代谢障碍；谷氨酰胺水平下降反映神经递质循环受损；抗坏血酸降低提示氧化应激增强；钠离子异常积累导致磷脂钠加合离子增加。这些发现为脑缺血早期诊断提供了分子影像依据。

研究结论表明，这种等离子体COF纳米薄膜修饰的TDNT基底具有三大优势：二维卟啉COF的扩展π共轭体系促进电荷快速转移；分级有序结构创建尺寸选择性通道；TDNT的n型半导体特性与AuNP表面等离子体共振产生协同效应。该平台实现了对植物、动物和人体样本的通用型分子成像，空间分辨率可达15 μm，为单细胞水平MSI分析奠定了基础。

这项研究通过巧妙的界面工程设计，将等离子体纳米材料、多孔框架材料和半导体纳米结构有机结合，攻克了传统SALDI技术在灵敏度、稳定性和样本兼容性方面的多重难题。所开发的通用型质谱成像平台不仅为植物代谢组学、疾病生物标志物发现和法医学分析提供了强大工具，更展示了先进功能材料在生命科学应用中的巨大潜力。