综述：黑磷辅助激光解吸/电离质谱技术的进展与新兴前沿

《Materials Today Nano》：Advances and emerging frontiers in black phosphorus-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry

黑磷作为激光解吸电离质谱（LDI-MS）矩阵材料，具有高灵敏度、低背景干扰和宽质谱范围优势，显著优于传统有机基质和其它二维材料。本文系统综述了BP在LDI-MS中的应用进展，对比了其与MALDI-MS、电化学传感及表面增强拉曼散射等技术的性能差异，并探讨了优化矩阵、开发临床应用及机理研究等未来方向。

　　黑磷（Black Phosphorus, BP）作为一种新型的材料，近年来在激光解吸/离子化质谱（Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry, LDI-MS）技术中展现出巨大的应用潜力。特别是对于小分子的敏感和选择性检测，BP作为基质材料的优势日益凸显。传统有机基质在LDI-MS中虽然被广泛使用，但在小分子分析中存在诸多局限，例如低质量范围的背景干扰、离子化效率较低等问题。BP凭借其独特的物理化学性质，如优异的光吸收能力、高载流子迁移率、大比表面积、良好的热化学稳定性以及较低的背景干扰，为小分子分析提供了一种更优的解决方案。

BP作为LDI-MS基质的潜力源于其独特的电子结构和光响应特性。其带隙特性随着厚度的变化而呈现显著差异，从体相材料的约0.3 eV到单层材料的约2.0 eV。这种可调的带隙特性使得BP能够适应不同波长的激光激发，从而实现更广泛的分子检测范围。此外，BP在单层和少层状态下能够发出高度线性偏振的光，这一特性有助于在质谱分析中提高信号的可重复性和检测精度。同时，BP的拓扑结构和电子特性也为其在离子转移过程中的表现提供了有力支持，使其成为一种理想的基质材料。

与传统的有机基质相比，BP在LDI-MS中的应用能够显著减少背景干扰。例如，常用的α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）、2,5-二羟基苯甲酸（DHB）和香豆酸（SA）等有机基质在低质量范围（<1000 Da）内常常产生较强的背景信号，这会限制其在小分子检测中的应用。而BP作为基质材料，由于其本身的化学稳定性和较低的背景信号，能够有效避免此类问题。此外，BP还具有良好的分散性，使得其在不同实验条件下的使用更加灵活和高效。

在实际应用中，BP被广泛用于多种形式的基质材料，包括块状BP、BP纳米结构、富含BP的有机基质以及基于BP的纳米复合材料。这些不同的形式可以根据具体的分析需求进行选择和优化，从而进一步提升LDI-MS的性能。例如，块状BP因其较大的比表面积和良好的热稳定性，适合用于高灵敏度的检测；而BP纳米结构则能够提供更高的光吸收效率和更精细的控制能力。同时，富含BP的有机基质可以结合传统基质的优势，提高整体的离子化效率和检测能力。

在生物医学和分析化学领域，BP辅助的LDI-MS（BALDI-MS）技术已被应用于多种小分子的检测。例如，在药物发现和疾病诊断中，BALDI-MS能够实现对低分子量物质的高灵敏度和高通量分析。与传统的MALDI-MS相比，BALDI-MS不仅在检测灵敏度和信号可重复性方面表现出色，还能够提供更多的分子识别信息。这使得BALDI-MS在分析复杂样品时更具优势，尤其是在临床样本分析中，能够有效避免传统方法可能带来的干扰和局限。

尽管BP在LDI-MS中的应用前景广阔，但其性能仍受到多种因素的影响。例如，不同形式的BP基质在不同样品中的表现可能存在差异，这需要根据具体的分析任务进行优化和调整。此外，BP的光响应特性虽然有助于提高离子化效率，但其在不同激光波长下的表现也需进一步研究和验证。因此，未来的研究方向之一是深入探讨BP基质在不同条件下的性能表现，并开发更加高效的合成策略，以满足多样化的分析需求。

在离子化机制方面，BALDI-MS与传统的MALDI-MS和SALDI-MS（Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry）存在一定的相似性，但也具有其独特之处。研究表明，BALDI-MS可能遵循一种类似于SALDI的机制，即通过基质材料的光吸收和能量转移过程实现分子的解吸和离子化。然而，BP的特殊结构和电子特性使得其在离子转移过程中的表现与传统基质有所不同，从而影响了最终的检测效果。因此，深入研究BALDI-MS的离子化机制对于优化其性能和拓展其应用范围具有重要意义。

与其他基于BP的分析技术相比，BALDI-MS在小分子检测方面展现出更强的适用性。例如，在电化学传感、荧光检测、比色分析、表面增强拉曼散射（SERS）和荧光成像等领域，BP也发挥着重要作用。然而，这些技术通常受限于特定的分析条件和分子类型，而BALDI-MS则能够提供更广泛的分析能力和更高的检测灵敏度。此外，BALDI-MS还能够实现质谱成像，这在生物医学研究和疾病诊断中具有重要价值。通过将BP基质与质谱成像技术相结合，研究人员可以更直观地观察分子在样品中的分布情况，从而为疾病机制的研究和治疗策略的制定提供有力支持。

在当前的研究中，BALDI-MS已被应用于多个领域，包括药物分析、生物标志物检测和环境监测等。这些应用不仅验证了BALDI-MS在小分子检测中的有效性，也展示了其在实际研究中的广阔前景。然而，为了进一步推动BALDI-MS的发展，仍需解决一些关键问题。例如，如何优化BP基质的物理化学性质，以提高其在不同分析任务中的适用性；如何开发适用于临床样本的检测方法，并确保其检测结果的准确性和可重复性；以及如何拓展BALDI-MS的应用范围，使其能够适应更多类型的分子和样品。

未来的研究方向还包括设计基于BP的混合基质，以结合不同材料的优势，进一步提升检测性能。此外，实验研究和理论分析的结合也将有助于揭示BALDI-MS的离子化机制，从而为优化其性能提供科学依据。随着对BP材料研究的不断深入，BALDI-MS有望在更多领域得到应用，为小分子分析提供更加高效和可靠的工具。

总的来说，BP作为LDI-MS的基质材料，具有显著的优势和广阔的应用前景。其独特的物理化学性质使得BALDI-MS在检测灵敏度、信号可重复性和分子识别能力等方面优于传统方法。然而，为了充分发挥BALDI-MS的潜力，仍需在基质优化、检测方法开发、应用拓展和离子化机制研究等方面进行深入探索。随着相关研究的不断推进，BALDI-MS有望成为小分子分析的重要技术手段，并在生物医学、药物研究和环境监测等领域发挥更大的作用。