综述：通过激光解吸/电离质谱技术，设计用于精确代谢分析的无机纳米材料

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Engineering inorganic nanomaterials for precision metabolic profiling via laser desorption/ionization mass spectrometry

代谢组学依赖高效分析技术，无机纳米材料作为新型LDI MS矩阵，通过优化激光能量吸收、电荷转移及热转换效率，显著提升低丰度代谢物检测灵敏度，并解决传统有机矩阵的背景干扰和结晶不均问题，在生物流体靶向分析、疾病诊断代谢指纹和质谱成像中展现潜力。

　　

张曼|沈顺|史芳颖|邓春辉

复旦大学附属浦东医院医学研究中心，上海浦东医院，复旦大学生物医学科学研究院化学系，中国上海201399

摘要

代谢组学提供了生理和病理状态的全面功能快照，其发展在很大程度上依赖于高性能的分析技术。激光解吸/电离质谱（LDI MS）因样品制备简单、分析速度快且与高通量工作流程兼容性好而受到越来越多的关注。然而，LDI MS的分析可靠性从根本上取决于基质的表现。传统的有机基质在分析小分子时存在固有的缺点，包括强烈的低质量背景干扰、结晶不均匀以及在复杂生物样品中的重现性有限。近年来，无机纳米材料作为一种有前景的替代基质类别应运而生。由于其可调节的组成和结构，无机纳米基质表现出优异的激光能量吸收能力、高效的光热或等离子体能量转换能力、增强的电荷/电子转移能力以及卓越的热稳定性和化学稳定性，从而提高了对低丰度代谢物的检测灵敏度和选择性。本文系统总结了无机纳米基质的主要类别，包括贵金属纳米材料、碳基纳米材料、硅基纳米材料、金属氧化物和量子点，并特别关注了材料结构、物理化学性质与LDI MS性能之间的关系。此外，还讨论了无机纳米基质辅助LDI MS在代谢组学中的代表性应用，涵盖了靶向代谢分析、用于疾病诊断的非靶向代谢指纹图谱分析以及质谱成像。最后，对当前面临的挑战和未来发展方向进行了深入评估，包括基质标准化、解吸/电离过程的机理理解以及将基于无机纳米基质的LDI MS平台应用于临床和精准医疗的潜力。本文旨在为无机纳米基质辅助LDI MS的材料设计、方法优化和临床应用提供一个系统框架，从而促进其在精准医疗和转化研究中的发展。

引言

代谢组学是对生物系统中小分子代谢物的全面分析，能够直接反映细胞和生物体的状态[1,2]。作为复杂生化网络的最终产物，代谢物整合了遗传、环境和病理信息，因此为表型表达和动态生物反应提供了独特的窗口[3]。由于这些特性，代谢组学逐渐成为生物标志物发现、早期疾病筛查、诊断评估和治疗监测不可或缺的平台[4,5]。生物流体（如血清、血浆、尿液和唾液）是代谢组学研究的特别有价值的基质，因为它们易于获取、侵入性小，并能捕捉系统性的代谢变化，适合用于液体活检策略[6,7]。然而，由于生物基质的复杂性、代谢物浓度范围广（跨越多个数量级）以及对高通量、高灵敏度和快速分析工作流程的严格要求，生物流体代谢组学在分析上仍面临挑战[8,9]。

基于质谱（MS）的技术已成为不可或缺的核心方法[10,11]。在这一领域中，激光解吸/电离质谱（LDI MS）显示出显著的应用前景，不仅具有高通量检测能力和快速分析速度，样品消耗量少（微升到纳升级别），而且简化了工作流程，大大减少了样品预处理的需求[12]。这些特点使得LDI MS特别适用于临床代谢组学中的快速筛查和大规模队列研究。然而，众所周知，LDI MS的分析性能在很大程度上取决于基质，基质在促进分析物有效解吸和电离过程中起着决定性作用。传统的有机基质（如α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）和2,5-二羟基苯甲酸（DHB）虽然适用于蛋白质和肽等大分子的分析，但在小分子代谢组学中存在多种不可避免的局限性[13]。这些局限性主要包括低质量区域（<1000 Da）的强烈背景干扰、由于基质-分析物共结晶导致的信号重现性差，以及在复杂生物样品基质中的严重离子抑制效应。综合这些因素，降低了代谢物检测的灵敏度、可靠性和定量潜力[14]。

为了解决这些问题，无机纳米材料作为一种有前景的替代基质出现了。由于其可精确调节的物理化学性质，无机纳米材料有效弥补了有机基质的不足[15]。值得注意的是，它们在低质量范围内产生的背景信号极小，能够明确检测小分子代谢物。此外，许多无机纳米材料在常用激光波长下表现出强烈的紫外-可见光吸收（UV-vis），从而实现高效的激光能量捕获和快速能量转换以驱动分析物解吸。最重要的是，它们的组成、微观形态、孔结构和表面官能团可以合理设计，为满足不同的分析需求提供了前所未有的灵活性[16]。在激光照射下，无机纳米材料通过多种协同机制促进分析物的解吸和电离，包括光热转换效应（例如在碳基纳米材料中）、贵金属纳米颗粒中的局域表面等离子体共振（LSPR），以及材料-分析物界面处的电荷和激发态能量转移过程。这些机制共同显著提高了电离效率，使得在复杂生物样品中能够敏感地检测低丰度代谢物[14]。

在本综述中，我们全面概述了无机纳米材料辅助LDI MS在代谢分析方面的最新进展（图1）。首先总结了主要的无机纳米基质类别，包括贵金属、金属氧化物、量子点、碳基材料和硅基材料，并重点介绍了它们的物理化学性质和潜在的电离机制（第2节）。随后，讨论了它们在靶向代谢物分析、用于疾病诊断的非靶向代谢组学分析和质谱成像（MSI）中的转化应用（第3节）。最后，对当前面临的挑战进行了评估，并展望了未来的发展方向，旨在指导无机纳米基质的合理设计，加速其在临床和精准医疗中的应用。

术语定义和纳入标准：多孔硅（pSi）衍生平台：包括DIOS和NIMS。DIOS利用多孔硅的高比表面积和紫外吸收实现无基质解吸/电离；NIMS引入“引发剂”液相来辅助解吸。

SALDI：直接将分析物加载到纳米结构表面上；MALDI：在纳米颗粒分散形式下与样品共结晶后进行分析。

纳入标准：本文包括（1）材料本身为无机纳米级并作为LDI MS直接基质的研究；（2）涉及生物流体（血清、血浆、尿液等）或组织样本中代谢物分析的研究。

部分摘录

无机纳米材料

无机纳米材料在LDI MS中的成功应用源于它们能够被合理设计以具备特定的物理化学性质，从而直接增强解吸/电离过程。这些性质包括强紫外吸收、高效的电荷转移、可调的表面化学性质和独特的形态结构。以下部分将系统分析和总结这些创新基质的主要类别（表1）：贵金属，

LDI MS机制

在系统回顾了各种无机纳米基质后，有必要总结控制LDI MS的基本机制。在无机纳米材料辅助的LDI MS系统中，分析性能主要由两个密切相关的过程决定：分析物从基质表面的解吸和随后的离子生成。尽管不同的材料系统表现出不同的物理化学性质，但目前的研究表明存在几种共同的机制

生物流体中的靶向代谢分析

靶向代谢组学分析旨在精确检测和量化生物流体中的特定代谢物，是疾病生物标志物验证[30,122]、药代动力学研究[123]和环境污染物监测[78]等领域中的关键技术。得益于其可调的表面化学性质、独特的光物理性质和高效的激光能量转移机制，无机纳米基质能够实现高信噪比的目标检测

挑战与展望

由于其可调的物理化学性质和在激光能量捕获、界面电荷转移和电离增强方面的独特能力，无机纳米材料已成为LDI MS基础代谢分析中强大且多用途的基质类别。通过实现针对特定分析的代谢物敏感和选择性检测、非靶向代谢诊断以及质谱成像，无机纳米基质辅助的LDI MS极大地扩展了

CRediT作者贡献声明

张曼：撰写——原始草稿、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。 沈顺：撰写——审稿与编辑、可视化、数据验证、实验研究、概念构思。 史芳颖：撰写——审稿与编辑、数据验证、资源管理、项目协调、实验研究、概念构思。 邓春辉：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、实验研究、资金获取、概念构思。