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空间代谢组学借助质谱成像（MSI）技术，实现了对代谢物空间分布的高通量检测，这一突破在代谢分析、药物监测以及疾病机制解析等领域展现出了重要的应用价值。特别是串联质谱成像（MS/MS imaging）技术，它能够同步解析分子结构及其空间分布特征，已经成为揭示生物分子空间定位与功能关联的关键工具。然而，这项技术的核心挑战在于如何在高空间分辨率采样的同时，克服样品量不足的难题，以实现对多种代谢物分子结构的同步解析。 近年来，随着仪器创新和分析方法的不断革新，国内外的研究团队已经开发出了一系列创新性的串联质谱成像策略，这些策略显著推进了空间结构代谢组学的发展。在该领域取得进展的基础上，清华大学马潇潇团队在Analytical Chemistry（《分析化学》）杂志上发表了题为"Advances in Tandem Mass Spectrometry Imaging for Next-Generation Spatial Metabolomics"的评述（Perspective）文章（2024年4月，https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c00157）。该文系统地梳理了串联质谱成像技术的最新研究进展，并前瞻性地探讨了结构分辨质谱成像技术的未来发展方向，为该领域的研究者提供有价值的参考。

 论文第一作者为清华大学精密仪器系博士生钱耀，通讯作者为马潇潇副教授。 图1 四种串联质谱成像方法：SRM/MRM成像，全扫描靶向串联质谱成像，DDA成像和DIA成像。 串联质谱成像技术可分为靶向（Targeted）和非靶向（Untargeted）两大策略。在靶向串联质谱成像中，仪器基于预设的前体离子列表进行循环采集，通过空间扫描同步获取目标代谢物的结构信息。根据扫描模式差异，该技术可进一步细分为：多反应监测成像（MRM/SRM）：基于三重四极杆（QqQ）质谱平台，通过特异性监测前体离子-特征碎片离子对，实现高灵敏度定量分析。其快速扫描和高灵敏度、准确定量特性尤其适合药代动力学研究中痕量化合物的定量空间追踪。全扫描靶向成像：完整获取目标分子的碎裂质谱图，尤其适用于分子结构的直接鉴定。通过与化学衍生技术（如Paternò-Büchi光化学反应、环氧化修饰）或新型解离方法（紫外光解离UVPD、臭氧诱导解离OzID）联用，可精准解析脂质双键位置异构体（C=C isomer）及sn-位置异构体（sn-position isomer）等精细结构特征，为代谢通路的空间可视化提供分子层面证据。 图2 非靶向串联质谱成像方法。 A 基于LTQ-Orbitrap的DDA成像方法。B 基于TIMS的SIMSEF成像方法。C 基于Cyclic-IMS的MMSD成像方法。D MMSD成像发现肝癌的潜在生物标志物。 

非靶向串联质谱成像方法包含数据依赖型（DDA）和数据非依赖型（DIA）两种模式，其核心差异在于质谱仪自动选择前体离子的策略。在DDA成像中，仪器根据一级质谱实时筛选信号强度最高的若干前体离子进行碎裂分析。通过数万个像素点的累积采集，该策略可在LTQ-Orbitrap平台上实现鼠脑组织内104种脂质分子的结构鉴定。当结合捕获离子淌度质谱（TIMS）时，离子淌度增强的DDA成像（SIMSEF）可进一步将脂质鉴定数量提升至200种。然而，由于每个离子的串联质谱仅在少量像素点被采集，DDA成像无法重构碎片离子的完整空间分布，因而难以解析同分异构体的混合分布。 

上述方法均采用窄隔离窗口（<3 Da）精确筛选前体离子，但在多目标串联质谱分析时面临离子利用率低的固有限制，导致空间分辨率显著降低。例如Julia Laskin团队利用nanoDESI结合靶向全扫描策略，虽实现了90个串联质谱的同时采集，但空间分辨率下降至147微米，且单像素采样时间长达14.7秒。清华大学欧阳证团队基于自主研制的双线性离子阱质谱仪，通过同步执行离子存储、传输与碎裂，成功在单像素点（10-50微米）完成10次串联质谱分析，从而精确解析了鼠脑组织中20种脂质碳碳双键位置异构体的空间分布。 

理论上，DIA方法可兼具靶向定量与DDA广谱解析的优势，但在质谱成像领域相关报道极少，主要受限于传统DIA依赖的色谱分离与成像时间尺度不匹配（>5分钟 vs. <1秒）。针对这一瓶颈，清华大学马潇潇课题组开发了基于离子淌度调制的序列解离技术（MMSD），首次在生物组织中实现了多结构脂质的高覆盖、多路复用串联质谱成像。该技术通过离子淌度分离耦合自动谱图解卷积，在每个像素点（20-50微米）获取大量脂质MS/MS谱图，揭示了小鼠脑内24种特征脂质的异构体分布，并且在人肝细胞癌组织中发现特异性脂质标志物PE 18:1_18:1。

相关成果已于2023年发表于《Angewandte Chemie International Edition》（https://doi.org/10.1002/anie.202312275）。 下一代结构分辨空间代谢组学技术应当在仪器硬件技术、质谱分析方法和数据处理软件全方面协同创新。例如将双线性离子阱与扫描速度更快、质量分辨率更高的飞行时间质谱仪联用可进一步提升其分析性能；对于DIA成像，应用更加灵活的DIA数据采集策略，例如SWATH，MSX等；应当开发适用于大数据的质谱成像数据解析软件，并针对分子结构鉴定开发质量控制算法。此外，在生物学应用方面，当前研究仍处于表型发现阶段，如何建立分子空间分布与细胞异质性、微环境调控等生物学机制的系统关联，将成为揭示代谢时空动态的核心突破口。