电喷雾/光化学电离质谱成像源(DESI/PI)用于植物叶片代谢物原位成像
2026-07-08 27
应用领域：植物代谢组学；中药学；食品加工；
前言
植物叶片含有萜类、黄酮、糖苷、酚类、脂质等极性差异大的次生代谢物，其空间分布与生物合成通路、生理调控机制密切相关，是食品、医药领域研究的核心对象。传统电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI）受植物表皮蜡质屏障、电离极性限制、离子抑制效应影响，弱极性代谢物电离效率极低，大量关键活性物质难以检出。
物理脱蜡预处理会破坏代谢物原始空间分布，无法实现真实原位成像。印记法结合电喷雾/光化学电离(DESI/PI)质谱成像，将压力转印样品前处理与真空紫外后光电离技术联用，在常压条件下完整保留代谢物空间信息，通过光子二次电离使中极性、弱极性代谢物的检出种类与信号强度大幅提升，实现新鲜植物叶片中数百种代谢物原位成像，为解析植物代谢合成位点与转化通路提供全新表征手段。
实验材料和方法
仪器设备:电喷雾/光化学电离质谱成像源(DESI/PI)、安捷伦6224质谱仪（分辨率20000）。
实验试剂:色谱纯甲醇、甲苯、甲酸、氮气、多孔PTFE膜。
植物样品：新鲜鼠尾草叶片、银杏叶片、绿茶鲜叶。
结果与结论
1、后光电离（PI）显著提升代谢物检出覆盖度与信号灵敏度
单一DESI仅可高效检测大极性物质，萜类、烷基酚、黄酮等大量弱极性次生代谢物信号被抑制；引入后光电离（PI）后，DESI电离脱附产生的中性分子经光子诱导离子分子反应实现二次电离，正负离子模式性能同步提升。
正离子模式：相较传统DESI，DESI/PI额外检出80余种代谢物；鼠尾草叶、银杏叶、茶叶样本新增萜类、银杏酚、儿茶素、类黄酮糖苷等特征活性物质成像信号。
负离子模式：多数代谢物信号强度提升1~2个数量级，部分物质信号增强20~40倍。仅胆碱、磷脂酰胆碱等大极性脂质因喷雾溶剂中弱极性甲苯产生轻微信号抑制，其余全部代谢物成像信噪比显著优于单一DESI。
图1 植物叶片压印质谱成像实验工作流程示意图
2、典型植物叶片代谢物空间分布成像
（1）鼠尾草叶片
脱氢松香酸、松香酸、鼠尾草酸、熊果酸、齐墩果酸等二萜、三萜抗氧化物质均匀分布于叶肉，叶脉区域含量极低；甘油二酯中性脂质主要富集于叶脉，图2（C）可直观呈现萜类抗炎、抗癌活性物质的合成区域。
图2 （A）通过DESI/PI（红色）和DESI（黑色）压印鼠尾草叶的平均质谱图。（B）正离子模式下通过印记DESI/PI和DESI检测到的化合物的维韦恩图。（C）鼠尾草叶中一些代表性化合物的MS图像。
（2）银杏叶片
黄酮类（山奈酚、木犀草素、槲皮素）均匀分布于叶肉组织；银杏酚、银杏酸等烷基酚仅特异性分布于叶片分泌腔，二者空间分布互补；图3（C）能清晰区分银杏药用活性黄酮与产生毒副作用烷基酚的合成位点，为银杏药材质量控制提供依据。
图3 （A） 通过DESI/PI（红色）和DESI（黑色）压印银杏叶的平均质谱图。（B）正离子模式下通过印记DESI/PI和DESI检测到的化合物的韦恩图。（C）银杏叶中一些代表性化合物的MS图像。
（3）绿茶鲜叶
咖啡因集中于主脉并向叶肉扩散，印证茶叶咖啡因主要在叶脉幼嫩组织合成；茶氨酸大量富集于叶柄、主脉，证实茶氨酸由根系经维管组织转运至叶片。
各类儿茶素（EC/EGC/ECG/EGCG）在叶脉区域丰度是叶片肉的2~6倍；没食子酸、β-葡萄糖、没食子酸等关键中间产物同样富集于叶脉，直接证明绿茶儿茶素生物合成核心区域为叶片主脉。
图4 （A）正离子模式下通过DESI/PI印迹检测到的茶叶中一些代表性代谢物的MS图像。（B）通过DESI/PI（红色）和DESI（黑色）得到的茶叶平均质谱图。（C）通过DESI印迹检测到的茶叶中一些代表性代谢物的MS图像。
结论
印记法结合电喷雾/光化学电离(DESI/PI)质谱成像，规避了植物表皮蜡质屏障干扰，无需化学脱蜡即可完整保留代谢物原始空间信息；DESI结合光子二次电离可兼容全极性区间代谢物，突破传统DESI电离极性歧视缺陷。
该方法成功实现鼠尾草、银杏、茶叶三类典型植物叶片数百种代谢物同步成像，可直观解析次生代谢物合成位点、转运规律与生物合成网络，为植物抗逆生理、药用植物药效物质、植物天然产物代谢通路研究提供高灵敏原位可视化工具。
参考文献
[1] Liutian Wu, Keke Qi, Chengyuan Liu*, Yonghua Hu, Minggao Xu, Yang Pan*, Enhanced coverage and sensitivity of imprint DESI Mass Spectrometry Imaging for Plant Leave Metabolites by Post-Photoionization, Analytical Chemistry, 2022, 94, 15108-15116