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在国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下，中国科学院化学研究所活体分析化学院重点实验室的研究人员长期致力于动物组织质谱成像技术的研究，先后开发了系列小分子新基质（Anal. Chem. 2012, 84, 465; Anal. Chem. 2012, 84, 10291; Anal. Chem. 2013, 85, 6646），并对半脑缺血（Anal. Chem. 2014, 86, 10114）、肿瘤转移等生物模型小鼠（Anal. Chem. 2015, 87, 422）的脑、肾、脾等组织进行了分子组织学质谱成像研究。最近，研究人员发展了一种通用、免标记的直接质谱成像方法，快速检测并对小鼠体内的碳纳米管、石墨烯和碳量子点等碳纳米材料进行定量成像研究。相关结果发表在近期的《自然·纳米技术》（Nature Nanotech. 2015, 10, 176）杂志上。

碳纳米材料因其独特的物理化学性质，在材料学领域具有广阔的应用前景。近年来，碳纳米材料在药物输送、光动力学治疗、组织工程以及生物成像等方面展现出重要价值，成为生物医学研究的热点。然而，关于碳纳米材料的生物效应及安全性仍存在争议，因此研究其在生物组织中的分布，尤其是亚器官水平的分布成像，对于揭示纳米材料与生物体的相互作用具有重要意义。但目前仍缺乏实用有效的方法。

对于碳纳米材料的生物监测或成像，通常采用放射性同位素或荧光标记法，但存在费时费力、标记物可能解离等局限性。免标记的光谱学方法则存在成像速度慢、发光信号弱、背景干扰强等缺点。质谱成像技术提供了一种同时获取生物样品形貌及其分子信息的检测手段，可在10微米及以下的空间分辨率下独立检测各类分子。该技术属于内源性“免标记”法，因为分子具有固有质量，只要能被离子化即可被检测。最常用的离子化方法是基质辅助激光解吸/电离（MALDI），但需要有机基质（通常为被测物的10000倍）与样品共结晶并用激光照射。基质吸收激光辐射后快速激发并蒸发，将样品转移至气相，并通过电荷转移使样品分子离子化。然而，尚未证实MALDI质谱能检测完整碳纳米材料，因为难以找到合适的共结晶基质，且碳纳米材料的巨大分子量远超质谱检测范围。

为解决这一问题，研究人员放弃传统基质，发现并利用碳纳米材料在紫外激光解吸电离过程中产生的固有碳负离子簇（C2-C10）指纹信号，该信号几乎不受生物分子背景干扰。结合飞行时间质谱，实现了小鼠体内碳纳米材料的亚器官质谱成像和定量分析。该碳负离子簇指纹信号的发现，克服了传统质谱无法直接检测纳米材料的难题，将质量信号窗口转移至质谱灵敏度高的小分子质量范围。与标记方法相比，该方法采用内源性化学信号，避免了标记基团在活体循环中可能发生的解离、衰变或失活；与免标记光谱方法相比，具有高信噪比、低背景干扰和准确可靠的优点。

研究人员证实并比较了碳纳米管、石墨烯和碳量子点的亚器官生物分布。研究发现，碳纳米管和碳量子点在肾中主要分布于外部的实质区域；在脾组织中，三种碳纳米材料主要分布于红质区域，且边缘区中碳纳米管浓度最高。定量结果表明，尺寸较大的未修饰碳纳米管和石墨烯主要富集在肺组织中，而碳量子点主要停留于内皮网状系统丰富的肝和脾中。此外，还意外发现碳量子点在小鼠器官中的超长清除时间。最后，该方法被拓展至小鼠肿瘤组织中药物负载的碳纳米管成像以及二硫化钼二维纳米材料的组织成像研究。

这些重要应用和发现表明，该方法结合了质谱成像和定量的优点，可用于纳米材料与生物体系相互作用研究，有望发展成为一种碳纳米材料乃至其他纳米材料生物分析的通用方法。论文发表后，Nature Nanotechnology杂志邀请国际知名质谱学专家Richard W. Vachet撰文评论：“这种成像技术提供了一种强大的活体定量纳米材料的方法，一个特别令人激动的优势是该方法可拓展同时检测纳米材料及其附近的蛋白质或其他生物分子，将深层次揭示生物分子和材料的相互作用。无论如何，活体纳米材料的质谱成像研究将有一个光明的未来。”