竇樹(shù)珍，王中舜，呂 男

（吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春130012）

表面輔助激光解吸/電離質(zhì)譜（Surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry，SALDIMS）是一種高通量的檢測(cè)低分子量分析物的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)［1，2］、司法鑒定［3，4］、食品安全［5，6］以及疾病檢測(cè)［7，8］等領(lǐng)域. 在SALDI-MS中，激光提供原始能量，無(wú)機(jī)納米材料作為介質(zhì)吸收能量并將其轉(zhuǎn)移給吸附在表面的分子，使分子解吸/電離，此過(guò)程中激光能量的高效吸收和轉(zhuǎn)移是提高激光解吸/電離（LDI）效率的關(guān)鍵. 目前主要使用的介質(zhì)可分為無(wú)機(jī)納米粒子（如各種金屬納米粒子）和納米結(jié)構(gòu)［9］. 其中具有納米結(jié)構(gòu)的固態(tài)基底更易于集成化和自動(dòng)化，具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，是SALDI-MS領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向.

硅基納米結(jié)構(gòu)是最常用的SALDI-MS基底之一，主要原因有：（1）硅材料易于機(jī)械加工，利用微機(jī)械加工技術(shù)可以在硅表面制備出多種納米結(jié)構(gòu)（納米線、納米柱以及納米孔等）［10］；（2）硅納米材料具有熱容量大、導(dǎo)熱系數(shù)低的特性，能夠促進(jìn)能量轉(zhuǎn)移［11］；（3）硅材料易于進(jìn)行表面改性，如通過(guò)硅醇衍生化可調(diào)控其表面化學(xué)性質(zhì)（親疏水性、生物分子/有機(jī)化合物的接枝、生化探針的固定化等）［12］. 研究表明硅納米結(jié)構(gòu)的表面形貌、表面化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和樣品承載能力等在分析物的解吸和電離過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用.

1 硅納米結(jié)構(gòu)的制備與功能化

制備硅納米結(jié)構(gòu)的基本工藝主要包括濕法刻蝕（使用液體刻蝕劑）和干法刻蝕（使用氣體刻蝕劑）.

電化學(xué)刻蝕（Electrochemically etching）和金屬輔助化學(xué)刻蝕（Metal-assisted chemical etching）是最常用的兩種濕法刻蝕硅的技術(shù). 電化學(xué)刻蝕可簡(jiǎn)單描述為在恒電流作用下，在含HF的電解液中，硅基表面作為陽(yáng)極被氧化溶解而凸凹不平，逐漸呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)［13］. 金屬輔助化學(xué)刻蝕則需先在硅基表面部分覆蓋貴金屬，將其置于含有HF和氧化劑的刻蝕液中. 氧化劑在金屬表面被還原，產(chǎn)生的空穴注入金屬中，將金屬氧化為相應(yīng)的陽(yáng)離子，隨后金屬陽(yáng)離子在硅表面還原，將硅氧化刻蝕. 整個(gè)過(guò)程中，貴金屬相當(dāng)于反應(yīng)的催化劑. 貴金屬粒子覆蓋區(qū)域的硅被刻蝕的速率較快，金屬粒子不斷下沉，最終在硅表面產(chǎn)生納米孔或納米線結(jié)構(gòu)［14］.

干法刻蝕通常指的是將硅片置于由刻蝕氣體輝光放電形成的氣態(tài)等離子體中，并在硅片表面發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，據(jù)此將干法刻蝕技術(shù)分為物理刻蝕、化學(xué)刻蝕和化學(xué)-物理刻蝕. 其中物理刻蝕具有各向異性的特點(diǎn)，但是選擇性較差；而化學(xué)刻蝕具有高選擇性但刻蝕是各向同性的. 化學(xué)-物理刻蝕法則結(jié)合了物理刻蝕的離子轟擊和化學(xué)刻蝕的活性粒子（氟系或氯系氣體），可通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕條件（如功率、腔體壓力）和氣體組分以調(diào)控刻蝕速率和選擇性［15］，其中最具代表性的技術(shù)是反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（Reactive ion etching）.

在硅片表面制備有序結(jié)構(gòu)需要有序圖案化掩膜以輔助刻蝕. 由于刻蝕劑對(duì)掩膜和硅基底的刻蝕速率不同，去除掩膜后便可在硅表面得到預(yù)期的有序結(jié)構(gòu). 最常見(jiàn)的圖案化模板技術(shù)包括傳統(tǒng)光刻、納米壓印和自組裝單分散膠體球等3種.

光刻技術(shù)（Photolithography）是目前應(yīng)用最廣泛的微觀圖案化技術(shù)，現(xiàn)在已成為將模板圖案復(fù)制到固體基底上的一類(lèi)技術(shù)的總稱(chēng). 其中傳統(tǒng)光刻技術(shù)指在掩膜的保護(hù)下，電磁輻射旋涂有光刻膠的固體基底，經(jīng)顯影液顯影后即可將模板的圖案復(fù)制到基底上［圖1（A）］. 光刻膠是特殊的光敏性材料，主要由感光劑、聚合物和溶劑組成，可在特定光波作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并改變自身結(jié)構(gòu)及性質(zhì). 根據(jù)發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型可分為正光刻膠和負(fù)光刻膠. 正光刻膠在曝光前難溶于顯影液，而曝光后轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軤顟B(tài)，此類(lèi)反應(yīng)被稱(chēng)為光致溶解反應(yīng). 與此相反，負(fù)光刻膠材料在曝光后由聚合物單體轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性聚合物，將非曝光區(qū)的單體材料用顯影劑溶去，即可實(shí)現(xiàn)圖案從掩膜到基底的轉(zhuǎn)移.

Fig.1 Preparation of polymer ordered structure templates on silicon surface by photolithography(A),nano-imprinting lithography(B) and self-assembly colloidal sphere technology(C), transferring ordered structure from polymer template to silicon by reactive ion etching and metal-assisted chemical etching(D)

納米壓印技術(shù)（Nano-imprinting lithography）通過(guò)聚合物的物理形變實(shí)現(xiàn)圖案的轉(zhuǎn)移：將具有納米結(jié)構(gòu)的印章以合適的壓力壓入液態(tài)熱塑性或紫外光敏感的聚合物中，印章的空腔中會(huì)填入聚合物，經(jīng)冷卻或紫外光照射固化處理后剝離，便可在基底表面的聚合物膜上得到與印章互補(bǔ)的納米結(jié)構(gòu)［圖1（B）］.

自組裝膠體球技術(shù)（Self-assembly colloidal sphere technology）是有效的制備二維圖案化納米結(jié)構(gòu)的方法. 在氣/液界面自組裝單分散的膠體微球最為常用，將膠體球的醇-水懸浮液通過(guò)微量注射器緩慢滴加在空氣-液體界面后，醇作為展開(kāi)劑促使膠體球在液面上快速擴(kuò)散，同時(shí)使得膠體球只能部分浸入液體. 膠體球之間強(qiáng)烈的吸引相互作用（如由于界面不對(duì)稱(chēng)而引起的偶極子之間的相互作用）導(dǎo)致其在界面處自發(fā)形成單分散的膠體球二維膜，并具有較強(qiáng)的凝聚力，易于被轉(zhuǎn)移至各種性質(zhì)的基底表面［圖1（C）］.

在圖案化模板的輔助下，利用刻蝕技術(shù)可以將模板的有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅表面［圖1（D）］，制備多種形貌的有序硅納米結(jié)構(gòu)，如以自組裝單分散的膠體球?yàn)槟０褰Y(jié)合金屬輔助化學(xué)刻蝕可制備出有序硅孔、硅錐和硅柱陣列［16～18］.

作為SALDI-MS基底，為了檢測(cè)特定類(lèi)型的分析物或提高解吸/電離效率，通常需要功能化硅納米結(jié)構(gòu). 其中官能團(tuán)功能化和金屬功能化是最為常用的兩種功能化方法. 官能團(tuán)功能化是指在硅結(jié)構(gòu)表面組裝具有特定官能團(tuán)的分子，以改變硅表面的化學(xué)性質(zhì). 金屬功能化是通過(guò)沉積技術(shù)將金屬納米材料與硅納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，利用兩者的協(xié)同作用以提高基底的LDI效率.

2 硅納米結(jié)構(gòu)對(duì)SALDI-MS檢測(cè)性能的提高

2.1 多孔硅

Fig.2 SEM of porous silicon in the top view(A) and the cross-sectional view(B), distinguishing smoker and non-smoker by comparison detection of nicotine from the MS finger imaging(C)[23] and the average S/N by breath samples(D) [24], Liquid-phase microextraction of analytes from complex samples on super-wetting porous silicon then LDI(E)[28]

多孔硅上的解吸/電離（Desorption ionization on porous silicon，DIOS）是首次也是最經(jīng)典的將硅基基底應(yīng)用于SALDI-MS 的例子，DIOS 由Siuzdak 等［19，20］于1999 年提出，電化學(xué)刻蝕制備的多孔硅（Porous silicon）經(jīng)硅烷分子功能化后用于解吸/電離分析物，成功地分析了包括碳水化合物、多肽、糖脂類(lèi)和藥物小分子在內(nèi)的30余種化合物，且可檢測(cè)出700 amol的緩激肽分子. 更多的研究表明，多孔硅的結(jié)構(gòu)形貌［圖2（A）和（B）］對(duì)于促進(jìn)LDI具有很重要的意義：高比表面積的結(jié)構(gòu)作為支架可負(fù)載更多的分析物分子；強(qiáng)紫外吸收能力保證了基底吸收更多的激光能量；低導(dǎo)熱系數(shù)有利于吸收的激光能量從基底傳輸給分析物分子；同時(shí)通過(guò)自組裝功能化分子對(duì)多孔硅表面進(jìn)行化學(xué)改性也可以?xún)?yōu)化其表面的電離特性［21，22］. 這種制備簡(jiǎn)單、普適性強(qiáng)、靈敏度高的硅基底引起了廣泛關(guān)注，除了進(jìn)一步探究多孔硅表面結(jié)構(gòu)和表面功能化對(duì)分析性能的影響，研究者更關(guān)注于將其拓展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域. Voelcker 等［23］制備了孔徑為80 nm，孔深為450 nm的多孔硅再經(jīng)五氟苯丙基氯二甲基硅烷（F5PhPr）功能化后將其用于從指紋圖譜中檢測(cè)外源性和內(nèi)源性藥物化合物，如在指紋中檢測(cè)尼古丁，以區(qū)分吸煙者和非吸煙者［圖2（C）］. 隨后他們［24］以被（十三氟-1，1，2，2-四氫辛基）-二甲基氯硅烷（F13）功能化后的多孔硅（孔徑為101 nm，孔深為660 nm）為基底直接從人呼出的氣體中檢測(cè)尼古丁［圖2（D）］，兩者均實(shí)現(xiàn)了免提取、免沖洗式地直接檢測(cè)小分子. 此外，他們［25］又利用1，3-雙（十七氟-1，1，2，2-四氫癸基）四甲基二硅氧烷（BisF17）功能化的多孔硅檢測(cè)各種非法藥物，包括美沙酮、可卡因和甲基苯丙胺等，并在唾液、血漿和尿液的復(fù)雜生物樣品中實(shí)現(xiàn)了美沙酮的高通量定量分析. Chistyakov等［26］研究了激光波長(zhǎng)和強(qiáng)度對(duì)三硝基甲苯（TNT）分子在多孔硅表面上解吸/電離的影響，研究表明激光誘導(dǎo)質(zhì)子從TNT分子轉(zhuǎn)移到多孔硅表面，而不是通常認(rèn)為的氣相離子分子反應(yīng)，為進(jìn)一步了解紫外激光照射下多孔硅表面負(fù)離子的形成機(jī)理提供了依據(jù). Coffinier等［27］利用類(lèi)似的硅納米結(jié)構(gòu)表面促進(jìn)離子化，在檢測(cè)谷胱甘肽、葡萄糖和抗生素等不同類(lèi)別的有機(jī)化合物方面表現(xiàn)出高性能.

本課題組［28］在利用多孔硅表面輔助LDI方面也做了創(chuàng)新性的工作，制備了超潤(rùn)濕多孔硅：將金屬輔助化學(xué)刻蝕得到的多孔硅的背面經(jīng)聚合物保護(hù)后只在正面自組裝十八烷基三氯硅烷（OTS）進(jìn)行單面超疏水改性，溶掉聚合物保護(hù)層后最終得到兩面表現(xiàn)出相反潤(rùn)濕性的多孔硅，即正面在空氣中超疏水而在水下超親油，背面在空氣中超親水在水下超疏油. 利用該基底結(jié)合液相微萃取法（Liquid-phase microextraction）快速?gòu)膹?fù)雜樣品中提取檢測(cè)物：先用幾微升有機(jī)溶劑從復(fù)雜樣品（如湖水、全血、尿液）中萃取目標(biāo)分析物，再用水下超親油的多孔硅正面收集有機(jī)萃取劑，然后直接用作SALDI-MS基底分析富集在多孔硅正表面的分析物分子［圖2（E）］. 這種方法從提取到檢測(cè)所用的時(shí)間少于3 min，具有較強(qiáng)的富集能力和優(yōu)異的選擇性，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床診斷和取證等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

納米結(jié)構(gòu)-引發(fā)劑質(zhì)譜（Nanostructure-initiator mass spectrometry，NIMS）是由Siuzdak 等［29］基于DIOS提出的分析方法，在刻蝕得到的孔結(jié)構(gòu)（10 nm）硅表面沉積引發(fā)劑化合物，激光輻照將陷在孔結(jié)構(gòu)中的引發(fā)劑汽化，從而觸發(fā)分析物的解吸/電離. 引發(fā)劑主要為聚硅氧烷、硅氧烷和硅烷. 與DIOS相比，此方法具有更高的靈敏度，可檢測(cè)到700 ymol 的維拉帕米（一種鈣拮抗劑）和500 amol 的牛血清白蛋白肽，還具有較高的空間分辨率，可實(shí)現(xiàn)組織成像掃描［29］. Northen 等［30］探究了NIMS 中多孔硅的孔隙大小對(duì)分析物選擇性的影響，結(jié)果表明，具有大孔隙的基底在檢測(cè)小分子時(shí)的靈敏度較高，這是由于基底表面積的增加促使表面吸收更多能量，提升了解吸/電離效率；與之相反，具有小孔隙的基底在檢測(cè)大分子時(shí)的靈敏度較高，這是因?yàn)樾】紫督档土丝着c大分子間的吸附能，避免大分子被吸附在孔內(nèi)，利于大分子的解吸/電離［圖3（A）］，這些結(jié)果表明基底表面孔的尺寸直接影響分析物分子的解吸/電離效率［圖3（B）］. 該課題組［31］又利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備了密集排列的硅納米柱結(jié)構(gòu)，由于其對(duì)入射光具有極低的反射率使表面呈黑色，常被稱(chēng)為黑硅（Black silicon），使用BisF17作為引發(fā)劑［圖3（C）］，探究了黑硅表面形貌對(duì)NIMS 檢測(cè)靈敏度的影響，表明大的表面積可以有效地提高NIMS 檢測(cè)靈敏度［圖3（D）］，也將NIMS中所使用的基底從孔拓展到錐形貌.

Fig.3 Schematic diagram of selectivity of NIMS surface morphology(pore sizes) to molecule size(A) and the correlation of NIMS surface morphology(pore sizes)and molecular length regarding NIMS sensitivity(B)[30],NIMS based on the black silicon surface(C)and the sensitivity study of NIMS(D)[31],the physical and chemical properties of DIOS and NIMS surfaces and their limit of detection(LOD)(E)[33]

通常認(rèn)為，DIOS和NIMS均基于多孔硅表面，但其在孔徑、深度和表面化學(xué)性質(zhì)等方面有所不同，DIOS多為大孔結(jié)構(gòu)，孔深為納米尺度，而NIMS為中孔結(jié)構(gòu)，孔深則為微米尺度，此外，DIOS通常由全氟化硅烷功能化，而NIMS則由重氟化硅氧烷如BisF17功能化［32］. 在DIOS中功能化分子通過(guò)化學(xué)方式附著在硅表面，而在NIMS中則通過(guò)物理方式吸附在表面［12］. 近期，Voelcker 等［33］同時(shí)使用DIOS 和NIMS的納米硅表面直接從復(fù)雜的生物樣品中檢測(cè)低濃度的生長(zhǎng)激素肽、合成代謝類(lèi)固醇和麻醉劑. 研究發(fā)現(xiàn)，DIOS 表面對(duì)檢測(cè)肽和類(lèi)固醇更有效，而NIMS 實(shí)現(xiàn)了較低的麻醉藥品檢測(cè)限度，兩者表面結(jié)構(gòu)的差異影響了其解吸和電離機(jī)制［圖3（E）］.

2.2 硅納米線

Fig.4 SEM of silicon nanowire in the top view(A) and the cross-sectional view(B) [36], comparison of the laser energy required on the silicon nanowire and porous silicon(C) [35], SALDI-MS spectrum for fresh and activated silicon nanowire(D)[36], schematic diagram of silicon nanowire tip enhanced elec?tron transfer(E), extraction(F) and SALDI-MS detection thiabendazole by tip-contact sampling method(G)[37],microbial MS imaging on silicon nanowire of Aspergillus strains 3G and 3Y(H)[38]

硅納米線（Silicon nanowire）與多孔硅均具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)及熱力學(xué)性質(zhì)，但由于硅納米線結(jié)構(gòu)具有更大的長(zhǎng)徑比，增大了結(jié)構(gòu)的比表面積［圖4（A）和（B）］，增加了吸附分子的數(shù)量，在SALDI-MS中有很大的應(yīng)用潛力［34］. 2005年Siuzdak等［35］通過(guò)優(yōu)化納米線的直徑、長(zhǎng)度和表面化學(xué)性質(zhì)，在納米線表面上實(shí)現(xiàn)了amol 水平的檢測(cè)靈敏度，與DIOS 相比，該方法將檢測(cè)所需的激光能量從15.3 μJ/Pulse降至0.3 μJ/Pulse，進(jìn)一步減少了背景離子干擾［圖4（C）］；另外，基于高表面積和液體毛細(xì)作用的特性，硅納米線表面還具有分離簡(jiǎn)單混合物樣品的能力，為在單表面上集成分離和檢測(cè)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、快速的平臺(tái)［35］. 同時(shí)高比表面積的硅納米表面也帶來(lái)了重大的挑戰(zhàn)：化學(xué)不穩(wěn)定以及易老化，Tan等［36］關(guān)注了這個(gè)問(wèn)題并研究了硅納米線表面在大氣、惰性氣體和真空環(huán)境中的表面潤(rùn)濕性、表面氧化行為和檢測(cè)靈敏度，最后提出用簡(jiǎn)單的真空干燥法激活老化的納米硅表面的方法，并將檢測(cè)限提升了1000倍［圖4（D）］. Wu等［37］將硅納米線的尖端看作是微萃取頭，方便、快速、有效地將內(nèi)源性代謝產(chǎn)物和外源性污染物從皮膚、組織或果皮中提取到硅納米線的頂端，利用尖端的電場(chǎng)增強(qiáng)和電子轉(zhuǎn)移有效地電離檢測(cè)分子［圖4（E～G）］. Yang 等［38］則利用硅納米表面檢測(cè)了兩種能產(chǎn)生密集氣生菌絲的真菌，為探索微生物的生長(zhǎng)和代謝打開(kāi)了大門(mén)，并證明了在納米硅上進(jìn)行微生物質(zhì)譜成像的潛力［圖4（H）］.

2.3 硅納米柱和硅納米錐陣列

Fig.5 Optical image(a, g) and MS imaging of mouse brain tissue section on silicon nanopost array[from negative?ion spectra(b—f) , from positive?ion spectra(h—l)](A)[40], numbers of metabolites in silicon nanopost array and MALDI?MS analyses of hepatocyte extracts and urine sample(B)[44],SEM of sili?con nanopost array and the correlation between the SALDI?MS signal intensity and the absorbance of silicon nanopost array(C)[45]

雖然硅納米孔表面和硅納米線表面對(duì)多種分析物分子有顯著的解吸/電離效果，但基底表面形態(tài)的不均勻性限制了對(duì)解吸/電離機(jī)理的進(jìn)一步研究，也阻礙了高質(zhì)量的質(zhì)譜成像技術(shù)的發(fā)展. 許多研究者通過(guò)制備形貌可控的硅納米結(jié)構(gòu)陣列為靈敏、可重復(fù)的檢測(cè)提供了更多的活性區(qū)域，近年來(lái)也受到越來(lái)越多的關(guān)注. Vertes等［39］的相關(guān)研究最為突出，他們首次將具有均勻的高吸光率的硅微柱陣列作為基底用于SALDI-MS檢測(cè)，并發(fā)現(xiàn)硅柱陣列的離子生產(chǎn)效率取決于入射激光束的極化. 隨后，他們［40］致力于將硅納米柱陣列（Silicon nanopost array）應(yīng)用于生物成像，檢測(cè)了小鼠冠狀腦組織和腎臟切片中的代謝物，在正離子和負(fù)離子模式下都保持了較高的信噪比（Signal-to-noise ratio，S/N）［圖5（A）］. 由于脂質(zhì)在生命體信號(hào)傳遞和疾病研究中發(fā)揮重要作用，各種生物樣品中脂質(zhì)的檢測(cè)和成像受到重點(diǎn)關(guān)注，將硅納米柱陣列應(yīng)用到人體組織中中性脂質(zhì)分布的定位，能夠根據(jù)所檢測(cè)到的中性脂質(zhì)的變化，對(duì)健康人和患病者的皮膚組織進(jìn)行成像和潛在鑒別［41］；研究發(fā)現(xiàn)，硅納米柱陣列表面可增強(qiáng)三酸甘油脂（TGs）、己糖神經(jīng)酰胺（HexCers）和磷脂酰乙醇胺（PEs）等很難通過(guò)傳統(tǒng)基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜（Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry，MALDI-MS）檢測(cè)到脂質(zhì)的電離作用［42，43］；隨后還通過(guò)分析肝細(xì)胞提取物和人類(lèi)尿液中的代謝物以比較兩種技術(shù)的高通量分析能力，并證明兩者在檢測(cè)到的代謝物分子覆蓋上有相當(dāng)大的互補(bǔ)性［圖5（B）］［44］.

本課題組［45］利用膠體球刻蝕技術(shù)制備了一系列高度、直徑可調(diào)的硅納米柱陣列，詳細(xì)研究了表面形貌（包括總表面積、光學(xué)吸收和表面空隙率）與離子解吸效率和內(nèi)能轉(zhuǎn)移的關(guān)系，表明基底的強(qiáng)光學(xué)吸收可以增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)移，從而有效地促進(jìn)了離子解吸［圖5（C）］；高的表面空隙率會(huì)誘導(dǎo)基底表面溫度升高，降低所需的激光閾值. 這有助于深入了解硅基LDI 的機(jī)理，為設(shè)計(jì)高性能硅基底提供合理的指導(dǎo).

Fig.6 Schematic illustration of the fabrication of silicon nanocone array as SALDI?MS substrate(A)and the dependence of S/N on the height of cones(B)[46],schematic illustration of the fabrication of ordered hydrophobic nanocone array decorated with hydrophilic spots SALDI substrate(C), the SEM in the cross?sectional view(D)and the detection reproducibility(E)[47]

本課題組［46］將仿生硅納米錐陣列（Silicon nanocone array）作為基底引入SALDI-MS［圖6（A）］，并通過(guò)改變硅納米錐陣列的高度和周期等表面特征來(lái)精確地調(diào)控基底對(duì)激光的抗反射特性，研究了吸收的激光能量在LDI過(guò)程中的作用及分布，通過(guò)優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)可將吸收的激光能量完全導(dǎo)入分析物的解吸/電離中［圖6（B）］，在檢測(cè)肽、氨基酸、藥物分子和碳水化合物方面表現(xiàn)出良好的性能，其中檢測(cè)10 fmol的緩激肽時(shí)信噪比仍高達(dá)11.39，并成功分析了糖尿病患者尿樣中的葡萄糖，證明了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的潛力. 本課題組［47］又設(shè)計(jì)一個(gè)表面有親水點(diǎn)陣的疏水有序硅納米錐陣列：先用金屬輔助化學(xué)蝕刻法制備了硅納米錐陣列，然后自組裝三氯（1H，1H，2H，2H-全氟辛基）硅烷（TPFS）單分子膜對(duì)其表面進(jìn)行疏水功能化，再通過(guò)光刻和氧等離子體親水化處理技術(shù)在疏水性納米錐陣列表面制備親水性點(diǎn)陣［圖6（C）和（D）］. 所有分析物分子都被限域在尺寸與激光斑點(diǎn)匹配的親水斑點(diǎn)中，能夠受到同一次激光的激發(fā)，從而消除了咖啡環(huán)效應(yīng)的影響，該基底有效提高了檢測(cè)重復(fù)性，如檢測(cè)1 pmol羅丹明6G分子時(shí)候，點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.42%［圖6（E）］，可促進(jìn)SALDI-MS的實(shí)際應(yīng)用.

硅納米柱和硅納米錐陣列都具有大比表面積、強(qiáng)光學(xué)吸收、高耐鹽性以及好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在SALDI-MS中都占有很重要的地位. 根據(jù)有效介質(zhì)理論［48］，硅納米錐結(jié)構(gòu)的折射系數(shù)是遞變的，與硅納米柱結(jié)構(gòu)相比具有更強(qiáng)的光學(xué)吸收能力，更有利于分子的解吸/電離.

2.4 金屬納米材料功能化的硅納米結(jié)構(gòu)表面

由于具有優(yōu)異的熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，金和銀納米材料是目前最常用于硅結(jié)構(gòu)功能化的金屬材料.

Fig.7 SEM(A) and SALDI?MS detection efficiency(signal intensity, S/N) (B) of Au nanoparticle grafted nanostructured silicon[50], schematic representation to the fabrication half hydrophilic and half hy?drophobic Au nanoparticle assisted nanostructured silicon substrate(C) and MS imaging of finger?prints(D)[51],preparation schematic illustration(E),SEM(F)and detection sensitivity(G)of the super?hydrophobic Au coated silicon nanocone array[52]

Wu 等［49］通過(guò)將金膜電沉積在多孔硅表面作為基底，利用該基底較強(qiáng)的表面等離子體效應(yīng)、電荷分離性能及孔的尺寸對(duì)蛋白的排斥能力，提高了LDI效率，在此基底上能檢測(cè)到的血清中肽的數(shù)量是多孔硅基底的2.4倍. Yang等［50］則在硅納米線上無(wú)電沉積金納米粒子［圖7（A）］作為基底，該基底可直接將吸附在其表面的葡萄糖催化成帶負(fù)電荷的葡萄糖酸分子，在檢測(cè)50 fmol的葡萄糖時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度高達(dá)1680，信噪比為499，呈現(xiàn)出較高的檢測(cè)靈敏度［圖7（B）］. 最近，García-Altares等［51］將金納米粒子濺射到黑硅表面，使用物理掩膜在反應(yīng)離子刻蝕機(jī)腔里分別用CHF3和O2對(duì)基底進(jìn)行超疏水和親水化處理，得到半親水半疏水的金/硅復(fù)合結(jié)構(gòu)表面［圖7（C）］，通過(guò)檢測(cè)指紋代謝物發(fā)現(xiàn)表面潤(rùn)濕性不僅會(huì)影響分子的粘附，可能還會(huì)影響分子的電離過(guò)程［圖7（D）］. 本課題組［52］在硅納米錐表面真空熱蒸鍍一層金納米薄膜后，通過(guò)自組裝巰基氟化物單分子層使金納米錐結(jié)構(gòu)具有超疏水性，將其作為SALDI-MS基底［圖7（E）和（F）］. 該基底可將分析物分子富集在能量較高的納米錐尖端，提高了能量利用效率，達(dá)到提高分析物分子解吸/電離效率的目的，實(shí)現(xiàn)了分析物的痕量檢測(cè)，如檢測(cè)到500 amol 的孔雀石綠［圖7（G）］.

銀納米材料的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，所以其應(yīng)用不如金納米材料廣泛，但是也有顯著的功能化作用，如在多孔硅表面濺射一薄層銀膜后，基底的質(zhì)譜成像能力、質(zhì)量和精度都在很大程度上得到改善［圖8（A）和（B）］［53］；使用銀納米粒子功能化的硅納米線表面成功地分析了油（如特級(jí)初榨橄欖油、花生油）提取物［54］. 本課題組［55］采用光刻和金屬輔助化學(xué)蝕刻相結(jié)合的方法制備尺寸與激光斑點(diǎn)匹配的硅柱陣列，自組裝TPFS 后洗掉光刻膠，得到頂部親水、底部和側(cè)壁疏水的硅柱，利用特殊的表面潤(rùn)濕性，將銀納米粒子和分析物分子都限域在柱頂端，提高了檢測(cè)小分子的靈敏度和重復(fù)性，該基底檢測(cè)酪氨酸的信號(hào)強(qiáng)度約為平面硅的30倍，且檢測(cè)2.5 fmol血管緊張素Ⅲ時(shí)的點(diǎn)到點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.4%［圖8（C～E）］.

Fig.8 Schematic diagram(A) and fingerprint MS imaging(B) on Ag coating nanostructured silicon[53],pre-paration schematic illustration(C), detection sensitivity(D) and detection reproducibility(E) of silicon pillar with hydrophilic top and hydrophobic bottom and side walls recombination with Ag nanoparticle[55]

除了修飾金和銀外，在硅基結(jié)構(gòu)表面修飾其它金屬也可以實(shí)現(xiàn)基底的功能化，如Vertes等［56］將鉻沉積到硅三棱柱頂面形成鉻領(lǐng)結(jié)形結(jié)構(gòu)，由于鉻領(lǐng)結(jié)與振蕩電場(chǎng)的表面平行分量的相互作用，其電離效率比硅納米柱提高了約17倍. Boukherroub等［57，58］先在硅表面自組裝低表面能的烷基化分子，再結(jié)合掩膜局部去除OTS有機(jī)層，由此得到具有親水點(diǎn)陣圖案的疏水硅納米結(jié)構(gòu)表面，最后分別沉積銅納米粒子或鈦納米粒子（進(jìn)一步被氧化為二氧化鈦），可從血清中進(jìn)行高選擇性捕獲并檢測(cè)His-tag肽或磷酸肽；或者先在硅納米表面沉積二氧化鈦膜后再進(jìn)行表面疏水化處理，將其通過(guò)光學(xué)掩膜局部去除有機(jī)分子層，也可得到二氧化鈦親水點(diǎn)陣修飾的疏水硅納米表面.

3 總結(jié)與展望

本文介紹了多種硅納米結(jié)構(gòu)的制備及其表面功能化技術(shù)，綜述了硅納米結(jié)構(gòu)在SALDI-MS中的應(yīng)用. 在SALDI-MS中，表面功能化的硅納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)異的檢測(cè)性能，以后仍需繼續(xù)探索硅納米結(jié)構(gòu)表面功能化的方法，以提升硅納米結(jié)構(gòu)在富集和檢測(cè)目標(biāo)分子方面的性能. 如通過(guò)在硅納米結(jié)構(gòu)上自組裝特定的分子，降低解吸活化能或者特異性捕獲待測(cè)分子，提高檢測(cè)的靈敏度或特異性；圖案化硅納米結(jié)構(gòu)表面使分析物分布均勻，提高檢測(cè)重復(fù)性. 利用表界面化學(xué)可更有效地調(diào)控結(jié)構(gòu)表面的性能，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)檢測(cè)性能更優(yōu)異的SALDI-MS基底，以滿(mǎn)足對(duì)檢測(cè)靈敏度、特異性及重復(fù)性日益增長(zhǎng)的要求.