CN104697982A - 高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置，属于共焦显微成像技术和质谱成像技术领域。本发明将差动共焦成像技术、质谱成像技术和光谱探测技术相结合，利用高空间分辨差动共焦显微系统的聚焦光斑对试样进行轴向定焦与成像，利用高空间分辨差动共焦显微系统的同一聚焦光斑对样品进行解吸电离来进行质谱成像，进而实现样品微区图像与组分的高空间分辨成像。装置包括点光源、准直透镜、环形光发生系统、分光镜、中孔反射镜和中孔测量物镜，还包括用于探测聚焦光斑反射光强度信号的差动共焦强度探测器，以及用于探测等离子体羽组分的电离样品吸管和质谱探测系统。本发明可用于生物质谱的高分辨成像。

Description

高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置

技术领域

本发明属于共焦显微成像技术和质谱成像技术领域，将激光差动共焦显微成像技术与质谱成像技术相结合，涉及一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置，可用于生物质谱的高分辨成像。

技术背景

质谱仪(Mass Spectrometry)是将样品中的组分发生电离，使生成的不同荷质比的带电原子、分子或分子碎片在电场和磁场的作用下分别聚焦而得到按质荷比大小顺序排列的图谱仪器。质谱成像是对样品二维区域内多个微小区域分别进行质谱分析来检测特定质荷比(m/z)物质的分布。

自上世纪80年代中期基质辅助激光解吸电离这种高灵敏度和高质量检测范围生物质谱成像技术的出现，开拓了质谱学一个崭新的领域—生物质谱，促使质谱技术应用范围扩展到生命科学研究的众多领域，特别是质谱在蛋白质、核酸、糖蛋白分析等方面的应用，不仅为生命科学研究提供了新手段，而且也促进了质谱技术自身的发展。

但现有基质辅助激光解吸电离质谱仪存在以下突出问题：

1)由于利用简单的激光聚焦来解吸电离样品，因而其仍存在激光聚焦光斑大、质谱探测空间分辨力不高等问题；

2)质谱成像所需时间长，激光质谱仪聚焦光斑轴向位置相对被测样品常发生漂移问题。

而生物样品“微区”质谱信息的准确获取对于生命科学研究具有极其重要的意义。事实上，目前如何高灵敏地探测微区质谱信息是生物质谱领域亟待研究的重要技术问题。

激光共焦显微镜“点照明”和“点探测”的成像探测机制，不仅使其横向分辨力较同等参数的光学显微镜改善1.4倍，而且还使共焦显微镜极便于与超分辨光瞳滤波技术、径向偏振光紧聚焦技术等结合来压缩聚焦光斑，进一步实现高空间分辨显微成像。

基于此，本发明提出一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置，其将激光差动共焦显微镜聚焦光斑的探测功能与激光聚焦解吸电离功能相融合，利用经超分辨技术处理的共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨成像，利用共焦显微镜同一聚焦光斑对样品进行解吸电离供质谱探测系统进行成像，继而实现被测样品微区的高空间分辨图像成像和高空间分辨质谱显微成像。

本发明提出一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置可为生物质谱高分辨成像提供一个全新的有效技术途径。

发明内容

本发明的目的是为了提高质谱显微成像技术的空间分辨力、抑制成像过程中聚焦光斑相对样品的漂移，提出一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置，以期同时获得被测样品成分空间信息和功能信息。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法，其利用高空间分辨差动共焦显微系统的聚焦光斑对样品进行轴向定焦与成像，利用高空间分辨差动共焦显微系统的同一聚焦光斑对样品进行解吸电离来进行质谱成像，进而实现样品微区图像与组分的高空间分辨成像，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、使平行光束通过环形光发生系统后整形为环形光束，该环形光束再经位于光束行进方向的分光镜、中孔反射镜反射进入中孔测量物镜并聚焦到被测样品上解吸电离产生等离子体羽；

步骤二、使计算机控制由中孔测量物镜、与中孔测量物镜同轴放置的轴向物镜扫描器、中孔反射镜、分光镜和位于分光镜反射方向差动共焦光强探测器构成的差动共焦探测系统通过轴向物镜扫描器对被测样品进行轴向扫描测得第一共焦轴向强度曲线和第二共焦轴向强度曲线；

步骤三、将第一共焦轴向强度曲线与第二共焦轴向强度曲线差动相减处理得到差动共焦轴向强度曲线；

步骤四、计算机依据差动共焦轴向强度曲线的零点位置z_A值控制轴向物镜扫描器使中孔测量物镜的聚焦光斑聚焦到被测样品上；

步骤五、利用电离样品吸管将聚焦光斑解吸电离被测样品产生的等离子体羽中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；

步骤六、利用由中孔测量物镜、与中孔测量物镜同轴放置的轴向物镜扫描器、中孔反射镜、分光镜和位于分光镜反射方向的差动共焦光强探测器构成的激光差动共焦探测系统对中孔测量物镜聚焦到被测样品的微区进行成像，测得对应聚焦光斑区域的形态信息；

步骤七、计算机将激光差动共焦探测系统测得的激光聚焦微区形态信息与质谱探测系统同时测得的激光聚焦微区的质谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的形态和质谱信息；

步骤八、计算机控制二维工作台使中孔测量物镜对准被测样品的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的形态和质谱信息；

步骤九、重复步骤八直到被测样品上的所有待测点均被测到，然后利用计算机进行处理即可得到被测样品形态信息和质谱信息。

本发明的高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法中，包括步骤一可以为使平行光束通过沿光轴方向依次放置的矢量光束发生系统、分光镜和光瞳滤波器后整形为环形光束，该环形光束再经中孔反射镜反射进入中孔测量物镜并聚焦到被测样品上解吸电离产生等离子体羽。

本发明的高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法中，包括步骤八可以为计算机控制二维扫描振镜系统使中孔测量物镜对准被测样品的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的形态和质谱信息。

本发明的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置，包括激光点光源系统、沿光轴方向依次放置的准直透镜、产生环形光束的环形光发生系统、分光镜、中孔反射镜和沿折转光轴方向放置的聚焦中孔反射镜反射光束到被测样品的中孔测量物镜，还包括用于探测中孔测量物镜聚焦光斑反射光强度信号的差动共焦强度探测器，以及用于探测中孔测量物镜聚焦光斑解析电离的离子体羽组分的电离样品吸管和质谱探测系统。

本发明的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置中，差动共焦强度探测器包括探测分光镜，依次放置在探测分光镜透射光方向的第一集光透镜12、第一探测针孔13、第一光强探测器14，还包括依次放置在分光镜反射光方向的第二集光透镜30、第二探测针孔31和第二光强探测器32，第一探测针孔置于第一集光透镜焦前，第二探测针孔31置于第二集光透镜焦后，第一集光透镜与第二集光透镜焦距相等，第一探测针孔和第二探测针孔离焦量大小相同、方向相反。

本发明的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置中，包括环形光发生系统可以用沿光轴方向放置的产生矢量光束的矢量光束发生系统和光瞳滤波器替代。

本发明的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置中，包括激光点光源系统可以由脉冲激光器、聚焦透镜和位于聚焦透镜焦点的针孔构成。

有益效果

本发明对比已有技术，具有以下优点：

1)将具有高空间分辨能力的激光差动共焦显微技术与质谱探测技术相融合，使激光差动共焦显微成像系统的光斑实现聚焦探测和样品解析电离双重功能，可实现样品微区质谱的高空间质谱显微成像；

2)利用差动共焦曲线的过零点进行样品预先定焦，使最小聚焦光斑聚焦到被测样品表面，可实现被测样品微区高空间分辨质谱探测和微区显微成像，有效地发挥差动共焦系统高空间分辨的潜能；

3)利用差动共焦曲线的过零点进行样品预先定焦，可抑制现有质谱仪因长时间质谱成像中聚焦光斑相对被测样品的漂移问题；

4)利用环形光束成像既压缩了聚焦光斑的尺寸大小，又为质谱探测提供了结构方面的最佳融合，可提高激光质谱仪的空间分辨能力。

附图说明

图1为高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法示意图；

图2为高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法变换示意图1；

图3为高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置变换示意图；

图4为实施例1高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法与装置图；

图5为实施例2和3高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置图；

其中：1-平行光束、2-差动共焦光强探测器、3-环形光发生系统、4-环形光束、5-分光镜、6-中孔反射镜、7-中孔测量物镜、8-被测样品、9-等离子体羽、10-计算机、11-轴向物镜扫描器、12-第一集光透镜、13-第一探测针孔、14--第一光强探测器、15-第一共焦轴向强度曲线、16-第二共焦轴向强度曲线、17-差动共焦轴向强度曲线、18-电离样品吸管、19-质谱探测系统、20-二维工作台、21-矢量光束发生系统、22-光瞳滤波器、23-环形光束、24-激光点光源、25-准直透镜、26-脉冲激光器、27-聚焦透镜、28-针孔、29-分光镜、30-第二集光透镜、31-第二探测针孔、32-第二光强探测器、33-二维扫描振镜系统、34-出射光束衰减器、35-探测光束衰减器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的核心方法与装置如图1和3所示，其中，由环形光发生系统3和中孔测量物镜7构成的环形光横向超分辨系统，用于压缩聚焦光斑横向尺寸。

如图3所示，可以由点光源系统24出射的激光经准直物镜25准直后生成图1所示的平行光束1。

如图2所示，可以由矢量光束发生系统21、光瞳滤波器22替代图1中的环形光发生系统3，由矢量光束发生系统21、光瞳滤波器22和中孔测量物镜7构成的径向偏振光纵向场紧聚焦系统用于压缩聚焦光斑横向尺寸。

以下实施例均是在图1和3基础上实现的。

实施例1

本发明实施例基于图3和图4所示高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置，包括由脉冲激光器26、聚焦透镜27和位于聚焦透镜27焦点处的针孔28构成的激光点光源系统24，沿光轴方向依次放置的准直透镜25、出射光束衰减器34、环形光发生系统3、分光镜5、中孔反射镜6和沿折转光轴方向放置的聚焦中孔反射镜6反射光束到被测样品8的中孔测量物镜7，还包括用于探测中孔测量物镜7聚焦光斑反射光强度信号的探测光束衰减器35和差动共焦光强探测器2，以及用于探测中孔测量物镜7聚焦光斑解析电离的等离子体羽9组分的电离样品吸管18和质谱探测系统19。其中，差动共焦强度探测器2包括分光镜29，依次放置在分光镜29透射光方向的第一集光透镜12、第一探测针孔13、第一光强探测器14，还包括依次放置在分光镜29反射光方向的第二集光透镜30、第二探测针孔31、第二光强探测器32，第一探测针孔13置于第一集光透镜焦前，第二探测针孔31置于第二集光透镜30焦后，第一集光透镜12与第二集光透镜30焦距相等，第一探测针孔13和第二探测针孔31离焦量大小相同、方向相反。

由激光点光源系统24(包括脉冲激光器26、聚焦透镜27和针孔28)、准直透镜25、环形光发生系统3、分光镜5、中孔反射镜6、轴向物镜扫描器11和中孔测量物镜7构成的激光聚焦系统用于产生超过衍射极限的微小聚焦光斑，该超衍射微小尺寸光斑具有测量样品表面和产生表面等离子体的双重功能。

由中孔测量物镜7、中孔反射镜6、分光镜5、差动共焦光强探测器2构成的激光差动共焦探测系统，用于对被测样品8进行精密定焦和测量微小聚焦光斑区域的形态。

由电离样品吸管18和质谱探测系统19构成的质谱探测系统基于飞行时间法(TOF)探测等离子体羽9中的带电原子、分子等，来进行飞行时间质谱探测。

由环形光发生系统3和中孔测量物镜7构成的环形光横向超分辨系统，用于压缩聚焦光斑横向尺寸。

由矢量光束发生系统21、光瞳滤波器22和中孔测量物镜7构成的径向偏振光纵向场紧聚焦系统用于压缩聚焦光斑横向尺寸。

由计算机10、二维工作台20和轴向物镜扫描器11构成的三维运动系统可对被测样品8进行轴向定焦定位和三维扫描。

由出射光束衰减器34和探测光束衰减器35构成光强调节系统，用于衰减聚焦光斑和差动共焦光强探测器2探测光斑的强度，以适应样品表面定位时的光强强度需求。

脉冲激光器26的波长、脉宽和重复频率可根据需要选择。

对被测样品进行高分辨质谱成像的过程主要包括以下步骤：

步骤一、脉冲激光器26出射的光束经聚焦透镜27、针孔28和准直透镜25后准直为平行光束1，该平行光束1经出射光束衰减器34、环形光发生系统3、分光镜5、中孔反射镜6、中孔测量物镜7后聚焦为超过衍射极限的微小光斑照射在被测样品8上，解吸电离产生等离子体羽9；

步骤二、利用计算机10控制轴向物镜扫描器11使由中孔测量物镜7、轴向物镜扫描器11、中孔反射镜6、分光镜5和差动共焦光强探测器2构成的激光差动共焦探测系统对被测样品8进行轴向扫描，测得第一共焦轴向强度曲线15和第二共焦轴向强度曲线16；

步骤三、将第一共焦轴向强度曲线15与第二共焦轴向强度曲线16差动相减处理得到差动共焦轴向强度曲线17；

步骤四、计算机10依据差动共焦轴向强度曲线17的零点位置z_A值控制轴向物镜扫描器使中孔测量物镜的聚焦光斑聚焦到被测样品上，实现对被测样品8的初始定焦；

步骤五、调节出射光束衰减器29来增强中孔测量物镜7的聚焦光斑强度使被测样品8表面产生等离子体，利用电离样品吸管18将聚焦光斑解吸电离被测样品8产生的等离子体羽9中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统19中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；

步骤六、利用由中孔测量物镜7、轴向物镜扫描器11、中孔反射镜6、分光镜5、探测光束衰减器30、差动共焦光强探测器2构成的激光差动共焦探测系统同时对被测样品8表面等离子体羽9对应的微区形态进行成像，测得区域形态信息，探测光束衰减器30用于衰减光强以避免第一光强探测器14和32第二光强探测器32过饱和探测；

步骤七、计算机10将激光共焦探测系统测得的激光聚焦微区形态信息与质谱探测系统19同时探测的激光聚焦微区质谱信息进行融合处理，得到该聚焦微区的形态和质谱信息；

步骤八、计算机10控制二维工作台20使中孔测量物镜7光轴对准被测样品8的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的形态和质谱信息；

步骤九、重复步骤八直到被测样品8上的所有待测点均被测到，然后利用计算机10进行数据融合和图像重构处理，即可得到被测样品形态信息和质谱信息。

实施例2

如图5所示，在实施例1的高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置中，环形光发生系统3用沿光轴方向放置的产生矢量光束的矢量光束发生系统21和光瞳滤波器22替代，发生环形光束23，经中孔反射镜6、中孔测量物镜7后聚焦为超过衍射极限的微小光斑照射在被测样品8上。

其余成像测量方法与实施例1相同。

实施例3

如图5所示，在实施例1的高空间分辨激光共焦质谱显微成像装置中，计算机10可以控制二维扫描振镜系统33使中孔测量物镜7对准被测样品8的下一个待测区域。

其余成像测量方法与实施例1相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。

本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法，其特征在于：利用高空间分辨差动共焦显微系统的聚焦光斑对试样进行轴向定焦与成像，利用高空间分辨差动共焦显微系统的同一聚焦光斑对样品进行解吸电离来进行质谱成像，进而实现样品微区图像与组分的高空间分辨成像，包括以下步骤：

步骤一、使平行光束(1)通过环形光发生系统(3)后整形为环形光束(4)，该环形光束(4)再经位于光束行进方向的分光镜(5)、中孔反射镜(6)反射进入中孔测量物镜(7)并聚焦到被测样品(8)上解吸电离产生等离子体羽(9)；

步骤二、使计算机(10)控制由中孔测量物镜(7)、与中孔测量物镜(7)同轴放置的轴向物镜扫描器(11)、中孔反射镜(6)、分光镜(5)和位于分光镜(5)反射方向的差动共焦光强探测器(2)构成的差动共焦探测系统通过轴向物镜扫描器(11)对被测样品(8)进行轴向扫描测得第一共焦轴向强度曲线(15)、第二共焦轴向强度曲线(16)；

步骤三、将第一共焦轴向强度曲线(15)与第二共焦轴向强度曲线(16)差动相减处理得到差动共焦轴向强度曲线(17)；

步骤四、计算机(10)依据差动共焦轴向强度曲线(17)的零点位置z_A值控制轴向物镜扫描器(11)使中孔测量物镜(7)的聚焦光斑聚焦到被测样品(8)上；

步骤五、利用电离样品吸管(18)将聚焦光斑解吸电离被测样品(8)产生的等离子体羽(9)中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统(19)中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；

步骤六、利用由中孔测量物镜(7)、与中孔测量物镜(7)同轴放置的轴向物镜扫描器(11)、中孔反射镜(6)、分光镜(5)、位于分光镜(5)反射方向的差动共焦光强探测器(2)构成的激光差动共焦探测系统对中孔测量物镜(7)聚焦到被测样品(8)的微区进行成像，测得对应聚焦光斑区域的形态信息；

步骤七、计算机(10)将激光差动共焦探测系统测得的激光聚焦微区形态信息与质谱探测系统(19)同时测得的激光聚焦微区的质谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的形态和质谱信息；

步骤八、计算机(10)控制二维工作台(20)使中孔测量物镜(7)对准被测样品(8)的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的形态和质谱信息；

步骤九、重复步骤八直到被测样品(8)上的所有待测点均被测到，然后利用计算机(10)进行处理即可得到被测样品形态信息和质谱信息。

2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法，其特征在于：包括步骤一可以为使平行光束(1)通过沿光轴方向依次放置的矢量光束发生系统(21)、分光镜(5)和光瞳滤波器(22)后整形为环形光束(23)，该环形光束(23)再经中孔反射镜(6)反射进入中孔测量物镜(7)并聚焦到被测样品(8)上解吸电离产生等离子体羽(9)。

3.根据权利要求1所述的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像方法，其特征在于：包括步骤八可以为计算机(10)控制二维扫描振镜系统(31)使中孔测量物镜(7)对准被测样品(8)的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤七进行操作，得到下一个待测聚焦区域的形态和质谱信息。

4.一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置，其特征在于：包括激光点光源系统(24)、沿光轴方向依次放置的准直透镜(25)、产生环形光束的环形光发生系统(3)、分光镜(5)、中孔反射镜(6)和沿折转光轴方向放置的聚焦中孔反射镜(6)反射光束到被测样品(8)的中孔测量物镜(7)，还包括用于探测中孔测量物镜(7)聚焦光斑反射光强度信号的差动共焦强度探测器(2)，以及用于探测中孔测量物镜(7)聚焦光斑解析电离的等离子体羽(9)组分的电离样品吸管(18)和质谱探测系统(19)。

5.根据权利要求4所述的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置，其特征在于：差动共焦强度探测器(2)包括探测分光镜(29)，依次放置在探测分光镜(29)的透射光方向的第一集光透镜(12)、第一探测针孔(13)、第一光强探测器(14)，还包括依次放置在探测分光镜(29)反射光方向的第二集光透镜(30)、第二探测针孔(31)和第二光强探测器(32)，第一探测针孔(13)置于第一集光透镜(12)焦前，第二探测针孔(31)置于第二集光透镜(30)焦后，第一集光透镜(12)与第二集光透镜(30)焦距相等，第一探测针孔(13)和第二探测针孔(31)离焦量大小相同、方向相反。

6.根据权利要求4所述的一种高空间分辨激光差动共焦质谱显微成像装置，其特征在于：包括环形光发生系统(3)可以用沿光轴方向放置的产生矢量光束的矢量光束发生系统(21)和光瞳滤波器(22)替代。

7.根据权利要求4所述的一种高空间分辨激光共焦质谱显微成像装置，其特征在于：包括激光点光源系统(24)可以由脉冲激光器(26)、聚焦透镜(27)和位于聚焦透镜(27)焦点的针孔(28)构成。