CN106872559A - 一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法，特点是：包括激光器、光学调制器组件、光学元件、载片、相机、反射镜和质谱仪，激光器发出激光经过光学调制器组件调制后，再经过光学元件后聚焦在置于载片上的目标样品上，目标样品发生解吸电离后进入质谱仪进行检测，光学调制器组件包括编码孔径，通过控制编码孔径能够使得其所对应像素检测位置的目标样品被激光照射，反射镜和相机用于采集目标样品的信息，优点是：采用基于编码孔径和质谱仪的质谱成像技术，改变现有点阵光机扫描式的固有框架，获得超分辨生物分子显微质谱成像，空间分辨率高，灵敏度高，成像速度快，信噪比高。

Description

一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及生命科学分析领域，尤其涉及一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法。

背景技术

目前，质谱成像系统的成像方式常规采用的是点阵光机扫描式。该种方式的成像系统存在以下几点不足：

1、空间分辨率低：基于狭缝的光学系统获得激光的聚焦光斑。该激光光斑存在衍射和光斑扩展的问题，同时受光机结构的影响，难免存在结构不稳定的情况。因此激光解析目标样本时会不可避免的衍射到相邻样品，致使某些目标样本被重复解析电离，从而对质谱成像系统的空间分辨率产生影响。

2、成像速度慢：若要生成质谱图像，往往需要激光解析上百万个样品点，成像速度受离子转化效率影响，电离样品没有做到及时转移和检测。致使常规质谱成像的扫描速度在1像素/秒左右，每次成像过程通常需要几个小时，因此无法满足对生物样品内重要化学物质和代谢产物的实时监测。

3、灵敏度低：由于单次激光能量有限，因此单次激光照射下样品解吸电离少，不可避免的要增加曝光次数和强度来提高激光照射能量。但是激光强度的增大和曝光次数过多又会引起样品的变性，影响样品检测。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种超分辨生物分子质谱成像装置及其工作方法，该质谱成像装置具有空间分辨率高，灵敏度高，成像速度快，信噪比高等优点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超分辨生物分子质谱成像装置，包括激光器、光学调制器组件、光学元件、载片、相机、反射镜和质谱仪，所述激光器发出激光经过所述光学调制器组件调制后，再经过所述光学元件后聚焦在置于所述载片上的目标样品上，所述目标样品发生解吸电离后变成目标样品的碎片粒子进入所述质谱仪进行检测，所述光学调制器组件包括编码孔径，通过控制所述编码孔径能够使得其所对应像素检测位置的所述目标样品被激光照射，所述反射镜和所述相机用于采集所述目标样品的形态信息。

所述质谱仪为解吸所述目标样品的碎片粒子的检测器，所述目标样品的碎片粒子包括正负离子和其他可离子化粒子。

所述质谱仪的质荷比（m/z）范围在1-1000000amu之间，优选为40-20000amu；所述质谱仪的质量分辨率在100-20000000之间，优选的在质荷比为1000amu和所述质谱仪的最高灵敏度条件下，所述质谱仪的质量分辨率不小于1000。

所述激光器波长为200-1500nm，优选为337nm，脉冲为1-100kHz，优选为1-5000Hz，脉冲宽度为1-5000ps，优选为3000ps，光斑为2-1000000μm²，优选为10000μm²，平均功率为0.01-20000mW，优选为1000mW。

所述反光镜和所述相机还用于对所述激光器光斑形态的测量、校正，所述相机选自CMOS相机或CCD相机。

所述编码孔径选自机械模板、液晶、微硅片狭缝阵列或数字微镜阵列器件，其中优选为数字微镜阵列器件，所述质谱成像装置采用所述编码孔径使得对应像素的所述目标样品被激光照射。

所述目标样品的碎片粒子能够采用多种激发和导入方式，包括改变激光光斑照射和粒子导入的角度、方向，将解吸的所述目标样品碎片粒子导入所述质谱仪，进行质谱分析；优选采用激光束和离子流的同轴设计，同时轴向的离子引出机制，由此使离子以较高效率到达检测器。

所述编码孔径的编码模板是熵编码、预测编码、变换编码或混合编码，并结合对应编码模板的反变换和计算成像手段实现质谱成像；优选采用Hadamard编码，结合Hadamard反变换和计算成像手段实现质谱成像。

一种超分辨生物分子质谱成像装置的工作方法，包括以下步骤：

①采用编码孔径替代传统狭缝方式，使得与编码模板对应像素检测位置的目标样品被激光照射，发生解吸电离；

②通过质谱仪对发生解吸电离的粒子进行检测，得到该对应像素检测位置的总质谱信号；

③依次移动编码模板或载片至下一个像素检测位置，重复步骤①和②，依次获得各像素检测位置的总质谱信号；

④根据各像素检测位置的总质谱信号和编码孔径的编码模板组成的方程组，进行计算，获得目标样品的质谱图像；

⑤将目标样品的质谱图像结合通过相机获得的目标样品的形态，利用图像处理的方法，进行图像融合，获得目标样品的具有可见形态的质谱图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）采用编码孔径的方式克服常规光机点阵扫描方式下激光光斑尺寸大的限制，使得质谱成像装置的空间分辨率显著提高，可以获得约1μm的空间分辨率，突破了常规仪器最高只达到5μm的空间分辨率限制，可实现细胞级和亚细胞级质谱成像。

（2）采用编码孔径的方法，对应目标样本像元的激光激发次数也随编码孔径模板的长度增加，像元信号的信噪比得到改善，因此本发明质谱成像装置的灵敏度显著提高，实现了更低含量物质的检测。

（3）采用编码孔径的方法，激光光斑较传统方法要小，因此保证样品不发生变化情况下，在单元像素上可以提升一定的激光强度，提升灵敏度；结合编码模板提升灵敏度的特性，在保证相同灵敏度情况下，可以减少激光曝光次数，缩短单元像素成像时间，因此对质谱成像装置的成像速度显著提高，成像所需时间缩短，效率更高。

附图说明

图1为本发明一种超分辨生物分子质谱成像装置一实施例的系统结构图。

具体实施方式

图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

图1示意性地给出了本发明一种超分辨生物分子质谱成像装置的结构简图，如图1所示，一种超分辨生物分子质谱成像装置包括：激光器1，光学调制器组件2，光学元件3、4、5，载片6，相机7，反射镜8，光路和离子流9，质谱仪11。其中光学调制器组件2包括编码孔径10和透镜，图中对编码孔径10放大作示意性说明。

本发明采用编码孔径10替代传统狭缝方式用于质谱成像，过程如下：激光器1发出的光经过包含编码孔径10的光学调制器组件2调制后，经过光学元件3、4、5后聚焦于载片6的目标样本上。编码孔径10与目标样本成像面在光学上是共轭关系。本实施例采用数字微镜阵列器件（Digital micromirror device，DMD）作为编码孔径10，对目标样本进行激光“解吸”成像，并同时用CMOS相机7和反射镜8进行实时观测，通过控制数字微镜阵列器件上各个微镜像元的偏转状态，使得一次成像时目标样本上编码孔径对应的部分像素被激光照射，并由质谱仪11得到质谱信号。依次给数字微镜阵列器件设置不同的微镜状态，使得目标样本上的不同区域依次分别被激光照射，并得到每次照射后的质谱信号。经过编码模板反变换和计算成像方式得到目标样本上每个像素对应的质谱信号。本实施例中选用Hadamard编码，结合Hadamard反变换和计算成像手段实现质谱成像。在其他实施例中，可采用液晶、微硅片狭缝阵列等作为编码孔径10，对目标样本进行激光“解吸”成像，通过控制编码孔径10上各个微镜像元的偏转状态，使得一次成像时目标样本上只有部分像素被激光照射，再通过依次给编码孔径10设置不同的微镜状态，使得目标样本上的不同区域依次分别被激光照射，并得到每次照射后的质谱信号。可采用机械模板作为编码孔径10，使得一次成像时目标样本上编码孔径对应的部分像素被激光照射，再通过控制精密位移台移动目标样本，使得目标样本上的不同区域依次分别被激光照射。

本实施例中采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）等方式控制DMD器件，计算编码模块和同步质谱数据。采用DSP的控制方式，对激光器、放置目标样品的精密位移台和整机进行实时监控和控制，在其他实施例中还可以采用单片机、PLC等等的控制方式。

Claims (9)

1.一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于包括激光器、光学调制器组件、光学元件、载片、相机、反射镜和质谱仪，所述激光器发出激光经过所述光学调制器组件调制后，再经过所述光学元件后聚焦在置于所述载片上的目标样品上，所述目标样品发生解吸电离后变成目标样品的碎片粒子进入所述质谱仪进行检测，所述光学调制器组件包括编码孔径，通过控制所述编码孔径能够使得其所对应像素检测位置的所述目标样品被激光照射，所述反射镜和所述相机用于采集所述目标样品的形态信息。

2.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述目标样品的碎片粒子包括正负离子和其他可离子化粒子。

3.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述质谱仪的质荷比范围在1-1000000amu之间，优选为40-20000amu，所述质谱仪的质量分辨率在100-20000000之间，优选的在质荷比为1000amu和所述质谱仪的最高灵敏度条件下，所述质谱仪的质量分辨率不小于1000。

4.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述激光器波长为200-1500nm，优选为337nm，脉冲为1-100kHz，优选为1-5000Hz，脉冲宽度为1-5000ps，优选为3000ps，光斑为2-1000000μm²，优选为10000μm²，平均功率为0.01-20000mW，优选为1000mW。

5.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述反光镜和所述相机还用于对所述激光器光斑形态的测量、校正，所述相机选自CMOS相机或CCD相机。

6.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述编码孔径选自机械模板、液晶、微硅片狭缝阵列或数字微镜阵列器件，其中优选为数字微镜阵列器件。

7.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述目标样品的碎片粒子能够采用多种激发和导入方式，包括改变激光光斑照射和粒子导入的角度、方向，将解吸的所述目标样品碎片粒子导入所述质谱仪，进行质谱分析，优选采用激光束和离子流的同轴设计，同时轴向的离子引出机制。

8.根据权利要求1所述的一种超分辨生物分子质谱成像装置，其特征在于所述编码孔径的编码模板是熵编码、预测编码、变换编码或混合编码，并结合对应编码模板的反变换和计算成像手段实现质谱成像，优选采用Hadamard编码，结合Hadamard反变换和计算成像手段实现质谱成像。

9.一种权利要求1-8任一项所述的超分辨生物分子质谱成像装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

①采用编码孔径方式，使得与编码模板对应像素检测位置的目标样品被激光照射，发生解吸电离；

②通过质谱仪对发生解吸电离的粒子进行检测，得到该对应像素检测位置的总质谱信号；

③依次移动编码模板或载片至下一个像素检测位置，重复步骤①和②，依次获得各像素检测位置的总质谱信号；

④根据各像素检测位置的总质谱信号和编码孔径的编码模板组成的方程组，进行计算，获得目标样品的质谱图像；

⑤将目标样品的质谱图像结合通过相机获得的目标样品的形态，利用图像处理的方法，进行图像融合，获得目标样品的具有可见形态的质谱图像。