CN111991078A - 化学引导的敞开式电离质谱 - Google Patents

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史蒂文·德里克·普林格尔
埃姆里斯·琼斯
迈克尔·雷蒙德·莫里斯
茱莉亚·巴洛格
詹姆斯·伊恩·兰格里奇
基思·理查森
丹尼尔·西蒙
拉约什·高迪尔海兹
丹尼尔·绍洛伊
佐尔坦·塔卡茨
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Abstract

披露了一种方法，所述方法包括使用化学传感器(20)从目标(2)的一个或多个区域获得或获取化学或其他非质谱数据。所述化学或其他非质谱数据可以用来确定所述目标(2)的一个或多个感兴趣区域。然后可以使用敞开式电离离子源(1)从所述目标(2)的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽(5)。

Description

化学引导的敞开式电离质谱
相关申请的交叉引用
本申请是申请日为2016年03月07日、申请号为201680025647.7(PCT/GB2016/050608)、发明名称为“化学引导的敞开式电离质谱”的分案申请。
本申请要求于2015年3月6日提交的英国专利申请第1503876.3号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503864.9号、2015年10月16日提交的英国专利申请第1518369.2号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503877.1号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503867.2号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503863.1号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503878.9号、2015年3月6日提交的英国专利申请第1503879.7号以及2015年9月9日提交的英国专利申请第1516003.9号的优先权和权益。这些申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本发明一般涉及经由敞开式电离技术对目标(该目标可以，例如，包括体内、离体或体外生物组织、细菌或真菌菌落、或更一般地诸如塑料的有机目标)的分析，该敞开式电离技术可以是例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)、用于使用敞开式电离离子源对目标进行分析的分析方法和诊断设备。可以设想各种实施例，其中分析物离子由敞开式电离离子源生成，然后进行以下项：(i)通过诸如四极质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析；(ii)离子迁移率分析(IMS)和/或差分离子迁移率分析(DMA)和/或场非对称离子迁移光谱(FAIMS)分析；和/或(iii)组合，即首先进行离子迁移分析(IMS)和/或差分离子迁移分析(DMA)和/或非对称场离子迁移谱(FAIMS)分析，其次(或首先)由诸如四极杆质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析。各种实施例还涉及离子迁移谱仪和/或质量分析仪以及离子迁移谱和/或质量分析方法。
背景技术
快速蒸发电离质谱(“REIMS”)是一种相对较新的技术，该技术有助于多种不同类型样本的分析，该分析包括组织的识别。
参考施特里马特(Strittmatter)等人的分析化学(Anal.Chem.)2014，86，6555-6562，披露了一项关于使用快速蒸发电离质谱作为细菌和真菌的一般识别系统的适用性研究。
由快速蒸发电离质谱分析细菌菌落的已知方式包括使用双极电外科手术镊子以及电外科手术射频发生器。使用双极电外科手术镊子将细菌菌落从琼脂层的表面刮下，并且然后将电外科手术射频发生器产生的一阵短暂的突发的射频电压施加到这些双极电外科手术镊子之间。例如，已知在双极模式下以470kHz正弦波的频率施加60W的功率。施加到双极电外科手术镊子之间的射频电压具有迅速加热细菌菌落的特定部分的结果，该细菌菌落由于其非零阻抗正处于被分析中。微生物物质的快速加热导致生成了气溶胶。该气溶胶被直接传送进入质谱仪内，并且然后该气溶胶样本可以由质谱仪进行分析。已知质谱仪的对照系统利用多变量统计分析以帮助区分和识别不同的样本。
脑癌是儿童和青少年癌症相关死亡的主要原因之一。外科手术切除原发性脑肿瘤仍然是最常用的治疗方法。然而，在许多情况下，完全去除癌症而不损害重要功能是非常困难的，并且在进行脑肿瘤切除时准确确定癌组织的边缘是有个难题。
希望提供分析目标或组织的改进方法，该方法使用了敞开式电离离子源。
发明内容
根据另一个方面，提供了分析方法，该方法包括：
从目标的一个或多个区域获得或获取化学或其他非质谱数据；以及
使用第一装置从所述目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
已经研发了一种工作流程，该工作流程在手术室或其他环境中使用光学方法(例如拉曼(Raman)光谱)，随后使用基于质谱的方法(例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”))进行癌症组织识别。
拉曼光谱是基于无创激光的方法，该方法可以探测目标(例如组织)内的分子振动和分子激发。
特别地，披露了各种实施例，这些实施例涉脑外科手术背景下拉曼光谱和快速蒸发电离质谱的组合。该途径可以由例如使用体内三维超声神经元导航系统以及常规组织病理学来验证。已知包含术中立体定位影像系统(SonoWand(RTM))的各种三维超声神经元导航系统，并且可以根据各种实施例使用这些导航系统。
多个实验结果表明，快速蒸发电离质谱(“REIMS”)与拉曼光谱的组合如何能够实现高度的组织特异性，特别是通过分析磷脂区域中的组织样本。
所披露的各种实施例使健康组织能够与癌组织精确地区分开来，特别是使得能够在手术期间准确地确定不同的脑癌。拉曼光谱和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)的组合是特别有益的，因为这可以向外科医生提供重要的信息，并且所披露的技术有利于评估肿瘤边缘，这有利地提高了患者的存活率。
以下披露了用于在外科手术中用于脑肿瘤原位识别的组合了拉曼光谱和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)的方法的进一步细节。
虽然以下披露尤其涉及在脑外科手术中肿瘤边缘评估的改进，但是应当理解，可以设想更多的的实施例，其中身体的其他部分或其他器官可以使用拉曼光谱(或另一种化学感测方法)进行采样，然后使用敞开式离子源(例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源)进行分析。特别地，应当理解，可以使用除快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源以外的敞开式离子源。
根据各种实施例，可以从目标获取化学数据(该目标可以包括体内、离体或体外生物组织、细菌或真菌菌落或更一般诸如塑料的有机目标)。
所述方法可以进一步包括使用化学或其他非质谱数据来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
这些化学或其他非质谱数据可以包括选自下组的数据，该组由以下各项组成：(i)拉曼光谱数据；(ii)化学成分数据；(iii)荧光数据；(iv)吸收数据；(v)反射数据；(vi)透射数据；(vii)弹性散射数据；(viii)傅里叶转换红外线光谱(FTIR)数据和(ix)干涉测量数据。
第一装置可以包括敞开式离子源或电离源或形成敞开式离子源或电离源的一部分，或者第一装置可以生成气溶胶、烟雾或蒸汽，这些气溶胶、烟雾或蒸汽随后由敞开式离子或电离源或其他电离源进行电离。
该目标可以包括天然或未经修饰的目标材料。
该天然或未经修饰的目标材料在加入基质或试剂后可以不被修饰。
该第一装置可以被安排成并适用于从该目标的一个或多个感兴趣区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽，并且所述目标不需要提前制备。
该第一装置可以包括离子源，该离子源选自下组，该组由以下各项组成：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-解吸电喷雾电离离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引器(“CUSA”)装置；(xxi)聚焦或非聚焦超声消融装置；(xxii)微波共振装置；以及(xxiii)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置。
使用该第一装置从该目标的一个或多个区域产生气溶胶、烟雾或蒸汽的步骤可以进一步包括使用一个或多个电极接触该目标。
这些一个或多个电极可以包括双极装置或单极装置。
一个或多个电极可以包括快速蒸发电离质谱(“REIMS”)装置。
该方法可以进一步包括将AC或RF电压施加到这些一个或多个电极，以生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
将该AC或RF电压施加到这些一个或多个电极的步骤可以包括将所述AC或RF电压的一个或多个脉冲施加到这些一个或多个电极。
施加该AC或RF电压到一个或多个电极的步骤可以引起热量散发进入该目标中。
使用该第一装置从该目标的一个或多个区域产生气溶胶、烟雾或蒸汽的步骤可以进一步包括使用激光照射该目标。
第一装置被安排成并适用于经由焦耳加热或透热造成的来自目标的目标材料的直接蒸发或汽化，而从目标的一个或多个区域生成气溶胶。
使用该第一装置从该目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽的步骤可以进一步包括将超声波能量引导到该目标中。
气溶胶可以包括未带电水性液滴，这些水性液滴任选地包括细胞物质。
至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％的团块或物质的为液滴形式，这些团块或物质由第一装置生成并且形成气溶胶。
第一装置可以被安排成并适用于生成气溶胶，其中该气溶胶的索特尔(Sauter)平均直径(“SMD”，d32)可以在以下范围内：(i)<5μM；(ii)5-10μM；(iii)10-15μM；(iv)15-20μM；(v)20-25μM；或者(vi)>25μM。
该气溶胶可以横穿具有在以下范围内的雷诺数(Re)的流动区域：(i)<2000；(ii)2000-2500；(iii)2500-3000；(iv)3000-3500；(v)3500-4000；或者(vi)>4000。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有韦伯数(We)的多个液滴，该韦伯数选自下组，该组由以下各项组成：(i)<50；(ii)50-100；(iii)100-150；(iv)150-200；(v)200-250；(vi)250-300；(vii)300-350；(viii)350-400；(ix)400-450；(x)450-500；(xi)500-550；(xii)550-600；(xiii)600-650；(xiv)650-700；(xv)700-750；(xvi)750-800；(xvii)800-850；(xviii)850-900；(xix)900-950；(xx)950-1000；和(xxi)>1000。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有斯托克斯数(Sk)的多个液滴，该斯托克斯数在以下范围内：(i)1-5；(ii)5-10；(iii)10-15；(iv)15-20；(v)20-25；(vi)25-30；(vii)30-35；(viii)35-40；(ix)40-45；(x)45-50；和(xx)>50。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有平均轴向速度的多个液滴，该平均轴向速度选自下组，该组由以下各项组成：(i)<20m/s；(ii)20-30m/s；(iii)30-40m/s；(iv)40-50m/s；(v)50-60m/s；(vi)60-70m/s；(vii)70-80m/s；(viii)80-90m/s；(ix)90-100m/s；(x)100-110m/s；(xi)110-120m/s；(xii)120-130m/s；(xiii)130-140m/s；(xiv)140-150m/s；和(xv)>150m/s。
该目标可以包括生物组织、生物物质、细菌菌落或真菌菌落。
该生物组织可以包括人体组织或非人体动物组织。
该生物组织可以包括体内生物组织。
该生物组织可以包括离体生物组织。
该生物组织可以包括体外生物组织。
该生物组织可以包括(i)肾上腺组织、阑尾组织、膀胱组织、骨、肠组织、脑组织、乳腺组织、支气管、牙冠组织、耳组织、食管组织、眼组织、胆囊组织、生殖器组织、心脏组织、下丘脑组织、肾组织、大肠组织、肠壁组织、喉组织、肝组织、肺组织、淋巴结、口腔组织、鼻组织、胰腺组织、甲状旁腺组织、脑下垂体组织、前列腺组织、直肠组织、唾液腺组织、骨骼肌组织、皮肤组织、小肠组织、脊髓、脾组织、胃组织、胸腺组织、气管组织、甲状腺组织、输尿管组织、尿道组织、软结缔组织、腹膜组织、血管组织和/或脂肪组织；(ii)I级、II级III级或IV级癌变组织；(iii)转移性癌变组织；(iv)混合等级的癌变组织；(v)次级癌变组织；(vi)健康或正常组织；或(vii)癌变或异常组织。
该第一装置包括保健点(“POC”)、诊断或外科手术装置。
该方法可以进一步包括将至少一些气溶胶、烟雾或蒸汽中电离以生成分析物离子。
该方法可以进一步包括将至少一些气溶胶、烟雾或蒸汽引导或抽吸至质谱仪的真空室内。
该方法可以进一步包括将位于该质谱仪的真空室内的气溶胶、烟雾或蒸汽的至少一些电离以生成多个分析物离子。
该方法可以进一步包括使这些气溶胶、烟雾或蒸汽撞击位于该质谱仪的真空室内的碰撞表面以生成多个分析物离子。
该方法可以进一步包括对该分析物离子进行质量分析或离子迁移率分析以获得质谱数据或离子迁移率数据。
可以设想各种实施例，其中分析物离子由敞开式电离源或离子源生成，然后进行以下项：(i)通过诸如四极质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析；(ii)离子迁移率分析(IMS)和/或差分离子迁移率分析(DMA)和/或场非对称离子迁移光谱(FAIMS)分析；和/或(iii)组合，即首先进行离子迁移分析(IMS)和/或差分离子迁移分析(DMA)和/或非对称场离子迁移谱(FAIMS)分析，其次(或首先)由诸如四极杆质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析。各种实施例还涉及离子迁移谱仪和/或质量分析仪以及离子迁移谱和/或质量分析方法。
该方法可以进一步包括对气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于气溶胶、烟雾或蒸汽中的离子进行质量分析或离子迁移率分析以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
该方法还可以进一步包括分析质谱数据和/或离子迁移率数据，以：(i)区分健康和患病组织；(ii)区分潜在癌变和未癌变组织；(iii)区分不同类型或等级的癌变组织；(iv)区分不同类型或类别的目标材料；(v)测定一种或多种需要或不需要的物质是否可能存在于目标中；(vi)确定该目标的身份或真实性；(vii)测定一种或多种杂质，非法物质或不需要的物质是否可能存在于该目标中；(viii)确定病人或患病动物是否可能处于遭受不良后果的增加的风险中；(ix)作出或辅助作出诊断或预后；以及(x)将医疗、外科手术或诊断的结果通知外科医生、护士、医生或机器人。
分析质谱数据和/或离子迁移率数据的步骤可以包括对该质谱数据和/或离子迁移率数据进行有监督或无监督的多元变量统计分析。
该多元变量统计分析可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)主成分分析(“PCA”)；和(ii)线性判别分析(“LDA”)。
分析质谱和/或离子迁移率数据的步骤可以进一步包括分析气溶胶、烟雾或蒸汽的谱图或衍生于气溶胶、烟雾或蒸汽的离子的谱图。
该谱图可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)脂质组学谱；(ii)脂肪酸谱；(iii)磷脂谱；(iv)磷脂酸(PA)谱；(v)磷脂酰乙醇胺(PE)谱；(vi)磷脂酰甘油(PG)谱；(vii)磷脂酰丝氨酸(PS)谱；(viii)磷脂酰肌醇(PI)谱；或(ix)甘油三酯(TG)谱。
该方法可以进一步包括使用一个或多个拉曼(Raman)光谱传感器、检测器或装置来获得这些化学或其他非质谱数据。
该方法可以进一步包括根据波数确定拉曼散射光的强度。
该方法可以进一步包括分析拉曼光谱数据以确定与位于该目标内的分子键的振动相关的数据。
该方法可以进一步包括使用一个或多个拉曼光谱传感器、检测器或装置来获得这些化学或其他非质谱数据，这些一个或多个拉曼光谱传感器、检测器或装置需要或不需要物理接触该目标。
该方法可以进一步包括确定该目标的一个或多个区域的拉曼光谱或拉曼谱图。
该方法可以进一步包括使用化学或其他非质谱数据，确定具有相对于正常组织、周围组织、对照样本、对照区域、对照数据或预定数据不同的拉曼光谱、拉曼谱图或拉曼光谱特征的该目标的一个或多个区域，来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该方法可以进一步包括使用化学或其他非质谱数据，确定该目标的一个或多个区域是否具有高于或低于正常组织、周围组织、对照样本、对照区域、对照数据或预定数据的拉曼峰值强度，来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该方法可以进一步包括将光或紫外线辐射引导到该目标上。
该紫外线辐射的波长可以在由以下各项组成的组的范围内：(i)100-150nm；(ii)150-200nm；(iii)200-250nm；(iv)250-300nm；(v)300-350nm；以及(vi)350-400nm。
该方法可以进一步包括检测从该目标发射的光或电磁辐射。
该方法可以进一步包括确定荧光或自发荧光谱图或光谱。
该荧光或自发荧光谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的从目标发射的光或电磁辐射的强度的量度。
所述方法可以进一步包括比较与该目标的区域相关的荧光或自发荧光谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的荧光或自发荧光谱图或光谱，以确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该方法可以进一步包括将光或红外线辐射引导到该目标上。
该光或红外线辐射的波长可以在由以下各项组成的组的范围内：(i)400-450nm；(ii)450-500nm；(iii)500-550nm；(iv)550-600nm；(v)600-650nm；(vi)650-700nm；(vii)700-750nm；(viii)750-800nm；(ix)800-850nm；(x)850-900nm；(xi)900-950nm；(xii)950-1000nm；(xiii)1000-1100nm；(xiv)1100-1200nm；(xv)1200-1300nm；(xvi)1300-1400nm；(xvii)1400-1500nm；(xviii)1500-1600nm；(xix)1600-1700nm；(xx)1700-1800nm；(xxi)1800-1900nm；(xxii)1900-2000nm；(xxiii)2000-2100nm；(xxiv)2100-2200nm；(xxv)2200-2300nm；(xxvi)2300-2400nm；(xxvii)2400-2500nm；(xxviii)2500-2600nm；(xxix)2600-2700nm；(xxx)2700-2800nm；(xxxi)2800-2900nm；以及(xxxii)2900-3000nm。
该方法可以进一步包括将白光引导到该目标上。
该方法可以进一步包括检测从该目标反射的光或红外线辐射。
该方法可以进一步包括确定该目标的吸收、透射或反射谱图或光谱。
该吸收、透射或反射谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的由目标吸收、透射或反射的光的强度的量度。
该方法可以进一步包括比较与该目标的区域相关的吸收、透射或反射谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的吸收、透射或反射谱图或光谱，以确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该方法可以进一步包括将紫外线辐射、光或红外线辐射引导到该目标上。
该方法可以进一步包括将紫外线辐射、光或红外线辐射引导到该目标上，以产生如用于FTIR的干涉图。另外或替代性地，该方法可以包括将IR透明材料(例如KBr)应用到分析束之一中以增加光路长度。
该紫外线辐射、光或红外线辐射波长可以具有在由以下各项组成的组的范围：(i)300-350nm；(ii)350-400nm；(iii)400-450nm；(iv)450-500nm；(v)500-550nm；(vi)550-600nm；(vii)600-650nm；(viii)650-700nm；(ix)700-750nm；(x)750-800nm；(xi)800-850nm；(xii)850-900nm；(xiii)900-950nm；(xiv)950-1000nm；(xv)1000-1100nm；(xvi)1100-1200nm；(xvii)1200-1300nm；(xviii)1300-1400nm；(xix)1400-1500nm；(xx)1500-1600nm；(xxi)1600-1700nm；(xxii)1700-1800nm；(xxiii)1800-1900nm；(xxiv)1900-2000nm；(xxv)2000-2100nm；(xxvi)2100-2200nm；(xxvii)2200-2300nm；(xxviii)2300-2400nm；(xxix)2400-2500nm；(xxx)2500-2600nm；(xxxi)2600-2700nm；(xxxii)2700-2800nm；(xxxiii)2800-2900nm；以及(xxxiv)2900-3000nm。该方法可以进一步包括将白光引导到该目标上。
该方法可以进一步包括检测由该目标反射或散射的紫外线辐射、光或红外线辐射。
该方法可以进一步包括确定该目标的区域的散射光强度谱图或光谱。
该散射光强度谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的由该目标散射的光强度的量度。
从化学或其他非质谱数据确定该目标的一个或多个感兴趣区域的步骤可包括比较与该目标的区域相关的散射光强度谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的散射光强度谱图或光谱。
所述方法可以进一步包括使用化学或其他非质谱数据来确定该目标的一个或多个感兴趣区域的边缘或边界。
这些一个或多个感兴趣区域可以包括癌生物组织或肿瘤。
这些癌生物组织或肿瘤可以包括以下任意项:(i)I级、II级、III级或IV级癌组织；(ii)转移性癌组织；(iii)混合级癌组织；或(iv)亚级癌组织。
该方法可以进一步包括从化学或其他非质谱数据确定：(i)该目标的一种或多种物理性质；(ii)该目标的一种或多种化学性质；(iii)该目标的一种或多种物理化学性质；或(iv)该目标的一种或多种机械性质。
该方法可以进一步包括使用一种或多种造影剂来增强获取的化学数据。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种荧光造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种可见光染料。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种放射造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种光学、近红外线(“NIR”)、荧光、自发荧光或诊断造影剂。
这些一种或多种造影剂可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)吲哚菁绿(“ICG”)和包含吲哚三羰花青的吲哚菁绿的衍生物或缀合物；(ii)二乙基硫代三碳菁碘化物(“DTTCI”)和二乙基硫代三碳菁碘化物的衍生物或缀合物；(iii)罗丹明B和罗丹明B的衍生物或缀合物；(iv)包含焦脱镁叶绿酸己酯(“HPPH”)的光动力学治疗(“PDT”)试剂；(v)包含Cy 5.5染料的花青染料；以及(vi)双功能造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括纳米粒子。
这些一种或多种造影剂可以包括:(i)磁性或铁磁性纳米粒子；(ii)金纳米粒子；(iii)金属纳米粒子；(iv)官能化纳米粒子；(v)纳米球、纳米棒、纳米星型体或纳米壳；(vi)levan纳米粒子；或(vii)铜、锌、钛、镁、藻酸盐、合金或银纳米粒子。
这些一种或多种造影剂对该目标可以是外源的。替代性地，这些一种或多种造影剂对该目标可以是内源的。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的敞开式电离方法。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的快速蒸发电离质谱(“REIMS”)方法。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的分析方法。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的外科手术、诊断、治疗或内科治疗的方法。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的非手术、非治疗质谱方法和/或离子迁移谱方法。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的质谱方法和/或离子迁移谱方法。
根据另一个方面，提供了设备，该设备包括：
装置，被安排成并适用于从目标的一个或多个区域获得化学或其他非质谱数据；以及
第一装置，用于从该目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
该设备可以进一步包括对照系统，被安排成并适用于使用这些化学或其他非质谱数据来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
这些化学或其他非质谱数据可以包括选自下组的数据，该组由以下各项组成：(i)拉曼光谱数据；(ii)化学成分数据；(iii)荧光数据；(iv)吸收数据；(v)反射数据；(vi)透射数据；(vii)弹性散射数据；(viii)傅里叶转换红外线光谱(FTIR)数据和(ix)干涉测量数据。
第一装置可以包括敞开式离子源或电离源或形成敞开式离子源或电离源的一部分，或者第一装置可以生成气溶胶、烟雾或蒸汽，这些气溶胶、烟雾或蒸汽随后由敞开式离子源或电离源或其他电离源进行电离。
该目标可以包括天然或未经修饰的目标材料。
该天然或未经修饰的目标材料在加入基质或试剂后可以不被修饰。
该第一装置可以被安排成并适用于从该目标的一个或多个感兴趣区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽，并且所述目标不需要提前制备。
该第一装置可以包括离子源，该离子源选自下组，该组由以下各项组成：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-解吸电喷雾电离离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引器(“CUSA”)装置；(xxi)聚焦或非聚焦超声消融装置；(xxii)微波共振装置；以及(xxiii)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置。
该第一装置可以被安排成并适用于使用一个或多个电极接触该目标来从该目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
这些一个或多个电极可以包括:(i)单级装置，其中该方法任选地进一步包括提供单独的返回电极；(ii)双极装置；或(iii)多相位射频(RF)装置，其中该方法任选地进一步包括提供一个或多个单独的返回电极。
一个或多个电极可以包括快速蒸发电离质谱(“REIMS”)装置。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于将AC或RF电压施加到一个或多个电极，以生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
将该AC或RF电压施加到这些一个或多个电极的装置可以被安排成并适用于将该AC或RF电压的一个或多个脉冲施加到这些一个或多个电极。
施加该AC或RF电压到一个或多个电极可以引起热量散发进入该目标中。
该第一装置可以包括用于照射该目标的激光器。
第一装置被安排成并适用于经由焦耳加热或透热造成的来自目标的目标材料的直接蒸发或汽化，而从目标的一个或多个区域生成气溶胶。
该第一装置被安排成并适用于引导超声波能量进入该目标。
气溶胶可以包括未带电水性液滴，这些水性液滴任选地包括细胞物质。
至少50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％的团块或物质的为液滴形式，这些团块或物质由第一装置生成并且形成气溶胶。
第一装置可以被安排成并适用于生成气溶胶，其中该气溶胶的索特尔(Sauter)平均直径(“SMD”，d32)可以在以下范围内：(i)<5μM；(ii)5-10μM；(iii)10-15μM；(iv)15-20μM；(v)20-25μM；或者(vi)>25μM。
该气溶胶可以横穿具有在以下范围内的雷诺数(Re)的流动区域：(i)<2000；(ii)2000-2500；(iii)2500-3000；(iv)3000-3500；(v)3500-4000；或者(vi)>4000。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有韦伯数(We)的多个液滴，该韦伯数选自下组，该组由以下各项组成：(i)<50；(ii)50-100；(iii)100-150；(iv)150-200；(v)200-250；(vi)250-300；(vii)300-350；(viii)350-400；(ix)400-450；(x)450-500；(xi)500-550；(xii)550-600；(xiii)600-650；(xiv)650-700；(xv)700-750；(xvi)750-800；(xvii)800-850；(xviii)850-900；(xix)900-950；(xx)950-1000；和(xxi)>1000。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有斯托克斯数(Sk)的多个液滴，该斯托克斯数在以下范围内：(i)1-5；(ii)5-10；(iii)10-15；(iv)15-20；(v)20-25；(vi)25-30；(vii)30-35；(viii)35-40；(ix)40-45；(x)45-50；和(xx)>50。
基本上在生成该气溶胶的时刻，该气溶胶可以包括具有平均轴向速度的多个液滴，该平均轴向速度选自下组，该组由以下各项组成：(i)<20m/s；(ii)20-30m/s；(iii)30-40m/s；(iv)40-50m/s；(v)50-60m/s；(vi)60-70m/s；(vii)70-80m/s；(viii)80-90m/s；(ix)90-100m/s；(x)100-110m/s；(xi)110-120m/s；(xii)120-130m/s；(xiii)130-140m/s；(xiv)140-150m/s；和(xv)>150m/s。
该目标可以包括生物组织、生物物质、细菌菌落或真菌菌落。
该生物组织可以包括人体组织或非人体动物组织。
该生物组织可以包括体内生物组织。
该生物组织可以包括离体生物组织。
该生物组织可以包括体外生物组织。
该生物组织包括(i)肾上腺组织、阑尾组织、膀胱组织、骨、肠组织、脑组织、乳腺组织、支气管、牙冠组织、耳组织、食管组织、眼组织、胆囊组织、生殖器组织、心脏组织、下丘脑组织、肾组织、大肠组织、肠壁组织、喉组织、肝组织、肺组织、淋巴结、口腔组织、鼻组织、胰腺组织、甲状旁腺组织、脑下垂体组织、前列腺组织、直肠组织、唾液腺组织、骨骼肌组织、皮肤组织、小肠组织、脊髓、脾组织、胃组织、胸腺组织、气管组织、甲状腺组织、输尿管组织、尿道组织、软结缔组织、腹膜组织、血管组织和/或脂肪组织；(ii)I级、II级、III级或IV级癌变组织；(iii)转移性癌变组织；(iv)混合等级的癌变组织；(v)次级癌变组织；(vi)健康或正常组织；或(vii)癌变或异常组织。
该第一装置包括保健点(“POC”)、诊断或外科手术装置。
该设备可以进一步包括离子源，其用于将气溶胶、烟雾或蒸汽中的至少一些电离以生成分析物离子。
该设备可以进一步包括装置，其用于将气溶胶、烟雾或蒸汽的至少一些引导或抽吸至质谱仪和/或离子迁移率质谱仪的真空室内。
该设备可以进一步包括装置，其用于将位于该质谱仪和/或离子迁移率质谱仪的真空室内的气溶胶、烟雾或蒸汽的至少一些电离以生成多个分析物离子。
该设备可以进一步包括装置，其用于引导这些气溶胶、烟雾或蒸汽撞击位于该质谱仪和/或离子迁移率质谱仪的真空室内的碰撞表面以生成多个分析物离子。
该设备可以进一步包括质量分析仪和/或离子迁移率质谱仪，用于对这些分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分离以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
该设备可以进一步包括质量分析仪和/或离子迁移率谱仪，用于对这些气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于气溶胶、烟雾或蒸汽中的离子进行质量分析和/或离子迁移率分离以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
该设备可以进一步包括对照系统，该对照系统被安排成并适用于分析质谱数据和/或离子迁移率数据，以(i)区分健康和患病组织；(ii)区分潜在癌变和未癌变组织；(iii)区分不同类型或等级的癌变组织；(iv)区分不同类型或类别的目标材料；(v)测定一种或多种需要或不需要的物质是否可能存在于目标中；(vi)确定该目标的身份或真实性；(vii)测定一种或多种杂质，非法物质或不需要的物质是否可能存在于该目标中；(viii)确定病人或患病动物是否可能处于遭受不良后果的增加的风险中；(ix)作出或辅助作出诊断或预后；以及(x)将医疗、外科手术或诊断的结果通知外科医生、护士、医生或机器人。
该对照系统可以被安排成并适用于对这些质谱数据和/或离子迁移率数据进行有监督或无监督的多元变量统计分析。
该多元变量统计分析可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)主成分分析(“PCA”)；和(ii)线性判别分析(“LDA”)。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于分析气溶胶、烟雾或蒸汽的谱图或衍生于气溶胶、烟雾或蒸汽的离子的谱图。
该谱图可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)脂质组学谱；(ii)脂肪酸谱；(iii)磷脂谱；(iv)磷脂酸(PA)谱；(v)磷脂酰乙醇胺(PE)谱；(vi)磷脂酰甘油(PG)谱；(vii)磷脂酰丝氨酸(PS)谱；(viii)磷脂酰肌醇(PI)谱；或(ix)甘油三酯(TG)谱。
该设备可以进一步包括用于获得这些化学或其他非质谱数据的一个或多个拉曼光谱传感器、检测器或装置。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于根据波数确定拉曼散射光的强度。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于分析拉曼光谱数据以确定与位于该目标内的分子键的振动相关的数据。
这些一个或多个拉曼光谱传感器、检测器或装置可以被安排成并适用于获得这些化学或其他非质谱数据，这些一个或多个拉曼光谱传感器、检测器或装置需要或不需要物理接触该目标。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定该目标的一个或多个区域的拉曼光谱或拉曼谱图。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定具有相对于正常组织、周围组织、对照样本、对照区域、对照数据或预定数据不同的拉曼光谱、拉曼谱图或拉曼光谱特征的该目标的一个或多个区域，来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定该目标的一个或多个区域是否具有高于或低于相对于正常组织、周围组织、对照样本、对照区域、对照数据或预定数据拉曼峰值强度，来确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该设备可以进一步包括装置，其用于将光或紫外线辐射引导到该目标上。
该紫外线辐射的波长可以在由以下各项组成的组的范围内：(i)100-150nm；(ii)150-200nm；(iii)200-250nm；(iv)250-300nm；(v)300-350nm；以及(vi)350-400nm。
该设备可以进一步包括检测器，其用于检测从该目标发射的光或电磁辐射。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定荧光或自发荧光谱图或光谱。
该荧光或自发荧光谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的从目标发射的光或电磁辐射的强度的量度。
所述设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于比较与该目标的区域相关的荧光或自发荧光谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的荧光或自发荧光谱图或光谱，以确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于将光或红外线辐射引导到该目标上。
该光或红外线辐射的波长可以在由以下各项组成的组的范围内：(i)400-450nm；(ii)450-500nm；(iii)500-550nm；(iv)550-600nm；(v)600-650nm；(vi)650-700nm；(vii)700-750nm；(viii)750-800nm；(ix)800-850nm；(x)850-900nm；(xi)900-950nm；(xii)950-1000nm；(xiii)1000-1100nm；(xiv)1100-1200nm；(xv)1200-1300nm；(xvi)1300-1400nm；(xvii)1400-1500nm；(xviii)1500-1600nm；(xix)1600-1700nm；(xx)1700-1800nm；(xxi)1800-1900nm；(xxii)1900-2000nm；(xxiii)2000-2100nm；(xxiv)2100-2200nm；(xxv)2200-2300nm；(xxvi)2300-2400nm；(xxvii)2400-2500nm；(xxviii)2500-2600nm；(xxix)2600-2700nm；(xxx)2700-2800nm；(xxxi)2800-2900nm；以及(xxxii)2900-3000nm。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于将白光引导到该目标上。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于引导由/从该目标反射的光或红外线辐射。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定该目标的一个或多个区域的吸收、透射或反射谱图或光谱。
该吸收、透射或反射谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的由目标吸收、透射或反射的光的强度的量度。
所述设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于比较与该目标的区域相关的吸收、透射或反射谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的吸收、透射或反射谱图或光谱，以确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于将紫外线辐射、光或红外线辐射引导到该目标上。
该紫外线辐射、光或红外线辐射波长可以具有在由以下各项组成的组的范围内：(i)300-350nm；(ii)350-400nm；(iii)400-450nm；(iv)450-500nm；(v)500-550nm；(vi)550-600nm；(vii)600-650nm；(viii)650-700nm；(ix)700-750nm；(x)750-800nm；(xi)800-850nm；(xii)850-900nm；(xiii)900-950nm；(xiv)950-1000nm；(xv)1000-1100nm；(xvi)1100-1200nm；(xvii)1200-1300nm；(xviii)1300-1400nm；(xix)1400-1500nm；(xx)1500-1600nm；(xxi)1600-1700nm；(xxii)1700-1800nm；(xxiii)1800-1900nm；(xxiv)1900-2000nm；(xxv)2000-2100nm；(xxvi)2100-2200nm；(xxvii)2200-2300nm；(xxviii)2300-2400nm；(xxix)2400-2500nm；(xxx)2500-2600nm；(xxxi)2600-2700nm；(xxxii)2700-2800nm；(xxxiii)2800-2900nm；以及(xxxiv)2900-3000nm。
该设备可以进一步包括装置，其被安排成并适用于将白光引导到该目标上。
该设备可以进一步包括检测器，其用于检测由该目标反射或散射的紫外线辐射、光或红外线辐射。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于确定该目标的区域的散射光强度谱图或光谱。
该散射光强度谱图或光谱可以包括作为频率或波长函数的由该目标散射的光强度的量度。
所述设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于比较与该目标的区域相关的散射光强度谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的散射光强度谱图或光谱，以确定该目标的一个或多个感兴趣区域。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于使用这些化学或其他非质谱数据来确定该目标的一个或多个感兴趣区域的边缘或边界。
这些一个或多个感兴趣区域可以包括癌生物组织或肿瘤。
这些癌生物组织或肿瘤可以包括以下任意项:(i)I级、II级、III级或IV级癌组织；(ii)转移性癌组织；(iii)混合级癌组织；或(iv)亚级癌组织。
该设备可以进一步包括对照系统，其被安排成并适用于从化学或其他非质谱数据确定：(i)该目标的一种或多种物理性质；(ii)该目标的一种或多种化学性质；(iii)该目标的一种或多种物理化学性质；或(iv)该目标的一种或多种机械性质。
该设备可以进一步包括使用一种或多种造影剂来增强这些化学数据。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种荧光造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种可见光染料。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种放射造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种光学、近红外线(“NIR”)、荧光、自发荧光或诊断造影剂。
这些一种或多种造影剂可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)吲哚菁绿(“ICG”)和包含吲哚三羰花青的吲哚菁绿的衍生物或缀合物；(ii)二乙基硫代三碳菁碘化物(“DTTCI”)和二乙基硫代三碳菁碘化物的衍生物或缀合物；(iii)罗丹明B和罗丹明B的衍生物或缀合物；(iv)包含焦脱镁叶绿酸己酯(“HPPH”)的光动力学治疗(“PDT”)试剂；(v)包含Cy 5.5染料的花青染料；以及(vi)双功能造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括纳米粒子。
这些一种或多种造影剂可以包括:(i)磁性或铁磁性纳米粒子；(ii)金纳米粒子；(iii)金属纳米粒子；(iv)官能化纳米粒子；(v)纳米球、纳米棒、纳米星型体或纳米壳；(vi)levan纳米粒子；或(vii)铜、锌、钛、镁、藻酸盐、合金或银纳米粒子。
这些一种或多种造影剂对该目标可以是外源的。替代性地，这些一种或多种造影剂对该目标可以是内源的。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露设备的敞开式电离离子源。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露设备的快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露设备的分析设备。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露设备的质谱仪和/或离子迁移率谱仪。
根据另一个方面，提供了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)方法，该方法包括：
使用拉曼光谱探头在位点进行采样；
从该位点生成气溶胶；以及
对该气溶胶或来自气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
该位点可以包括外科手术位点。
使用该拉曼光谱探头在该位点进行采样的步骤可以包括使用来自该探头的信息来确定该位点处一个或多个不期望目标的边缘或边界。
这些一个或不期望目标可以包括癌生物组织或肿瘤。
这些癌生物组织或肿瘤可以包括I级、II级、III级或IV级癌组织。
对气溶胶或衍生于气溶胶分析物离子进行质量分析或离子迁移率分析的步骤可以包括区分健康组织和不健康或癌组织。
对该气溶胶或来自气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析的步骤可以进一步包括区分不同类型或等级的癌组织。
该方法可以进一步包括使用超声波定位一个或多个采样点。
该方法可以进一步包括使用电外科手术装置在一个或多个采样点的位点进行采样。
该电外科手术装置可以包括双极装置。
该方法可以进一步包括将AC或RF电压施加到该电外科手术装置，以从该位点去除、切除或采样生物材料。
根据另一个方面，提供了包括如上所披露方法的外科手术方法。
该方法可以包括脑外科手术方法。
根据另一个方面，提供了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)装置，该装置包括：
用于在位点进行采样的拉曼光谱探头；
用于从该位点生成气溶胶的装置；以及
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对该气溶胶或衍生于气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
根据另一个方面，提供了对样本进行分析的方法，该方法包括：
使用拉曼光谱探头在位点处进行采样；
从该位点生成气溶胶；以及
对该气溶胶或来自气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
生成气溶胶的步骤可以进一步包括使用激光器生成气溶胶。
生成气溶胶的步骤可以进一步包括使用一个或多个电极接触该位点，并将AC或RF电压施加到这些一个或多个电极。
根据另一个方面，提供了用于对样本进行分析的设备，该设备包括：
用于在位点进行采样的拉曼光谱探头；
用于从该位点生成气溶胶的装置；以及
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对该气溶胶或衍生于气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
根据另一个方面，提供了对生物组织分型的方法，该方法包括：
使用一个或多个电极接触组织的一部分；
将AC或RF电压施加到这些一个或多个电极，以从组织的该部分生成气溶胶；
对气溶胶或衍生于气溶胶的分析物离子进行质量分析或离子迁移率分析以生成质谱数据和/或离子迁移率数据；以及
分析这些质谱数据和/或离子迁移率数据以区分不同类型的组织。
这些不同类型的组织可以包括不同等级、形式或类型的癌生物组织或肿瘤。
分析质谱数据以区分同类型的组织的步骤可以进一步包括区分I级和/或II级和/或III级和/或IV级癌组织。
根据另一个方面，提供了对生物组织分型的设备，该设备包括：
一个或多个电极，可以被安排成并适用于接触组织的一部分；
装置，用于将AC或RF电压施加到这些一个或多个电极，以从组织的该部分生成气溶胶；
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对该气溶胶或衍生于气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析，以生成质谱数据；以及
对照系统，用于分析这些质谱数据和/或离子迁移率数据以区分不同类型的组织。
可以设想与使用敞开式电离离子源从目标生成烟雾、气溶胶或蒸汽(此处全部提供细节)相关的各种实施例均。然后将气溶胶、烟雾或蒸汽与基质混合并吸入质谱仪和/或离子迁移谱仪的真空室中。可以使混合物撞击碰撞表面，使气溶胶、烟雾或蒸汽经由撞击电离被离子化，这导致生成分析物离子。这些获得的分析物离子(或碎片或从分析物离子中获取的产物离子)可以经质谱分析和/或离子迁移率分析，并且该获得的质谱数据和/或离子迁移率光谱数据将经过多变量分析或其他数学处理，以实时的确定目标的一种或多种性质。
根据一个实施例，该用于从目标生成气溶胶、烟雾或蒸汽的第一装置可以包括工具，该工具利用射频电压(例如连续射频波形)。
可以设想其他实施例，其中用于从目标生成气溶胶、烟雾或蒸汽的第一装置可以包括氩等离子体凝固(“APC”)装置。氩等离子体凝固装置涉及使用被引导穿过探头的电离的氩气束。该探头可以穿过内窥镜。由于该探头放置于距目标的一定距离处，氩等离子体凝固实质上是一种非接触性方法。氩气由该探头发出，然后经高压放电(例如，6kV)而电离。然后高频电流穿过该气体束传导，导致在该气体束另一端的目标凝固。凝固深度通常仅为几毫米。
在本发明的任一方面或实施例中披露的第一装置、外科手术或电外科手术的工具、装置或探头或其他采样的装置或探头可以包括非接触外科手术装置，例如水疗外科手术装置、外科手术水喷射装置、氩等离子体凝固装置、混合氩等离子体凝固装置、水喷射装置以及激光装置中的一种或多种。
非接触性外科手术装置可以被定义为被安排成并适用于在物理上未接触该组织的情况下将生物组织解剖、破碎、液化、吸取、电灼或另外破坏的外科手术装置。实例包括激光装置、水疗外科手术装置、氩等离子体凝固和混合氩等离子体凝固装置。
由于非接触性装置可以不与组织进行物理接触，该外科手术可以被视为相对安全、并且可以用于处理具有较低细胞内联结的易损组织(例如皮肤或脂肪)。
根据各种实施例，质谱仪和/或离子迁移谱仪可以在单独的阴离子模式、单独的阳离子模式或阴离子模式和阳离子模式共存的情况下获取数据。正离子模式光谱数据可以与负离子模式光谱数据组合或串联。阴离子模式可以提供特定的有用的谱图，该谱图用于将诸如来自包括脂质的目标中的气溶胶、烟雾或蒸汽样本的气溶胶、烟雾或蒸汽样本分类。
使用不同的离子迁移漂移气体获得离子迁移谱数据，或在该漂移气体中加入掺杂剂以诱导一个或多个种类的漂移时间发生变化。该数据可以被组合或串联。
显而易见的是，直接在样本中加入基质或试剂的要求可能阻止对组织进行体内分析的能力、并且也更普遍的可能阻止对目标材料进行迅速简便分析的能力。
根据其他实施例，该敞开式电离离子源可以包括超声消融离子源或混合电外科手术-超声消融源，该电外科手术-超声消融源生成液体样本，然后作为气溶胶被抽吸。该超声消融离子源可以包括聚焦或非聚焦超声。
任选地，第一装置包括离子源或形成离子源的一部分，该离子源选自下组，该组由以下各项组成：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-DESI离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引装置(“CUSA”)离子源；(xxi)混合超声外科吸引装置-透热装置；(xxii)聚焦或非聚焦超声消融离子源；(xxiii)混合聚焦或非聚焦超声消融与透热装置；(xxiv)微波共振装置；(xxv)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置；(xxvi)氩等离子体凝固装置；(xxvi)混合脉冲等离子体射频与氩等离子体凝固装置；(xxvii)混合脉冲等离子体射频与喷射式解吸电离装置；(xxviii)外科手术水/盐水喷射装置；(xxix)混合电外科手术与氩等离子体凝固装置；以及(xxx)混合氩等离子体凝固与水/盐水喷射装置。
附图说明
仅经由举例的方式并且参照这些附图来说明本发明的优选实施例，其中：
图1展示了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)方法，其中将RF电压施加到双极钳导致产生气溶胶或外科手术羽流，然后该气溶胶或外科手术羽流经由双极钳的冲洗口被捕获、并且然后被传送到用于质量分析的质谱仪；
图2展示了一个一般实施例，其中使用一个或多个化学传感器在激活快速蒸发离子化质谱(“REIMS”)离子源之前从目标(例如体内组织)获得化学数据，以特别分析该目标并确定，例如，该组织是否是癌变；
图3示出了根据各种实施例的包括构建分类模型的分析的方法；
图4示出了从两个类别已知参考样本获得的一组参考样本光谱；
图5示出了具有由强度轴限定的三维的多变量空间，其中该多变量空间包括多个参考点，每个参考点对应于一组从参考样本光谱衍生出的三个最大强度值的集合；
图6示出了累积方差与PCA模型成分的数量之间的一般关系；
图7示出了具有由主成分轴定义的两个维度的PCA空间，其中该PCA空间包括多个转换的参考点或得分，每个转换的参考点或得分对应于图5的参考点；
图8示出了具有单个维度或轴的PCA-LDA空间，其中基于图7的该PCA空间执行该LDA，该PCA-LDA空间包括多个进一步转换的参考点或类别得分，每个进一步转换的参考点或类别得分对应于图7的转换参考点或得分；
图9示出了根据各种实施例的包括使用分类模型的分析的方法；
图10示出了从未知样本获得的样本光谱；
图11示出了图8的PCA-LDA空间，其中该PCA-LDA空间进一步包括衍生自图10的该样本光谱的最大强度值的PCA-LDA投影的样本点；
图12示出了根据各种实施例的包括构建分类库的分析的方法；
图13示出了根据各种实施例的包括使用分类库的分析的方法；
图14示出了根据实施例的拉曼采样系统；
图15展示了一个实施例，其中在脑外科手术中的各采样点进行拉曼采样，然后使用三维(3D)体内超声系统定位这些采样点，然后在相同的采样点进行快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样；
图16左侧示出了患有多形性胶质母细胞瘤(“GBM”)患者的病例研究，并示出了用实时超声波图像覆盖的患者脑部的3D图像，其中在外科手术期间通过快速蒸发电离质谱(“REIMS”)从六个采样点(在图像上示出)产生气溶胶，其中示出了在每个采样点处记录的相应质谱图(右下)以及在外科手术期间所取的并由神经病理学家标记的所有采样点的3DPCA图；
图17示出了患有四种不同肿瘤类型的十名患者的3D伪LDA图，并示出了虽然一些III级少突神经胶质瘤与低级肿瘤聚集在一起，但是在空间上低级别和高级别的肿瘤正好分开；
图18示出了由快速蒸发电离质谱(“REIMS”上方)以及来自两个采样点的3D PCA图(下方)获得的质谱，一个采样点主要由肿瘤组成，另一个采样点主要来自正常白质组成，其中在磷脂组合物中存在可见的差异(在示出了正常脑细胞内的浸润量的PCA图从右到左上可以观察到趋势)；以及
图19示出了由拉曼光谱(上方)以及来自两个采样点的3D PCA图(下方)获得的质谱，一个采样点主要由肿瘤组成，另一个采样点主要来自正常白质组成，其中在PCA图上观察到的主要差异是由于脂质振动区域。
具体实施方式
现在将在下面更详细地描述各种实施例，这些实施例通常涉及从目标的一个或多个区域(例如，体内组织)获得化学或其他非质谱数据，然后使用敞开式电离离子源从该目标的一个或多个区域生成气溶胶、手术烟雾或蒸汽。
然后将气溶胶、外科手术烟雾或蒸汽抽吸进入质谱仪的真空室中，并使其撞击碰撞表面，使这些气溶胶、烟雾或蒸汽通过撞击电离而离子化，这导致生成了分析物离子。
然后对这些得到的分析物离子(或碎片或从分析物离子中获取的产物离子)进行质谱分析，然后并对得到的质谱数据和/或离子迁移率数据进行多变量分析，以实时的确定目标的一种或多种性质。
例如，该多变量分析可以使得能够确定目前被切除的组织的一部分是否癌变。
使用化学数据可以在外科手术之前和/或期间识别潜在关注的组织，并且使外科医生具有更高的自信度，所有不需要的或潜在的癌组织都被定位并完全去除，同时确保去除了最少量的健康组织。
敞开式电离离子源
使用根据各种实施例的装置从目标(例如，体内组织)的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。该装置可以包括敞开式电离离子源，该敞开式电离离子源特征在于能够从天然或未经修饰的目标产生分析物气溶胶、烟雾或蒸汽。例如，其他类型的电离离子源(例如基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源)需要在电离之前将基质或试剂添加到样本中。
显而易见的是，在样本中加入基质或试剂的要求阻止了对组织进行体内分析的能力、并且也更普遍的可能阻止对目标材料进行迅速简便分析的能力。
相比之下，因此敞开式电离技术是特别有利的，因为它们首先不需要添加基质或试剂(因此适用于体内组织的分析)，其次，它们使得能够快速简单地进行目标材料的分析。
已知多种不同的敞开式电离技术，并且这些技术都旨在落在本发明的范围内。作为历史记录，解吸电喷雾电离(“DESI”)是第一个被研发的敞开式电离技术，并于2004年被披露。自2004年以来，已经研发了许多其他敞开式电离技术。这些敞开式电离技术在具体的电离方法上是不同的，但它们共享直接从天然(即未处理或未经修饰)样本生成气相离子的通用能力。旨在落在本发明范围内的各种敞开式电离技术的特别优点是各种敞开式电离技术不需要任何的样本制备。作为结果，各种敞开式电离技术使得能够分析体内组织和离体组织样本，而不需要花费时间和费用向组织样本或其他目标材料添加基质或试剂。
旨在落在本发明范围内的敞开式电离技术的列表在下表中给出：
Figure BDA0002662652690000211
Figure BDA0002662652690000221
Figure BDA0002662652690000231
Figure BDA0002662652690000241
根据实施例，该敞开式电离离子源可以包括快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源，其中将RF电压施加到一个或多个电极为了由焦耳加热产生外科手术烟雾的气溶胶或羽流。
然而，应当理解：包含上述的那些其他敞开式离子源也可以被使用。例如，根据另一实施例，该敞开式电离离子源可以包括激光电离离子源。根据实施例，该激光电离离子源可以包括中红外激光电离离子源。例如，有数个发射接近或位于2.94μm的辐射的激光，其中2.94μm对应于水吸收光谱中的峰值。根据各种实施例，该敞开式电离离子源可以包括基于2.94μm的水的高吸收系数的具有接近2.94μm波长的激光消融离子源。根据实施例，该激光消融离子源可以包括Er:YAG激光，该Er:YAG激光发射2.94μm辐射。
其他实施例被考虑，其中中红外光学参量振荡器(“OPO”)可以被使用用于产生具有比2.94μm更长的波长的激光消融离子源。例如，Er:YAG泵浦的ZGP-OPO可以被使用用于产生具有例如6.1μm，6.45μm或6.73μm波长的激光辐射。在某些情况下，使用具有比2.94μm更短或更长的波长的激光消融离子源可能是有利的，因为只有表面层将被消融并且可能导致较少的热损伤。根据实施例，Co:MgF2激光可以作为激光消融离子源被使用，其中该激光可以从1.75μm-2.5μm被调谐。根据另一个实施例，由Nd:YAG激光泵浦的光学参量振荡器(“OPO”)系统可以被使用用于产生具有2.9μm-3.1μm之间的波长的激光消融离子源。根据另一个实施例，具有10.6μm波长的CO2激光可以被使用为产生气溶胶、烟雾或蒸汽。
根据其他实施例，敞开式电离离子源可以包括产生液体样本的超声消融离子源，然后将该液体样本作为气溶胶吸入。该超声消融离子源可以包括聚焦或未聚焦的源。
根据实施例，用于从目标的一个或多个区域产生气溶胶、烟雾或蒸汽的第一装置可以包括利用连续RF波形的电外科手术工具。根据其他实施例，射频组织切割系统可以被使用，该射频组织切割系统被安排成用于将脉冲等离子体RF能量提供给工具。该工具可以包括，例如，等离子刀(RTM)。脉冲等离子体RF工具在比常规电外科手术工具低的温度(例如40℃-170℃对比200℃-350℃)下操作，从而减少热损伤深度。脉冲波形和占空比可以由沿着薄绝缘电极的一个或多个切割边缘引入电等离子体而被既用于切割又用于凝血模式。
快速蒸发电离质谱(“REIMS”)
图1展示了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)的方法，其中双极钳1可以被带入与患者3的体内组织2接触。在图1所示的实例中，在对患者的大脑进行外科手术的过程中，双极钳1可以被带入与患者3的脑组织2接触。来自RF电压发生器4的RF电压可以被施加到双极钳1，这导致组织2的局部焦耳或透热加热。结果，产生气溶胶或外科手术羽流5。然后可以经由双极钳1的冲洗口捕获或以其他方式吸入气溶胶或外科手术羽流5。因此，双极钳1的冲洗口被再次用作吸入口。然后，气溶胶或外科手术羽毛5可以从双极钳1的冲洗(吸入)口被传递到管6(例如1/8”或3.2mm直径的特氟龙(RTM)管)。管6被安排成用于将气溶胶或外科手术羽流5传送到质谱仪8或离子迁移率分析仪的大气压界面7。
根据各种实施例，包括有机溶剂(例如异丙醇)的基质可以在大气压界面7处加入到气溶胶或外科手术羽流5中。然后气溶胶3和有机溶剂的混合物可以被安排成用于撞击质谱仪和/或离子迁移率分析仪8的真空室内的碰撞表面。根据一个实施例，该碰撞表面可以被加热。当碰撞碰撞表面时造成气溶胶电离导致分析物离子的产生。产生分析物离子的电离效率可以经由添加有机溶剂被提高。然而，添加有机溶剂不是必需的。
然后，经由使气溶胶、烟雾或蒸汽5撞击该碰撞表面产生的分析物离子经过质谱仪(和/或离子分析仪)的后续级、并且在质量分析仪中进行质量分析(和/或离子迁移率分析)。质量分析仪可以包括，例如，四极杆质量分析仪或飞行时间质量分析仪。
图2展示了一个一般实施例，其中使用一个或多个化学传感器20在激活快速蒸发离子化质谱(“REIMS”)离子源1之前从目标2(例如体内组织)获得化学数据，特别是对组织2进行采样，并且能够确定，例如，该组织是否癌变。
根据各种实施例，这些一个或多个传感器装置20可以用于从该目标(例如，体内或离体生物组织)获得化学(或其他密切相关)非质谱数据。一个或多个化学传感器装置20可以，例如，被布置为从目标获得：(i)拉曼光谱数据；(ii)化学成分数据；(iii)荧光数据；(iv)吸收数据；(v)反射数据；(vi)透射数据；(vii)弹性散射数据；(viii)傅里叶转换红外线光谱(FTIR)数据和(ix)干涉测量数据。
可以设想许多不同的实施例并且下面将更详细地描述这些实施例，其中使用一个或多个化学传感器或装置20获取化学(或其他密切相关)数据、然后可以使用这些化学数据，例如，引导使用者(例如外科医生)利用敞开式电离离子源对目标(例如体内或离体组织)上特定的一个或多个区域感兴趣进行外科手术、诊断或其他手术。
仅以举例的方式，可以利用一个或多个化学传感器或装置20来确定与周围组织相比具有不同拉曼光谱、化学成分、或荧光、吸收、反射、透射或弹性散射谱图的患者组织区域。如将理解的，与周围组织相比具有不同拉曼光谱、化学成分、或荧光、吸收、反射、透射或弹性散射谱图的组织部分可包括患病或潜在的癌组织。例如，已知潜在的癌组织可能比健康组织更致密、并且可能具有高度血管性质。因此，潜在的癌组织可能具有与周围健康组织不同的含水量、可以具有比健康组织更高或不同的温度，并且具有与周围健康组织不同的化学性质。
根据一个实施例，由这些一个或多个化学传感器20提供的另外或验证信息可用于帮助确定健康组织、潜在癌组织、癌组织、潜在患病或患病的生物组织或肿瘤的边缘或边界。
这些癌生物组织或肿瘤可以包括I级、II级、III级或IV级癌组织。
这些一个或多个化学传感器20可以用于帮助确定物理、化学或其他非质谱数据，并且特别地可以用于确定不同类型或等级的患病或癌组织之间的边缘或边界。
这些不同等级的癌组织可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)I级癌组织；(ii)II级癌组织；(iii)III级癌组织；以及(iv)IV级癌组织。
根据各种实施例，可以确定化学或其他非质谱数据以确定：(i)该目标的一种或多种物理性质；(ii)该目标的一种或多种化学性质；(iii)该目标的一种或多种物理化学性质；或者(iv)该目标的一种或多种机械性质；
优化的敞开式电离外科手术或诊断工具操作参数可以根据从一个或多个化学传 感器获得的数据进行编程或设置
根据一个实施例，敞开式电离外科手术或诊断工具的一个或多个操作参数可以被安排成基于所获取的化学数据在手术或诊断过程中被改变或以其他方式被优化。
例如，根据一个实施例，散发到周围组织中的能量可以被安排成随着手术或诊断装置接近重要器官而减少。
根据各种实施例，敞开式电离离子源的一个或多个操作参数可以根据被探测的组织的具体类型来被改变或控制。组织的类型可以是预知的或者可以从成像、化学、物理或其他数据确定。例如，根据一个实施例，如果组织或肿瘤具有柔软或凝胶状纹理、或者探头比电源更靠近身体的敏感区域(例如，探头紧邻重要神经)和/或敞开式电离离子源的占空比可以被减少、改变或以其他方式变更。
根据一个实施例，敞开式电离外科手术或其他工具的一个或多个操作参数可以基于所获取的化学数据设置。例如，可以基于由这些一个或多个化学传感器或装置20识别的癌组织的类型或等级、或基于由这些一个或多个化学传感器或装置20识别的患病组织的性质来设置敞开式电离外科手术工具的一个或多个操作参数。
可以使用不同的操作参数，这取决于是在健康组织、明显的癌组织还是在癌边缘上进行操作。
根据各种实施例，这些化学或其他非质谱数据可以包括空间信息、并因此可以根据器官内的深度确定组织的变化。因此，随着外科手术工具移动深入(离开)器官或靠近(或远离)器官或或特定组织类型，先前获取的化学数据可以用于设置敞开式电离外科手术工具的各种操作参数。
而且，随着外科手术工具移动深入(离开)器官或靠近(或远离)器官或或特定组织类型，各种电离参数可以被改变。
随着敞开式电离外科手术工具对器官进行初始切割，可以针对切入器官时所经历的外科手术状况(例如初始失血、组织成分)优化一个或多个电离参数(例如添加到气溶胶中的基质的成分、从该组织释放的烟雾或蒸汽、电离碰撞表面的温度、施加到电离碰撞表面的电压等)。随着外科手术工具移动深入(离开)器官或靠近(或远离)器官或或特定组织类型，针对外科手术工具的最佳电离参数可以变化，这反应(例如)组织的不同程度的失血和不同成分。相应地，一个或多个电离参数(例如添加到气溶胶中的基质的成分、从该组织释放的烟雾或蒸汽、电离碰撞表面的温度等)也可以被安排为变化或改变，以匹配改变的外科手术条件、并且可选地基于所获取的化学数据变化或改变。
可以设想各种实施例，其中可以基于所获取的化学数据来改变并入有敞开式电离离子源(例如，快速蒸发离子化质谱(“REIMS”)离子源)的外科手术装置或诊断工具的各种操作参数。
根据各种实施例，可以基于从切割位点取得或确定的化学、物理、成像或其他数据来选择质谱仪的离子模式。
根据进一步的实施例，质谱仪的一个或多个操作参数可以基于或者在诊断(例如癌性或健康组织)过程之后或期间进行改变或变更。例如，确认后可以改变一个或多个操作参数。根据分析阶段(例如，探索、诊断或确认)可以被改变或优化的一个或多个操作参数包括以下优化：(i)入口条件，包括入口电压、添加到气溶胶流的任选基质的类型和流速，文丘里(Venturi)吸入等；(ii)气溶胶的裂解条件，包括碰撞表面的流速和温度、加热线圈参数等；(iii)下游光学器件，包括离子路径；以及(iv)质量分析步骤，选择包括用于进一步诊断的质谱峰、进行MS/MS实验、裂解感兴趣的分析物离子和质量分析后续碎片、片段或产物离子。
多变量分析-研发用于分类的模型
举例而言，现将描述使用多个参考样本光谱的多变量分析来构建分类模型的方法。
图3示出了使用多变量分析构建分类模型的方法1500。在此实例中，方法包括步骤1502：获得参考样本光谱的多组强度值。然后，方法包括步骤1504：无监视主成分分析(PCA)，之后为步骤1506：监视线性判别分析(LDA)。此方式在本文中可以称为PCA-LDA。可以使用其他多变量分析方式，如PCA-MMC。然后在步骤1508，将PCA-LDA模型例如输出至存储器。
此类多变量分析可以提供允许使用获自气溶胶、烟雾或蒸汽样本的一个或多个样本光谱来对该气溶胶、烟雾或蒸汽样本进行分类的分类模型。现将参照一个简单的实例，更详细描述多变量分析。
图4示出了从两个类别已知参考样本获得的一组参考样本光谱。这些类别可以是本文中描述的目标的任何一个或多个类别。然而，出于简化，此实例中的两个类别将被称为左手类别和右手类别。
各参考样本光谱已经被预处理，从而衍生该参考样本光谱中各质荷比的三个参考峰强度值的集合。尽管只示出了三个参考峰强度值，但应该理解的是，在各参考样本光谱中，对于对应数量的质荷比，可以衍生更多参考峰强度值(例如，约100个参考峰强度值)。在其他实施例中，参考峰强度值可以对应于：质量；质荷比；离子迁移(漂移时间)；和/或操作参数。
图5示出了具有由强度轴限定的三维的多变量空间。各维度或强度轴对应于特定质荷比下的峰强度。还应该理解的是，多变量空间中可以存在更多维度或强度轴(例如，约100个维度或强度轴)。多变量空间包括多个参考点，其中各参考点对应于参考样本光谱，即各参考样本光谱的峰强度值为多变量空间中的参考点提供坐标。
该组参考样本光谱可以由参考矩阵D表示，该参考矩阵D具有与各参考样本光谱相关的行、与各质荷比相关的列，该矩阵的元素为各参考样本光谱的质荷比的峰强度值。
在很多情况下，多变量空间中的大量维度和矩阵D可能使得难以将参考样本光谱归类。可以相应地对矩阵D进行PCA，从而计算定义PCA空间的PCA模型，该PCA空间具有由主成分轴定义的少量的一个或多个维度。可以将主成分选择为包括或“解释”矩阵D中的最大方差并且累积解释矩阵D中的方差的阈值量的成分。
图6示出了累积方差如何可以随PCA模型中主成分的数量n而增加。可以按需要选择方差的阈值量。
可以使用非线性迭代偏最小二乘法(NIPALS)算法或奇异值分解，从矩阵D计算PCA模型，其细节为本领域的技术人员已知，并且因此在本文中不再详细描述。可以使用计算PCA模型的其他方法。
所得PCA模型可以由PCA得分矩阵S和PCA正交矩阵L定义。PCA模型还可以产生误差矩阵E，该误差矩阵含有不由PCA模型解释的方差。D、S、L以及E之间的关系可以为：
D＝SLT+E (1)
图7示出了图4和图5的参考样本光谱的所得PCA得分。在此实例中，PCA模型具有两个主成分PC0和PC1，并且因此PCA空间具有由两个主成分轴定义的两个维度。然而，按需要，PCA模型中可以包含更少或更多数量的主成分。一般需要主成分的数量比多变量空间中的维度的数量至少少一个。
PCA空间包括多个转换的参考点或PCA得分，每个转换的参考点或PCA得分对应于图4的参考样本光谱并且因此对应于图5的参考点。
如图7所示，PCA空间的维度减少使得能够容易地将参考样本光谱归类到两个类别。在此阶段还可以识别任何异常值并将其从分类模型中移除。
然后可以执行PCA空间中的进一步监视多分量分析(如多类LDA或最大边缘准则(MMC))，从而定义类别，并且可选地进一步减少维度。
如本领域技术人员将理解的，多类LDA寻求类别间的方法与类别内的方差的比的最小化(即，从而尽可能地给出最紧凑的类别之间的最大可能距离)。LDA的细节为本领域的技术人员已知，并且因此在本文中不再详细描述。
所得PCA-LDA模型可以由转换矩阵U定义，该转换矩阵可以经由解析广义特征值问题而衍生于PCA得分矩阵S和其中含有的各转换光谱的类别分配。
然后，得分S从原始PCA空间转换成新的LDA空间可以由以下给出：
Z＝SU (2)
其中，矩阵Z含有转换成LDA空间的得分。
图8示出了具有单个维度或轴的PCA-LDA空间，其中LDA在图7的PCA空间中执行。如图8所示，LDA空间包括多个进一步转换的参考点或PCA-LDA得分，每个进一步转换的参考点或PCA-LDA得分对应于图7的转换的参考样本点或PCA得分。
在此实例中，PCA-LDA空间的维度进一步减少使得能够容易地将参考样本光谱归类到两个类别。PCA-LDA模型中的每个类别可以由其转换的类别平均数和协方差矩阵或PCA-LDA空间中的一个或多个超平面(包括点、线、平面或更高阶的超平面)或超曲面或沃罗诺伊单元来定义。
PCA正交矩阵L、LDA矩阵U以及转换的类别平均数和协方差矩阵或超平面或超曲面或沃罗诺伊单元可以输出至数据库以稍后用于分类气溶胶、烟雾或蒸汽样本。
LDA空间中的用于分类g的转换的协方差矩阵V’g可以由以下给出：
V’g＝UTVgU (3)
其中，Vg为PCA空间中的类别协方差矩阵。
用于分类g的转换类别平均位置zg可以由以下给出：
sgU＝zg (4)
其中，sg为PCA空间中的类别平均位置。
多变量分析-使用用于分类的模型
举例而言，现将描述使用分类模型对气溶胶、烟雾或蒸汽进行分类的方法。
图9示出了使用分类模型的方法2100。在此实例中，方法包括步骤2102：获得参考样本光谱的一组强度值。然后，方法包括步骤2104：将该参考样本光谱的该组强度值投影至PCA-LDA模型空间。可以使用其他分类模型空间，如PCA-MMC。然后，在步骤2106，基于投影位置将样本光谱分类，并且然后在步骤2108输出分类。
现将参照上述简单的PCA-LDA模型，详细描述气溶胶、烟雾或蒸汽样本的分类。
图10示出了从未知气溶胶、烟雾或蒸汽样本获得的样本光谱。样本光谱已经被预处理，从而衍生各质荷比的三个样本峰强度值的集合。如上所述，尽管只示出了三个样本峰强度值，但应该理解的是，对于更多对应数量的样本光谱的质荷比，可以衍生更多样本峰强度值(例如，约100个样本峰强度值)。又，如上所述，在其他实施例中，样本峰强度值可以对应于：质量；质荷比；离子迁移(漂移时间)；和/或操作参数。
样本光谱可以由样本向量dx表示，该向量的元素为各质荷比的峰强度值。样本光谱的转换的PCA向量sX可以如下获得：
dxL＝sx (5)
然后，样本光谱的转换的PCA-LDA向量zX可以如下获得：
sxU＝zx (6)
图11又示出了图8的PCA-LDA空间。然而，图11的PCA-LDA空间进一步包括投影样本点，对应于转换的PCA-LDA向量zx、衍生于图11的样本光谱的峰强度值。
在此实例中，投影样本点位于涉及右手类别的类别之间的超平面的一侧，并且因此气溶胶、烟雾或蒸汽样本可以分类为属于右手类别。
或者，可以使用LDA空间中距类别中心的马氏(Mahalanobis)距离，其中距类别g的中心的点zx的马氏距离可以由以下的平方根给出：
(zx-zg)T(V’g)-1(zx-zg)(7)
并且数据向量dx可以分配至此距离最短的类别。
另外，将各类别视为多变量高斯(Gaussian)，可以计算数据向量到每个类别的隶属概率。
基于库的分析-研发用于分类的库
举例而言，现将描述使用多个输入参考样本光谱来构建分类库的方法。
图12示出了构建分类库的方法2400。在此实例中，方法包括步骤2402：获得多个输入参考样本光谱、以及步骤2404：从各类别样本的多个输入参考样本光谱中导出元数据。然后，方法包括步骤2406：将各类别样本的元数据存储为单独的库体。然后在步骤2408，将分类库例如输出至电子存储器。
此类分类库允许使用获自气溶胶、烟雾或蒸汽样本的一个或多个样本光谱来对该气溶胶、烟雾或蒸汽样本进行分类。现将参照一个实例，更详细描述基于库的分析。
在此实例中，从隔类别的多个预处理参考样本光谱，创建分类库中的各项。在此实例中，一个类别的参考样本光谱根据以下过程预处理：
首先，执行重组(re-bin)方法。在此实施例中，将数据重新采样至具有横坐标的对数网格：
Figure BDA0002662652690000311
其中，Nchan为选定值并且
Figure BDA0002662652690000312
指示低于x的最接近整数。在一个实例中，Nchan为212或4096。
然后，执行背景减法方法。在此实施例中，然后构建具有k节的三次样条，这样使得各对节之间的p％数据位于曲线下方。然后从数据中减去此曲线。在一个实例中，k为32。在一个实例中，p为5。然后从各强度中减去对应于强度减去数据的q％分位数的常数值。保留正值和负值。在一个实例中，q为45。
然后，执行归一化方法。在此实施中，是数据归一化以具有平均值
Figure BDA0002662652690000313
在一个实例中，
Figure BDA0002662652690000314
然后，库中的项由光谱中各Nchan点的中值光谱值μi和推导值Di形式的元数据组成。
第i个通道的可能性由以下给出：
Figure BDA0002662652690000315
其中，1/2≤C<∞并且其中Γ(C)为伽玛函数。
上述等式为广义柯西(Cauchy)分布，减少至C＝1的标准柯西分布并且变为C→∞的高斯(常规)分布。参数Di控制分布的宽度(在高斯限值中，Di＝σi只是标准偏差)，而全局值C控制尾部的大小。
在一个实例中，C为3/2，位于柯西分布与高斯分布之间，因此可能性变为：
Figure BDA0002662652690000316
对于各库体，将参数μi设定为输入参考样本光谱中的第i个通道中的值列表的中位数，而导数Di视为这些值除以√2的四分之一范围。这种选择可以确保第i个通道的可能性与输入数据具有相同的四分之一范围，使用分位数提供一些防范外围数据的保护。
基于库的分析-使用用于分类的库
举例而言，现将描述使用分类库对气溶胶、烟雾或蒸汽进行分类的方法。
图13示出了使用分类库的方法2500。在此实例中，方法包括步骤2502：获得一组多个样本光谱。然后，方法包括步骤2504：使用分类库中的类别项的元数据为每个类别样本的该组多个样本光谱计算分类概率或得分。然后，在步骤2506，将样本光谱分类，并且然后在步骤2508输出分类。
现将参照上述分类库，详细描述气溶胶、烟雾或蒸汽样本的分类。
在此实例中，未知样本光谱y为一组多个样本光谱的中值光谱。采取中值光谱y可以基于逐个通道保护包括防范外围数据。
然后，库体s中给出的输入数据的可能性Ls由以下给出：
Figure BDA0002662652690000321
其中，μi和Di分别通道i的库中位数值和推导值。可能性Ls可以计算为数值安全的对数可能性。
然后，归一化所有候选类别′s′的可能性Ls以给出概率，假设类别上有均匀的先验概率。类别
Figure BDA0002662652690000322
的所得给了由以下给出：
Figure BDA0002662652690000323
指数(1/F)可以削弱概率，否则概率间可能会太明确。在一个实例中，F＝100。这些概率可以表达为百分数，例如表达于用户界面。
或者，RMS分类得分Rs可以使用来自库的相同的中值样本值和推导值来计算：
Figure BDA0002662652690000324
又，归一化所有候选类别′s′的得分Rs。
然后，气溶胶、烟雾或蒸汽可以被分类为属于具有最高概率和/或最高RMS分类得分的类别。
拉曼采样系统
图14示出了根据一个实施例的拉曼采样系统，该拉曼采样系统包括激发源21、光输送和收集光学器件22和24、光谱仪25和检测器26。
如图10所示的拉曼采样系统包括通过拉曼探头20，该拉曼探头经由单根光学传递光纤22连接到激光器21(例如二极管激光器21)。该传递光纤22将来自二极管激光器21的激光传递到目标23(该目标可以包含体内生物组织)。来自该目标23的散射光由一根或多根收集光纤24收集，这些收集光纤可以包括一束光纤。该散射光由这些一根或多根收集光纤24传到摄谱仪25。由电荷耦合装置(“CCD”)摄像机或检测器26记录或检测来自摄谱仪25的拉曼光谱，并将信号输出到计算机27。该摄谱仪25可以包括一个或多个全息光学元件，以将入射光分散到与检测器26重合的平面成像平面上。可以将CCD摄像机或检测器26放置在摄谱仪25的图像平面中以捕获分散的光、并且可以由计算机27显示所得的图像。
可以设想其他实施例，其中传递光纤22可以包括多根传递光纤22。
摄谱仪25可以包括具有体积相位全息光栅的透射成像摄谱仪，并且根据实施例的CCD摄像机或检测器26可以包括NIR优化的背照射深度耗尽CCD阵列。该CCD可以具有16位动态范围、并且可以是冷却至-120℃的液氮。摄谱仪25(f＝2.2)的f数值可以被安排成基本上匹配一根或多根收集光纤24的数值孔径(N.A.＝0.22)。
由于激光器光源的高功率输出和窄带宽，这些激光器光源对于拉曼光谱是优选的。对于生物组织，可以使用NIR激光器，因为在NIR激发下其穿透深度深并且组织自发荧光水平较低。700-1000μm可以被认为是生物组织的光学窗口。
根据各种实施例，激光器21可以被安排成发射例如波长632nm、690nm、785nm、810nm、830nm或1064nm的激光辐射。然而，应当理解，可以设想其他实施例，其中激光器21可被安排成发射其他波长的激光辐射。较短的波长可用于离体薄组织样本。脉冲和连续波(CW)激光器都可用于拉曼光谱。对于传统的拉曼光谱，连续波激光器是最常用的。
激光二极管21可以包括外腔稳定二极管激光器或固态二极管激光器。
这些CCD检测器26是NIR拉曼光谱的理想选择，因为它们是线性的、具有良好的动态范围、并且在NIR中具有高量子效率。
拉曼光谱利用非弹性散射的激光来提供关于分子键振动的详细信息。拉曼效应可以被描述为由样本的分子引起的光的非弹性散射。结果，散射光子的能量，并因此波长的能量与入射的光子的能量不同。这些波长偏移与特定的分子振动模式成正比。作为强度与波长偏移的关系图的拉曼光谱提供了样本中关于分子组成和微环境的信息。样本中的每个化学部分都具有独特的分子结构。因此，可以通过拉曼光谱的分析来确定样本的成分。
拉曼光谱是强度对波长偏移的图。波长位于通常以相对波数(cm-1)为单位。这是针对具有激发波长λex和峰值位置λ的光的斯托克斯拉曼散射计算的，以cm为单位：
Figure BDA0002662652690000331
使用相对波数，使得用不同激发波长收集的光谱可以相互比较。
拉曼光谱的一个优点是，典型的拉曼光谱包括多个相当尖锐的峰。这与荧光光谱相反，其中存在有限数量的荧光团、并且宽峰使得难以从未解析的光谱特征中提取参数。事实上，生物组织的荧光光谱的大部分结构是由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光谱的贡献而不是荧光。
与红外吸收光谱不同，水对拉曼光谱没有不利影响。因此，可以研究水合样本(例如体内组织)，并且不需要样本制备。
从经典理论可以看出，频移的幅度等于参与分子振动模式的频率。以频率降低而散射的光、并因此较长波长散射的光称为斯托克斯拉曼散射，而反之称为非斯托克斯拉曼散射。在室温下，非斯托克斯拉曼散射比斯托克斯拉曼散射弱得多。
吸收的光将分子移动到激发能级。在瑞利(Rayleigh)(弹性)散射的情况下，光被吸收、分子从基态n0激发到第二激发级n2，然后分子从第二激发级n2直接驰豫回基态n0，这其中光子被发射并且没有能量交换。
斯托克斯拉曼散射发生在吸收入射光子后，其中分子从基态n0激发到第二激发级n2，然后分子从第二激发级n2驰豫回位于基态n0以上的中间第一振动能级n1。
如果分子已经处于中间的第一激发的振动能级n1，则入射光子可以引起激发直到第二激发能级n2，随后驰豫回基态n0，这导致波长降低的入射光子的反斯托克斯拉曼散射。
传递光纤22可以以短波长通过或带通(第一)滤波器而终止。第一滤波器可以安排成从二极管激光器21传从激光激发光，但是阻挡来自输送光纤22的波长更长的光谱背景。传递光纤22可以是多模的、并且芯直径为100-200μm。传递光纤22可以根据一个实施例具有在范围在0.22-0.37范围内的数值孔径。
传递光纤22可以包括高氢氧化物(“高OH”)光维，该高氢氧化物光维具有高紫外线和可见波长透射率。替代性地，传递光纤22可以包括低氢氧化物(“低OH”)光维，该低氢氧化物光维可用于NIR和IR波长范围内。
这些一根或多根传递光纤24可以以短波长通过或带通(第二)滤波器而终止。第二滤波器可以被安排成传送来自目标23(例如，组织)的拉曼光谱，同时可以阻挡从目标23的表面反向散射的激光。
根据各种实施例，可以将线性带通或长通滤波器沉积在光纤尖端上以降低噪声。
根据一个实施例，由传递光纤22发射的激发激光可以穿过准直透镜、带通滤波器(例如785±2.5nm)和聚焦透镜。该带通滤波器有效地抑制了可能从传递光纤22内产生的拉曼散射和荧光。
可以控制激光器21的强度，这样使得目标处的辐照度不超过期望限度。例如，根据一个实施例，根据美国国家标准研究所(ANSI)标准Z136.1-1993，对于785nm的激光束，皮肤表面(或其他组织)的辐照度可以保持在1.63W/cm2以下。
根据另一实施例，激发激光可以具有830nm的波长、并且由二极管激光器21生成。然而，可以设想其他实施例，其中可以使用其他类型的激光器、并且可以改变激光器的波长。
根据一个实施例，可以使用具有例如50mm的焦距的f/1.2摄像机镜头来收集反向散射的拉曼光。该摄像机透镜可以被安排成在拉曼光被陷波滤波之前将拉曼光准直，然后经由透镜被CCD摄像机或检测器26聚焦到f/4摄谱仪25上。
根据另一实施例，反向散射拉曼光可以通过双透镜安排来收集，其中第一透镜用于信号收集和光束准直、并且第二透镜用于将信号聚焦到这些收集光纤24中。这些透镜可以被安排成具有50mm的焦距、并且具有与这些收集光纤24的孔径基本匹配的数值孔径(NA)。
长通滤波器可以位于第一和第二透镜之间。根据一个实施例，长通滤波器可以包括具有800-1200nm带通的干涉滤波器。该长通滤波器可以安排成衰减弹性散射光、同时允许拉曼散射光通过。
激发光可以聚焦到尺寸大约为100μm直径的光点，并且收集光纤24的直径可以是大约1mm。
激发光纤22和/或收集光纤24可以由玻璃或蓝宝石制成。蓝宝石特别有益，因为它不显示荧光、并且在感兴趣的正常区域中仅具有单个尖锐的拉曼带。蓝宝石还坚硬耐用。
根据一个实施例，拉曼探头20可以包括单个具有直径为200μm的芯的中心激励光纤，该中心激励光纤可以配备有用于光隔离的铝护套、以防止与多个收集纤维的串扰，该铝护套可以围绕中心激励光纤以圆形方式安排。
可以安排成围绕中心激励光纤的这些收集纤维可以导致探头具有1.75mm的总直径。这束纤维可以被包裹在用于结合和保护的黑色特氟龙(RTM)涂层中，并且该拉曼探头的总长度可以约为4m。
拉曼探头20可以以各种不同的构造提供。例如，根据一个实施例，拉曼探头20可以包括收集光纤24的单个环，设置在单个中心激励光纤22周围。替代性地，根据一个实施例，拉曼探头20可以收集光纤24的双环，设置在单个中心激励光纤22周围。
这些收集纤维24的单环或双环可以(例如)包括6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或>20根收集光纤。
根据另一个实施例，这些收集光纤24可以包括多根低OH光纤(100μm芯直径)，数量选自以下各项组成的集合：5-10、10-20、20-30、30-40、40-50、50-60或>60。
激发激光器可以具有大约100mW功率、并且拉曼探头20可以被操作使得一根或多根收集纤维24在持续约1s、2s、5s、10s、20s、30s、40s、50s或60s的时间段内收集拉曼光。
拉曼探头20可以安排成记录波数在800至1800cm-1范围内的拉曼光。然而，本领域技术人员将理解，800至1800cm-1的范围不应被解释为限制。例如，根据其他各种实施例，可以确定在600至2000cm-1范围内的拉曼特征或偏移。
根据各种实施例，拉曼探头20可以包括体内拉曼光谱系统(“IVRS”)，并且拉曼探头20可以用作内窥镜工具的一部分。
例如，根据一个实施例，拉曼探头20可以用作体内内窥镜工具，用于从人体胃肠道组织获得拉曼光谱。根据一个实施例，拉曼探头20可以利用785nm的激光源，并且激光可以被安排成具有100mW的能量。拉曼光谱可以在例如5s的收集时间内获得。
根据一个实施例，可以使用氟化钙(CaF2)光学窗口和其他光学部件，因为氟化钙(CaF2)具有优异的拉曼窗口、在NIR中具有高透射率和低拉曼散射截面，这在320cm-1处产生单个弱峰以及约为1.4折射率，该折射率近似与组织的折射率匹配。
拉曼系统初始化
拉曼系统可在临床使用前进行校准。例如，拉曼系统可以被波长校准，并且系统光谱响应也可以被校准。可以对拉曼信号进行强度校准，并且可以处理从CCD摄像机26发射的CCD信号以进行暗噪声减除。可以在每次测量之前测量CCD暗噪声，然后可以在每次CCD读出事件之后立即按顺序地减除。
可以使用环己烷、丙酮和硫酸钡与汞-氩灯组合进行波长校准。可以使用五阶多项式拟合来将CCD像素与波长相关联。
计算机27可以被安排成加载拉曼光谱和/或相关光谱的PCA和LDS分析所需的数据库和文件。
可以将各种已知的算法应用于获得的拉曼光谱，以除去可能叠加在拉曼信号上的任何NIR自发荧光背景。
拉曼光谱和皮肤癌分析
可以使用包括红外(IR)光谱和拉曼光谱的无创光学技术来分析人体皮肤。IR和拉曼光谱是相似的，它们都根据不同的基本物理原理探测分子的振动性质。IR光谱是基于样本组织的吸收性质，其中信号强度遵循比尔(Beer)定律，而拉曼光谱依赖于检测被样本组织非弹性散射的光子。拉曼位移的强度与分子浓度成正比，与样本厚度无关。
已知皮肤组织的拉曼分析导致在800-1800cm-1范围内观察到显着的光谱特征，特别是855cm-1、938cm-1、1002cm-1、1080cm-1、1269cm-1、1301cm-1、1445cm-1、1655cm-1和1745cm-1附近的主要振动谱带内。最强的谱带位于1445cm-1附近，被分配给蛋白质和脂质的CH2变形。1655cm-1和1269cm-1谱带被分配给包含酰胺I和酰胺III的蛋白质振动模式。
还已知皮肤组织的拉曼分析示出了851cm-1、962cm-1、1065cm-1、1258cm-1、1297cm-1、1437cm-1、1542cm-1、1653cm-1、1737cm-1、2159cm-1、2698cm-1、2828cm-1、2879cm-1和2987cm-1附近的主要拉曼峰值。
基底细胞癌(“BCC”)起源于表皮的角化细胞。已知基底细胞癌组织样本的NIR拉曼光谱示出了1230-1290cm-1处的酰胺III区域的强度相对于1290-1330cm-1处的脂质区域降低。强度的降低也可以在830-900cm-1和900-990cm-1的氨基酸区域观察到。特别地，已经发现以下光谱区域与病理学不同：900-984cm-1(氨基酸)、1290-1350cm-1(脂质)、1600-1725cm-1(酰胺I)和2800-3000cm-1(C-H区域)。
皮肤组织的拉曼光谱由于在855cm-1和936cm-1处的脯氨酸和羟脯氨酸侧链峰呈现了来自真皮的胶原特征。
因此，很明显，拉曼光谱使用敞开式电离离子源的分析相组合可以用来帮助识别潜在的癌变皮肤组织。
拉曼光谱和妇科癌分析
已知在1262cm-1(酰胺III)、1445cm-1(CH弯曲)和1659cm-1(酰胺I)附近的峰值的相对强度可用于对正常和恶性妇科组织进行分类。
对于子宫癌和宫颈癌，1657cm-1附近峰值的强度相对于1445cm-1谱带可能由于组织的蛋白质-脂蛋白成分的变化而降低。
还观察到子宫、子宫内膜和卵巢癌的酰胺III谱带的扩大，并且这可以表示弹性蛋白含量的降低。
因此，很明显，使用拉曼光谱与使用敞开式电离离子源的分析相组合可以用来帮助识别潜在的癌变或患病妇科组织。
紫外线共振拉曼光谱(“UVRRS”)
紫外共振拉曼光谱(“UVRRS”)涉及拉曼光谱的变型，其中当激发与样本的吸收带相匹配的波长时，拉曼信号的强度增加了几个数量级。结果，信噪比显着增加、并且也可以绕过组织荧光。
可以设想实施例，其中可以获取紫外线共振拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助识别潜在的癌变或患病组织。
拉曼光谱和乳腺组织分析
乳腺组织是拉曼光谱的优秀候选，因为它具有高浓度的脂肪酸，这些脂肪酸产生强拉曼散射、并导致光谱具有优异的信噪比(“SNR”)。
已经表明，(例如)有可能使用拉曼光谱来检测淋巴结中的硅氧烷(聚二甲基硅氧烷凝胶)，这是由于(例如)乳房植入物随后的泄漏并且污染淋巴结。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助识别潜在的癌变、患病或被污染的乳腺组织。
拉曼光谱和福尔马林固定组织分析
拉曼光谱可用于分析福尔马林和石蜡固定组织样本。用福尔马林固定组织样本会引起1040cm-1附近的另外谱带的光谱污染。
拉曼光谱也可以在已经冷冻保存的组织样本上进行。组织样本可以以零下85℃冷冻保存在最佳切割温度(“OCT”)培养介质中。在拉曼光谱分析之前，该组织应在室温下预解冻15min、从OCT中取出、并另外浸入磷酸盐缓冲盐水(“PBS”)中15分钟。然后可以对浸过PBS的样本进行拉曼光谱。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析包含福尔马林固定和冷冻固定的离体组织。
拉曼光谱和骨骼和颅骨分析
骨骼由富含胶原蛋白的碳酸钙磷酸盐的水合无机细胞外基质组成。有机成分还包括少量的糖胺聚糖、糖蛋白、脂质和肽。骨骼的常规X射线衍射分析具有许多缺点、而拉曼光谱可用于从同时骨骼的有机和无机成分获得数据。
在800cm-1、851cm-1、950cm-1、1065cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1和2917cm-1附近观察到了颅骨的特征拉曼峰值。
颅骨和牙齿在950cm-1附近都具有来自羟基磷灰石钙的较强拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析骨骼和颅骨。
根据各种实施例，生物组织或部分的骨骼或头骨可以使用激光照射以生成气溶胶或外科手术烟雾。然后可以使用激光诱导的击穿光谱(“LIBS”)分析该气溶胶或外科手术烟雾。
拉曼光谱和牙齿分析
牙齿的主要硬成分是牙质，该牙质将根部由牙骨质和在暴露的冠部处的牙釉质薄层结合。这些材料由主要为胶原蛋白I的有机基质内约70％的无机磷灰石组成。还存在较小含量的蛋白质、脂质和肽。牙釉质是人体最硬的组织、有机物浓度最低、并且不含胶原蛋白。
NIR拉曼光谱可以提供关于牙齿的矿物质和有机成分的信息。
在800cm-1、851cm-1、950cm-1、1065cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1和2917cm-1附近观察到了牙齿的特征拉曼峰值。
颅骨和牙齿在950cm-1附近都具有来自羟基磷灰石钙的较强拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析牙齿。
根据各种实施例，生物组织或部分的牙齿可以使用激光照射以生成气溶胶或外科手术烟雾。然后可以使用激光诱导的击穿光谱(“LIBS”)分析该气溶胶或外科手术烟雾。
拉曼光谱和血液、血球和血清分析
从血液和血球中生成的拉曼光谱近似相同、并表明观察到的光谱特征主要是由红细胞引起的。在742cm-1、778cm-1、991cm-1、1074cm-1、1120cm-1、1160cm-1、1210cm-1、1335cm-1、1383cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1614cm-1、2159cm-1和2914cm-1附近观察到了主要拉曼峰值。高度充氧的血液还在1375cm-1、1590cm-1和1640cm-1附近示出了另外的峰值。
血清呈现了820cm-1、1044cm-1、1335cm-1、1383cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1614cm-1、1653cm-1、2159cm-1、2646cm-1和2914cm-1附近主要拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相结合用来帮助分析血液、血球和血清。
拉曼光谱和脂肪组织和脂肪酸分析
脂肪组织是由脂肪细胞组成的松散结缔组织、主要作用是以脂肪的形式储存能量。脂肪组织呈现了1065cm-1、1270cm-1、1298cm-1、1437cm-1、和1650cm-1低频区域附近和2828cm-1、2879cm-1和2970cm-1高频区域附近的特征拉曼峰值。
棕榈酸是动物和植物中发现的最常见的饱和脂肪酸之一、并且主要作为甘油三酯(脂肪)中的酯出现。包含月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸在内的所有饱和脂肪酸具有类似的拉曼光谱，具有在1063cm-1、1128cm-1、1296cm-1和1438cm-1附近的强峰。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析脂肪组织和脂肪酸。
拉曼光谱和骨骼肌分析
骨骼肌包括收缩组织，并且这些骨骼肌的特征拉曼峰值在低频区域位于851cm-1、962cm-1、1065cm-1、1258cm-1、1297cm-1、1437cm-1、1542cm-1、1653cm-1、1737cm-1附近、并且在高频区域位于2159cm-1、2698cm-1、2828cm-1、2914cm-1和2987cm-1附近。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析这些骨骼肌。
拉曼光谱和脑疾病分析
拉曼光谱已经用于研究正常和患病的脑组织。脑组织包含以干重计大约70％的蛋白质、12％的脂质和3％-5％的核酸干重、并且提供具有NIR激发的强拉曼信号。
帕金森(Parkinson)病是由基底神经节黑质(“SN”)退化引起的一种进行性神经障碍。
源于神经胶质细胞的多形性胶质母细胞瘤(“GBM”)由于其侵入性质和高发病率而成为最严重的恶性脑肿瘤。诊断和分级取决于肿瘤起源、有丝分裂活性和内皮细胞增殖。脑肿瘤的常规分级依赖于具有出血和随后的脑损伤风险的活组织检查。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析脑疾病。
拉曼光谱和胃肠道(GI)疾病和病症分析
巴雷特(Barrett)食管(“BE”)是正常鳞状上皮(SQ)衬垫被腺体柱状上皮替代的恶化前期。BE患者食管腺癌(AC)发生风险增加。发育异常(DYS)(定义为明确的肿瘤上皮)是增加恶性肿瘤风险的重要标志。
在828cm-1、851cm-1、991cm-1、1044cm-1、1258cm-1、1302cm-1、1442cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1、2177cm-1和2917cm-1附近观察到了正常胃组织的特征拉曼峰值。
在828cm-1、921cm-1、991cm-1、1044cm-1、1258cm-1、1074cm-1、1160cm-1、1258cm-1、1302cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1、2177cm-1、2870cm-1和2917cm-1附近观察到了正常小肠组织的特征拉曼峰值。
在1080cm-1、1260cm-1、1300cm-1、1450cm-1、1650cm-1和1750cm-1附近观察到了正常结直肠组织的特征拉曼峰值。
在828cm-1、921cm-1、1044cm-1、1442cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1和2917cm-1附近观察到了正常膀胱组织的特征拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析胃肠道(GI)疾病和病症。
根据各种实施例，生物组织或部分的肠胃道可以使用激光或快速蒸发电离质谱(“REIMS”)电离源照射，以生成气溶胶或外科手术烟雾。
拉曼光谱和肺组织分析
在800cm-1、991cm-1、1044cm-1、1302cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1590cm-1、1614cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1和2917cm-1附近观察到了肺组织的特征拉曼峰值。肺组织在1590cm-1处具有特殊的特征峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析肺组织疾病。
拉曼光谱和结直肠癌分析
结肠直肠癌遵循与胃肠癌相似的疾病进展、发生于发育异常。在1340cm-1、1458cm-1、1576cm-1和1662cm-1附近的谱带中的细微变化指示腺癌的核酸和脂质含量都增加。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析结直肠癌。
拉曼光谱和肾、肝和脾组织分析
在876cm-1、1031cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1623cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2127cm-1、2159cm-1和2914cm-1附近观察到了肾组织的特征拉曼峰值。
在851cm-1、1044cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1585cm-1、1623cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2159cm-1、2870cm-1和2914cm-1附近观察到了肝组织的特征拉曼峰值。
在828cm-1、1017cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1623cm-1、1725cm-1、2127cm-1、2151cm-1、2747cm-1和2914cm-1附近观察到了脾组织的特征拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析肾、肝和脾组织。
脑肿瘤
脑是神经系统的中心、并且包括神经元和神经胶质细胞两大类细胞。
脑组织具有在962cm-1、991cm-1、1044cm-1、1302cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1614cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2139cm-1、2879cm-1和2917cm-1附近的特征拉曼峰值。脑组织在2879cm-1附近处具有强脂质峰值。
将D-54MG恶性人类神经胶质瘤细胞系的悬浮液注入严重受损的免疫缺陷(scid)小鼠中，而将脑肿瘤引入小鼠中。可能的胶质瘤标记物被1158cm-1、1362cm-1、1390cm-1和1550cm-1附近的拉曼光谱识别。
人类脑肿瘤也已经使用拉曼光谱进行研究。已经观察到，酰胺III谱带从胶质瘤III级脑肿瘤中的1245至1268cm-1的偏移，这表明从α-螺旋向随机线圈次级蛋白结构的变化。由于脂质烃链的反式构型，肿瘤也在1130cm-1(C-C伸展)处具有增强的峰值，这表明这些脂质的流动性丧失，这也反映在2800-2950cm-1处CH伸展区域的脂质峰中。还观察到，在856cm-1处的多糖峰值因为肿瘤而增强、并且可用于监测肿瘤发展。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析脑肿瘤。
拉曼光谱和动脉和心脏组织分析
主要由动脉粥样硬化引起的心脏病发作占美国所有死亡人数的大约20％-25％。动脉由三层组成，即内膜、介质和外膜。当内膜由于胶原蛋白含量的增加而增厚时，发生动脉粥样硬化。这导致脂肪和坏死组织的积累，如果不加以限制，则会导致斑块的形成。随后的钙积累可能导致动脉壁中的羟基磷灰石钙沉积，这可能进一步阻塞血液流动并导致诸如心脏病的情况。
正常主动脉以1252cm-1、1452cm-1和1658cm-1处的蛋白质峰为主。动脉粥样硬化斑块的拉曼光谱呈现出许多低于1000cm-1的峰值，这些峰值归因于胆固醇。在630cm-1和1070cm-1处也观察到了峰值，这些峰值分别与钙羟磷灰石和碳酸盐磷灰石相关。
已经观察到动脉粥样硬化主动脉包括47％的总胆固醇(对比6％的正常组织)。
在962cm-1、1031cm-1、1302cm-1、1335cm-1、1442cm-1、1542cm-1、1623cm-1、1653cm-1、1725cm-1、2127cm-1、2159cm-1、2870cm-1和2914cm-1附近观察到了心脏组织的特征拉曼峰值。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析动脉和心脏组织。
拉曼光谱和器官分析
来自蛋白质、脂质和DNS的主要拉曼峰值出现在所有组织的拉曼光谱的相似位置，因为所有组织都具有蛋白质分子、磷脂、DNA和RNA。1270cm-1、1310cm-1、1445cm-1、1660cm-1、和2900cm-1附近的拉曼峰值源于脂质和蛋白质、并且在每个器官中都清楚地观察到。
可以设想实施例，其中可以获取拉曼光谱数据，并与使用敞开式电离离子源的分析相组合用来帮助分析器官组织。
荧光背景组织
自发荧光背景可以影响来自器官的拉曼光谱的测量。生物组织中的主要荧光团是吡啶(NADPH)和黄素辅酶(FAD)、胶原和弹性蛋白。
造影剂和纳米粒子
近红外线(“NIR”)可用于与NIR可激发染料或造影剂组合询问组织。
可以设想各种实施例，其中内源或外源造影剂可用于增强根据各种实施例获得的图像数据、物理数据、化学数据或其他数据。
可以使用许多不同的造影剂来增强图像数据、物理数据、化学数据或其他数据，例如当用波长在700-900nm范围内的红外线辐射照射时可以发出荧光。该700-900nm的波长范围可被认为包括治疗窗口，因为体内组织在该波长范围内呈现出低的吸收度。吸收主要发生在氧和脱氧血红蛋白、脂肪、黑色素和水的组织发色团中。
应当理解，由成像、化学、物理或其他技术检测潜在异常或患病组织的能力主要取决于健康和患病组织之间的对比度。
替代性地，基于具有不同散射性质的两种不同组织类型，异常或患病组织可以与健康组织区分开来。
尽管700-900nm的波长范围是特别有益的，因为在该波长范围内吸度低，并且在该波长范围内的红外线辐射也可以呈现出相对较高的散射系数。
可以设想实施例，其中成像数据、化学数据、物理数据或其他数据可以通过检测在健康和患病组织之间的700-900nm波长范围内的红外线辐射散射的差异来获得。
还可以设想实施例，其中一种或多种外源造影剂可用于分析体内、离体或体外组织样本、生物物质、有机物质(包括塑料)、一种或多种细菌菌落或一种或多种真菌菌落。根据一个实施例，可以向组织中提供或添加一种或多种外源荧光造影剂，以增强内源对比度。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种荧光造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种可见光染料。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种放射造影剂。
这些一种或多种造影剂可以包括一种或多种光学、近红外线(“NIR”)、荧光、自发荧光或诊断造影剂。
根据各种实施例，这些一种或多种造影剂可以选自下组，该组由以下各项组成：(i)吲哚菁绿(“ICG”)和包含吲哚三羰花青的吲哚菁绿的衍生物或缀合物；(ii)二乙基硫代三碳菁碘化物(“DTTCI”)和二乙基硫代三碳菁碘化物的衍生物或缀合物；(iii)罗丹明B和罗丹明B的衍生物或缀合物；(iv)包含焦脱镁叶绿酸己酯(“HPPH”)的光动力学治疗(“PDT”)试剂；(v)包含Cy 5.5染料的花青染料；以及(vi)双功能造影剂。
吲哚菁绿(“ICG”)尤其有益，因为吲哚菁绿已获FDA批准用于系统性给药。吲哚菁在约780nm被激发、并且在830nm发射。吲哚菁绿将溶于血液中、并且与蛋白质(例如白蛋白和脂蛋白)结合。ICG是非特异性的药剂、并且从血液中迅速清除。然而，ICG倾向于经外渗收集在密集血管的区域。ICG可以以0.2mg/kg的剂量静脉内施用给患者。ICG的衍生物和缀合物也可以被使用。
可以设想各种实施例，其中使用780nm激光器激发ICG、并使用增益调制图像增强电荷耦合摄像机(ICCD)检测830nm处的荧光光谱。
可以设想其他实施例，其中可以使用磁性纳米粒子(“MNP”)作为造影剂。这些磁性纳米粒子可以包括直径在1-100nm范围内的铁磁性氧化铁，即磁铁矿(Fe3O4)或磁赤铁矿(γ-Fe2O3)。根据一个实施例，这些纳米粒子可以具有以下范围内的直径1-10nm、10-20nm、20-30nm、30-40nm、40-50nm、50-60nm、60-70nm、70-80nm、80-90nm或90-100nm。特别地，可以设想各种实施例，其中芯直径在5-15nm范围内的纳米粒子可以用作造影剂。特别地，随着纳米粒子尺寸的减小，这些纳米粒子的特性从具有多畴铁磁特征变为具有单畴特征并最终具有超顺磁特征。特别地，直径在5-15nm范围内的小纳米粒子呈现出没有磁滞损耗的超顺磁特征、并且由于弛豫损失(主要是Néel弛豫损失)而生成热量。这些磁性纳米粒子的固有铁磁性质为磁共振(“MR”)成像增强了对比度。例如，磁性纳米粒子在脑肿瘤中的积累随着在T2加权成像(包括梯度回波成像)中显示出低信号强度。
磁性纳米粒子也可以被官能化以靶向癌细胞，从而使得癌组织可以被磁共振成像识别。
根据一个实施例，可以使用超小型超顺磁性氧化铁纳米粒子(“USPIONP”)。
除了使用纳米粒子在癌组织内积累之外，根据进一步的实施例，可以施加磁场，特别是经由(经由布朗尼尔(Brownian)Néel驰豫过程)驰豫损耗或经由磁滞损耗产生热量的交变磁场(“AMF”)来加热这些纳米粒子。结果，潜在的癌组织可以基于相对于周围正常健康组织具有升高的或超高温温度来识别。因此，热检测技术结合在癌组织中积累的纳米粒子的加热可以用于可视化、成像或靶向潜在的癌组织。
可以设想进一步的实施例，其中累积在癌组织中的纳米粒子可以被加热至>40℃的温度，以选择性地靶向且杀死癌细胞。例如，将癌细胞加热至约45℃的温度可导致癌细胞发生凋亡或坏死。此外，局部加热癌细胞可以增加到癌细胞的血流量，这可以(例如)改善化疗剂向癌细胞的传递。此外，癌细胞比正常组织更热敏感，因此可以选择性地向癌细胞施加热量，以杀死癌细胞而不损害周围的正常或健康组织。
根据一个实施例，纳米粒子可以包括聚硅氧烷基质(Si)，其中螯合物质(例如二亚乙基三胺五乙酸(DTPA))在颗粒表面允许金属元素(例如钆(Gd)、硅(Si)、钙(Ca)和铁(Fe))的络合。
根据其他实施例，这些纳米粒子可有由射频电容式加热来加热，其中例如可以施加8MHz的交流电流，并且增加位于这些电极之间的组织的温度。可以使用磁铁矿阳离子脂质体(MCL)，当注射进入癌细胞中时，癌组织可达到高于健康组织2℃-3℃的温度。
可以设想其他实施例，其中可以使用含有铁磁性成分的抗体作为造影剂。
这些一种或多种造影剂对该目标可以是外源或内源的。
众所周知，荧光团由吸收光子而被激活到激发态，然后可以以非辐射方式驰豫到基态。替代性地，荧光团可以以辐射(荧光)方式驰豫到基态。荧光寿命τ等于荧光团保持其活化状态的平均时间，并且量子效率是辐射地发生的弛豫的比例。
已知其他机制，其中该激发态可以经历交叉到中间激发状态的系统间，在系统间中电子的自旋状态被翻转、并且直到电子自旋反转禁止中间激发态的驰豫。中间激发态的寿命可以是微秒到毫秒的数量级、并且被称为磷光。
荧光辐射衰减可能受pH、氧化、游离离子浓度、葡萄糖和其他分析物的影响。因此，荧光可以提供不能直接检测的光学成像能力。
根据一种实施例，可以分析组织的荧光光谱，以确定组织的pH、氧化水平或量子效率。
可以设想其他实施例，其中可以进行γ射线成像、并且任选地可以将锝-99硫胶体注入目标组织进行分析。
根据各种实施例，金纳米粒子(“Au NP”或者“GNP”)可以用作造影剂。金纳米粒子可以以激光烧蚀法形成，其中对水中的金目标进行脉冲激光辐射。也可以通过柠檬酸盐还原来制备胶体金。已知生产金纳米粒子的各种其他物理方法，包括惰性气体冷凝、金(I)复合物的热解、金盐的放射分解、光化学和声化学。已知生产金纳米粒子的化学方法，包括乳化、在离子存在下还原金离子、种子介导的生长、使用反胶束和相转移反应。金纳米粒子也可以由某些类型的真菌生物合成，这些真菌包括尖孢镰孢(Fusarium oxysporum)、轮枝孢属(Verticillium sp.)和炭疽菌属(Colletotrichum sp.)。在HEK-293、HeLa、SiHa和SKNSH细胞中也已经合成了金纳米粒子。
金纳米粒子可以通常经由硫醇键来容易地官能化，以提供官能化的金纳米粒子(fGNP)。金纳米粒子的表面可以被(例如)具有疏水腔的作为药物口袋的环糊精、作为靶向部分的抗体和作为防污壳的聚乙二醇(PEG)官能化。抗癌药物可以被包封在环糊精的疏水腔中，并且因此金纳米粒子可以用作药物传递系统(DDS)。
根据各种实施例，金纳米粒子特别是如上所述的官能化的金纳米粒子可以用作造影剂。
金纳米粒子在用光(800-1200nm)照射时引起局部加热，并且因此金纳米粒子可用于根据各种实施例的肿瘤的光热破坏。
等离子体金纳米粒子可以用于癌症诊断和光热治疗。表面等离子体共振(“SPR”)导致金纳米粒子表面上的强电磁场，该电磁场增强了所有辐射性质，例如吸收和散射。特别地，增强了拉曼散射。另外，被强烈吸收的光可以经由一系列非辐射过程快速转换成热。
金纳米粒子可以以形状和结构进行光学调谐、并且(例如)可以生产具有光学性质与金纳米球不同的金纳米棒。在种子介导生长方法中改变实验参数可以精确控制纵横比。
也可以生产金纳米壳(包括大约100nm的二氧化硅核，具有几纳米厚的金的薄壳)和金纳米笼。根据各种实施例，金纳米球、纳米棒、纳米星型体和纳米壳可用作造影剂。
根据一个实施例，金纳米粒子可以用于癌症成像。已知金纳米颗粒强烈地散射，并且散射性质取决于纳米颗粒的尺寸、形状和结构。根据一个实施例，可以使用直径为30-100nm的金纳米粒子。这种纳米颗粒强烈地散射，并且可以在暗场照明条件下使用显微镜进行检测。
金纳米粒子可以与(例如)抗表皮生长因子受体(抗EGFR)抗体(或其他抗体)缀合以识别癌细胞和组织的EGFR蛋白(或其他蛋白)。与癌细胞结合的纳米粒子的规则的或组织有序的散射图可以容易地与纳米粒子在健康细胞周围的随机分布区别开来，并且根据各种实施例可以利用散射图案中的这种差异。
这些纳米粒子可以被来自卤素灯的白光激发。
根据一个实施例，官能化的金纳米粒子可以分布在目标(例如生物体内或体外组织)的整个表面上，并且这些金纳米粒子可以优先结合癌细胞。结果，照射该目标、并且分析散射图案或测量光的散射强度可以识别组织的癌区域。
例如，金纳米粒子在细胞单层上可能具有约540nm的强表面等离子体共振(“SPR”)，结果这些纳米粒子在可见光谱的绿色至黄色范围内强烈散射。类似地，可以构造出在800nm附近表现出强表面等离子体共振(“SPR”)的金纳米棒，产生强烈的红色。
相应地，金纳米粒子可以用作根据各种实施例的成像、物理或化学造影剂。
表面等离子体共振(“SPR”)效应还增强了相邻分子的拉曼散射，因为拉曼强度与施加在分子上的场强度的平方成正比。这种现象称为表面增强拉曼散射(“SERS”)。
根据一个实施例，可以利用金纳米粒子以增强相邻分子的拉曼反射。这些金纳米粒子可以是对称或不对称的。根据一个实施例，这些金纳米颗粒可以是不对称的(例如纳米棒)，因为不对称纳米粒子由于减轻棒效应而提供更大的拉曼增强。
使用金纳米粒子和表面增强拉曼散射的一个特别优点是这种途径大大提高了检测灵敏度并降低了信号捕获时间。
根据一个实施例，拉曼标签可以用作光谱成像探头。该拉曼标签可以包括具有相对较高拉曼横截面的芳族结构的有机染料分子。当这些拉曼标签吸附到金属纳米粒子上时，其荧光被淬灭，因此能够检测到拉曼信号。
这些拉曼标签可以与拉曼标签和癌靶向配体物理吸附或化学偶联。
根据其他实施例，levan纳米粒子可有被利用于靶向癌症成像。Levan是生物相容的碳水化合物聚合物，由β-(2,6)键连接的β-D呋喃果糖组成、并且用于生物医学应用中。根据一个实施例，吲哚青绿(ICG)可以通过自组装包封在levan纳米粒子中，而levan-ICG纳米粒子可用于癌症成像。
可以设想各种实施例，其中可以对包括生物组织的目标进行拉曼或激光成像(透射或荧光)，使用如上所述的纳米粒子(例如金纳米粒子)作为造影剂。然后可以识别一个或多个感兴趣区域，然后可以使用第一装置对感兴趣区域进行分析以生成气溶胶、烟雾或蒸汽。该第一装置可以包括敞开式电离离子源，例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源。
可以设想其他实施例，其中化学标签(如发光标签)可以与敞开式电离离子源(例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源)相组合使用。例如，根据一个实施例，发光成像、物理或化学造影剂可以由包含易于被敞开式电离离子源(例如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源)电离的配体来修饰。如果消除了不期望的(或期望的)目标或不期望的(或期望的)组织，则可以通过质谱检测这些造影剂、标签或纳米粒子。标记化学品可以具有荧光、磁性、化学、物理或其他成像性质，并且这些分子的一部分可以被安排成良好的电离用于质谱分析。例如，如上所述，吲哚菁绿(ICG)可以被包封到levan纳米粒子中、或者更一般地在官能化的纳米壳中被官能化以靶向癌组织或其他不期望的目标材料。可以设想实施例，其中可以以质谱检测可以包封在官能化纳米颗粒子或纳米壳(可以被官能化以靶向癌组织)的ICG(或其他化学物质)。可以设想其他实施例，其中除了ICG之外的一种或多种不同标记物可以被包封到靶向癌组织的纳米粒子中。然后可以由质谱识别这些一种或多种标记物，并且可以确定当前正在分析的组织包括癌组织或者包括不期望的目标材料。
可以设想实施例，其中可以执行目标实验，其中对目标进行质谱分析，以寻求识别包括(或相反地不包括)造影剂、化学标签、标记物或纳米粒子的目标或组织的部分，其中这些造影剂、化学标签、标记物或纳米粒子已经被官能化以靶向特定目标(例如，癌组织)。根据各种实施例，识别这些造影剂、化学标签、标记物或纳米粒子的存在，从而使得能够确定目前正在分析的目标或组织包括癌组织(或者期望或不期望的目标材料)。
根据一个实施例，使用物理或其他非质谱数据来确定一个或多个感兴趣区域的步骤可以包括使用包含或包括金属的靶纳米粒子，该金属旨在改变靶组织类型的阻抗。如上所述，金属纳米粒子可以被官能化，这样使得它们粘附到特定类型的组织或其他表面上。由于存在靶向或功能化的纳米粒子，这些纳米粒子优先地粘附到某些特定目标区域(例如癌组织)，确定具有与其他目标区域具有不同阻抗的目标(例如，组织)的一个或多个区域可以识别目标的一个或多个感兴趣区域。
光热治疗(PTT)
金纳米粒子比有机染料分子吸收光更强烈。几乎100％的被吸收光经由非辐射性质转化成热。相应地，金纳米粒子可以用作光热治疗的光热造影剂，其中光子能量被转换成足以经由诸如热疗、凝结和蒸发的热效应诱发细胞损伤的热。
光热治疗可以使用球形金纳米粒子结合脉冲或连续波激光器进行。
纳秒脉冲激光可以与PTT结合使用，以提供对癌细胞的高选择性和局部损伤，而不影响可能只有几纳米至几十微米远的邻近健康细胞。
由于近红外线(NIR)光被血红蛋白和水分子吸收最少并且具有深度穿透能力，因此近红外线(NIR)光可以使用于组织中的皮下肿瘤或深部肿瘤的体内治疗。
根据一个实施例，PEG化的金纳米壳可以与敞开式电离离子源结合使用，因为金纳米壳的吸收可被调谐到NIR区域。可以使用(例如)发射820nm的(例如)4min的时间35W/cm2辐照度的连续波(cw)二极管激光器照射金纳米壳，以引起靶细胞的癌细胞死亡。
根据各种实施例这些金纳米壳可注射到患者的血流中或扩散到目标或组织样本的表面上。
可以设想其他实施例，其中可以使用金纳米棒进行PTT。根据一个实施例，发射800nm的cw Ti蓝宝石激光器可以与金纳米棒结合使用。
根据一个实施例，该目标可以被线性偏振光或圆偏振光照射。用圆偏振光的照射金纳米棒是特别有利的，因为随着金纳米棒的光吸收增强达到癌症杀伤的超低能量阈值。
已经确定30J/cm2的激光荧光可以导致这些细胞约10℃的温度升高，这足以诱导热应力细胞死亡。相应地，可以根据各种实施例利用30J/cm2的激光荧光。
根据各种实施例，金纳米棒可以缀合到有平均5000MW(mPEG-SH-5000)的甲氧基聚(乙二醇)硫醇、并且可以静脉注射和/或皮下注射到患者内。肿瘤或癌细胞可以使用具有摄像机的NIR激光器的透射成像来识别，因为在肿瘤中纳米棒吸收NIR光。
拉曼光谱和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)的组合以及用于在外科手术期间原位识 别肿瘤的其他敞开式电离技术
根据一个实施例，拉曼光谱可以与快速蒸发电离质谱(“REIMS”)(或其他敞开式电离技术)相结合，用于在外科手术期间或者分析离体组织时的肿瘤识别。下文将描绘从体内脑外科手术背景中得到实验数据。然而，将拉曼光谱与敞开式电离技术(如快速蒸发电离质谱(“REIMS”))相结合的途径可以应用于包括其他类型的外科手术和非外科应用的其他情况。
采样和验证方法总结在图15中。根据一个实施例，可以识别一个或多个拉曼采样点。然后可以在这些采样点进行拉曼采样。然后可以使用3D体内超声可视化系统来进行一个或多个拉曼采样点的定位。
然后可以从与拉曼采样点完全相同的位置在体内进行快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样(或使用不同类型的敞开式电离离子源采样)。此外，活组织检查样本可以任选地从该区域取出用于组织学验证。
可以首先以拉曼光谱对目标(例如外科手术位点)进行采样，然后对该区域进行超声波读取和定位。作为随后的步骤，然后可以使用例如双极镊或激光烧蚀装置进行快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样(或另一种敞开式电离方法)。然后可以进行快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样(或其他敞开式电离方法)，然后进行该区域的核心活检以用于离体分析和组织病理。
根据一个实施例，在外科手术过程中可以使用多个不同的采样点。例如，根据所进行的并且以下将详细描述的实验，使用14个采样点。然而，本领域技术人员将理解，并且可以使用更少或更多数量的采样点。
共有24名患者参加了一项特定的患者研究，该研究涉及脑肿瘤的快速蒸发电离质谱(“REIMS”)分析，其中进行了另外的九例拉曼采样。
图16涉及全部患有不同类型脑肿瘤的24例患者中的病例研究。作为图16所描绘案例研究的专利的具体专利是具有IV级多形性胶质母细胞瘤(“GBM”)的#4患者(IKBRA04)。患者及其相关肿瘤类型的完整列表在下表中给出：
Figure BDA0002662652690000481
Figure BDA0002662652690000491
图16左侧示出了#4患者的大脑3D图像，该图像已经与实时超声波图像重叠。在外科手术过程中使用快速蒸发电离质谱(“REIMS”)探头取了六个采样点、并在图16所示的图像上进行了描述。
图16还显示了记录的相应的六个质谱，每个质谱对应不同的采样点。
图16还示出了在外科手术过程中所取的所有采样点的3D PCA图。该3D PCA图被神经病理学家标记。
所有体内和离体采样点都示出在图16所示的PCA图上。从图16可以明显看出，正常的灰质和白质组分别与癌样本分离、并且相互间分离。
使用快速蒸发电离质谱(“REIMS”)探头进行肿瘤分型和分级
图17示出了根据一个实施例比较高级(IV级)多形性胶质母细胞瘤(例如胶质母细胞瘤、巨细胞胶质母细胞瘤和复发性胶质母细胞瘤)和低级(II级和III级)肿瘤(例如间变性星形细胞瘤、少突胶质细胞瘤和弥漫性星形细胞瘤)的患者结果。
从图17可以明显看出，高级(IV级)和低级(II级和III级)肿瘤在3D伪LDA图上分离良好。
具有中度III级肿瘤的患者或者与空间的高等级区域聚集或者与空间的低等级区域聚集。
可以设想实施例，其中可以使用样本在3D空间中的定位来预测未来间变性星形细胞瘤的可能进展。
比较使用拉曼光谱和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样的健康和癌样本
#21患者(IKBRA21)患有低级(II级)星形细胞瘤。对患者进行拉曼光谱采样和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样的组合。记录来自32个采样点的拉曼数据。这32个采样点中的13个与正常组织相对应、这32个采样点中的18个与癌组织相对应、并且1个与背景相对应。
在32个采样点中的14处，也进行了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)采样。
图18示出了两个采样点的快速蒸发电离质谱(“REIMS”)质谱。采样点S4与具有低细胞度的肿瘤组织相对应。特别地，采样点S4与后内侧浅层肿瘤相对应。肿瘤组织的碎片具有低细胞度和一定程度的反应性胶质增生。与采样点S14相对应的正常白质有单细胞浸润。特别地，采样点S14与后侧基底相对应。存在具有反应性胶质增生和单细胞肿瘤浸润的白质的多个碎片。
图18还示出了与整个外科手术过程中所取的所有采样点相对应的3D PCA图。
图19示出了来自采样点S4(肿瘤)和S14(正常白质)的拉曼光谱以及整个外科手术中所取的所有采样点的3D PCA图。
使用诸如快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源的敞开式电离离子源获得的拉曼光谱和质谱均具有在磷脂范围内的组织特异性的“指纹”。在该PCA图上观察到的主要差异是由于脂质振动区域。
有许多对大脑正常白质具有非常特异性的硫苷脂。例如，以下硫苷脂对于大脑的正常白质是特异性的：
Figure BDA0002662652690000501
上述这些实施例表示用于外科手术应用中的术中组织识别和验证的新颖方案，其中同时利用了快速蒸发电离质谱(“REIMS”)技术和拉曼光谱。以上披露的各种实施例表明，两种技术在手术操作期间对健康组织和不同脑癌的区分都是可行的。
用作无创探头的拉曼光谱特别适用于向外科医生提供关于从何处开始切割、手术或切除的初始信息。
快速蒸发电离质谱(“REIMS”)可以提供关于被解剖组织的更详细且连续的信息、并且还可以用于预测低级肿瘤(例如II级或III级)在将来是否具有发展到高级肿瘤(例如，IV级)的较高可能性。
拉曼光谱和快速蒸发电离质谱(“REIMS”)技术的组合使得能够进行实时分子导航、并且这两种技术的组合使得可以向外科医生提供重要的信息来评估肿瘤边缘和肿瘤类型(这可导致患者存活率的提高)。
化学数据多元分析
可以设想各种进一步的实施例，其中化学数据本身可以进行多变量分析，以帮助(例如)识别目标和/或过滤异常值。
药物治疗方法、外科手术和诊断和非药物治疗方法
可以设想各组不同的实施例。根据一些实施例，可以对体内、体外或离体组织执行上文披露的方法。该组织可以包括人体组织或非人体动物组织。可以设想实施例，其中目标可以包括生物组织、细菌或真菌菌落或更一般有机目标，如塑料)。
可以设想各种实施例，其中分析物离子由敞开式电离离子源生成，然后进行以下项：(i)由诸如四极杆质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析；(ii)离子迁移分析(IMS)和/或差分离子迁移分析(DMA)和/或非对称场离子迁移谱(FAIMS)分析；以和/或(iii)组合，即首先(或其次)进行离子迁移分析(IMS)和/或差分离子迁移分析(DMA)和/或非对称场离子迁移谱(FAIMS)分析，其次(或首先)由诸如四极杆质量分析仪或飞行时间质量分析仪的质量分析仪进行质量分析。各种实施例还涉及离子迁移谱仪和/或质量分析仪以及离子迁移谱和/或质量分析方法。离子迁移分析可以在质荷比分析之前或之后执行。
在本申请中，对质量分析、质量分析仪、质量分析、质谱数据、质谱仪和涉及用于确定离子质量或质量的设备和方法的其他相关术语(例如分析物离子)进行了各种参考。应当理解的是，同样可以设想到本发明可以延伸到离子迁移分析、离子迁移分析仪、离子迁移分析、离子迁移数据、离子迁移谱仪、离子迁移分离器和用于确定分子离子的离子迁移率、差异离子迁移率、碰撞截面或相互作用截面的设备和方法的其他相关术语。此外，还应当理解的是，可以设想实施例，其中分析物离子可以经受离子迁移率分析和质量分析的组合，即(a)确定分析物离子的离子迁移率、差异离子迁移率、碰撞截面或相互作用横截面以及(b)确定分析物离子的质荷比。因此，可以设想混合离子迁移-质谱(IMS-MS)和质谱-离子迁移(MS-IMS)的实施例，其中分析物离子的离子迁移率和质荷比两者都产生例如通过敞开式离子源确定。离子迁移分析可以在质荷比分析之前或之后执行。此外，应当理解的是，可以设想实施例，其中对质谱数据和包括质谱数据的数据库的参考也应被理解为包含离子迁移率数据和差异离子迁移率数据等，以及包括离子迁移率数据和差分离子迁移率数据等的数据库(独立或与质谱数据组合)。
可以设想各种外科手术、治疗、医疗和诊断方法。
然而，可以设想涉及不在体内组织上进行的质谱的非手术和非治疗方法的其他实施例。可以设想以体外方式进行的其他相关实施例，使得它们在人或动物体外进行。
可以设想进一步实施例，其中方法是在非活的人或动物上进行的，例如作为尸体解剖过程的一部分。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

Claims (40)

1.方法，包括：
从目标的一个或多个区域获得或获取化学或其他非质谱数据，其中所述化学或其他非质谱数据包括荧光数据；
使用所述化学或其他非质谱数据来确定所述目标的一个或多个感兴趣区域；
使用第一装置从所述目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽；和
对所述气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于所述气溶胶、烟雾或蒸汽的离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一装置包括敞开式离子源或电离源或形成敞开式离子源或电离源的一部分，或者其中所述第一装置生成所述气溶胶、烟雾或蒸汽用于随后由敞开式离子源或电离源或其他电离源进行电离。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述目标包括天然或未修饰的目标材料。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述天然或未修饰的目标材料在加入基质或试剂后不被修饰。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一装置被安排成并适用于从所述目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽，并且所述目标不需要提前制备。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一装置包括选自由以下各项组成的组的离子源：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-解吸电喷雾电离离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引器(“CUSA”)装置；(xxi)聚焦或非聚焦超声消融装置；(xxii)微波共振装置；和(xxiii)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述目标包括生物组织、生物物质、细菌菌落或真菌菌落。
8.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括将光或紫外线辐射引导到所述目标上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述紫外线辐射具有在选自由以下各项组成的组的范围内的波长：(i)100-150nm；(ii)150-200nm；(iii)200-250nm；(iv)250-300nm；(v)300-350nm；和(vi)350-400nm。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括检测从所述目标发射的光或电磁辐射。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括确定荧光或自发荧光谱图或光谱。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述荧光或自发荧光谱图或光谱包括作为频率或波长函数的从所述目标发射的光或电磁辐射的强度的量度。
13.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括比较与所述目标的区域相关的荧光或自发荧光谱图或光谱和从对照样本、对照区域、对照数据或预定数据获得的荧光或自发荧光谱图或光谱，以确定所述目标的一个或多个感兴趣区域。
14.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用所述化学或其他非质谱数据来确定所述目标的一个或多个感兴趣区域的边缘或边界。
15.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用一种或多种造影剂来增强所述化学数据。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述一种或多种造影剂包括一种或多种荧光造影剂。
17.一种质谱和/或离子迁移率谱的方法，包括如权利要求1或2所述的方法。
18.一种设备，包括：
装置，被安排成并适用于从目标的一个或多个区域获得或获取化学或其他非质谱数据，其中所述化学或其他非质谱数据包括荧光数据；
对照系统，被安排成并适用于使用所述化学或其他非质谱数据来确定所述目标的一个或多个感兴趣区域；
第一装置，用于从所述目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽；和
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对所述气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于所述气溶胶、烟雾或蒸汽的离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
19.一种敞开式电离离子源，包括如权利要求18所述的设备。
20.一种质谱仪和/或离子迁移率分析仪，包括如权利要求18所述的设备。
21.一种方法，包括：
从目标的一个或多个区域获得或获取化学或其他非质谱数据，其中所述化学或其他非质谱数据包括选自由以下组成的组的数据：(i)拉曼光谱数据；(ii)化学成分数据；(iii)荧光数据；(iv)吸收数据；(v)反射数据；(vi)透射数据；(vii)弹性散射数据；(viii)傅里叶转换红外线光谱(FTIR)数据；和(ix)干涉测量数据；和
使用第一装置从所述目标的所述一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括使用所述化学或其他非质谱数据来确定所述目标的一个或多个感兴趣区域。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述目标包括天然或未修饰的目标材料，其中所述天然或未修饰的目标材料在加入基质或试剂后任选地不被修饰。
24.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述第一装置包括选自由以下各项组成的组的离子源：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-解吸电喷雾电离离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引器(“CUSA”)装置；(xxi)聚焦或非聚焦超声消融装置；(xxii)微波共振装置；和(xxiii)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置。
25.根据权利要求21或22所述的方法，进一步包括使所述气溶胶、烟雾或蒸汽撞击位于质谱仪的真空室内的碰撞表面以生成多个分析物离子。
26.根据权利要求21或22所述的方法，进一步包括对所述气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于所述气溶胶、烟雾或蒸汽的离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
27.根据权利要求21或22所述的方法，进一步包括使用所述化学或其他非质谱数据来确定所述目标的一个或多个感兴趣区域的边缘或边界。
28.根据权利要求21或22所述的方法，进一步包括从所述化学或其他非质谱数据确定以下任一种：(i)所述目标的一种或多种物理性质；(ii)所述目标的一种或多种化学性质；(iii)所述目标的一种或多种物理化学性质；或(iv)所述目标的一种或多种机械性质。
29.一种设备，包括：
装置，被安排成并适用于从目标的一个或多个区域获得化学或其他非质谱数据，其中所述化学或其他非质谱数据包括选自由以下组成的组的数据：(i)拉曼光谱数据；(ii)化学成分数据；(iii)荧光数据；(iv)吸收数据；(v)反射数据；(vi)透射数据；(vii)弹性散射数据；(viii)傅里叶转换红外线光谱(FTIR)数据；和(ix)干涉测量数据；和
第一装置，用于从所述目标的一个或多个区域生成气溶胶、烟雾或蒸汽。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述第一装置包括选自由以下组成的组的离子源：(i)快速蒸发电离质谱(“REIMS”)离子源；(ii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(iii)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(iv)热解吸离子源；(v)激光二极管热解吸(“LDTD”)离子源；(vi)解吸电流动聚焦(“DEFFI”)离子源；(vii)介质阻挡放电(“DBD”)等离子体离子源；(viii)大气压固体分析探头(“ASAP”)离子源；(ix)超声波辅助喷雾电离离子源；(x)简易敞开式声波喷雾电离(“EASI”)离子源；(xi)解吸大气压光电离(“DAPPI”)离子源；(xii)纸喷雾(“PS”)离子源；(xiii)喷射式解吸电离(“JeDI”)离子源；(xiv)触控喷雾(“TS”)离子源；(xv)纳米-解吸电喷雾电离离子源；(xvi)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；(xvii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xviii)探头电喷雾电离(“PESI”)离子源；(xix)固体探头辅助电喷雾电离(“SPA-ESI”)离子源；(xx)超声外科吸引器(“CUSA”)装置；(xxi)聚焦或非聚焦超声消融装置；(xxii)微波共振装置；和(xxiii)脉冲等离子体射频(RF)解剖装置。
31.根据权利要求29或30所述的设备，进一步包括用于引导所述气溶胶、烟雾或蒸汽撞击位于质谱仪的真空室内的碰撞表面以生成多个分析物离子的装置。
32.根据权利要求29或30所述的设备，进一步包括质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，所述质量分析仪和/或离子迁移率分析仪用于对所述气溶胶、烟雾或蒸汽或衍生于所述气溶胶、烟雾或蒸汽的离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以获得质谱数据和/或离子迁移率数据。
33.一种分析样品的方法，包括：
使用拉曼光谱探头在位点进行采样；
从所述位点生成气溶胶；和
对所述气溶胶或衍生于所述气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
34.根据权利要求33所述的方法，其中生成气溶胶的步骤进一步包括使用激光器生成所述气溶胶。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中生成气溶胶的步骤进一步包括使用一个或多个电极接触所述位点，并且将AC或RF电压施加到所述一个或多个电极。
36.一种用于分析样品的设备，包括：
用于在位点进行采样的拉曼光谱探头；
用于从所述位点生成气溶胶的装置；和
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对所述气溶胶或衍生于所述气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析。
37.一种用于对生物组织分型的方法，包括：
使用一个或多个电极接触组织的一部分；
将AC或RF电压施加到所述一个或多个电极以从组织的所述部分生成气溶胶；
对所述气溶胶或衍生于所述气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以生成质谱数据和/或离子迁移率数据；和
分析所述质谱数据和/或离子迁移率数据以区分不同类型的组织。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述不同类型的组织包括不同等级、形式或类型的癌生物组织或肿瘤。
39.根据权利要求37或38所述的方法，其中分析所述质谱数据和/或离子迁移率数据以区分不同类型的组织的步骤进一步包括区分I级和/或II级和/或III级和/或IV级癌组织。
40.一种用于对生物组织分型的设备，包括：
一个或多个电极，被安排成并适用于接触组织的一部分；
装置，用于将AC或RF电压施加到所述一个或多个电极以从组织的所述部分生成气溶胶；
质量分析仪和/或离子迁移率分析仪，用于对所述气溶胶或衍生于所述气溶胶的分析物离子进行质量分析和/或离子迁移率分析以生成质谱数据和/或离子迁移率数据；和
对照系统，用于分析所述质谱数据和/或离子迁移率数据以区分不同类型的组织。
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