CN112768339B - 一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统及方法。一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，包括：上层控制模块、机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块；上层控制模块用于对机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块进行控制，机器人定位模块夹持采样头并实现采样头定位，萃取溶剂注入模块实现向采样头施加萃取溶剂；脉冲气压生成模块通过压缩空气驱动样本喷出，实现样本的可控转移。本发明可以实现自动定位，通过力反馈实现采样头与被采样平面的良好接触，以注射泵实现萃取溶剂注入，以脉冲压缩空气实现样本的液滴喷出转移，形成全自动无创组织表面采样方法。

Description

一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统及方法。

背景技术

质谱技术是一种基于质荷比检测的分析方法，是唯一能够确定化学分子结构的分析方法。质谱成像(mass spectrometry imaging,MSI)技术就是借助于质谱的方法，通过测定质荷比来分析生物分子标准分子量并进行成像的方法，MSI在生命科学、材料科学及生物医学等领域的应用研究取得了许多突破。但服务于MSI分析的采样技术还相对单一，目前还采用离体冰冻组织切片，这表明还是通过手动从活体组织表面获取样本，因此，采样的效率和重现性低，且空间分辨率差，难以实现自动化、可定位以及高通量的样本获取。

发明内容

本发明提出一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，可以实现自动定位，通过力反馈实现采样头与被采样平面的良好接触，以注射泵实现萃取溶剂注入，以脉冲压缩空气实现样本的液滴喷出转移，形成全自动无创组织表面采样方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特殊之处在于，包括：

上层控制模块、机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块；

上层控制模块用于对机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块进行控制，

机器人定位模块夹持采样头并实现采样头定位，萃取溶剂注入模块实现向采样头施加萃取溶剂；脉冲气压生成模块通过压缩空气驱动样本喷出，实现样本的可控转移。

进一步地，上述机器人定位模块由SCARA机器人实现，SCARA机器人的末端执行器为二指夹爪；二指夹爪上设有连接件，连接件上设计有气液路流道。

进一步地，上述SCARA机器人末端执行器设有力传感器，通过力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制模块，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧。

进一步地，上述萃取溶剂注入模块包括注射泵，注射泵经连接件的流道向采样头注入萃取溶剂。

进一步地，上述脉冲气压生成模块包括气源和电磁阀，电磁阀控制气源生成的高压空气，电磁阀按脉冲信号宽度切换，输出相应的脉冲气压，经由连接件的流道注入采样头。脉冲气压将采样头中暂存在样本缓存与喷出流道中的样本向下退出，经过采样空腔，以液滴形式转移到指定分配位置。电磁阀控制器与上位机通过串行通讯总线实现命令交互。

进一步地，上述上层控制模块采用微控制器或者PC，通过串行通讯接口、以太网接口或外部IO等功能，与机器人、注射泵控制器以及电磁阀控制器通讯，实现对各模块功能的控制与协调。

进一步地，上述采样头，包括采样头本体，采样头本体的底部设有采样空腔，采样头本体内部设有第一流道和第二流道，所述第一流道用于注入萃取溶剂，所述第二流道用于样本缓存与喷出；

所述第一流道和第二流道均包括第一接口和第二接口，第一流道和第二流道的第一接口分别与采样空腔连通，第一流道和第二流道的第二接口分别与采样头本体外部连通。

进一步地，上述采样头本体的侧面设有两个圆孔，第一流道和第二流道的第二接口分别与两个圆孔连通。

进一步地，上述第一流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积。

进一步地，上述第二流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积。

进一步地，上述第一流道的第二接口尺寸小于第二流道的第二接口的尺寸。

进一步地，上述第一流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长150μm，宽200μm。

进一步地，上述第二流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长为150μm、宽为200μm。

进一步地，上述采样空腔为一底面开口的空腔，其底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔总容积为0.02mm³，即20nL。

本发明的技术方案中，采样头为最终的操作对象，是一个由微流控技术设计加工而成的芯片。

另外，基于上述一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，本发明还提出一种采样方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过机器人定位模块夹持采样头并定位到采样位置，通过力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制模块，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧；

2)萃取溶剂注入模块注入的萃取溶剂，流过采样头与被采样表面围成的封闭空腔，萃取被采样表面的物质，并被挤入样本缓存与喷出流道，当采样完成后，采样头被转移到样本分配位置悬空；

3)样本被脉冲气压生成模块生成脉冲气体驱动，由样本缓存与喷出流道垂直向下喷出，形成样本液滴；

4)萃取溶剂注入模块推进萃取液并多次执行喷出动作，对采样头与被采样表面接触的底部表面进行清理，以控制污染。

本发明的优点：

1)本发明是一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，以机器人实现运动定位，通过力反馈实现采样头与被采样平面的良好接触，以注射泵实现萃取溶剂注入，以脉冲压缩空气实现样本的液滴喷出转移，开发出新的全自动无创组织表面采样方法，

2)较现有的手动获取样本的方法，本发明在自动化程度、空间分辨率、定位准确性以及采样效率方面有显著改进，较前述专利的自动化系统，在空间分辨率、采样分析耦合、对采样表面高度的适应性以及系统灵活性上有显著改进。

3)本发明为科学研究及临床医学等领域的质谱分析提供完整的实时在体组织表面无创物质样本获取系统与方法；

4)本发明通过对采样头内采样空腔及流道进行设计，应用微流控技术，将表面采样装置的空间分辨率提升到1毫米以内，并解决了采样表面高浓度样本残余量大等问题，同时，可以有效提升成像质谱表面采样的质量与效果。本发明采样头PDMS材质较软，并具有很好的生物兼容性，也保证了在体应用的适用性与安全性；本发明采样头可以与机器人等运动设备进行集成，实现自动化、高定位精度以及高重复性的采样；本发明样本喷出转移方案也使采样与分析解耦，对于离子源的选择有了更大灵活性。

附图说明

图1为用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统的系统框架图；

图2为本发明各模块与采样头的关系图；

图3为本发明采样头的结构图；

图4为图3的正视图；

图5为图4的仰视图；

图6为图5中A处放大图；

图7为图4的左视图；

图8为本发明采样头的工作原理图；

图9为本发明机器人末端执行器通过连接件抓持采样头并实现接口的结构图；

图10为本发明的系统结构与信号流图；

图11为本发明的系统工作流程。

其中：1、采样头本体，2、采样空腔；3、第一流道，31、第一垂直段Ⅰ，32、过渡段Ⅰ，33、第二垂直段Ⅰ33，4、第二流道，41、第一垂直段Ⅱ，42、过渡段Ⅱ，43、第二垂直段Ⅱ，5、第一流道的第一接口，6、第二流道的第一接口，7、第一流道的第二接口，8、第二流道的第二接口，9、第一圆孔，10、第二圆孔，11、二指夹爪，12、连接件,13、密封圈，14、流道。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例：

参见图1、图2和图9、图10，一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，由四个模块构成，分为上层控制模块与三个功能模块，三个功能模块分别为：机器人定位模块，萃取溶剂注入模块，以及脉冲气压生成模块。三个功能模块的共同操作对象是采样头，如图3-图7所示。采样头是一个具有双流道14及采样空腔的采样装置，基于微流控技术设计与加工。

三个功能模块在上层控制系统控制与协调下，依次执行操作，顺序完成一次采样，并循环往复，实现全自动化的液滴萃取表面采样操作，如图1中实线箭头所示。其中，机器人定位模块基于四自由度机械臂实现三维空间的精确位置控制；萃取溶剂注入模块精确控制萃取溶剂的流量及流速，实现向采样表面(经采样头)精确施加萃取溶剂；脉冲气压生成模块通过压缩空气驱动液滴喷出，实现样本的可控转移。上层控制系统还有一个重要任务，就是与后端负责样本处理与分析的仪器设备进行通讯与协作，以使采集操作与分析操作深入集成，分析结果数据与采集信息自动互联。

具体地，本实施例中，机器人定位模块由四自由度SCARA构型的机械臂实现，驱动臂的自由度完成笛卡尔正交坐标系中的运动，末端绕z轴旋转的自由度控制采样头旋转，上层控制系统通过Ethernet总线以及命令集实现与机器人的交互，控制运动。机器人末端执行器为二指夹爪11，指上安装有采样头接口模块，其上设计有气液路流道14以及密封圈13，气液路流道14分别与采样头中的流道14连通。当二指夹爪11夹紧采样头时，气液路密封连接，如图9所示。机器人通过末端力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制器，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧。

萃取溶剂注入模块由注射泵实现，经由管路通入连接件12的流道14后，向采样头与被采样表面围成的采样空腔中定量定速注入萃取溶剂。注射泵通过电机带动丝杆定量推动标准注射器实现溶剂的定量输出。注射泵具有自身的底层控制器，用以驱动与控制电机转动，上层控制器对注射泵的控制同样通过与底层控制器的总线命令交互(如RS485等)或开关信号触发设定动作实现。

脉冲气压生成模块由电磁阀配合气源实现，气源生成的高压空气经由减压模块输出气压可控的压缩空气，电磁阀的两路气体输入一路与压缩空气联通，一路与大气联通，保持大气压状态。电磁阀输出平时与大气压联通，当控制电路输出脉冲信号时，电磁阀按脉冲信号宽度切换，输出相应的脉冲气压，经由接口注入采样头。脉冲气压将采样头中暂存在样本缓存与喷出流道14中的样本向下退出，经过采样空腔，以液滴形式转移到指定分配位置。电磁阀控制器与上位机通过串行通讯总线实现命令交互。

上层控制系统由微控制器或者PC来实现，通过串行通讯接口、以太网接口或外部IO等方式，与机器人、注射泵控制器以及电磁阀控制器通讯，实现对各模块功能的控制与协调。在功能层面上，上层控制系统向下主要实现各模块间的时序配合与协调，向上实现与用户的交互并与后端质谱分析仪器。

采样头为最终的操作对象，是一个由微流控技术设计加工而成的芯片，

本发明中，采样头包括采样头本体1，采样头本体1的底面设有采样空腔2，采样头本体1内部设有第一流道3和第二流道4，所述第一流道3用于注入萃取溶剂，所述第二流道4用于样本缓存与喷出；所述第一流道3和第二流道4均包括第一接口和第二接口，第一流道的第一接口5和第二流道的第一接口6分别与采样空腔2连通，第一流道的第二接口7、和第二流道的第二接口8分别与采样头本体1外部连通。

作为本发明的一个优选实施例，上述采样头本体1的侧面设有两个圆孔，第一流道的第二接口7和第二流道的第二接口8分别与两个圆孔连通。第一流道3靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔2处的横截面积。

作为本发明的一个优选实施例，上述第二流道4靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔2处的横截面积。上述第一流道的第二接口7尺寸小于第二流道的第二接口8的尺寸。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一流道3包括第一垂直段Ⅰ31、过渡段Ⅰ32和第二垂直段Ⅰ33，第一垂直段Ⅰ31、过渡段Ⅰ32和第二垂直段Ⅰ33依次连通。上述第二流道4包括第一垂直段Ⅱ41、过渡段Ⅱ42和第二垂直段Ⅱ43，第一垂直段Ⅱ41、过渡段Ⅱ42和第二垂直段Ⅱ43依次连通。

具体地，参见图3-图7，一种采样头，为一个具有双流道连接的半开放空腔结构，整体如图3所示。采样头本体1整体呈片状结构，在底部有微小开口，为采样空腔2；采样头本体1的正面有两个圆孔：第一圆孔9和第二圆孔10，分别联通内部两条流道。采样头本体1内部两条流道分别为第一流道3和第二流道4，所述第一流道3用于注入萃取溶剂，所述第二流道4用于样本缓存与喷出。

采样空腔2为扁长方体状结构，当采样头底面水平接触被采样物体表面时，采样头与被采样表面共同构成底面封闭的采样区域(空间)。采样空腔2上表面，于长方体两端分别联通两条流道。两条流道在采样头内部向上延伸，与正面的圆孔处联通外部。

其中，第一圆孔9和第二圆孔10直径均为1mm，开孔深度真到与两个流道的第二接口连通；第一流道的第二接口7直接为为1mm，第一流道3的第二垂直段Ⅰ33，宽度为150μm，长度为200μm。第二流道的第二接口8直径为1mm，第二流道4的第二垂直段Ⅱ43宽度为200μm，长度为200μm，从采样空腔2上表面延伸至内部，第一流道3的第二垂直段Ⅰ33、第二流道4的第二垂直段Ⅱ43平行，长度为5mm，中间夹有一梁，宽度为150μm。采样空腔2于底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔2总容积为0.02mm³，即20nL。

参见图7，第一流道3，即萃取溶剂注入流道中流动的介质为萃取溶剂，通过外部注入设备经由第一圆孔9注入采样头内部，充满萃取溶剂注入流道，由采样空腔2的顶部进入采样空腔2。采样前，注入设备不工作，萃取溶剂流道内的萃取溶剂停止流动，保持液面位置位于采样空腔2上表面不变。采样时，注入设备开始工作，萃取溶剂被定量定速注入采样空腔2，填充采样空腔2与被采样表面围成的封闭空间，流过被采样表面，并被挤入样本缓存与喷出流道，采样结束时，注入设备停止工作，样本被暂存于样本缓存与喷出流道中。狭窄的采样空腔2中，萃取液在被采样表面的流动会产生活跃的互动，保证了较好的萃取效果。采样空腔2体积远小于单次采样萃取液体积，保证了萃取液流动的持续性，也避免了Mas-SpecPen采样头等方案中可能会出现的采样表面高浓度样本残余量大等问题。

采样后，样本的排出方式是以通过脉冲气体驱动以液滴形式被喷出，气体采用压缩空气即可。脉冲气体通过第二流道4(即样本缓存与喷出流道)上端的圆孔导入，通过一路电磁阀控制，电磁阀平时将样本缓存与喷出流道与大气导通，当需要喷出样本时，将样本缓存与喷出流道与高压气源短暂导通，形成气脉冲将样本推出。由于样本缓存与喷出流道在连接采样空腔2段被设计为垂直向下的长流道，样本液滴喷出时，方向也会垂直向下。

以上两条流道与采样空腔2的接口都位于采样空腔2的顶部，因为这两条流道中介质(萃取液及空气)的流动方向都是单向向下的。以上两条流道还有一个共同点，就是其中的介质都是连续的，没有间断或混合的情况出现，有利于控制污染。

本发明中采样头中流道尺度较小，精度较高，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过软光刻及复制成型技术加工制造。

参见图11，一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统的采样方法，包括以下步骤：

1)通过机器人定位模块夹持采样头并定位到采样位置，通过力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制模块，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧。

2)萃取溶剂注入模块注入的萃取溶剂，流过采样头与被采样表面围成的封闭空腔，萃取被采样表面的物质，并被挤入样本缓存与喷出流道，当采样完成后，采样头被转移到样本分配位置悬空。

3)样本被脉冲气压生成模块生成脉冲气体驱动，由样本缓存与喷出流道垂直向下喷出，形成样本液滴；样本液滴可送至后端分析仪器进行分析。

4)萃取溶剂注入模块推进萃取液并多次执行喷出动作，对采样头与被采样表面接触的底部表面进行清理，以控制污染。

综上，本发明提供了一种服务于质谱成像技术的自动化表面采样系统及方法，通过自动化技术与微流控萃取技术的结合，实现全自动、高空间分辨率的组织表面无创采样，为科学研究及临床医学等领域的质谱分析提供完整的实时在体组织表面无创物质样本获取系统与方法。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

上层控制模块、机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块；

上层控制模块用于对机器人定位模块，萃取溶剂注入模块以及脉冲气压生成模块进行控制，

机器人定位模块夹持采样头并实现采样头定位，萃取溶剂注入模块实现向采样头施加萃取溶剂；脉冲气压生成模块通过压缩空气驱动样本喷出，实现样本的可控转移；

所述采样头，包括采样头本体，采样头本体的底部设有采样空腔，采样头本体内部设有第一流道和第二流道，所述第一流道用于注入萃取溶剂，所述第二流道用于样本缓存与喷出；

所述第一流道和第二流道均包括第一接口和第二接口，第一流道和第二流道的第一接口分别与采样空腔连通，第一流道和第二流道的第二接口分别与采样头本体外部连通；

所述采样头本体的侧面设有两个圆孔，第一流道和第二流道的第二接口分别与两个圆孔连通；

所述第一流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积；

所述第二流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积；

所述第一流道的第二接口尺寸小于第二流道的第二接口的尺寸；

所述第一流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长150μm，宽200μm；

所述第二流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长为150μm、宽为200μm；

所述采样空腔为一底面开口的空腔，其底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔总容积为0.02mm³，即20nL。

2.根据权利要求1所述的一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

所述机器人定位模块由SCARA机器人实现，SCARA机器人的末端执行器为二指夹爪；二指夹爪上设有连接件，所述连接件用于固定采样头，连接件上设计有气液路流道。

3.根据权利要求2所述的一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

所述SCARA机器人末端执行器设有力传感器，通过力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制模块，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧。

4.根据权利要求3所述的一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

所述萃取溶剂注入模块包括注射泵，注射泵经连接件的流道向采样头注入萃取溶剂。

5.根据权利要求4所述的一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

脉冲气压生成模块包括气源和电磁阀，电磁阀控制气源生成的高压空气，电磁阀按脉冲信号宽度切换，输出相应的脉冲气压，经由连接件的流道注入采样头。

6.根据权利要求5所述的一种用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统，其特征在于：

所述上层控制模块采用微控制器或者PC。

7.一种基于权利要求1所述的用于质谱成像的全自动微流控表面采样系统的采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过机器人定位模块夹持采样头并定位到采样位置，通过力传感器感知采样头z轴方向上的接触力，并反馈给上层控制模块，以实现采样头接触被采样表面并适当压紧；

2）萃取溶剂注入模块注入的萃取溶剂，流过采样头与被采样表面围成的封闭空腔，萃取被采样表面的物质，并被挤入样本缓存与喷出流道，当采样完成后，采样头被转移到样本分配位置悬空；

3）样本被脉冲气压生成模块生成脉冲气体驱动，由样本缓存与喷出流道垂直向下喷出，形成样本液滴；

4）萃取溶剂注入模块推进萃取液并多次执行喷出动作，对采样头与被采样表面接触的底部表面进行清理，以控制污染。

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