CN113793795B - 解吸电离探针以及样品剥蚀扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种解吸电离探针以及样品剥蚀扫描方法。所述探针所述喷嘴与所述喷管可拆卸连接，所述喷管包括主体，内腔件，接头，毛细管及两通管。所述主体一端与所述喷嘴可拆卸连接；所述内腔件一端与所述主体的另一端连接，所述接头为侧壁围成的双通腔体结构，所述腔体结构的一端抵接主体和内腔件的另一端，所述毛细管贯穿于所述接头、所述内腔件、所述主体以及所述喷嘴，所述毛细管一端伸出于喷嘴，两通管，其一端内部与所述毛细管的另一端接通，其一端外部与所述腔体结构的另一端抵接。本发明揭示的解吸电离探针以及样品剥蚀扫描方法提高了样品剥蚀扫描的灵敏度、分辨率以及样品的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及质谱成像技术领域，具体涉及一种解吸电离探针以及样品剥蚀扫描方法。
背景技术
质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）能够对待测样品表面上的多种分子按空间位置进行质谱扫描，获取样本表面离子质荷比、强度及位置信息，再通过数据处理与软件重构对该二维或三维信息进行图像可视化，实现多分子的同时检测及空间可视化。
相比传统的免疫组化、免疫荧光或放射性同位素标记成像检测方法等，质谱成像方法不需要特殊的抗体或放射性标记，不局限于特异的一种或者几种分子，可实现不同分子或多种分子、高灵敏度同时检测，并能够直接提供目标化合物的空间分布和分子量。
近几年来，MSI和空间代谢组学方法在新药研发、肿瘤代谢研究和临床肿瘤分子病理诊断等应用领域取得新的突破和很好的应用效果。此外，在植物代谢、生命（脑）科学、环境毒理等领域展现出不错的应用前景。
MSI的核心技术是采用各种原位离子化探针，直接扫描生物组织样品，按位置实现离子化后进行质谱分析。一般来说，MSI的灵敏度和空间分辨率之间存在反比关系，因此，权衡灵敏度和分辨率之间的关系一直是MSI分析亟待解决的问题。
解吸电离是实现MSI分析的主要过程，解吸电离探针的性能对灵敏度，分辨率和成像质量有较大影响。
因此，有必要开发一种解吸电离探针样品及样品剥蚀扫描方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明为了提高MSI的灵敏度，解决现有技术中空间代谢组学的覆盖率低、代谢物成像分辨率低，尤其是生物组织中的低含量代谢物的技术问题。本发明提供一种解吸电离探针及样品剥蚀扫描方法。其中一种解吸电离探针包括喷嘴和喷管，所述喷嘴安装于所述喷管的下端，所述喷嘴与所述喷管可拆卸连接，所述喷管包括主体，内腔件，接头，毛细管及两通管。所述主体一端与所述喷嘴可拆卸连接；所述内腔件一端与所述主体的另一端连接，所述接头为侧壁围成的双通腔体结构，所述腔体结构的一端抵接主体和内腔件的另一端，所述毛细管贯穿于所述接头、所述内腔件、所述主体以及所述喷嘴，所述毛细管一端伸出于喷嘴，两通管，其一端内部与所述毛细管的另一端接通，其一端外部与所述腔体结构的另一端抵接。
优选的，所述主体设置螺纹结构，所述喷嘴设置螺母结构，所述主体和所述喷嘴通过所述螺纹和螺母结构，调节所述毛细管伸出所述喷嘴的长度。
优选的，所述喷管还包括垫圈，所述抵接于所述主体和所述内腔件之间，所述毛细管贯穿于所述垫圈。
优选的，所述主体上设置有气源接口，所述内腔件上设置有内腔孔，沿所述毛细管外壁，所述气源接口、所述内腔孔以及所述喷嘴形成气路通道，所述气源接口可外接气体。
优选的，所述两通管和所述毛细管形成液路通道，所述两通管的另一端可外接液体。
优选的，当所述毛细管的内径为20㎛-100㎛，称所述解吸电离探针为精细型探针；当所述毛细管的内径为100㎛-200㎛，称所述解吸电离探针为大尺寸型探针。
本发明还提供一种样品剥蚀扫描方法，包括：步骤S01、根据如权利要求6所述的毛细管，对所述气体压力参数进行设定，对所述液体流速进行设定；
步骤S02、将所述气体喷射到所述液体表面，在所述毛细管的一端形成雾化气体；
步骤S03、所述雾化气体作用在样品表面，使所述样品解吸所述雾化气体；
步骤S04、对所述样品进行质谱分析。
优选的，所述步骤S04包括根据需要的空间分辨率，设定水平方向的扫描速度和垂直方向的步进距离。
优选的，步骤S03中的所述样品包括精细型样品和大尺寸型样品，所述精细型样品适用于所述精细型探针，所述大尺寸型样品适用于所述大尺寸型探针。
优选的，步骤S01中，所述气体压力参数为0.4MPa-0.8MPa；当所述毛细管的内径为20㎛时，所述液体的流速为1ul/min-10ul/min；当所述毛细管的内径为100㎛时，所述液体的流速为1ul/min-30ul/min；当所述毛细管的内径为200㎛时，所述液体的流速为5ul/min-100ul/min。
相较于现有技术，本发明通过提供解吸电离探针及样品剥蚀扫描方法。所述喷嘴安装于所述喷管的下端，所述喷嘴与所述喷管可拆卸连接，所述喷管包括主体，内腔件，接头，毛细管及两通管。所述主体一端与所述喷嘴可拆卸连接；所述内腔件一端与所述主体的另一端连接，所述接头为侧壁围成的双通腔体结构，所述腔体结构的一端抵接主体和内腔件的另一端，所述毛细管贯穿于所述接头、所述内腔体、所述主体以及所述喷嘴，所述毛细管一端伸出于喷嘴，两通管，其一端内部与所述毛细管的另一端接通，其一端外部与所述腔体结构的另一端抵接的技术方案，以及样品剥蚀扫描方法。提高样品剥蚀扫描的灵敏度、分辨率以及成像质量。
附图说明
图1是本发明提供的解吸电离探针的整体结构图；
图2是图1所示的解吸电离探针的爆炸图；
图3是本发明提供的的样品剥蚀扫描方法流程示意图；
图4是图3所示的样品剥蚀扫描方法的操作过程示意图；
图5是精细型探针在不同的溶剂流速下的喷雾图；
图6是大尺寸型探针在不同的溶剂流速下的喷雾图；
图7是采用所述解吸电离探针和所述样品剥蚀扫描方法的样品图，图7A是样品的解吸宽度，图7B是样品的总离子流强度，图7C是样品的总离子流图，图7D是样品的的空间分辨率曲线图，图7D是样品的的空间分辨率扫描图，图7E是样品组织的放大图；
图8是采用精细型探针（采用内径100 μm的毛细管）对样品（大鼠脑组织冠状面切片（约16mm×10mm））进行MSI分析的结果图，其中图8A是大鼠脑组织的不同微区示意图，其中图8B是大鼠脑组织的空间分布示意图，图8C是通过所述解吸电离探针和所述样品剥蚀扫描方法所测量出的多种不同类型代谢物的成像图；
图9是采用解吸电离探针（毛细管直径20μm，喷雾溶剂流速5μL/min；喷雾压力0.8Mpa；喷针伸出长度0.5mm，喷针与载物台呈 45°）且采用剥蚀扫描方法扫描策略，分析出大鼠小脑区域的结果图；
图10是小脑区域髓质和髓质外区域MSI结果；
图11是小脑区域髓质和髓质外区域经数据处理后可得到的分离图；
图12是用大尺寸型探针（200 μm直径的毛细管）对整体小鼠切片进行MSI分析结果图；图12A是整体小鼠切片MSI分析结果图；图12B1是将离子强度纵坐标放大20倍的代谢物的离子峰；图12B2是将离子强度纵坐标放大1000倍的代谢物的离子峰；图12C是代表性内源性代谢物的质谱成像图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1是本发明提供的解吸电离探针的整体结构图，图2是图1所示的解吸电离探针的爆炸图。本发明提供一种解吸电离探针10，所述解吸电离探针10包括喷嘴11和喷管13，所述喷嘴11安装于所述喷管13的下端，所述喷嘴11与所述喷管13可拆卸连接，所述喷管13包括主体131，内腔件133，接头135，毛细管137及两通管139。所述主体131一端与所述喷嘴11可拆卸连接；所述内腔件133一端与所述主体131的另一端连接，所述接头135为侧壁围成的双通腔体结构135，所述腔体结构135的一端抵接主体131和内腔件133的另一端，所述毛细管137贯穿于所述接头135、所述内腔件133、所述主体131以及所述喷嘴11，所述毛细管137一端伸出于喷嘴11，两通管139，其一端内部与所述毛细管137的另一端接通，其一端外部与所述腔体结构135的另一端抵接。所述主体131设置螺纹结构1312，所述喷嘴11设置螺母结构111，所述主体131和所述喷嘴11通过所述螺纹结构1312和螺母结构111，调节所述毛细管137伸出所述喷嘴11的长度。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述喷管13还包括垫圈132，所述垫圈132抵接于所述主体131和所述内腔件133之间，所述毛细管137贯穿于所述垫圈132。所述主体131上设置有气源接口1311，所述内腔件133上设置有内腔孔1331，沿所述毛细管137外壁，所述气源接口1311、所述内腔孔1331以及所述喷嘴11形成气路通道，所述气源接口1311可外接气体。所述两通管139和所述毛细管137形成液路通道，所述两通管139的另一端可外接液体。
如图2所示，当所述毛细管137的内径为20㎛-100㎛，称所述解吸电离探针10为精细型探针；当所述毛细管137的内径为100㎛-200㎛，称所述解吸电离探针10为大尺寸型探针。
如图3和图4所示，图3是本发明提供的的样品剥蚀扫描方法流程图，图4是图3所示的样品剥蚀扫描方法的操作过程示意图。本发明提供的样品剥蚀扫描方法，包括：
步骤S01、根据所述毛细管137，对所述气体压力参数进行设定，对所述液体流速进行设定；
步骤S02、将所述气体喷射到所述液体表面，在所述毛细管137的一端形成雾化气体；
步骤S03、所述雾化气体作用在样品表面，使所述样品解吸所述雾化气体；
步骤S04、对所述样品进行质谱分析。
其中，所述步骤S04包括根据需要的空间分辨率，设定水平方向的扫描速度和垂直方向的步进距离。
其中，步骤S03中的所述样品包括精细型样品和大尺寸型样品，所述精细型样品适用于所述精细型探针10，所述大尺寸型样品适用于所述大尺寸型探针10。
其中，步骤S01中，所述气体压力参数为0.4MPa-0.8MPa；当所述毛细管137的内径为20㎛时，所述液体的流速为1ul/min-10ul/min；当所述毛细管137的内径为100㎛时，所述液体的流速为1ul/min-30ul/min；当所述毛细管137的内径为200㎛时，所述液体的流速为5ul/min-100ul/min。
请参阅图5，图5是精细型探针10在不同的溶剂流速下的喷雾图。其表明在1~10 μL/min流速范围内，形成的喷雾均匀，分散性良好，而且工作稳定；但在较高流速20 μL/min时，雾化不完全，样品表面会形成液体集聚。其作用点大小随溶剂流速增加而增大，1 μL/min的作用点大小在100 μm左右。
请参阅图6，图6是大尺寸型探针10在不同的溶剂流速下的喷雾图。所述大尺寸型探针10表现出了不同的特性与适应性；在低流速时，如1~3 μL/min，喷雾稳定性略差，不利于精细的成像分析的实际应用。但是在大流速10~30 μL/min范围内，表现出了很好的稳定性和微滴分散性，适合于大尺寸样品的快速成像扫描。
如图7所示，在本发明的另一个实施例中，图7是采用所述解吸电离探针10和所述样品剥蚀扫描方法的样品图。图7A是样品的解吸宽度图，图7B是样品的总离子流强度图，图7C是样品的总离子流图，图7D是样品的的空间分辨率图，图7E是样品组织的放大图。
其中图7A显示了在1~8 μL/ min流速下样品的解吸宽度，图7B和图7C显示了相应的总离子流强度和总离子流图（TICs）。由此可以显示，样品解吸过程以逐点剥蚀扫描的形式进行，喷雾流速越高，剥蚀宽度越大。
当流速为1 μL/ min时，样品几乎不被剥蚀，但仍可以检测到微弱的质谱信号。当流速为8 μL/ min时，剥蚀宽度最大为1014μm。在此条件下，负离子模式下离子强度最高；而在正离子模式下流速为5 μL/ min时，总离子强度最高，此时剥蚀宽度为587 μm。
如图7A和图7C所示，从剥蚀痕迹和TIC图（箭头）可以看出，在1-4 µL / min的低流速下喷雾不稳定，而在5-8 μL/ min的高流速下可以获得稳定的离子解吸。
如图7A和图7D所示，在喷雾溶剂流速为5 μL/ min的条件下扫描和解吸组织样品，在这种情况下，虽然喷雾点直径超过500 μm，但是通过逐点剥蚀扫描策略的应用，仍可以实现样本的剥蚀区域等于Y轴移动步长，这是因为在逐行扫描时，喷雾点可以将样品从其底部转移至上方，从而形成了一个包括已剥蚀和未剥蚀区的扫描区域，因此仍然可以实现合理的空间分辨率，这个过程实际上是溶剂剥蚀和样品逐行运输的过程，其可延长萃取时间，提高灵敏度。
如图7E所示，由此可见，水平空间分辨率（像素大小）可以通过所述样品在X轴上的移动速度和数据采集频率来确定。在这种情况下，MSI的实际空间分辨率可以达到约50 μm。与某些已报道的非破坏性质谱成像技术相比，此探针可以通过剥蚀方式使样品解吸，从而在不影响分辨率的情况下大大提高分析的灵敏度，并且该过程稳定且节约时间。
如图8所示，图8是采用精细型探针10（采用内径100 μm的毛细管）对样品（大鼠脑组织冠状面切片（约16mm×10mm））进行MSI分析的结果图，其中图8A是大鼠脑组织的不同微区示意图，其中图8B是大鼠脑组织的空间分布示意图，图8C是通过所述解吸电离探针10和所述样品剥蚀扫描方法所测量出的多种不同类型代谢物的成像图。
如图8A和8B所示，相差仅0.1 Da的两个内源性代谢物离子m/z 204.1229和m/z204.2262呈现出不同的空间分布，其中m/z 204.1229 主要分布于胼胝体，m/z 204.2262主要分布于除胼胝体外的微区。
在数据处理中对上述特异分布的离子用不同的颜色进行可视化表征，然后进行图像叠加处理，离子叠加成像图能够清晰准确地呈现脑组织的不同微区；此外，对于脑中一些低丰度的代谢物，如离子强度小于等于E3数量级的m/z 216.2198（强度1E3），m/z 279.0727（强度5E2）和m/z 279.0849（强度5E2）三个代谢物离子，应用基于此探针的质谱成像技术仍然可以显现出清晰的空间轮廓信息，且m/z 279.0727 和m/z 279.0849仅相差约0.01 Da，其空间分布完全不同，以上结果表明基于该探针的质谱成像技术可以将组织中的代谢物离子进行高效的解吸与电离，从而实现内源性代谢物高分辨、高灵敏、高覆盖的分析。
如图8C所示，图8C展示了通过所述解吸电离探针10和所述样品剥蚀扫描方法所测量出的多种不同类型代谢物的成像图，大多数代谢物在不同组织微区中呈现高度特异的空间分布，其中，γ-氨基丁酸（GABA）、二甲基甘氨酸（Dimethylglycine）、甲基组胺（Methylhistamine）主要分布于大脑黑质区；组胺（Histamine）主要分布于下丘脑；精胺（Spermine）、牛磺酸（Taurine）、γ-丁酰甜菜碱（γ-butyrobetaine）主要分布于大脑皮层和大脑导水管；腺苷（Adenosine）、肌苷（Inosine）和乙酰精氨酸（Acetyl arginine）主要分布于中脑；次黄嘌呤（Hypoxanthine）主要分布于内侧核以及中脑导水管周围灰质区；而亚精胺（Spermidine）及一些脂类如溶血磷脂肪酸P 16:0（Lyso PA-P 16:0）、单酰甘油20:3（MG 20:3）则主要分布于大脑胼胝体。
从成像图可以明显看出各代谢物在相同微区内离子强度均匀稳定，组织边界清晰，表明采用该探针形成的喷雾均匀、解吸和离子化的重现性好，稳定可靠；大脑皮层、丘脑、胼胝体等组织结构的辨识度良好，可以较好地展现出代谢物在大鼠脑这种复杂精细结构中的空间分布情况，表明所述精细型探针10能够区分数十微米大小的组织微区结构，具有较好的空间分辨能力。
如图9所示，图9是采用解吸电离探针10（采用20um毛细管及配套喷嘴，喷雾溶剂流速 5μL/min；喷雾压力 0.8Mpa；喷针伸出长度0.5mm，喷针与载物台呈 45°）且采用剥蚀扫描方法扫描策略，分析大鼠小脑区域的结果图。水平空间分辨率（像素大小）可以通过样品在X轴上的移动速度和数据采集频率来确定。在这种情况下，MSI可以达到小于20μm的空间分辨率。如图10和图11所示，图10是小脑区域髓质和髓质外区域MSI结果，图11是小脑区域髓质和髓质外区域经数据处理后可得到的分离图。
如图12所示，图12是用大尺寸型探针10（200 μm直径的毛细管）对整体小鼠切片进行MSI分析结果图；其中图12A是整体小鼠切片MSI分析结果图；图12B1是将离子强度纵坐标放大20倍的代谢物的离子峰；图12B2是将离子强度纵坐标放大1000倍的代谢物的离子峰；图12C是代表性内源性代谢物的质谱成像图。
如图12B1和图12B2，将离子强度纵坐标放大20倍（图12B1）和1000倍（图12B2）后仍然能够观察到多种低丰度代谢物的离子峰，表明该探针对于大尺寸组织样本较优的解吸与电离能力，可以高灵敏地分析整体动物中的内源性代谢物。图12C是代表性内源性代谢物的质谱成像图，其清晰明确地展示了各代谢物在整体小鼠中的空间分布情况，如肉碱（Carnitine）、甘油磷酸胆碱（Glycerophosphocholine）和甲基组胺（Methylhistamine）在脾脏中的含量最高；缬氨酸（Valine）、精胺（Spermine）、尿胆原（Urobilinogen）和次黄嘌呤（Hypoxanthine）则主要分布在肾脏中，且可以明显看出缬氨酸分布于肾脏髓质，而次黄嘌呤分布于肾脏皮质；蔗糖（Sucrose）、亮氨酸（Leucine）、葡萄糖（Glucose）和代谢物离子m/z383.3006主要分布在肝脏中；肌苷（Inosine）、γ-氨基丁酸（GABA）、乙酰胆碱（Acetylcholine）以及一些磷脂酰胆碱（PC 38:6, PC 32:0, PC 34:1和PC 36:1）在脑中的含量较高。其中肌苷和PC 38:6在肝脏和肾皮质中也有分布，PC 32:0在肺也有较高含量；此外，胍基丁胺（Agmatine）主要在胃中；而代谢物离子m/z 321.1125则分布器官外的肌肉区域。
以上代谢物所检测到的器官特异性分布表明大尺寸型探针10可以实现整体动物中内源性代谢物的高灵敏、高特异性分析，各代谢物在相应器官的均匀、特异性的分布印证了所述大尺寸型探针10的喷雾均匀、解吸和离子化的重现性好，特别是可以区分肾皮质和肾髓质等组织微区表明其具有较高的分辨率。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并非因此限制本发明的专利范围，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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种解吸电离探针，包括喷嘴和喷管，所述喷嘴安装于所述喷管的下端，其特征在于，所述喷嘴与所述喷管可拆卸连接，所述喷管包括：
主体，其一端与所述喷嘴可拆卸连接；
内腔件，其一端与所述主体的另一端连接；
接头，其为侧壁围成的双通腔体结构，所述腔体结构的一端抵接主体和内腔件的另一端；
毛细管，所述毛细管贯穿于所述接头、所述内腔件、所述主体以及所述喷嘴，所述毛细管一端伸出于喷嘴；
两通管，其一端内部与所述毛细管的另一端接通，其一端外部与所述腔体结构的另一端抵接。
2.根据权利要求1所述的解吸电离探针，其特征在于，所述主体设置螺纹结构，所述喷嘴设置螺母结构，所述主体和所述喷嘴通过所述螺纹和螺母结构，调节所述毛细管伸出所述喷嘴的长度。
3.根据权利要求1所述的解吸电离探针，其特征在于，所述喷管还包括垫圈，所述垫圈抵接于所述主体和所述内腔件之间，所述毛细管贯穿于所述垫圈。
4.根据权利要求1所述的解吸电离探针，其特征在于，所述主体上设置有气源接口，所述内腔件上设置有内腔孔，沿所述毛细管外壁，所述气源接口、所述内腔孔以及所述喷嘴形成气路通道，所述气源接口可外接气体。
5.根据权利要求4所述的解吸电离探针，其特征在于，所述两通管和所述毛细管形成液路通道，所述两通管的另一端可外接液体。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的解吸电离探针，其特征在于，当所述毛细管的内径为20㎛-100㎛，称所述解吸电离探针为精细型探针；当所述毛细管的内径为100㎛-200㎛，称所述解吸电离探针为大尺寸型探针。
7.一种样品剥蚀扫描方法，其特征在于，包括：
步骤S01、根据如权利要求5所述的毛细管，对如权利要求5所述的气体压力参数进行设定，对如权利要求5所述的液体流速进行设定；
步骤S02、将所述气体喷射到所述液体表面，在所述毛细管的一端形成雾化气体；
步骤S03、所述雾化气体作用在样品表面，使所述样品解吸所述雾化气体；
步骤S04、对所述样品进行质谱分析。
8.根据权利要求7所述的样品剥蚀扫描方法，其特征在于，所述步骤S04包括根据需要的空间分辨率，设定水平方向的扫描速度和垂直方向的步进距离。
9.根据权利要求7所述的样品剥蚀扫描方法，其特征在于，步骤S03中的所述样品包括精细型样品和大尺寸型样品，所述精细型样品适用于精细型探针，所述大尺寸型样品适用于大尺寸型探针，当所述毛细管的内径为20㎛-100㎛，称所述解吸电离探针为所述精细型探针；当所述毛细管的内径为100㎛-200㎛，称所述解吸电离探针为所述大尺寸型探针。
10.根据权利要求7所述的样品剥蚀扫描方法，其特征在于，步骤S01中，所述气体压力参数为0.4MPa-0.8MPa；当所述毛细管的内径为20㎛时，所述液体的流速为1ul/min-10ul/min；当所述毛细管的内径为100㎛时，所述液体的流速为1ul/min-30ul/min；当所述毛细管的内径为200㎛时，所述液体的流速为5ul/min-100ul/min。
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