用于通过质谱仪进行亚微米元素图像分析的设备和方法技术

本发明专利技术提供一种用于对平面样本进行元素分析的质谱仪系统。在一些实施方案中，所述质谱仪系统包括：原离子源，其能够利用直径小于1mm的原离子束来照射平面样本上的区段；c)正交离子质荷比分析器，其定位在样本接口下游，所述分析器被配置来通过飞行时间根据二次元素原子离子的质荷比来将所述二次元素原子离子进行分离；d)离子检测器，其用于检测所述二次元素原子离子并且产生质谱测量结果；以及e)同步器，其中所述系统被配置成使得所述原离子束跨所述平面样本进行二维扫描，并且所述同步器将所述质谱测量结果与所述平面样本上的位置相关联。

Apparatus and method for submicron element image analysis by mass spectrometer

The present invention provides a mass spectrometer system for elemental analysis of planar samples. In some embodiments, including the mass spectrometer system: primary ion source, which can utilize the original ion diameter less than 1mm section plane of the beam on the sample irradiation; c) orthogonal ion mass analyzer, which is positioned in the sample interface downstream, the analyzer is configured to pass the flight time according to the two elements atomic ions M / Z to the two elements of atomic ions were separated; d) ion detector for detecting the two elements and atomic ion mass spectrometry results; and E) synchronizer, wherein the system is configured such that the primary ion beam 2D scanning of the cross the plane sample is associated with and the synchronizer of the mass measurement results and the sample position on the plane.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府权利本专利技术是在政府支持下在由美国国立卫生研究院授予的合同号CA034233、AI057229、CA130826、EY018228、CA118681、HHSN272200700038C和1K99GM104148-01下进行。政府享有本专利技术的某些权利。
技术介绍
可通过以下方式对平面样本进行分析：使用激光来烧蚀样本，并且随后使用ICP-MS(感应耦合等离子体质谱仪)来对经烧蚀产物进行表征。可对与样本相关联的元素的种类和量进行存储和分析。这些激光烧蚀方法的价值出于多种原因而受到限制，例如：1)当使用激光进行取样时，对经烧蚀区段的大小存在物理限制(由波长指示)，2)烧蚀通常是破坏性的，使样本的整个厚度蒸发，从而阻止再分析，以及3)在大气压下对报告元素进行烧蚀和电离已降低了将弱离子引入质谱仪的真空中的灵敏度。
技术实现思路
本公开提供可用于(除了其他目的)利用原离子束从真空中的生物基质中进行亚微米取样和电离并且操作质谱仪来测量和量化每个取样区段的元素同位素组分的系统、方法、装置和计算机编程。所描述系统和方法可操作质量分析仪，所述质量分析仪基于质量和/或质荷比来提供带电粒子流内的带电粒子的暂时分离。所分析基质包括例如包含元素信息或元素编码的二维标准的生物组织切片或细胞。然而，本专利技术与使用用于基于真空的取样和电离的原离子束以及用于元素质量分析和量化的脉冲二次离子光学器件的任何种类的二维基底的分析有关。例如，一些实施方案提供用于操作检测系统来通过飞行时间(TOF)质谱仪(MS)对独立的样本区段进行质谱分析的方法和装置。具体地说，本公开提供用于在从连续分析的二维样本区段连续引入元素离子时执行多次TOF-MS扫描，同时记录生成质量信息的样本区段的对应的质量信息的方法。为了适于期望应用，可在一个或多个质谱取样周期中对数据进行取样。二维分析物基质的亚微米区段是使用原离子束或带电粒子束的它们的元素离子的样本。将束应用到分析物的特定区段引起其中的元素组分发生二次电离。在每个单一TOF-MS光谱中进行取样的时间窗口可对应于特定染色元素同位素的离子存在于正表征的样本基质中的时间窗口，这可在TOF-MS检测器处产生信号。同时，检测落入其他时间窗口中的其他染色或内源元素报告物可在同一单一质谱下实现。组织的“染色”可通过与本文公开的过程和目标一致的任何方法来实现，包括例如(2014年3月26日提交的美国临时申请序列号61/970,803、2013年9月13日提交的美国临时申请序列号61/877,733以及Angelo等人于2014年3月2日在线发表在自然医学杂志(Nature Medicine)上的文章，其全部以引用的方式并入本文)。所述系列的单一TOF-MS光谱可与每个区段上的连续原离子束的驻留时间同步，其中将整合给定区段的所有光谱。对应于每个区段的光谱的整合时间和数量将是动态的并且取决于所期望的应用。在一些实施方案中，指示元素报告物存在于质谱仪的主要离子检测器中的分析样本区段中的信号提供质量解析数据。在这种情况下，所述系统可包括一个或多个辅助检测器，并且可通过由离子源产生的离子、光子或电子或者通过在未电离状态下经过离子源依然保留的的中性粒子组分来诱发此信号。在一些实施方案中，在每个单一质谱中进行取样的时间窗口包含感兴趣离子(包括染色元素的离子)的所有质荷比通道。针对每个单一质谱传送和处理来自时间窗口的所有数据，其中执行处理，所述处理包括针对每个质荷比进行离子计数，或者计算对应于特定质荷比的预先选择的时间窗口内所有信号的总和。针对每个单一质谱，所得数据包含针对每个质荷比的信号强度的多个单一整数值。对于所分析样本的给定区段来说，来自每个单一质谱的连续的完整信息进一步基于对应于所述区段上的离子源的驻留时间的单一MS扫描的次数来进行组合。在另一个实施方案中，在每个单一质谱中进行取样的时间窗口包含感兴趣离子(包括染色元素的离子)的所有预期的到达时间(即，所有感兴趣的质荷比通道)。然而，仅仅传送来自主要质荷比通道的数据(其可称为样本中预期的主要检测组)以便进行进一步处理。因此，一直处理的数据的量可保持较低。一些实施方案提供用于单独样本区段的元素分析的质谱仪，所述质谱仪包括：用于将分析物的平面切片引入质谱仪的真空中的装置；和电离源，具有亚微米横截面的独立区段的离子可从所述电离源传送到质谱仪；质量分析仪，所述质量分析仪用于根据离子的质荷比来将离子分离；离子检测器，所述离子检测器用于检测质荷分离的离子；数字化系统，所述数字化系统用于使离子检测器的输出数字化；用于传输、处理和记录数据的装置；用于将来自质谱仪的信息与样本的给定区段相关联的装置；以及用于使电离系统、离子检测器、数字化系统或者数据的传输、处理和记录中的至少一个同步以使得质量信息可与所分析样本的每个区段相关联的装置。本教导的这些和其他特征在本文中阐明。附图说明熟练技术人员将理解，以下所述附图仅出于说明目的。这些附图并非想要以任何方式来限制本教导的范围。图1从测量来自通过原离子源照射的平面样本的二次离子示出根据以下更详细描述的本专利技术的飞行时间质谱仪设备的示例性实施方案的示意图。图2表示用于来自平面样本的顺序分析区段的原子质量编码的图像的重建的数据数字化和同步化的示意图。图3表示根据所描述专利技术的照射在平面样本的表面上的原离子束的入射和所期望的横截面分辨率的描述的示意图。图4示出了所描述方法和设备的实施方案的工作流程示意图。定义在更详细地描述示例性实施方案之前，阐述以下定义以说明和限定描述中所用术语的含义和范围。如本文所用，术语“平面样本”用于指代基本上平面的(即平坦的)生物样本。这类样本的实例包括组织切片(例如，使用切片机进行切片)、通过将分离细胞沉积到平面表面上而制成的样本以及通过在平面表面上生长细胞片(例如，单层细胞)而制成的样本。如本文所用，术语“染色元素”是指存在于可由所公开设备和方法分析的粒子或生物细胞中的任何原子元素或同位素。所述元素可天然存在于样本中或者可为故意添加到平面基质中的元素。例如，一些细胞可富含Zn或Fe。可替代地，染色元素可通过与本文的公开一致的任何方法特定地添加(或标记)到样本中，所述方法包括但不限于使用金属嵌入剂(metalointercalator)来标记DNA或者渗透到细胞中或者添加元素标记的抗体。如本文所用，术语“质量标记的”是指利用可通过其独特的质量或质量分布识别的单一种类的稳定同位素或者所述稳定同位素的组合来标记的分子，其中稳定同位素的组合提供标识符。稳定同位素的组合允许通道压缩和/或条形编码。可通过它们的质量识别的元素的实例包括贵重金属和镧系元素，尽管可采用其他元素。元素可作为一个或多个同位素存在，并且此术语还包括带正电荷金属和带负电荷金属的同位素。术语“质量标记的”和“元素标记的”在本文可交换使用。如本文所用，术语“质量标记”意味着任何元素的任何同位素，所述任何元素包括过渡金属、后过渡金属、卤化物、贵重金属或镧系元素，所述同位素可通过其质量来识别，可与其他质量标记区分，并且用于标记生物活性材料或分析物。质量标记具有原子质量，所述原子质量可与分析样本中和感兴趣的粒子中所存在的原子质量进行区分。术语“单一同位素的”意味着标记包含单一类型的金属同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对平面样本进行元素分析的质谱仪系统，所述质谱仪系统包括：a)样本接口，其包括固持器，所述固持器被构造来固持包括平面样本的基底；b)原离子源，其能够利用直径小于1mm的原离子束来照射所述平面样本上的区段，其中利用所述原离子照射所述平面样本引起从与所述平面样本相关联的染色元素衍生的二次元素原子离子的产生；以及c)正交离子质荷比分析器，其定位在样本接口下游，所述分析器被配置来通过飞行时间根据二次元素原子离子的质荷比来将所述二次元素原子离子进行分离；d)主要离子检测器，其用于检测所述二次元素原子离子并且产生质谱测量结果；以及e)同步器，其将所述质谱测量结果与所述平面样本上的位置相关联，其中所述系统被配置成使得所述原离子束跨所述平面样本进行二维扫描。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.02 US 61/974,3511.一种用于对平面样本进行元素分析的质谱仪系统，所述质谱仪系统包括：a)样本接口，其包括固持器，所述固持器被构造来固持包括平面样本的基底；b)原离子源，其能够利用直径小于1mm的原离子束来照射所述平面样本上的区段，其中利用所述原离子照射所述平面样本引起从与所述平面样本相关联的染色元素衍生的二次元素原子离子的产生；以及c)正交离子质荷比分析器，其定位在样本接口下游，所述分析器被配置来通过飞行时间根据二次元素原子离子的质荷比来将所述二次元素原子离子进行分离；d)主要离子检测器，其用于检测所述二次元素原子离子并且产生质谱测量结果；以及e)同步器，其将所述质谱测量结果与所述平面样本上的位置相关联，其中所述系统被配置成使得所述原离子束跨所述平面样本进行二维扫描。2.如权利要求1所述的质谱仪系统，其中所述系统被配置成使得所述原离子源在所述原离子束跨所述平面样本扫描时连续照射所述平面样本。3.如前述任一项权利要求所述的质谱仪系统，其中所述原离子束的所述直径可调至10nm至1mm的范围内的选定直径。4.如前述任一项权利要求所述的质谱仪系统，其中所述系统被配置来：执行所述平面样本的第一区域的第一扫描，以收集第一组数据；并且执行所述平面样本的所述第一区域的第二扫描，以收集第二组数据；其中所述第一扫描的所述原离子束的所述直径比所述第二扫描的所述原离子束的所述直径大至少两倍，并且所述同步器将所述质谱测量结果与所述平面样本上的位置和所述扫描的计时相关联。5.如前述任一项权利要求所述的质谱仪系统，其中所述系统被配置来：使用直径比所述第二扫描的所述束的所述直径小的原离子束来执行所述平面样本的所述第一区域的第三扫描以收集第三组数据。6.如前述任一项权利要求所述的质谱仪系统，其中使用具有在100nm至100μm的范围内的直径的原离子束来收集所述第一组数据，并且使用具有在10nm至1μm的范围内的直径的原离子束来收集所述第二组数据。7.如前述任一项权利要求所述的质谱仪系统，其中所述系统被配置来：a)将所述平面样本移动到限定位置，从而向所述原离子束呈现平面样本上的第一区域并且b)跨所述第一区域光栅扫描所述原离子束，以产生所述第一区域的多个质谱测量结果。8.如权利要求7所述的质谱仪系统，其中所述系统被配置来：c)在已收集到所述第一区域的所述多个质谱测量结果之后，将所述平面样本移动到第二限定位置，从而向所述原离子束呈现所述平面样本上的第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·C·本多尔，R·M·安吉洛，G·P·诺兰，
申请(专利权)人：斯坦福大学托管董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US