自动聚焦样本成像设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于在成像质谱法中自动聚焦的系统和方法。本发明专利技术通过在自动聚焦系统中包含多个孔径(诸如二维布置地多个孔径)而提供对当前IMS和IMG设备和方法的改进。由于从穿过一个或多个孔径的照明辐射测量在样本上的聚焦失败时，在自动聚焦系统中使用多个孔径提供了冗余，因此减少了不成功自动聚焦尝试的次数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自动聚焦样本成像设备和方法相关申请的交叉引用本PCT申请要求于2018年9月10日提交的美国临时专利申请号62/729,239的优先权，出于所有目的其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及在激光消融之后使用质谱成像(IMS)对样本进行成像，以及通过成像质量细胞计数(IMCTM)对生物样本进行成像。
技术介绍
聚焦是许多测量技术中的重要参数。能够自动聚焦辐射的系统(自动聚焦系统)已用于生物物质的成像，并用于使激光辐射能够消融(ablate)样本的不同位置。一组现有的自动聚焦系统利用孔径，辐射通过该孔径被引导到一个或多个透镜中，然后入射到样本上并反射回传感器。测试了孔径和样本的几个不同的相对位置，并选择了强度最大的位置作为最聚焦的位置。这种自动聚焦系统可能会因生物样本而失效。对于依赖于从样本中去除(例如通过激光消融)样本材料的系统而言，这是一个特别的问题，因为如果激光与自动聚焦系统共聚焦，则自动聚焦失败会危及数据质量和样本完整性。本专利技术的目的是提供进一步的和改进的用于样本成像的设备和技术。
技术实现思路
总体而言，本文公开的分析仪设备包含三个用于执行成像元素质量分析的广泛表征的系统。该设备可以包括自动聚焦系统。自动聚焦系统可以包括照明源和自动聚焦传感器。该设备可以进一步包括采样系统、光学显微镜和可移动样本台中的一项或多项。采样系统和自动聚焦系统(以及任选地另外的光学显微镜)可以是共焦的。该设备可以包括另外的系统，如本文所述。第一个是自动聚焦系统，将样本放置在样本室中的正确位置，以便通过采样和电离系统的激光器进行最佳采样。第二个是采样和电离系统。该系统包含样本室，该样本室是在对样本进行分析时放置样本的组件。样本室包含载物台，载物台保持样本(通常将样本放在样本载体上，诸如显微镜载玻片(例如组织切片、单层细胞或单个细胞)，诸如细胞悬液已被滴到显微镜载玻片上，并将载玻片放置在载物台上)。采样和电离系统中的激光用于从样本室中的样本中去除材料(去除的材料在本文中称为样本材料)，然后将其转换成离子，或作为导致从样本中去除材料的过程的一部分，或通过采样系统下游的单独电离系统。为了产生元素离子，使用了硬电离技术。然后，通过作为检测器系统的第三个系统对电离的材料进行分析。检测器系统可以采用不同的形式，这取决于所确定的电离样本材料的特定特性，例如，基于质谱的分析仪设备中的质量检测器。本专利技术通过在自动聚焦系统中包括的多个孔径(诸如以二维布置的多个孔径)的自动聚焦组件，提供了对当前的IMS和IMC设备和方法的改进。自动聚焦系统的照明源将辐射引导到要通过多个孔径被消融的样本上。由于使用多个孔径(即，多于一个孔径可用于聚焦分析)，在通过一个或多个孔径的照明辐射对样本的聚焦测量失败的情况下，则自动聚焦系统会提供冗余(例如，因为具有不同成分、不规则拓扑结构或空隙的组织，可能在某些位置无法反射照明辐射，使得可以通过单个孔径将其很好地检测出来以进行自动聚焦)，从而减少了不成功的自动聚焦尝试的次数。因此，在操作中，将样本放入设备中，并且针对照明辐射的焦点与样本的给定相对位置，测量如何聚焦样本(例如，通过分配焦点分数)。然后改变照明辐射的焦点与样本的相对位置，并且针对一个或多个改变的位置进行焦点的测量。然后可以比较这些位置，并确定增加焦点的方向或位置。然后可以再次改变相对位置，并且可选地进行另外的测量。可以重复该过程以进一步提高焦点分数。一旦达到期望的焦点分数，就可以使用激光源对样本进行采样(例如，通过激光消融)以产生电离的材料(采样可以产生蒸气/特殊材料，随后由电离系统将其电离)，并且样本材料中的离子被传递到检测器系统中。尽管检测器系统可以检测许多离子，但其中大多数将是自然构成样本的原子的离子。在一些应用中，诸如在地质或考古应用中进行矿物分析，这可能就足够了。在一些情况下，例如在分析生物样本时，样本的天然元素成分可能无法提供适当的信息。这是因为通常所有蛋白质和核酸都由相同的主要组成原子组成，因此尽管可以从不包含蛋白质或核酸物质的区域中分辨出包含蛋白质/核酸的区域，但是无法将特定蛋白质与所有其他蛋白质区分开。然而，通过在正常条件下用不存在于被分析材料中的原子或至少不大量存在的原子(例如某些过渡金属原子，诸如稀土金属；有关更多详细信息，请参见下面的标记部分)来标记样本，可以确定样本的特定特性。与IHC和FISH一样，可检测的标记可以附着到样本上或样本中的特定靶标上(诸如载玻片上的固定细胞或组织样本)，特别是通过使用SBP(诸如抗体、核酸或凝集素)来靶向样本上或样本中的分子。为了检测电离的标记，使用了检测器系统，因为它将检测来自样本中自然存在的原子的离子。通过将检测到的信号链接到产生这些信号的样本采样的已知位置，可以产生存在于每个位置的原子的图像，包括天然元素组成和任何标记原子。在检测之前样本的天然元素组成被耗尽这方面，图像可能仅具有标记原子。该技术允许并行分析许多标记(也称为多路复用)，这在生物样本分析中具有很大优点。本专利技术提供了一种自动聚焦组件，该自动聚焦组件包含多个孔径。本专利技术还提供了一种用于聚焦在样本上的自动聚焦系统，该系统包含：照明源，用于发射辐射以照亮样本；本专利技术的自动聚焦组件，允许来自照明源的辐射穿过多个孔径；物镜，设置在辐射的光路上，以将辐射聚焦在样本上；以及自动聚焦传感器，布置成接收从样本反射的辐射，并布置成与自动聚焦组件共焦。本专利技术还提供了一种用于分析生物样本的设备，设备包含：自动聚焦系统，以及采样和电离系统，用于从样本中去除材料并电离所述材料以形成元素离子，其中，采样和电离系统包含用于对样本进行采样的激光源；其中，采样和电离系统的激光源的焦点与自动聚焦设备的自动聚焦组件和自动聚焦传感器共焦。在一些实施例中，采样和电离系统包含采样系统和电离系统，其中，采样系统包含激光源和样本台，并且其中该电离系统适于接收由采样系统从样本中去除的材料，并且电离所述材料以形成元素离子。本专利技术的各方面还提供了一种自动聚焦方法，方法包含：确定样本的第一位置的焦点分数，将样本移到第二位置，确定第二位置的焦点分数，以及将焦点分数进行相互比较，其中确定焦点分数包含用来自照明源的辐射来照射样本，使照明辐射穿过包含多个孔径的自动聚焦组件，并检测从样本反射的照明辐射，并且其中移动样本是平行于将照明辐射引导到样本上的轴的移动(即，移动是在z轴上)。本专利技术的各方面还提供了一种自动聚焦方法，方法包含：确定样本的位置n的聚焦方向，将样本沿聚焦方向移动到位置(n+1)，其中确定聚焦方向包含用来自照明源的辐射照射样本，使照明辐射穿过包含多个孔径的自动聚焦组件，其中自动聚焦组件的至少两个孔径在照明辐射穿过自动聚焦组件的轴上偏移，并使用自动聚焦传感器检测从样本反射的照明辐射，以及其中移动样本是平行于将照明辐射引导到样本上的轴的移动(即，移动是在z轴上)。...

【技术保护点】
1.一种设备，包含：/n能移动的样本台；/n用于检查样本的光学显微镜；/n采样系统；以及/n自动聚焦系统，包含：/n照明源；和/n自动聚焦传感器；/n其中所述采样系统和所述自动聚焦系统是共焦的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180910 US 62/729,2391.一种设备，包含：
能移动的样本台；
用于检查样本的光学显微镜；
采样系统；以及
自动聚焦系统，包含：
照明源；和
自动聚焦传感器；
其中所述采样系统和所述自动聚焦系统是共焦的。


2.一种设备，包含：
自动聚焦系统，包含：
照明源；和
自动聚焦传感器。


3.根据权利要求2所述的设备，还包含采样系统。


4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述采样系统和所述自动聚焦系统是共焦的。


5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，还包含用于检查样本的光学显微镜。


6.根据权利要求2至5中任一项所述的设备，还包含能移动的样本台。


7.根据权利要求1或5所述的设备，其中，所述光学显微镜与所述采样系统和所述自动聚焦系统共焦。


8.根据权利要求1、5或6所述的设备，其中，所述采样系统、所述自动聚焦系统和所述光学显微镜都共享至少一些光学组件。


9.根据权利要求1或6所述的设备，其中，所述设备被配置为通过响应于来自自动聚焦组件的读数而移动所述样本台来提供自动聚焦。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，所述设备未被配置为通过调节光学器件来提供自动聚焦。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中，所述设备提供与样本无关的自动聚焦。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统在样本运行期间提供自动聚焦。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统提供快速的自动聚焦。


14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述自动聚焦系统以kHz速率以上的速率提供自动聚焦反馈。


15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统将聚焦图投影在X、Y或X-Y坐标上。


16.根据权利要求1至15中任一项所述的设备，其中，所述设备还被配置为在样本运行期间提供光学图像。


17.根据权利要求1至16中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统还包含至少一个孔径。


18.根据权利要求17中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统包含多个孔径，其中，所述多个孔径以二维方式布置。


19.根据权利要求1至18中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统提供能撞击所述自动聚焦传感器的多个斑点。


20.根据权利要求1至19中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统包含一个LED和一个激光二极管。


21.根据权利要求1至20中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统包含多个LED和/或激光二极管。


22.根据权利要求1至21中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统包含衍射分束器。


23.根据权利要求1至22中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦传感器包含图像传感器、线传感器、位置敏感光电二极管、相邻光电二极管和分离式光电二极管中的至少一种。


24.根据权利要求1至23中任一项所述的设备，其中，所述设备不需要在自动聚焦和检查孔径之间切换。


25.根据权利要求1至24中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦传感器包含图像传感器。


26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述图像传感器与所述设备的所述光学显微镜共享。


27.根据权利要求1至24中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦传感器包含线传感器，并且所述自动聚焦传感器与所述设备的所述光学显微镜的检测器分离。


28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述自动聚焦系统包含柱面透镜。


29.根据权利要求1至28中任一项所述的设备，其中，所述照明源包含至少一个LED。


30.根据权利要求1至29中任一项所述的设备，其中，所述照明源包含至少两个LED。


31.根据权利要求1至30中任一项所述的设备，其中，所述两个LED被配置为提供交替的照明。


32.根据权利要求1至31中任一项所述的设备，其中，所述照明源包含至少一个激光二极管。


33.根据权利要求1至32中任一项所述的设备，其中，所述照明源包含至少两个激光二极管。


34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述两个激光二极管被配置为提供交替的照明。


35.根据权利要求1至34中任一项所述的设备，其中，所述照明源包含彩色多路复用的照明源。


36.根据权利要求1至35中任一项所述的设备，其中，所述照明源以相对于所述样本的法线的非零角度提供照明。


37.根据权利要求1至36中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦是基于撞击检测器的一个或多个斑点或线的位置。


38.根据权利要求1至37中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦系统不需要撞击所述自动聚焦传感器的一个或多个斑点或线的预先校准的坐标。


39.根据权利要求1至38中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦是基于由所述自动聚焦传感器检测到的斑点或线的对准。


40.根据权利要求1至39中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦是基于所述斑点或线之间的偏移。


41.根据权利要求1至40中任一项所述的设备，其中，撞击所述自动聚焦传感器的两个以上斑点或线在最佳聚焦处重叠。


42.根据权利要求1至41中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦是基于由所述自动聚焦传感器检测到的斑点的数量。


43.根据权利要求1至42中任一项所述的设备，其中，所述自动聚焦是基于由所述自动聚焦传感器检测到的斑点的均匀性。


44.根据权利要求1至43中任一项所述的设备，其中，所述设备包含共焦、荧光或宽视野的显微镜。


45.根据权利要求1至44中任一项所述的设备，其中，所述采样系统是激光消融采样系统。


46.根据权利要求45所述的设备，其中，所述激光消融采样系统的激光源的焦点，与所述自动聚焦系统的自动聚焦组件和自动聚焦传感器共焦。


47.根据权利要求45或46所述的设备，还包含通过气体导管联接到所述激光消融采样系统的ICP电离系统。


48.根据权利要求47所述的设备，还包含质谱仪。


49.根据权利要求1至48中任一项所述的设备，其中，在通过所述质谱仪检测之前，所述设备将所述样本雾化和电离。


50.一种用于LA-ICP-MS的自动聚焦设备，包含：
能移动的样本台；
用于检查样本的光学显微镜；
激光消融采样系统；
气体导管，将所述激光消融采样系统联接到ICP电离系统；
质谱仪；和
自动聚焦系统，包含：
照明源；和
自动聚焦传感器；
其中，所述自动聚焦系统提供能撞击到所述自动聚焦传感器上的多个斑点；
其中所述采样系统与所述自动聚焦系统是共焦的；以及
其中系统被配置为在样本运行期间通过基于多个照明点调节所述样本台的位置来提供自动聚焦。


51.一种自动聚焦的方法，使用根据权利要求1至50中任一项所述的设备，包含基于自动聚焦的采样。


52.根据权利要求51所述的方法，还包含基于由所述自动聚焦传感器检测到的斑点或线的对准而进行所述自动聚焦。


53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述自动聚焦是基于所述斑点或线之间的偏移。


54.根据权利要求52所述的方法，其中，所述自动聚焦是基于所述自动聚焦传感器上的所述斑点或线的重合。


55.根据权利要求51所述的方法，其中，还包含基于由所述自动聚焦传感器检测到的所述斑点的数量来进行自动聚焦。


56.根据权利要求51所述的方法，还包含基于由所述自动聚焦传感器检测到的所述斑点的均匀性来进行所述自动聚焦。


57.根据权利要求51至56中任一项所述的方法，还包含从生物样本中采样质量标签。


58.根据权利要求57所述的方法，还包含用缀合至特异性结合对(SBP)成员的标记原子来标记所述生物样本。


59.根据权利要求58所述的方法，其中SBP成员包含抗体。


60.根据权利要求58或59所述的方法，其中所述标记原子是金属标签。


61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述标记原子是富金属同位素。


62.一种自动聚焦组件，所述自动聚焦组件包含多个孔径。


63.根据权利要求62所述的自动聚焦组件，其中，所述自动聚焦组件包含至少两个孔径，例如至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、至少7个、至少8个、至少9个、至少16个或至少25个孔径。


64.根据权利要求62或63所述的自动聚焦组件，其中，所述自动聚焦组件的所述孔径被布置在正多边形的顶点处，例如三角形的3个顶点、正方形或矩形的4个顶点、五边形的5个顶点、六边形的6个顶点、七边形的7个顶点、八边形的8个顶点、九边形的9个顶点或十边形的10个顶点。


65.根据权利要求64所述的自动聚焦组件，其中，从所述多边形的质心到每个顶点的距离等于或小于10μm、15μm、20μm、25μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、500μm、750μm或1mm。


66.根据权利要求63或64所述的自动聚焦组件，其中，所述组件包含在所述多边形的质心处的另一个孔径。


67.根据权利要求64至66中任一项所述的自动聚焦组件，其中，所述组件在由权利要求3中所述的顶点孔径限定的多边形的侧边的中点处包含另一个孔径。


68.根据权利要求63或64所述的自动聚焦组件，其中，所述孔径位于规则间隔的网格中，诸如2×2网格、3×3网格、4×4网格、5×5网格、6×6网格、7×7网格、8×8网格、9×9网格、10×10网格或10×10以上的网格。


69.根据权利要求68所述的自动聚焦组件，其中，从所述孔径的中心点开始测量，相邻网格孔径之间的孔径间距为10μm、15μm、20μm、25μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、500μm、750μm、1mm或大于1mm。


70.根据权利要求62至69中任一项所述的自动聚焦组件，其中，所述孔径是圆形的，并且直径等于或小于1μm、2.5μm、5μm、7.5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、50μm、75μm或100μm。


71.根据权利要求62至70中任一项所述的自动聚焦组件，其中，至少两个孔径在照明辐射的轴上相对于彼此偏移，从而形成至少两个孔径平面。


72.根据权利要求71所述的自动聚焦组件，其中，所述自动聚焦组件包含两个平面、三个平面、四个或四个以上平面。


73.根据权利要求71或72所述的自动聚焦组件，其中，每个孔径平面包含一个以上的孔径，例如，每个孔径平面为三个孔径。


74.根据权利要求62至73中任一项所述的自动聚焦组件，其中，所述自动聚焦组件是照明源的混合掩模。


75.根据权利要求74所述的自动聚焦组件，包含阻挡所述照明辐射的不透明区域，所述多个孔径位于所述不透明区域中。


76.根据权利要求74或75所述的自动聚焦组件，包含允许所述照明辐射透射到样本上的区域，诸如所述区域由照明辐射透明材料组成或所述区域在所述自动聚焦组件中是空隙。


77.一种用于在样本上聚焦的自动聚焦系统，所述自动聚焦系统包含：
a.照明源，发出辐射以照亮所述样本；
b.根据权利要求1至15中任一项所述的自动聚焦组件，允许来自所述照明源的辐射穿过多个孔径；
c.放置在辐射光路中的物镜，用于将所述辐射聚焦向所述样本；
d.自动聚焦传感器，被布置为接收从所述样本反射的辐射，并被布置为与所述自动聚焦组件共焦。


78.根据权利要求77所述的自动聚焦系统，还包含用于支撑所述样本的样本台。


79.根据权利要求78所述的自动聚焦系统，其中，所述样本台基本垂直于诸如垂直于将辐射从透镜引导到所述样本上的轴。


80.根据权利要求78或79所述的自动聚焦系统，其中，所述样本台和来自所述照明源的穿过所述透镜的辐射的焦点，相对于彼此是能移动的。


81.根据权利要求78至80中任一项所述的自动聚焦系统，其中，穿过所述透镜的辐射的焦点是固定的，并且所述样本台是能移动的。


82.根据权利要求78至81中任一项所述的自动聚焦系统，其中，所述样本台能在基本平行于诸如平行于将照明辐射从所述透镜引导到所述样本上的轴移动。


83.根据权利要求78至81中任一项所述的自动聚焦系统，其中，所述样本台在x、y和z轴上是能移动的，并且其中所述z轴是将照明辐射从所述透镜引导到所述样本上的轴。


84.根据权利要求78至83中任一项所述的自动聚焦系统，还包含用于控制所述样本台的移动的控制器模块。


85.根据权利要求77至84中任一项所述的自动聚焦系统，其中，所述照明源是发光二极管(LED)、散热器或白炽灯、例如白炽钨卤灯泡、弧光灯或激光光源。


86.根据权利要求78至85中任一项所述的自动聚焦系统，其中，所述自动聚焦传感器是相机，例如基于电荷耦合器件图像传感器(CCD)的相机、基于有源像素传感器(APS)的相机、或任何其他照明辐射检测器，诸如光电检测器或光电倍增器，诸如当也用作检查相机的相机时。


87.根据权利要求78至86中任一项所述的自动聚焦系统，其中，所述控制器模块从所述自动聚焦传感器接收输入，以在自动聚焦过程中控制所述样本台的位置。


88.根据权利要求77至87中任一项所述的自动聚焦系统，包含一个或多个分束器组件，所述分束器组件被布置为将来自所述照明源的照明辐射引导到所述样本上并且将反射的照明辐射引导到所述自动聚焦传感器。


89.根据权利要求77至88中任一项所述的自动聚焦系统，包含在所述自动聚焦组件与所述样本之间的照明辐射路径中的管透镜，诸如在所述自动聚焦组件与所述一个或多个分束器组件之间。


90.根据权利要求77至89中任一项所述的自动聚焦系统，包含在所述样本和所述自动聚焦传感器之间的照明辐射路径中的管透镜，诸如在所述一个或多个分束器组件与所述自动聚焦传感器之间。


91.一种自动聚焦方法，包含：
确定样本的第一位置的焦点分数，
将所述样本移到第二位置，
确定所述第二位置的焦点分数，以及
将所述焦点分数进行相互比较，
其中确定所述焦点分数包含使用来自照明源的辐射来照射所述样本，照明辐射穿过包含多个孔径的自动聚焦组件，并检测从所述样本反射的照明辐射，以及
其中移动所述样本是平行于将所述照明辐射引导到所述样本上的轴的移动(即，移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：达夫·桑德奎基尔，亚历山大·洛博达，阿达姆·卡鲁，克哈莎亚尔·阿斯卡尔普尔，
申请(专利权)人：富鲁达加拿大公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA