高速调制样本成像设备和方法技术

本公开涉及用于高速调制样本成像的系统和方法。本文公开了用于进行成像质量细胞计数的系统和方法，包括通过元素(例如原子)质谱分析标记原子。各方面包括具有飞秒(fs)激光器和/或激光扫描的采样系统和使用飞秒(fs)激光器和/或激光扫描的方法。可替代地或附加地，各方面包括用于将其他成像模式与成像质量细胞计数共配准的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高速调制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62/729,241以及于2019年4月2日提交的美国临时专利申请号62/828,251的优先权，其全部内容出于所有目的通过引用并入本文。
本专利技术涉及在激光消融之后使用成像质谱法(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
LA-ICP-MS(IMS的一种形式，其中样本通过激光进行消融，然后在电感耦合等离子体中将消融的材料电离，然后通过质谱检测离子)已用于各种物质的分析，诸如作为地质样本的矿物分析、考古样本的分析和生物物质的成像[i]。以前已经报道过通过IMC对生物样本进行成像，可以在细胞分辨率下进行成像[ii、iii、iv]。最近还报道了亚细胞分辨率下的详细成像[v]。这些由IMS和IMC产生图像的方法的特征在于支撑样本的载物台的移动，以使激光辐射能够消融样本的不同位置以产生像素。然而，对样本台移动的依赖导致相对低的像素采集速率，因此就可以在单位时间内研究的样本面积而言，产出量相对低。存在能够在X和Y轴上移动的快速载物台，最大速度在100mm/s范围内。然而，由于载物台惯性，这些载物台仍然具有缺点，这意味着在成像方法中花费时间使载物台加速到其最大速度。载物台惯性还意味着载物台移动不能用于快速创建任意扫描图案。本专利技术的方面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
本文公开了用于进行成像质量细胞计数的系统和方法，包括通过元素(例如原子)质谱而标记原子的分析。方面包括具有使用飞秒(fs)激光和/或激光扫描的采样系统及其方法。可替代地或附加地，方面包括用于将其他成像模式与成像质量细胞计数共配准的系统和方法。在某些实施例中，本文公开的分析仪设备包含两个用于执行成像元素质谱分析的广泛表征的系统。第一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，其保持样本(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，诸如细胞涂片，其中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，或者作为导致从样本中去除材料的过程的一部分，或者经由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，通过第二个系统(即检测器系统)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。本专利技术的一个方面通过在采样和电离系统中应用激光扫描系统来提供对当前IMS和IMC设备和方法的改进。激光扫描系统将激光辐射引导到要消融的样本上。由于激光扫描仪因其惯性低得多或没有惯性而移动速度比样本台更快(即具有更快的响应时间)，因此可以更快地在样本上进行离散斑点的消融，从而使每单位时间被消融的面积显著增大，而不会损失分辨率。此外，激光辐射所导向的斑点的快速变化允许消融随机图案，例如，使得通过快速连续的激光辐射的脉冲/发射的群来消融形状不均匀的整个细胞，使用激光扫描仪系统将激光辐射的脉冲/发射的群对准样本上的位置，然后将样本电离并检测为单一的材料云，从而实现单细胞分析。这些位置通常是相邻位置，或彼此靠近。在使用解吸以从样本载体中去除样本材料的方法中，也可以采用类似的快速群技术，即细胞LIFTing(激光诱导前向转移)。作为连续事件一起分析样本的羽状物的相邻位置，可以来自单个受关注特征(诸如特定细胞)内。因此，在操作中，将样本放入设备中，使用激光扫描系统采样以产生电离的材料(采样可能会产生气态/特殊材料，该材料随后被电离系统电离)，并且样本材料中的离子被传递到检测器系统。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离子。在某些应用中，例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，样本的天然元素组成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，因此尽管可以从不含蛋白质或核酸物质的区域中分辨出包含此类蛋白质/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)，特别是通过使用特定结合伙伴(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(例如，参见参考文献2、3、4、5)。在检测之前样本的天然元素组成被耗尽的方面，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，由于在本文中公开的设备和方法中应用了激光扫描系统，因此具有提高的速度。因此，本专利技术的各方面提供了用于分析诸如生物样本的样本的设备，该设备包含：(i)采样和电离系统，用于从样本中移除材料并使材料电离以形成元素离子，该系统包含激光源、激光扫描系统和样本台；(ii)检测器，从采样和电离系统接收元素离子并检测元素离子。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、激光扫描系统和样本台，并且其中该电离系统适于接收由采样系统从样本中移除的材料，并且电离该材料以形成元素离子。激光扫描系统通过使用一个或多个定位器(例如，两个定位器)在不平行并且在一些实施例中是正交的一个或多个轴(例如，Y轴和X轴)上相对于样本台，赋予由激光源发射的激光束方向的相对移动。如下所述，定位器可以采用基于镜的定位器(诸如检流计镜、多边形扫描仪、MEMS镜、压电器件镜)和/或固态定位器(诸如AOD或EOD)的形式。样本台也可以移动，以便在样本台上产生样本相对于激光辐射束的相对移动。样本台通常可以在x和y轴上移动样本，也可以在z轴上移动样本，其移动可以通过控制器模块与激光扫描系统中定位器的移动进行协调。例如，载物台可以沿第一方向移动样本，并且该位置可以沿第二(即，不平行的，诸如基本上正交的)方向将相对移动引入到激光束中。如上所述，已经以亚细胞分辨率实现了IMS和IMC，并且可以以这样的分辨率使用激光扫描系统。因此，可以以直径小于10μm、小于5μm、小于2μm、约1μm或小于1μm的斑点尺寸进行消融。例如，可以通过使用ICP、激光解吸/电离(LDI)和/或通过激光产生等离子体，以及通过使用TOF质谱仪进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分析生物样本的设备，所述设备包含：/n(i)采样和电离系统，用于从样本去除材料并使所述材料电离以形成元素离子，所述采样和电离系统包含激光源、激光扫描系统和样本台。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180910 US 62/729,241;20190402 US 62/828,2511.一种用于分析生物样本的设备，所述设备包含：
(i)采样和电离系统，用于从样本去除材料并使所述材料电离以形成元素离子，所述采样和电离系统包含激光源、激光扫描系统和样本台。


2.根据权利要求1所述的设备，还包含：
(ii)检测器，从所述采样和电离系统接收所述元素离子并检测所述元素离子。


3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述采样和电离系统包含采样系统和电离系统，其中，所述采样系统包含所述激光源、所述激光扫描系统和所述样本台，并且其中所述电离系统适于接收通过激光系统从所述样本去除的所述材料，并电离所述材料以形成所述元素离子。


4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述激光扫描系统包含定位器，所述定位器能够赋予所述激光源发射的激光束相对于所述样本台的第一相对移动。


5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述激光扫描系统的所述定位器还能够赋予所述激光束相对于所述样本台的第二相对移动，其中，所述第一相对移动和所述第二相对移动不平行，诸如其中相对移动是正交的。


6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述激光扫描系统还包含第二定位器，所述第二定位器能够赋予所述激光束相对于所述样本台的第二相对移动，其中所述第一相对移动和所述第二相对移动不平行，诸如其中相对移动是正交的。


7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述激光扫描系统的响应时间快于1ms、快于500μs、快于250μs、快于100μs、快于50μs、快于10μs、快于5μs、快于1μs、快于500ns、快于250ns、快于100ns、快于50ns、快于10ns或约1ns。


8.根据权利要求4至7中任一项所述的设备，其中，所述定位器和/或所述第二定位器是：(i)基于镜的定位器，诸如检流计镜、MEMS镜、多边形扫描仪、压电器件镜和/或(ii)固态定位器，诸如声光器件(AOD)或电光器件(EOD)。


9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述激光扫描系统包含：
(i)为EOD的所述定位器，诸如其中两组电极已经正交地连接到折射介质上的EOD；或
(ii)为两个正交排列的AOD形式的所述定位器和所述第二定位器；或(iii)为检流计镜对形式的所述定位器和所述第二定位器。


10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，所述激光扫描系统包含：
(i)为所述检流计镜的所述定位器和为AOD的所述第二定位器；
(ii)为所述检流计镜的所述定位器和为EOD的所述第二定位器；
(iii)为检流计镜对形式的所述定位器和所述第二定位器，并且还包含AOD；或
(iv)为检流计镜对形式的所述定位器和所述第二定位器，并且还包含EOD。


11.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中，AOD折射介质由选自以下项的材料形成：二氧化碲、熔融二氧化硅、铌酸锂、三硫化砷、碲酸盐玻璃、硅酸铅、Ge55As12S33、一价汞氯化物和二价铅溴化物。


12.根据权利要求8、9或10所述的设备，其中，EOD折射介质由选自以下项的材料形成：KTN(KTaxNb1-xO3)、LiTaO3、LiNbO3、BaTiO3、SrTiO3、SBN(Sr1-xBaxNb2O6)、BSKNN(Ba2-xSrxK1-yNayNb5O15)和PBN(Pb1-xBaxNb2O6)。


13.根据权利要求4至12中任一项所述的设备，还包含：在所述定位器和/或所述第二定位器与所述样本之间的至少一个色散补偿器，所述色散补偿器适于当所述定位器为AOD时和/或当所述第二定位器是AOD时补偿由所述定位器引起的任何色散，可选地，其中所述色散补偿器是(i)具有适合于补偿由所述定位器引起的色散的线间距的衍射光栅；(ii)适用于补偿由所述定位器和/或所述第二定位器引起的色散的棱镜；(iii)包含所述衍射光栅(i)和所述棱镜(ii)的组合；和/或(iv)另一声光器件。


14.根据权利要求4至13中任一项所述的设备，其中，所述样本台至少在x轴上是能移动的，并且其中所述定位器适于将至少在y轴上的偏转引入到所述激光束至所述样本台上的路径中。


15.根据权利要求14所述的设备，其中：
(i)所述定位器还适于将x轴上的偏转引入到所述激光束至所述样本台上的路径中；或
(ii)所述设备包含所述第二定位器，所述第二定位器适于将x轴上的偏转引入到所述激光束至所述样本台上的路径上；
可选地，其中所述激光扫描系统的所述定位器由控制模块控制，所述控制模块还控制所述样本台的移动。


16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述激光源是皮秒激光器或飞秒激光器，特别是所述飞秒激光器，可选地包含脉冲拾取器，诸如其中所述脉冲拾取器由控制模块控制，所述控制模块还控制所述样本台和/或所述激光扫描系统的所述定位器的移动。


17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中：
(i)消融速率为200Hz以上，诸如500Hz以上、750Hz以上、1kHz以上、1.5kHz以上、2kHz以上、2.5kHz以上、3kHz以上、3.5kHz以上、4kHz以上、4.5kHz以上、5kHz以上、或者10kHz以上、约100kHz、100kHz以上、1MHz以上、10MHz以上、或100MHz以上；和/或
(ii)激光重复频率为至少1kHz，诸如至少10kHz、至少100kHz、至少1MHz、至少10MHz、约50MHz、或至少100MHz，可选地其中所述采样系统还包含脉冲拾取器，诸如其中所述脉冲拾取器由控制模块控制，所述控制模块还控制所述样本台和/或所述激光扫描系统的所述定位器的移动。


18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述激光源适于产生直径为或小于10μm、小于5μm、小于2μm、约1μm或小于1μm的斑点尺寸。


19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包含相机。


20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述电离系统是ICP。


21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述检测器是TOF质谱仪。


22.一种分析样本的方法，所述方法包含：
(i)在样本台上进行样本的激光消融，其中使用激光扫描系统将激光辐射引导到所述样本上，并且其中在多个位置处进行消融以形成多个羽状物；以及
(ii)对所述羽状物进行电离和质谱分析，从而检测所述羽状物中的原子以允许构建所述样本的图像，可选地其中所述多个位置是多个已知位置。


23.一种对包含多个细胞的样本进行质量细胞计数的方法，所述方法包含：
(i)用一个或多个不同的标记原子来标记所述样本中的多个不同的目标分子，以提供标记的样本；
(ii)在样本台上进行所述样本的激光消融，其中使用激光扫描系统将激光辐射引导到所述样本上，并且其中在多个位置处进行消融以形成多个羽状物；以及
(iii)对所述羽状物进行电离和质谱分析，从而检测所述羽状物中的原子以允许构建所述样本的图像，可选地其中所述多个位置是多个已知位置。


24.根据权利要求22或23所述的方法，其中：
a.将一个或多个所述羽状物分别进行所述电离和质谱分析；和/或
b.从已知位置处产生一个或所述多个羽状物。


25.根据权利要求22或23所述的方法，其中，将来自相邻已知位置的所述羽状物作为单个事件进行分析，诸如其中在所述样本的一个或多个受关注特征处执行消融，并且来自所述相邻已知位置的所述羽状物全部来自于一个或多个所述受关注特征，例如单细胞。


26.根据权利要求25所述的方法，其中，相邻的斑点小于用于消融所述样本的激光辐射的斑点尺寸的直径的10倍，诸如小于间隔的所述斑点尺寸的直径的8倍、小于5倍、小于2.5倍、小于2倍、小于1.5倍、约1倍、或小于1倍。


27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其中，所述方法包含控制所述激光扫描系统中的定位器，以赋予激光器发射的激光束相对于所述样本台的第一相对移动。


28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述方法包含控制所述激光扫描系统中的所述定位器，以赋予所述激光束相对于所述样本台的第二相对移动，其中所述第一相对移动和所述第二相对移动不平行，诸如其中相对移动是正交的。


29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述方法包含控制所述激光扫描系统中的第二定位器，以赋予所述激光束相对于所述样本台的第二相对移动，其中所述第一相对移动和所述第二相对移动不平行，诸如其中相对移动是正交的。


30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，包含：通过控制所述样本台的移动，在第一方向上移动所述样本；以及通过控制所述激光扫描系统的所述定位器，与所述样本相比在激光辐射束中引入第二方向上的相对移动，其中所述第一方向和所述第二方向不平行，可选地，所述第一方向和所述第二方向是正交的，并且可选地，其中被扫描的区域大于不移动所述样本台而能被扫描的区域。<...

【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，米纳利尼·拉克什曼，
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