本发明公开了一种质谱成像平台装置，包括控制箱、高精度成像平台、质谱启动电路和串行接口，所述高精度成像平台包括高精度平移台和水平调节台；所述质谱启动电路包括固态继电器，所述固态继电器使用所述串行接口中的质谱启动信号引脚向所述固态继电器发送质谱启动信号，所述质谱启动信号用于控制质谱仪启动；所述控制箱对所述高精度移动平台进行通信和控制，计算机通过所述串行接口连接所述控制箱。本发明还公开一种质谱成像控制方法。通过本发明的设计，能够解决远距离质谱成像的问题。
1.一种质谱成像平台装置，包括控制箱、高精度成像平台、质谱启动电路和串行接口，其特征在于：所述高精度成像平台包括高精度平移台和水平调节台；所述质谱启动电路包括固态继电器，所述固态继电器使用所述串行接口中的质谱启动信号引脚向所述固态继电器发送质谱启动信号，所述质谱启动信号用于控制质谱仪启动；所述控制箱对所述高精度移动平台进行通信和控制，计算机通过所述串行接口连接所述控制箱；
通过所述计算机设置所述高精度成像平台的设定路径，并将所述设定路径的指令转换为控制箱指令序列后传递给所述控制箱，所述设定路径用于控制所述高精度成像平台的移动；
所述控制箱接收到所述计算机发送的扫描开始指令后，根据所述设定路径的指令对所述高精度成像平台的步进电机进行驱动；并且，所述计算机通过串行接口输出质谱启动信号到质谱启动信号引脚，所述谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给固态继电器；
质谱仪接收所述质谱启动信号，在所述高精度成像平台启动的同时启动所述质谱仪；
此时，所述质谱仪对放置到所述高精度成像平台上的样品进行扫描，并在扫描过程结束后将得到扫描数据反馈给计算机。
2.如权利要求1所述的质谱成像平台装置，其特征在于：所述串行接口包括接收数据RXD管脚和发送数据TXD管脚；所述RXD管脚用于接收所述控制箱传回的状态信息，所述TXD管脚用于向所述控制箱传输控制指令；所述串行接口通过质谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给所述固态继电器，所述固态继电器将所述质谱启动信号转变成边沿触发信号，并将所述边沿触发信号发送给所述质谱仪，用于启动质谱仪。
通过计算机设置高精度成像平台的设定路径，并将所述设定路径的指令转换为控制箱指令序列后传递给控制箱，所述设定路径用于控制所述高精度成像平台的移动；
所述控制箱接收到所述计算机发送的扫描开始指令后，根据所述设定路径的指令对所述高精度成像平台的步进电机进行驱动；并且，所述计算机通过串行接口输出质谱启动信号到质谱启动信号引脚，所述谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给固态继电器；
质谱仪接收所述质谱启动信号，在所述高精度成像平台启动的同时启动所述质谱仪；
此时，所述质谱仪对放置到所述高精度成像平台上的样品进行扫描，并在扫描过程结束后将得到扫描数据反馈给计算机。
4.如权利要求3所述的质谱成像控制方法，其特征在于：所述控制方法的扫描方式包括线扫描方式和点扫描方式。
5.如权利要求4所述的质谱成像控制方法，其特征在于，所述线扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向持续移动，所述质谱仪持续采样；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，退回原位；所述高精度成像平台在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
6.如权利要求4所述的质谱成像控制方法，其特征在于，所述线扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向持续移动，所述质谱仪持续采样；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，所述高精度成像平台在原位沿Y方向向下移动一行；所述高精度成像平台在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
7.如权利要求4所述的质谱成像控制方法，其特征在于，所述点扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向移动一小段距离后等待；所述质谱仪进行质谱采样；重复上述步骤直至所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，退回原位；所述高精度成像平台在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
8.如权利要求4所述的质谱成像控制方法，其特征在于，所述点扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向移动一小段距离后等待；所述质谱仪进行质谱采样；重复上述步骤直至所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，所述高精度成像平台在原位沿Y方向向下移动一行；所述高精度成像平台在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
9.如权利要求3所述的质谱成像控制方法，其特征在于：所述串行接口包括接收数据RXD管脚和发送数据TXD管脚；所述RXD管脚用于接收所述控制箱传回的状态信息，所述TXD管脚用于向所述控制箱传输控制指令；所述串行接口通过质谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给所述固态继电器，所述固态继电器将所述质谱启动信号转变成边沿触发信号，并将所述边沿触发信号发送给所述质谱仪，用于启动所述质谱仪。
10.如权利要求3所述的质谱成像控制方法，其特征在于：扫描完一个样品后，判断所述高精度成像平台运动状态，如果所述高精度成像平台扫描完所有样品，则所述高精度成像平台终止成像运动，所述质谱仪停止采样分析。
11.如权利要求3所述的质谱成像控制方法，其特征在于：所述串行接口为RS232串行接口。
12.如权利要求3所述的质谱成像控制方法，其特征在于：对样品扫描完成后，终止所述高精度成像平台运动，同时所述质谱仪停止采样分析，并返回待机状态。
质谱成像平台装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及工业自动化领域，具体地说，涉及一种配合AFAI质谱成像的质谱成像平台装置和配合该质谱成像平台的质谱扫描控制方法。
背景技术
[0002] 质谱仪是当前世界上广泛使用的一种化学分析仪器，它源于质谱分析。质谱分析是目前最灵敏、最强大和快速的分析方法之一，它的主要目的是分离和辨别样品离子的质荷比(质量与电荷的比，m/e)，其基本原理是使样品中各成分在离子源中发生电离，产生各种不同质荷比的带电荷的离子，经加速电场、聚焦电场等的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，利用电场或磁场的作用使离子按质荷比不同分离，再将它们分别聚焦而得到质谱图，进而分析样品中含有的成分。
[0003] 现代质谱仪器的配置各不相同，是多种不同类型离子源、质量分析仪和探测器的有机组合。利用质谱仪，可以对样品进行成像分析，即质谱成像技术(Imaging Mass Spectrometry，IMS)。
[0004] 质谱成像技术同时具有化学特异性辨别、平行检测和微成像的能力，一张质谱成像图可以包含被检测样品内部数百上千种不同分子(或原子)的信息，可以说是对样品全方位的展览。通过质谱成像技术，研究人员可以结合样品的物理空间特征来完成对样品化学成分的分析。
[0005] 质谱成像一般包括组织制备、质谱扫描、质量分析以及数据图像处理四个步骤，其中，样品电离的灵敏度、样品制备、空间分辨率、样品采集的速度都是影响质谱成像效果的重要因素。目前，基于二次离子质谱(SIMS)和基质辅助激光解吸电离(MALDI)的质谱成像技术已经取得了重大进展。同时，质谱成像技术在测定肿瘤中特异蛋白质的位置、分析不同生物分子的亚细胞分布以及减少两个单细胞有机体之间的层状磷脂方面具有其他技术无法比拟的优势，使得最近几年研究人员对质谱成像技术的研究兴趣日益高涨。
[0006] 空气流辅助电离(air flow assisted ionization，AFAI)是一种新颖而有效可以进行远程采样的空气流辅助电离技术。AFAI不仅能有效捕捉和运输带电液滴，还能促进样品离子的形成，甚至能防止在电离过程中的离子碎片的形成。此外AFAI还能提高质谱仪远程采样的灵敏度。AFAI已经成功的应用于染料、药物、炸药，蛋白质和挥发性化合物等物质的检测。
[0007] 本发明提供一种基于AFAI技术的质谱成像平台，目前国内外尚未发现配合AFAI技术的专属成像平台装置。此平台配合AFAI技术，解决了远距离质谱成像的问题，对国内高精度质谱成像研究进行了重要的补充。由于此平台在设计时的泛用性要求，解决了不同质谱需要构建不同成像平台的问题，促进了国内质谱领域研究的发展。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种质谱成像平台，能够解决远距离质谱成像的问题。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种质谱成像平台装置，包括控制箱、高精度成像平台、质谱启动电路和串行接口，所述高精度成像平台包括高精度平移台和水平调节台；所述质谱启动电路包括固态继电器，所述固态继电器使用所述串行接口中的质谱启动信号引脚向所述固态继电器发送质谱启动信号，所述质谱启动信号用于控制质谱仪启动；所述控制箱对所述高精度移动平台进行通信和控制，计算机通过所述串行接口连接所述控制箱。
[0011] 进一步：所述串行接口包括接收数据RXD管脚和发送数据TXD管脚；所述RXD管脚用于接收所述控制箱传回的状态信息，所述TXD管脚用于向所述控制箱传输控制指令；所述串行接口通过质谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给所述固态继电器，所述固态继电器将所述质谱启动信号转变成边沿触发信号，并将所述边沿触发信号发送给所述质谱仪，用于启动质谱仪。
[0012] 本发明的另一目的在于提供一种质谱成像方法，以配合质谱成像平台使用，能够解决远距离质谱成像的问题。
[0013] 本发明的技术方案如下：
[0014] 一种质谱成像控制方法，包括以下步骤：
[0015] 通过计算机设置高精度成像平台的设定路径，并将所述设定路径的指令转换为控制箱指令序列后传递给控制箱，所述设定路径用于控制所述高精度成像平台的移动；
[0016] 所述控制箱接收到所述计算机发送的扫描开始指令后，根据所述设定路径的指令对所述高精度成像平台的步进电机进行驱动；并且，所述计算机通过串行接口输出质谱启动信号到质谱启动信号引脚，所述质谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给固态继电器；
[0017] 质谱仪接收所述质谱启动信号，在所述高精度成像平台启动的同时启动所述质谱仪；此时，所述质谱仪对放置到所述高精度成像平台上的样品进行扫描，并在扫描过程结束后将得到扫描数据反馈给计算机。
[0018] 进一步：所述控制方法的扫描方式包括线扫描方式和点扫描方式。
[0019] 进一步，所述线扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向持续移动，所述质谱仪持续采样；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，退回原位；所述高精度成像平台在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
[0020] 进一步，所述线扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向持续移动，所述质谱仪持续采样；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，所述高精度成像平台在原位沿Y方向向下移动一行；所述高精度成像平台在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
[0021] 进一步，所述点扫描方式的移动步骤为：所述高精度成像平台在X方向移动一小段距离后等待；所述质谱仪进行质谱采样；重复上述步骤直至所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，退回原位；所述高精度成像平台在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
[0022] 进一步，所述高精度成像平台在X方向移动一小段距离后等待；所述质谱仪进行质谱采样；重复上述步骤直至所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品；所述高精度成像平台在所述X方向扫描完一行样品后，所述高精度成像平台在原位沿Y方向向下移动一行；所述高精度成像平台在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；重复上述步骤直至扫描完所有样品。
[0023] 进一步，所述串行接口包括接收数据RXD管脚和发送数据TXD管脚；所述RXD管脚用于接收所述控制箱传回的状态信息，所述TXD管脚用于向所述控制箱传输控制指令；所述串行接口通过质谱启动信号引脚发送所述质谱启动信号给所述固态继电器，所述固态继电器将所述质谱启动信号转变成边沿触发信号，并将所述边沿触发信号发送给所述质谱仪，用于启动所述质谱仪。
[0024] 进一步：扫描完一个样品后，判断所述高精度成像平台运动状态，如果所述高精度成像平台扫描完所有样品，则所述高精度成像平台终止成像运动，所述质谱仪停止采样分析。
[0025] 进一步：所述串行接口为RS232串行接口。
[0026] 进一步：对样品扫描完成后，终止所述高精度成像平台运动，同时所述质谱仪停止采样分析，并返回待机状态。
[0027] 本发明的技术效果如下：
[0028] 1、本发明与独立研发的AFAI离子源结合，充分发挥该离子源大气环境直接采样、远距离采样的特点。
[0029] 2、本发明采用高精度的移动平台，保证了成像的像素精度。
[0030] 3、本发明具有多种扫描模式，针对不同样品提供最合适的分析方式。
[0031] 4、本发明利用小巧的同步电路设计，保证质谱启动与扫描开始的同步一致性。
[0032] 5、本发明的成像平台还可广泛适用于各种商用质谱仪。
附图说明
[0033] 图1是本发明的质谱成像平台总体结构图；
[0034] 图2是本发明的质谱成像控制方法的流程图；
[0035] 图3是本发明的高精度成像平台采用线扫描方式分析样品的流程图；
[0036] 图4是本发明的高精度成像平台采用另一线扫描方式分析样品的流程图；
[0037] 图5是本发明的高精度成像平台采用点扫描方式分析样品的流程图；
[0038] 图6是本发明的高精度成像平台采用另一点扫描方式分析样品的流程图；
[0039] 图7是本发明的小白鼠组织切片图。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0041] 如图1所示，是本发明的质谱成像平台总体结构图。质谱成像平台包括：控制箱1、串行接口2、高精度成像平台3和质谱启动电路6。质谱启动电路6包括固态继电器5。串行接口2设置有质谱启动信号引脚4，质谱启动信号引脚4负责向固态继电器发出触发信号，启动质谱仪。在本发明优选的实施例中，串行接口2采用RS232串行接口，此时，质谱启动信号引脚4为数据终端就绪引脚(DTR)。
[0042] 在本发明中，质谱成像的过程就是由控制箱1发出控制指令控制高精度成像平台3配合质谱仪对样品进行扫描，然后由计算机用质谱成像数据分析方法对得到的质谱数据进行分析成像的过程。
[0043] 高精度成像平台3是样品的放置台，也是样品的移动装置。它通过两个高精度平移台和水平调节台的共同作用，完成样品的高精度移动，从而完成质谱仪对样品的扫描。高精度成像平台3的控制是通过计算机和控制箱来完成的。
[0044] 计算机通过串行接口2连接控制箱1，并通过串行接口2把指令传送给控制箱1，使控制箱1对高精度成像平台3进行通信和控制。在本发明优选实施例的RS232串行接口中，指令的传输主要使用接收数据(RXD)管脚和发送数据(TXD)管脚。为了保证质谱成像的精度，需要在高精度成像平台3开始移动的同时启动质谱仪，在某些成像方式中还需要多次在不同的时间准确地启动质谱仪，这就需要一个质谱启动电路6。当需要进行质谱成像扫描时，计算机通过串行接口2给控制箱发出指令，该指令是高精度成像平台3的设定路径，同时计算机也通过串行接口2的质谱启动信号引脚4给固态继电器5发送一个质谱启动信号，该质谱启动信号通过固态继电器5转变成边沿触发信号，并将此边沿触发信号发送给质谱仪，质谱仪接收到此信号后开始工作，对样品进行分析。这样就实现了高精度成像平台3和质谱仪的同时启动，保证了成像的准确性。在本发明中，只需要传递和接收串口的数据，所以，在本发明的优选实例中，实际需要的串口管脚只有RXD管脚和TXD管脚，RXD管脚用于接收控制箱传回的状态信息，TXD管脚用于向控制箱传输控制指令。其余信号管脚都是多余的，这也是使用质谱启动信号引脚4来输出控制信号的原因之一。
[0045] 在本发明中，质谱成像控制方法由计算机上的质谱成像扫描控制软件控制相关的硬件来实施。质谱成像扫描控制软件主要实现两个方面的功能：控制高精度成像平台3完成对样品的扫描采集；控制质谱仪启动，保证质谱仪启动(即采集数据)与高精度成像平台3开始扫描在时间上的一致性。
[0046] 如图2所示，是本发明的质谱成像控制方法的流程图。具体步骤如下：
[0047] 步骤201：将样品放置到高精度成像平台3，开始；
[0048] 步骤202：设置高精度成像平台3的设定路径即样品的运行路径；
[0049] 当对样品进行扫描时，实验人员需先在计算机的质谱成像扫描控制软件界面设定高精度程序平台3的路径即样品的运行路径。通过设定路径设定高精度平移台和水平调节台的移动方向和距离。
[0050] 步骤203：计算机将设定的路径转换为控制箱的指令序列，便于串行接口2把设定的路径传递给控制箱1；
[0051] 计算机会把扫描参数转换为程序箱控制指令。然后在界面上点击START按钮，计算机就通过串行接口2把程序箱控制指令传输到控制箱1里。
[0052] 例如：成像扫描控制软件通过串行接口2向控制箱1输出字符：“VX＝3000/”，则相当于向控制箱1发出指令，将X轴移动台的运行速度设定为3000Hz(步进电机的运行步数，转换成一般单位mm/s)，然后向用户反送字符：“OK+”，表示设置完成。
[0053] 步骤204：控制箱1接收到计算机发送的扫描开始指令后，传送设定的路径指令给所述高精度成像平台3；
[0054] 步骤205：控制箱1输出设定的路径指令来控制高精度成像平台3移动；同时计算机通过串行接口2的质谱启动信号引脚4给固态继电器5发送一个质谱启动信号，该质谱启动信号通过固态继电器5转变成边沿触发信号，并将此边沿触发信号发送给质谱仪，启动质谱启动电路6。
[0055] 步骤206：高精度成像平台3和质谱仪同时启动。
[0056] 步骤207：高精度成像平台3按照设定的路径进行移动，即高精度平移台和水平调节台按照设定的路径进行移动，同时，质谱仪开始进行分析；
[0057] 对样品的扫描方式包括线扫描方式和点扫描方式。
[0058] 步骤208：判断高精度成像平台3运动状态。
[0059] 当通过步骤208判断高精度成像平台3扫描完所有样品时，进行以下步骤：
[0060] 步骤209：扫描完成；
[0061] 步骤210：终止高精度成像平台3运动；
[0062] 步骤211：质谱仪停止采样分析返回待机状态；
[0063] 步骤212：样品扫描结束，得到扫描数据后反馈给计算机。
[0064] 高精度平台3所用的两种扫描方式如下：
[0065] 如图3所示，是本发明的高精度成像平台采用线扫描方式分析样品的流程图，当对样品的分析方式为线扫描方式时，步骤包括：
[0066] 步骤301：高精度成像平台3在X方向持续移动，质谱仪持续采样；
[0067] 步骤302：高精度成像平台3在X方向扫描完一行样品后，退回原位；
[0068] 步骤303：高精度成像平台3在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；
[0069] 重复步骤301-303直至扫描完所有样品。
[0070] 如图4所示，是本发明的高精度成像平台采用另一线扫描方式分析样品的流程图，当对样品的分析方式为线扫描方式时，步骤包括：
[0071] 步骤401：高精度成像平台3在X方向持续移动，质谱仪持续采样；
[0072] 步骤402：高精度成像平台3在X方向扫描完一行样品后，高精度成像平台3在原位沿Y方向向下移动一行；
[0073] 步骤403：高精度成像平台3在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；
[0074] 重复步骤401-403直至扫描完所有样品。
[0075] 如图5所示，是本发明的高精度成像平台采用点扫描方式分析样品的流程图，当对样品的分析方式为点扫描方式时，步骤包括：
[0076] 步骤501：高精度成像平台3在X方向移动一小段距离后等待，质谱采样；
[0077] 步骤502：重复步骤501直至X方向扫描完一行样品；
[0078] 步骤503：高精度成像平台3在X方向扫描完一行样品后，退回原位；
[0079] 步骤504：高精度成像平台3在Y方向向下移动一行，准备扫描下一行的样品；
[0080] 重复步骤501-504直至扫描完所有样品。
[0081] 如图6所示，是本发明的高精度成像平台采用另一点扫描方式分析样品的流程图，当对样品的分析方式为点扫描方式时，步骤包括：
[0082] 步骤601：高精度成像平台3在X方向移动一小段距离后等待，质谱采样；
[0083] 步骤602：重复步骤601直至X方向扫描完一行样品；
[0084] 步骤603：高精度成像平台3在X方向扫描完一行样品，高精度成像平台3在原位沿Y方向向下移动一行；
[0085] 步骤604：所述高精度成像平台3在X方向上反转扫描方向，准备扫描下一行的样品；
[0086] 重复步骤601-604直至扫描完所有样品。
[0087] 为了方便不同实验的不同要求，另外设计了“控制命令序列”的功能，研究人员可以自行编写控制命令序列，然后高精度成像平台3就可以按照该命令序列进行移动和扫描。
[0088] 实施例1：
[0089] 使用老鼠的全身组织切片作为本发明的实验的样品，样品的整体大小为140×50mm，实验的主要目的是对药物在样品整体的分布情况进行临床研究。
[0090] 待分析的目标药品为过氧化氢酶(CAT)，通过老鼠的尾部对老鼠进行施药，20分钟后，使用过量的乙醚对老鼠实施安乐死，将整个老鼠冻结在干冰/异戊烷中为实施切片做准备使用徕卡CM3600全身切片机对老鼠进行切片，得到80μm厚的老鼠全身组织切片。如图7所示，是本发明的小白鼠组织切片图。
[0091] 实验使用的质谱仪为美国AB公司的QTRAP 5500，成像实验使用的是本发明的线扫描方式的移动模式。所述的成像扫描控制程序模块控制成像平台进行往复的运动，从而完成对样品逐行的扫描过程。根据质谱分析一次样品的时间及高精度移动平台移动的速度，得到质谱成像图的像素大小为500×200μm。总的分析时间约10小时。
[0092] 实验结果表明，本发明的质谱成像方法配合AFAI技术实可以很好的完成质谱成像的要求，得到最高分辨率500×200μm的质谱成像图。实现了远距离电离传输离子，可分析大体积样品，并可以对最大150×100mm的样品进行成像分析。实验说明本发明具有很高的实用价值和商用价值。
