质谱成像科普：成像速率

质谱成像科普：关于成像速率
作为质谱最年轻的应用之一，质谱成像技术在科学研究、临床病理分析等诸多领域有着巨大的应用潜力，已经成为质谱研究的一大热点，基于MALDI、AP-MALDI、DESI、SIMS 等离子源的质谱成像技术飞速发展。

对于科研工作者而言，如此多的质谱成像技术，究竟哪一种更适合自己的研究方向，很难搞清楚。

本次，我们看一看质谱成像的关键性能之一：成像速率。

目前的质谱成像技术都是把样本上的一个个像素点陆续离子化形成质谱峰图，再通过软件重构图像形成质谱成像结果。

这种点扫描的成像方式，如果成像速率过低，完成一张切片的成像过程需要十数个小时。

无论是科研研究还是临床病理分析等实际应用，这么慢的成像速率都是无法忍受的。

更重要的是如果一张切片成像需要近一天时间，生物组织及基质分子的挥发、变质等问题都会影响整体成像结果。

因此，成像速率是质谱成像重要的瓶颈，尤其制约了质谱成像展开临床应用。

那么，影响质谱成像速率的因素有哪些呢？
胰岛单细胞成像结果，成像速率：200像素/秒
关键之一：扫描速率
对于质谱成像而言的扫描速率，通俗地说，是获得一张质谱图的速率。

它一般取决于以下三个因素。

激光频率
如前所述，质谱成像是点扫描方式成像。

因此，对于激光解吸（LD）离子源来说，激光频率是质谱成像速率提升的前提。

以MALDI成像为例，早期的质谱成像采用了50Hz的氮气激光器，且不说氮气激光器做质谱成像是很奢侈的事（氮气激光器扫描寿命短，而质谱成像需要高密集扫描，更换激光器成本昂贵），50Hz意味着每秒钟只能完成50次离子化过程，最高可形成50个扫描点。

一般一张质谱图需要上百万个扫描点，用氮气激光器扫描一张切片，至少需要6小时以上。

随着高性能激光器的出现，MALDI离子源的激光频率首先有了质的飞跃。

目前商品化
的成像质谱中，往往采用了2,000Hz甚至更高频率的激光器。

融智生物的QuanTOF成像质谱则配备了5,000-10,000Hz的激光器，以保证有更高的激光频率。

二维移动平台
高速成像还需要能高速移动、步长精准的二维移动平台的支持。

目前，很多普通质谱仪并未考虑到质谱成像的需求，使用了普通的二维移动平台，步长往往在微米级甚至更高，也无法高速移动，因而会阻碍高速成像。

融智生物QuanTOF采用的高速二维移动平台可达到步长50nm，在如此小的步长下，实现高速移动，有力地支持了高速率质谱成像的需求。

数据采集
在解决了激光频率和高速、高精准二维移动平台的问题之后，还要解决高激光频率带来的海量数据采集问题。

再高的激光频率、再快的移动平台，没有足够速率的信号采集及储存能力，都无法提高最终质谱成像速率，这需要高速数据采集部件以及数据采集软件的相互配合。

另外，现有的第三方成像软件往往只能满足较低速率采集的成像数据处理工作，对于高速扫描带来的海量数据就无能为力了。

关键之二：灵敏度
仅仅提升扫描速率，只是提升质谱成像速率的开始。

高速、高空间分辨率扫描时，能够电离的离子将大幅减少，如果在其后的离子传输、离子探测过程中不加以弥补，则质谱仪的灵敏度将大幅下降，尤其影响低丰度目标物的成像结果。

传统的化学分析中，质谱仪的扫描速率已经够用，因此后端的配合流程不会为高速成像专门设计，所以一些科研人员在采购外接离子源做质谱成像时，会发现对低丰度目标物无法采集到信号。

灵敏度问题不仅体现于外接离子源中，对于内接离子源质谱仪，在高速扫描时，也面临灵敏度不足的问题。

提升扫描速率，使用10,000Hz的激光器，在工程化方面不是难题，但
如此高频率扫描所带来的离子采集量下降影响到灵敏度不足的问题，却难以克服。

因此，只能牺牲成像速率，以保证成像质量。

这也就是为什么一些内接离子源的成像质谱虽然采用了10,000Hz激光器，但成像速率最高仍然只有50像素/秒。

综上所述，高速质谱成像的实现是一项系统性工程，要从扫描速率、仪器灵敏度以及方法学等方面入手，软硬件之间相互配合，相互支持。

仅仅提高激光频率或二维移动平台移动速度或数据采集速度，抑或是提升仪器灵敏度等，都无法实现高速质谱成像。

2018年6月，融智生物宣布实现了业界最高的质谱成像素率，成像速率达到500像素/秒。

通过对系统的进一步优化、调整，以及软件配合，截至目前，融智生物已达成1,000像素/秒的成像速率。

采集100万张质谱图，只需要十多分钟。

质谱成像目前还集中于科学研究。

随着质谱成像速率的提升，应用研究的开展，包括富集技术的进步、基质技术进步，以及与荧光光学成像结合进行分析的融合技术的出现，都会加速质谱成像在临床病理分析、生物标志物发现等诸多领域的应用。