質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)圖像重構(gòu)軟件

熊行創(chuàng),方 向,歐陽證,江 游,黃澤健,鄧玉林,張玉奎

(1.北京理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100081;2.中國計量科學(xué)研究院,北京 100013;3.美國普渡大學(xué)韋爾登生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,西拉法葉美國 47907)

質(zhì)譜成像(imaging mass spectrometry,簡稱IMS)能夠同時獲取樣品的化學(xué)成分信息和樣品表面化學(xué)成分空間分布信息,并以圖像的形式直觀地反映被測物的物質(zhì)與空間分布情況。IMS的應(yīng)用從半導(dǎo)體表面污染物分析到生物組織上的蛋白分析,以及藥物分析、法證鑒定、字畫鑒定等[1-2]。常用的質(zhì)譜成像技術(shù)MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization)、SIMS(secondary ion mass spectrometry)需要在真空環(huán)境下進(jìn)行,在一定程度上限制質(zhì)譜成像的應(yīng)用范圍。近年來,隨著DESI(desorption electrospray ionization)[3]、L TP(low temperature plasma)[4]、L EDI(electrospray-assisted laser desorption/ionization)[5]等新型敞開式常壓離子源與眾多大氣壓接口質(zhì)譜儀的結(jié)合,實現(xiàn)多樣的質(zhì)譜成像分析正在不斷地擴大 IMS的應(yīng)用范圍[6]。將眾多大氣壓接口質(zhì)譜儀獲取的原始數(shù)據(jù)重構(gòu)為質(zhì)譜圖像數(shù)據(jù)是實現(xiàn)成像分析的必須處理過程,需要專用的軟件工具。Clerens等[7]實現(xiàn)了Bruker公司的 Reflex and Ultraflex質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換;Jardin-Mathé等[8]開發(fā)的MITICS軟件對Applied BioSystems和 Bruker Daltonics公司質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu),但是對其他公司的質(zhì)譜數(shù)據(jù)卻無能為力,同時缺乏各種參數(shù)設(shè)定的專用化功能和方便用戶使用的向?qū)浇缑妗榇?本工作開發(fā)出一種向?qū)?、專用的質(zhì)譜數(shù)據(jù)圖像重構(gòu)imgGenegate軟件,能將原始質(zhì)譜數(shù)據(jù)重構(gòu)為Analyze 7.5格式,可以通過免費的BioMap軟件(http://www.maldi-msi.org)、IMSview 軟件(http://msimaging.net)和Matlab開發(fā)工具處理。

1 實驗方法

1.1 質(zhì)譜成像實驗的數(shù)據(jù)特點

不論是大氣壓環(huán)境還是真空環(huán)境下的質(zhì)譜成像分析,通常在固定離子源和質(zhì)譜接口的位置,通過移動樣品臺實現(xiàn)對樣品的掃描分析。掃描的方式往往采用單方向模式,即每一行掃描都是平行的、方向都是一樣的。樣品臺的移動與質(zhì)譜數(shù)據(jù)的采集同步,樣品臺開始移動時,質(zhì)譜開始采集數(shù)據(jù),該行掃描結(jié)束時,質(zhì)譜停止采集數(shù)據(jù)。每掃描一行質(zhì)譜數(shù)據(jù),保存到一個數(shù)據(jù)文件中。每一個質(zhì)譜采樣點對應(yīng)圖像中的一個像素,每一行采樣點的個數(shù)代表圖像中該行水平像素的個數(shù)。整個掃描過程中的行數(shù)(即文件個數(shù)),代表圖像的垂直像素個數(shù)。

1.2 ImgGenerate軟件

ImgGenerate軟件是向?qū)?、功能全面、專用的將質(zhì)譜數(shù)據(jù)重構(gòu)為圖像數(shù)據(jù)的工具,有英文和中文兩個版本。軟件的向?qū)Х譃?步,流程示于圖1,每一步的功能都單一,能一步步引導(dǎo)用戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

圖1 數(shù)據(jù)重構(gòu)流程圖Fig.1 Flow of reconstituting MSI data

(1)選擇質(zhì)譜數(shù)據(jù)文件類型

兩種文件類型可供選擇:.raw數(shù)據(jù)類型(Thermo Scientific)和.d數(shù)據(jù)類型(Agilent Technologies)。

(2)導(dǎo)入質(zhì)譜數(shù)據(jù)文件

導(dǎo)入需要重構(gòu)的原始質(zhì)譜數(shù)據(jù)文件,編輯或調(diào)整文件順序,剔除不合適的文件。

(3)預(yù)覽與確認(rèn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)成像布局

對導(dǎo)入的質(zhì)譜數(shù)據(jù)文件進(jìn)行成像布局預(yù)覽,界面示于圖2。獲取圖像的水平和垂直像素個數(shù),標(biāo)明水平像素個數(shù)最少的行號及所對應(yīng)的質(zhì)譜文件,水平像素個數(shù)最多的行號及所對應(yīng)的質(zhì)譜文件。依據(jù)此圖像預(yù)覽情況,可退回(2),剔除不合適的文件。

(4)選擇目標(biāo)文件數(shù)據(jù)類型

Analyze 7.5數(shù)據(jù)格式是一種科學(xué)圖像數(shù)據(jù)格式,應(yīng)用廣泛。用戶可以按需求定義所保存數(shù)據(jù)的類型,有short型(16個字節(jié))、int型(32個字節(jié))、float類型(32個字節(jié))或double類型(64個字節(jié))。

BioMap軟件選定的數(shù)據(jù)類型是 short類型,限定了每個質(zhì)譜峰的強度值不超過32 768,每幅質(zhì)譜圖的數(shù)據(jù)點數(shù)不能多于32 768,如果質(zhì)譜峰值或質(zhì)譜數(shù)據(jù)點數(shù)大于32 768,需要做相應(yīng)的數(shù)據(jù)歸一化處理,否則會出錯。

IMSview軟件對4種類型都適用。

圖2 質(zhì)譜數(shù)據(jù)成像布局預(yù)覽界面Fig.2 Interface of previewing MSI data layout

(5)編輯質(zhì)譜數(shù)據(jù)成像參數(shù)

在實際導(dǎo)入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,編輯目標(biāo)圖像的水平像素個數(shù)、垂直像素個數(shù),起始 m/z的大小、終止 m/z的大小,m/z的間隔寬度,并選擇信號的類型(質(zhì)譜峰值還是質(zhì)譜峰面積),界面示于圖3。

圖3 編輯質(zhì)譜數(shù)據(jù)圖像參數(shù)界面Fig.3 Interface of editing parameter of MSI data

信號的幅度是否選擇為歸一化模式:如果選定歸一化模式,則以最大值為基準(zhǔn),做相對值轉(zhuǎn)換;如果沒有選定歸一化模式,當(dāng)最大值沒有超出數(shù)據(jù)類型所規(guī)定的最大值時,按原始值表示,若超出則自動按歸一化模式處理。

(6)生成img成像數(shù)據(jù)

生成的數(shù)據(jù)文件有 3種:①圖像文件(.img)保存圖像中像素的原始數(shù)據(jù);②頭文件(.hdr)保存圖像的長、寬、高、維數(shù),以及定義數(shù)據(jù)的類型;③針對質(zhì)譜數(shù)據(jù)往往附加文件(.t2m)保存質(zhì)譜(float類型)。其中前2個是標(biāo)準(zhǔn)Analyze 7.5數(shù)據(jù)格式所必須的。

生成后的數(shù)據(jù)可以通過BioMap軟件處理,也可以通過IMSview軟件和MATLAb開發(fā)工具處理。

2 結(jié)果與討論

應(yīng)用imgGenerate軟件對由美國普度大學(xué)Cooks教授課題組提供的大鼠小腦切片質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu),該質(zhì)譜數(shù)據(jù)在L TQ儀器(Thermo Scientific)結(jié)合DESI離子源的質(zhì)譜成像裝置上獲得(負(fù)離子模式)。質(zhì)譜數(shù)據(jù)的初始條件:75個數(shù)據(jù)文件,每個數(shù)據(jù)文件含有104個數(shù)據(jù)點,每個數(shù)據(jù)點的 m/z范圍是150～1 100,m/z數(shù)據(jù)間隔是0.1,數(shù)據(jù)文件所占空間347 MB。圖像重構(gòu)的設(shè)定條件是:數(shù)據(jù)類型選擇short型,垂直像素個數(shù) 75個,水平像素個數(shù)104個,每個像素的質(zhì)譜數(shù)據(jù)質(zhì)量范圍為150～1 100,m/z數(shù)據(jù)間隔是1,信號類型為峰面積值,非歸一化處理。重構(gòu)后的數(shù)據(jù)所占空間14 MB,可以應(yīng)用Biomap軟件顯示,示于圖4。

圖4 BioMap顯示大鼠小腦切片在 m/z889(硫鞘脂)的離子圖Fig.4 A rat brain section imaging atm/z889(sulfatide sphingolipid)on BioMap

應(yīng)用imgGenerate軟件,對油性筆所書字跡質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)。該質(zhì)譜數(shù)據(jù)在QTOF6520儀器(Agilent Technologies)結(jié)合DESI離子源的質(zhì)譜成像裝置上獲得(正離子模式)。數(shù)據(jù)的初始條件:22個數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)文件含有82～85個數(shù)據(jù)點,每個數(shù)據(jù)點的 m/z范圍是50～700,m/z數(shù)據(jù)間隔是0.001,數(shù)據(jù)文件所占空間342 MB。圖像重構(gòu)的設(shè)定條件是:數(shù)據(jù)類型選擇short型,垂直像素個數(shù)22個,水平像素個數(shù)50個,質(zhì)量范圍100～600,m/z數(shù)據(jù)間隔是0.1,信號類型為峰值,歸一化處理。重構(gòu)后的數(shù)據(jù)所占空間10.5 MB,可以應(yīng)用 IMS-view軟件顯示,示于圖5。

圖5 IMSview顯示“MS”字跡在 m/z292.1離子圖Fig.5 “MS”imaging atm/z292.1 on IMSview

3 結(jié)論

應(yīng)用測試表明,imgGenerate軟件能夠有效地對單向掃描模式、一行掃描對應(yīng)一個數(shù)據(jù)文件的質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)。在該軟件的后續(xù)版本中,將進(jìn)一步開發(fā)擴展功能,適用于雙向掃描模式和更多公司質(zhì)譜數(shù)據(jù)的圖像重構(gòu)。

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