質譜成像數據圖像重構軟件

熊行創,方 向,歐陽證,江 游,黃澤健,鄧玉林,張玉奎

(1.北京理工大學生命科學與技術學院,北京 100081;2.中國計量科學研究院,北京 100013;3.美國普渡大學韋爾登生物醫學工程學院,西拉法葉美國 47907)

質譜成像(imaging mass spectrometry,簡稱IMS)能夠同時獲取樣品的化學成分信息和樣品表面化學成分空間分布信息,并以圖像的形式直觀地反映被測物的物質與空間分布情況。IMS的應用從半導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]。常用的質譜成像技術MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization)、SIMS(secondary ion mass spectrometry)需要在真空環境下進行,在一定程度上限制質譜成像的應用范圍。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譜儀的結合,實現多樣的質譜成像分析正在不斷地擴大 IMS的應用范圍[6]。將眾多大氣壓接口質譜儀獲取的原始數據重構為質譜圖像數據是實現成像分析的必須處理過程,需要專用的軟件工具。Clerens等[7]實現了Bruker公司的 Reflex and Ultraflex質譜儀數據格式轉換;Jardin-Mathé等[8]開發的MITICS軟件對Applied BioSystems和 Bruker Daltonics公司質譜數據進行圖像重構,但是對其他公司的質譜數據卻無能為力,同時缺乏各種參數設定的專用化功能和方便用戶使用的向導式界面。為此,本工作開發出一種向導式、專用的質譜數據圖像重構imgGenegate軟件,能將原始質譜數據重構為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開發工具處理。

1 實驗方法

1.1 質譜成像實驗的數據特點

不論是大氣壓環境還是真空環境下的質譜成像分析,通常在固定離子源和質譜接口的位置,通過移動樣品臺實現對樣品的掃描分析。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。樣品臺的移動與質譜數據的采集同步,樣品臺開始移動時,質譜開始采集數據,該行掃描結束時,質譜停止采集數據。每掃描一行質譜數據,保存到一個數據文件中。每一個質譜采樣點對應圖像中的一個像素,每一行采樣點的個數代表圖像中該行水平像素的個數。整個掃描過程中的行數(即文件個數),代表圖像的垂直像素個數。

1.2 ImgGenerate軟件

ImgGenerate軟件是向導式、功能全面、專用的將質譜數據重構為圖像數據的工具,有英文和中文兩個版本。軟件的向導分為6步,流程示于圖1,每一步的功能都單一,能一步步引導用戶實現數據的轉化。

圖1 數據重構流程圖Fig.1 Flow of reconstituting MSI data

(1)選擇質譜數據文件類型

兩種文件類型可供選擇:.raw數據類型(Thermo Scientific)和.d數據類型(Agilent Technologies)。

(2)導入質譜數據文件

導入需要重構的原始質譜數據文件,編輯或調整文件順序,剔除不合適的文件。

(3)預覽與確認質譜數據成像布局

對導入的質譜數據文件進行成像布局預覽,界面示于圖2。獲取圖像的水平和垂直像素個數,標明水平像素個數最少的行號及所對應的質譜文件,水平像素個數最多的行號及所對應的質譜文件。依據此圖像預覽情況,可退回(2),剔除不合適的文件。

(4)選擇目標文件數據類型

Analyze 7.5數據格式是一種科學圖像數據格式,應用廣泛。用戶可以按需求定義所保存數據的類型,有short型(16個字節)、int型(32個字節)、float類型(32個字節)或double類型(64個字節)。

BioMap軟件選定的數據類型是 short類型,限定了每個質譜峰的強度值不超過32 768,每幅質譜圖的數據點數不能多于32 768,如果質譜峰值或質譜數據點數大于32 768,需要做相應的數據歸一化處理,否則會出錯。

IMSview軟件對4種類型都適用。

圖2 質譜數據成像布局預覽界面Fig.2 Interface of previewing MSI data layout

(5)編輯質譜數據成像參數

在實際導入數據的基礎上,編輯目標圖像的水平像素個數、垂直像素個數,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(質譜峰值還是質譜峰面積),界面示于圖3。

圖3 編輯質譜數據圖像參數界面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,做相對值轉換;如果沒有選定歸一化模式,當最大值沒有超出數據類型所規定的最大值時,按原始值表示,若超出則自動按歸一化模式處理。

(6)生成img成像數據

生成的數據文件有 3種:①圖像文件(.img)保存圖像中像素的原始數據;②頭文件(.hdr)保存圖像的長、寬、高、維數,以及定義數據的類型;③針對質譜數據往往附加文件(.t2m)保存質譜(float類型)。其中前2個是標準Analyze 7.5數據格式所必須的。

生成后的數據可以通過BioMap軟件處理,也可以通過IMSview軟件和MATLAb開發工具處理。

2 結果與討論

應用imgGenerate軟件對由美國普度大學Cooks教授課題組提供的大鼠小腦切片質譜成像數據進行圖像重構,該質譜數據在L TQ儀器(Thermo Scientific)結合DESI離子源的質譜成像裝置上獲得(負離子模式)。質譜數據的初始條件:75個數據文件,每個數據文件含有104個數據點,每個數據點的 m/z范圍是150～1 100,m/z數據間隔是0.1,數據文件所占空間347 MB。圖像重構的設定條件是:數據類型選擇short型,垂直像素個數 75個,水平像素個數104個,每個像素的質譜數據質量范圍為150～1 100,m/z數據間隔是1,信號類型為峰面積值,非歸一化處理。重構后的數據所占空間14 MB,可以應用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

應用imgGenerate軟件,對油性筆所書字跡質譜成像數據進行圖像重構。該質譜數據在QTOF6520儀器(Agilent Technologies)結合DESI離子源的質譜成像裝置上獲得(正離子模式)。數據的初始條件:22個數據文件,數據文件含有82～85個數據點,每個數據點的 m/z范圍是50～700,m/z數據間隔是0.001,數據文件所占空間342 MB。圖像重構的設定條件是:數據類型選擇short型,垂直像素個數22個,水平像素個數50個,質量范圍100～600,m/z數據間隔是0.1,信號類型為峰值,歸一化處理。重構后的數據所占空間10.5 MB,可以應用 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 結論

應用測試表明,imgGenerate軟件能夠有效地對單向掃描模式、一行掃描對應一個數據文件的質譜成像數據進行圖像重構。在該軟件的后續版本中,將進一步開發擴展功能,適用于雙向掃描模式和更多公司質譜數據的圖像重構。

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