一种激光剥蚀等离子体质谱的纳米粒子区分数据处理方法

本发明涉及无机质谱数据处理领域，具体涉及一种激光剥蚀电感耦合等离子体质谱的纳米粒子区分的数据处理方法和电子设备与在植物组织中纳米粒子分析的应用。

背景技术：

1、植物的生长过程通常始终暴露在多种金属离子和纳米颗粒(nps)中，nps与植物的多样性带来的丰富相互作用导致植物以不同的方式对这些nps做出反应，部分金属离子也可能在植物中被生物还原，聚集成nps。但这些过程的程度、原因与机制尚不清楚。了解这些反应对植物生理学、分子生物学和遗传学、生物化学和材料化学非常重要。虽然我们可以通过如电子显微镜、x射线荧光成像和荧光成像等手段获取植物中部分nps吸收、运输或者生物合成过程的单方面信息，但是植物中的nps定量信息(浓度，粒径，分布)，nps的粒径与在植物中的位置，以及给植物带来的影响依然是仍然是需要解决的问题，这也是合理、可持续利用nps，构建生物与nps和谐环境的基础。(su,y.；ashworth,v.；kim,c.；adeleye,a.s.,etal.delivery,uptake,fate,and transport of engineered nanoparticles in plants:acritical review and data analysis[j].environmental science-nano,2022.)。

2、单颗粒电感耦合等离子体质谱(sp-icp-ms)作为电感耦合等离子体质谱(icp-ms)衍生出的溶液中的金属nps的表征手段，通过引入高度稀释的nps悬浮液，实现单个离散的nps引入，进而检测单个nps信号。该信号的强度对应nps产生的离子云大小，信号与目标物中存在的元素质量成正比，检测到的事件数量与悬浮液中nps浓度成正比。在对实际的植物进行分析时，酸消化等手段会丢失有关nps在植物组织中的信息，通过开发了一种基于含有纤维素、半纤维素和果胶酶的离析酶对植物组织消化方法用于提取aunps，进而开发了一种用于测量aunps尺寸、颗粒浓度的方法，来了解番茄植物对aunps的吸收行为。(dan,y.；zhang,w.；xue,r.,et al.characterization of gold nanoparticle uptake by tomatoplants using enzymatic extraction followed by single-particle inductivelycoupled plasma-mass spectrometry analysis.[j].environmental science&technology,2015.)。

3、尽管sp-icp-ms能够精确定量nps的尺寸和数浓度，但常规的雾化系统的进样效率较低，复杂的前处理过程会丢失植物中的nps的位置信息。为了同时获取nps的位置和粒径、浓度信息，将sp-icp-ms与激光剥蚀技术相结合可以解决上述问题。在激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(la-icp-ms)中，同一元素的离子和nps是同时分析的，基于它们在等离子体和检测器中不同信号特征，在后处理中进行分离(metarapi,d，sala,m,vogel-mikus,k,etal.nanoparticle analysis in biomaterials using laser ablation-singleparticle-inductively coupled plasma mass spectrometry[j].analyticalchemistry,2019)。

4、但目前开发的激光剥蚀结合单颗粒电感耦合等离子体质谱(la-sp-icp-ms)方法主要针对于分析样品中的离散nps，数据处理主要基于sp-icp-ms的基线和阈值计算方法。实际样品中nps环境相对复杂，经常存在nps在某个位置聚集或者离散的nps与高浓度的离子同时存在的情况，由于la-sp-icp-ms的空间分辨率只能达到若干微米的级别，所以对实际样品中复杂nps的信号处理是la-sp-icp-ms实际应用不可回避的问题。与溶液样品中nps与离子信号混合或者nps浓度过高情况有所不同，la-sp-icp-ms中这些情况是分析前无法预料的，也不同于溶液态的sp-icp-ms能够通过稀释解决。导致la-sp-icp-ms的原始数据在很多情况下无法用固定的离子基线来区分nps和离子的信号，尤其是nps浓度太高或者au离子浓度较高的局部位置，离子基线会低于局部的信号最低点，多个nps被当成了1个nps，明显影响获取的nps个数和粒径结果。

5、为解决此问题，本发明提出了一套构建由原始数据极小值点之间线性插值组成的动态基线以分离每个nps的信号，进一步根据是否存在极大值来区分高浓度离子和nps信号的数据处理流程，并将其编写为计算机程序，最终实现在la-sp-icp-ms的原始信号中对纳米粒子区分的数据处理。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的在于构建一套由原始数据极小值点之间线性插值组成的动态基线以分离每个nps的信号，进一步根据是否存在极大值来区分高浓度离子和nps信号的数据处理流程，通过对所设置的条件对比后确定最佳方案，以实现la-sp-icp-ms的实际植物原始信号中纳米粒子区分的数据处理。

2、本发明的目的通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种激光剥蚀电感耦合等离子体质谱的纳米粒子区分的数据处理方法，包括以下步骤：

4、(1)通过激光剥蚀系统联合电感耦合等离子体质谱，获取植物组织的电感耦合等离子体质谱的信号强度-时间的原始数据；

5、(2)通过寻找信号强度-时间原始数据中的局部极小值点，将极小值点进行直线相连，构建由线性插值组成的动态基线；

6、(3)将原始数据减去动态基线后得到数据a，将数据a通过倍数标准偏差进行迭代计算出离子基线；

7、(4)将数据a减去离子基线值，判断其差值是否存在连续宽度范围内的正值点，并对每个连续宽度范围内的正值点数据进行存在极大值的判断；

8、(5)将步骤(4)中的符合nps信号的典型特征的极大值点视为nps信号，按照其对应的时间，对步骤(1)的原始数据中的信号值进行积分，计算nps的总信号强度。

9、进一步，所述步骤(1)中，通过激光剥蚀系统获得原始数据的方法如下：

10、1.1对含有nps的实际植物样品的根、茎和叶片器官进行分离，根据所要分析的对象对样品进行处理；

11、1.2在激光剥蚀系统的剥蚀池中放置含有植物样品的载玻片，控制激光剥蚀系统和电感耦合等离子体质谱的参数，对植物进行剥蚀；

12、1.3记录剥蚀后所获取的电感耦合等离子体质谱的以count为单位的“信号强度-时间”的原始数据。

13、更进一步，所述步骤1.1中，对样品进行处理的方法包括对植物的茎和叶经过多聚甲醛固定，石蜡包埋和切片以及对样品风干后粘贴于载玻片上。

14、进一步，所述步骤(2)中，寻找极小值点的方法为：通过判断每个数据点是否小于前或后四个点的信号值，判断数据点是否属于极小值点。

15、进一步，所述步骤(2)中，线性插值的方法为：将寻找到的极小值点通过每两个点之间的线段相连，构成线性插值组成的动态基线。

16、进一步，所述步骤(3)中，数据通过倍数标准偏差进行迭代计算出离子基线的方法如下：将原始数据减去动态基线后，计算所有信号强度点中的平均值和倍数标准偏差，将前一步数据中所有处于平均值加减倍数标准偏差内的数据提取出来，重复上述步骤，直到出现两次筛选出的处于平均值加减倍数标准偏差内的数据完全相同，将此时计算出的平均值作为计算出的离子基线。

17、更进一步，所述步骤(3)中，倍数标准偏差为5倍标准偏差，宽度范围为0.4-1.2ms。

18、进一步，所述步骤(5)中，符合nps信号的典型特征的极大值点要求为：原始数据对应的数据a在减去迭代出的离子基线后，存在连续宽度大于等于0.4ms，小于等于1.2ms的连续正值点，同时在这些连续的正值点中，只存在一个极大值(即极大值点的数据高于该正值区间内任何其他点的数据值)，满足上述要求时，该信号被视为nps信号。

19、第二方面，本发明提供第一方面所述的数据处理方法在分析金纳米颗粒在植物体内摄取、积累和转化中的应用。

20、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述激光剥蚀电感耦合等离子体质谱的纳米粒子区分的数据处理方法。

21、第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述激光剥蚀电感耦合等离子体质谱的纳米粒子区分的数据处理方法。

22、本发明考虑到实际植物样品中存在nps局部集中位置，且可能与高浓度的金属离子同时存在，根据原始数据的特点，构建一套由原始数据极小值点之间线性插值的动态基线组成以分离每个nps的信号，进一步根据是否存在极大值来区分高浓度离子和nps信号的数据处理流程，最终实现在la-sp-icp-ms的原始信号中对纳米粒子区分的数据处理。

23、将其应用于分析植物对金纳米颗粒(aunps)的摄取和积累和植物以及体内由离子合成aunps的过程，该方法也可以扩展到动植物，细胞等生物样品中的nps吸收，运输过程和离子与nps的转化信息提供更全面，更深层次的结果，进而获取更广角度，更具实际意义的生命科学、环境科学和化学领域的见解。

24、本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

25、(1)本发明能够对la-sp-icp-ms中的原始数据中的几乎所有纳米粒子信息进行峰面积和个数统计，主要针对于存在nps局部集中位置或者高浓度的金属离子同时存在的实际样品；

26、(2)基于本发明提出的算法可以直接分析生物组织中nps的运输和积累，以及内部的金属离子还原并聚集为nps的过程。相比于其他方法，处理流程简便且易于理解，运行环境要求低。