使用自动样品更换机器人的高通量串行断层扫描

摘要

这里介绍并讨论了基于同步辐射的基于同步辐射的X射线断层扫描，利用Diamond光源（DLS）I13-2成像光束线自动样品更换机器人进行数据收集的实现细节和数据收集过程。这极大地提高了光束线的吞吐量和数据收集效率。

摘要

本手稿描述了一种利用机械臂进行样本交换的自动化数据采集工作流程，显著提升了数据收集效率。该装置用于钻石光源（DLS）I13-2成像光束线的同步辐射X射线成像，利用机器人实现高通量串行断层扫描（3D）或成像（2D）。目前，许多实验中，人工交换样品和对准所需的时间与断层扫描本身的时间相当，甚至超过。为了最大化可用束流时间的高效利用和提高实验通量，自动化样品交换和比对至关重要。使用机器人作为采样转换器，相比手工操作，吞吐量至少可提升4-10倍，具体取决于所选像素尺寸。随着Diamond II机和I13L光束线 Operando Coherent TO成像和 P型 I扫描（OCTOPI）升级，增加的X射线通量将进一步缩短实验扫描时间，使系统效率更高。此外，自动化支持远程数据收集，包括用户可选的邮寄服务。自动样品置中支持完全无人值守的扫描，且可远程完成。这代表了该系统的一个独特且创新的特点。该手稿描述了完整的流程，包括样品制备、安装在专用支架上、运输至束线，以及放置在专用托盘上进行机器人样品交换。介绍了自动样品中心化及后续层层重建流程的流程。

引言

自动化在重工业中已被广泛应用数十年。然而，机器人硬件和软件的开发已经足够成熟，能够处理非常精细的工作，如基因组测序、医院内的医疗手术，或协助运行化学实验（4,5,6,7）。自动化不仅消除了人为错误，还提升了吞吐量和效率⁴.

同步辐射X射线源能产生从红外到硬X射线的宽光谱范围内极为明亮且高度相干的电磁辐射。这些源使得高通量和高分辨率的成像实验能够实现极短的扫描时间和高统计数据。部分相干性可用于为弱吸收的软材料（如聚合物或^{组织样本）}获得更好的对比度，相较于实验室X射线源。完整的X射线断层扫描数据集——允许在真实三维中可视化物体——需要采集样品从不同角度的投影。源亮度、实验硬件和控制的进步使数据采集时间从数十秒到^几分钟不等。因此，样本装载和比对比断层扫描本身更耗时 ^11,12。需要注意的是，同步辐射断层扫描实验中手动更换样品可能需要相当长的时间（相比扫描时间），因为进出和关闭实验舱时必须遵循辐射安全程序。这个过程通常需要几分钟。此外，样品比对也可能花费几分钟时间。

如果将样品更换和样品比对过程自动化，将节省大量时间。因此，DLS同步加速器设施的I13-2成像光束线已安装了样品换取机器人。该手稿描述了在I13-2成像光束线^11,12使用样品更换机器人进行多样品同步辐射X射线微断层扫描实验的完整流程。这种实现不仅提高了实验时间的效率，还使实验能够远程进行。另一种选择是手动或半自动操作，这两种操作速度都明显较慢。这里的半自动化意味着仅使用机器人进行样品交换，无需进行样品比对。

自动化的重要性在其他同步辐射成像光束线的自动化项目中得到了强调，最相似的项目包括APS¹³的2BM光束线、SLS TOMCAT光束线¹⁴、PETRA III¹⁵上的EMBL P14光束线，以及卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）光源¹⁶的IMAGE光束线.在2-BM应用系统中，需要机器人扫描的样品安装在标准运动学支架上，放置在最大容量为60个样品的样品更换托盘中。然后用夹持臂挑取样品并将其安装在旋转台上。不过，样本对准是通过立体镜离线完成的。类似系统也安装在SLS的TOMCAT波束线中，但此处流程全自动化，可以执行样品载荷卸载、对准、扫描正确目标区域和重建。每次可扫描的样本总数为60个。最近，PETRA III¹⁵ 上的P14光束线安装了样品更换系统，可处理约1毫米大小的软生物样本。定位和居中通过三次点击置中程序完成。在KIT IMAGE波束线，设有高通量成像/断层扫描终端站，可在^两天内测量多达1500个标本。与上述机器人系统不同，I13-2成像光束线系统目前可处理直径达8毫米的样品，并在八小时班次内测量多达112个样本，无需人工干预，包括自动置中样品。

目前I13-2的断层扫描设备，即Diamond-Manchester Imaging的光束线，已在文献¹⁷中报道。为完整性起见，断层扫描实验的关键内容在此总结;请另请参阅 图1。断层扫描阶段的堆栈由一个六足（PI miCos）组成，用于样品操作和旋转轴倾斜对准。一个空气轴承旋转级安装在六足舱顶部。旋转级具有优异的摆动（<2.4微拉德）和轴向误差（<100纳米）运动。断层扫描探测器系统配备了四种不同的放大倍率（视场）。本次研究使用了1.25×（2.6微米有效像素尺寸，6.7毫米×5.6毫米视角）和4×（0.81微米有效像素尺寸，2.1毫米×1.8毫米视场）物镜。1.25×物镜配备500微米LuAg：Ce闪烁体，而4倍物镜则使用100微米LuAg：Ce闪烁体（Crytur）。sCMOS探测器（pco.edge 5.5）通过额外的2倍光目镜记录放大后的闪烁屏图像（所有显微光学元件均来自奥林巴斯）。有效像素范围为2.6微米至0.33微米，最高放大倍率分辨率约为1微米。探测芯片由2560 x 2160组成，像素尺寸为6.5微米，像素阵列的最大读出速率为100 Hz。

方案

注：本研究使用伦敦自然历史博物馆（NHM）的昆虫标本进行表型比较分析。自然历史博物馆按照标准采购程序收集标本，确保标本合法采集和捐赠。

1. 实验规划

1. 通过以下链接联系光束线工作人员，检查在I13-2光束线上对目标样品进行断层扫描或成像实验的可行性：https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Imaging-and-Microscopy/I13-2/Staff.html 。
2. 通过以下链接提交提案以获得执行计划实验的时间段：https://www.diamond.ac.uk/Users.html。
3. 提案被接受并安排实验后，请与光束线工作人员讨论样品制备和样品测量过程。使用机器人进行的实验有特定的要求，相关内容将在下一节（第2节）中提供。
4. 与光束线工作人员讨论样品尺寸和成分，以验证实验是否能在光束线上成功进行。
5. 请提前按照网站上的指示（https://www.diamond.ac.uk/Users.html）为实验性拜访做准备。
6. 在实验前完成安全培训。

2. 样品制备（用于机器人实验）

1. 准备SPINE-兼容样品基底¹⁸ 号以进行样品安装。将每个样本安装在带有数据矩阵条码的SPINE风格标准样本基座上，以实现自动样本跟踪。
2. 通过两种配置之一将样品连接到基底。针固定：将样品固定在SPINE式样品销上（见图1C， 内嵌）。容器或直接安装：将样品放入兼容容器内，如微型离心管/聚酰亚胺管，或直接放置在样品基底上。
3. 通过验证安装样品是否落在允许的尺寸包络内，以检查与机器人夹持器的尺寸兼容性，以确保机器人操作的安全（见 图2）：
   选项A：安装在直径8毫米×高度20毫米的圆柱体内。
   方案B：安装在直径3.5毫米×高度33毫米的圆柱体内。
4. 确保两种配置都以样本基为中心。确保总高度（样品+安装口+底座）不超过27毫米或40毫米，具体取决于所选配置。
5. 在将样品安装在SPINE样品销上时，确保样品位于销钉顶部，且没有任何部分被销轴遮挡。样品必须垂直且居中安装在销底座上，以防止与机器人夹持器接触。这对于协议2.3节描述的B方案安装以及安装在样品针脚顶部的细长样品尤为重要。
6. 安装在容器或管内时，应将样品牢牢固定在容器内，避免在运输或机器人搬运过程中移动。确保容器本身在样品底座上保持垂直对齐。
7. 将选定的安装元件（销钉或容器）牢固且垂直地固定在样品基座上，以确保整个实验过程中位置稳定。
8. 使用可靠的粘合剂或固定方法，防止运输和自动操作过程中脱落，因为这两种过程都可能带来机械应力。
   注意：常见的粘合剂包括氰基丙烯酸酯（超级胶）、石蜡和热熔胶。如果不确定材料兼容性，请咨询梁线工作人员。
9. 检查所有样品的位置都与容器顶部或样品销保持一致高度。对于装在容器内的样品，确保所有样品与容器壁的横向距离一致。
   注意：稳定的定位对于可靠的自动校准至关重要。相对于视场的样本越小，容差越大。
10. 记录每个样本相关的数据矩阵代码，以确保数据分析时样本的正确识别。
11. 生成一个samples.csv文件，将每个样本名称与其样本基数据矩阵代码关联，并传递运行断层扫描所需的参数。

3. 样品包装与配送

1. 最迟于实验会议前15个工作日，提交实验风险评估（ERA）并申报所有样本。该ERA必须获得DLS健康与安全（HSE）组织的批准，样本才允许运送或运送到现场。
2. 使用通用样本基座，配合样品针固定的组合存储和/或运输容器，也称为Uni-puck。如果邮寄，这一点非常重要。
3. 如果样品无法放入步骤3.2中提到的储存容器的样品槽内，请采用替代安装方式，例如使用适合样品底座的磁性保护盖，并直接将样品带入测量。

4. 实验装置

1. 调整X射线源参数以最大化样品中的对比度。为此，可以调整全光谱和/或滤光X光谱。
2. 根据X射线光谱和所需样品所需的相位差程度，优化相机到采样距离。
3. 根据样品大小和所需视野选择显微镜放大倍数，并选择相应的显微镜物镜。
4. 将相机水平位置（实验室中的X轴）与X射线束对准。

5. 样品加载与比对

1. 每次实验开始时，请仔细检查样品和样品装载情况，寻找任何样品损坏或安装松动。告知用户任何此类样本。
   注：目前，光束线配备了最多7个冰球的安装座，每个冰球最多可容纳16个样本。单次机器人运行中可测量112个样本。请参阅 补充图2，展示了如何识别冰球槽（针）位置。
2. 将采样安装在samples.csv文件中标注的相应的圆片和圆片槽（引脚）上。对少数样品进行机器人样品交换程序的预演，以测试机器人的工作原理，并确保样品符合所需规格。
3. 使用带有样品针脚（无样品）的样品基座，将旋转级的旋转轴与探测器中心水平方向对齐。
4. 将针脚顶部移至X射线相机中心（见图3A）。将望远镜相机（TC）对准，该相机与光束呈90°角，如图3所示，位于视场中心（FOV）。确定该位置在TC像素坐标中的坐标。
5. 更新处理样本比对的脚本中的样本目标位置。
6. 安装一个具有代表性的样本。运行自动样品对准脚本，将样品置于TC旋转中心。脚本链接见 补充文件1。
7. 检查样品感兴趣区域（ROI）是否位于X射线相机的视场（FOV）中心。
8. 如果ROI不在视野中心，重复步骤5.5到5.7，并通过调整目标位置坐标来细化样本对齐。
   注意：第4和第5节由当地联络人执行，第4.2节除外。

6. 数据采集设置

1. 请检查DLS文件系统中所需的文件/文件夹结构是否已创建，用于存储原始数据、元数据文件和分析结果。
2. 把samples.csv文件复制到步骤6.1提到的文件夹里。
3. 根据样品结构和期望对比度，更新相机曝光时间和samples.csv中拍摄的投影数。
4. 定义两组马达位置，称为加载位置（LP）和扫描位置（SP）。LP是用于样品加载优化的阶段，SP用于样品断层扫描。
   注意：第6节由本地联系人执行，或由DLS系统自动创建。

7. 进行数据收集

1. 按照samples.csv文件中的指示，将所有样品安装在正确的圆盘和针脚位置。
2. 数据收集方面，使用由DLS（https://alfred.diamond.ac.uk/documentation/manuals/GDA_User_Guide/master/introduction.html）开发的开源软件通用数据采集（GDA）工作台。它是一个基于Java的系统，用于DLS控制实验和收集数据。补充 图1中提供了截图。
3. 在GDA中使用名为tomomatic的对象进行自动样品更换、样品比对和断层扫描测量。
4. 发送命令 tomomatic.load （/dls/i13/data/year/...samples.csv）在GDA终端加载文件。然后发放断层扫描仪。scan （） 用于执行命令。
5. 机器人首先从装载盘上取出样本，带到激光条码读取器。条码读取后，将样品移至断层扫描阶段并安装。确保整个流程顺利进行。
   注：这里使用的是配备自家开发的屈曲夹持器的Yaskawa机器人。
6. 样品装载完成后，各级会移动到SP位置。然后，在断层脚本中执行自动中心针（autoCentrePin）功能，将样本置入旋转中心（COR）。使用机器人样品更换器的X射线断层扫描现已准备就绪。
   注意：请查看 补充文件1 中的伪编码。
7. 执行 TomoFlyscan 功能进行断层扫描测量。该函数首先收集40张没有X射线束的投影图像，称为暗图像（DI），以及40张带有X射线束但无采样的图像，称为平场图像（FI）。这些图像将在数据重建时用于图像归一化。
8. 在样品旋转角度间隔内收集带有样品的投影图像（PI），如samples.csv文件所示。就本案而言，它包含3001张PI图像。
   注意：从7.5到7.8的所有步骤都是依次进行，没有人工干预。

8. 数据访问与分析

1. 通过浏览相应的文件系统和文件夹访问已保存的数据。前一节提到的扫描数据被保存在两个不同的文件中，一个是*.nxs，另一个是*.hdf文件，*是数字，例如：123456.nxs和123456.hdf。NXS包含扫描的元数据，而HDF则包含所有投影图像数据（来自NXS的链接数据）。
2. 使用 Savu 重建流程¹⁹ 来生成投影图像的二维切片。
3. 使用3D渲染软件（如AVIZO/ImageJ）访问并可视化重建后的图像。
   注意：完成第7和8节需要用户和本地联系人协调行动，各自执行各自的子步骤。

结果

图1 展示了安装在Diamond I13-2成像光束线上的Yaskawa GP7采样器机器人。 图1A 展示了机器人（1）和自设计的屈曲夹持器（2）。该夹持器可固定直径为8毫米的样品≤图 1B。图1B 展示了用于获取断层扫描数据的机器人（1）和光学/X射线摄像系统（4）和（6）。机器人夹持器从样品托盘（3）中取样，该托盘可容纳7个单一盘，每个盘上有16个样本，如 图1C所示。样品安装在铝制圆棒上（5），断层扫描数据采集则使用探测器系统（6）进行。（5）和（6）的详细信息载于引言部分的最后一段。 图1B 中的红色断线表示X射线束方向。

样品安装方案和弯曲夹持器设计的细节见 图2。 图2A 展示了一个通过3D打印制成的圆柱形塑料样品，粘贴在样品基座上。样品边界代表最大样品高度和直径的包覆层。红色箭头表示弯曲夹持基座的位置，用于将样品从托盘移至断层扫描阶段，反之亦然。弯曲夹持器的三维设计见 图2B。夹持器的指状结构由气动控制的驱动管驱动（见图1B，第2项）。夹持器中央空间直径为8.9毫米，如 图2C所示，最大样本量为8毫米，余距约为1毫米。 图2D 展示了断层扫描阶段顶部的图像。铝制圆棒安装在两个正交阶段顶部，并安装一个磁盘，磁盘直径精确，使样品底部的凹槽能够安装。由于该盘具有磁性，它在断层扫描测量过程中牢牢固定已安装的样品基座。

在这一代表性实验中，选取了伦敦自然历史博物馆（NHM）提供的64个昆虫样本。标本被选中以代表多种节肢动物表型，同时符合夹持器的尺寸限制。节肢动物，尤其是昆虫，是已知物种多样性的绝大多数，超过100万个命名物种，因此在对表型进行比较研究时，它们的样本尤其具有挑战性。因此，本次样本通过采样三种节肢动物分类群：蛛形纲、内蛻目和昆虫纲，以及更细细的昆虫样本，捕捉七个目（包括现存物种最丰富的四个目）的变异，展示了该方法的潜力。标本被粘贴在卡片上。卡片随后被安装在样品销上。避免直接将样品（昆虫）固定在样品销上，因为吸收率低的梁结构会导致条纹伪影，且难以牢固安装在样品销上。 表1显示了用户需填写断层扫描所需参数（A、B、C、E、F、G、H、K）的模板samples.csv文件。表格中提供了每列的描述。input_file中的D、I、J和L列在光束线处对位和断层扫描参数优化后填充。所有64个样品最初都用1.25倍物镜（视场角6.7毫米×5.6毫米）在优化的X射线传播距离（样品到探测器之间）测量，随后用4倍物镜使用自身优化参数测量相同样品。样品装入样品托盘并固定好实验箱后，扫描即开始使用地球平面识别（GDA）。

样本的自动对齐由用 Python 编写的脚本完成（文件在 GitHub 上的位置：https://gist.github.com/ndg63276/9b3c5cfe7db26b14930dff3ef889e2bc）。 起初，样品比对是通过一个样本基底和一个没有样品的针脚组合来实现的。 图3 展示了样品针，由侧面望远镜相机（相机位于X射线束90°处—— 图1B，第4项）所看到，该针被用作标准对准样品。望远镜相机图像被二元化，以便从背景中检测到样品。样品边缘被确定并标记为白色边界，如 图3所示。样品的参考坐标位置是 图3A内嵌中标记为白色圆圈的针头顶部。通过观察X射线图像，样品的ROI被定位在COR，侧面摄像头确定所需的目标坐标位置，以蓝色双头箭头交叉红点（图3B）标记。这种目标位置设置不仅允许样品放置在COR，还能在需要时将样品高出/降低或稍偏离中心几毫米。样品装入断层扫描阶段后，执行自动定中功能。脚本首先将样品移动到目标位置（见图3B），并转至0°。接着，将样品移动至90°（见图3C），并确定需要移动多少样品才能使样品进入旋转中心（COR）。这通常需要15到20秒。样品现已在COR（图2D）上，且COR已与相机中心对齐。系统现已准备好进行断层扫描采集。

在这项NHM昆虫研究中，进行了128次断层扫描，且未进行人工干预。测量总共耗时17小时。每次扫描大约8分钟。如果没有机器人，这样的实验每次断层扫描大约需要20到25分钟。这意味着在当前情况下，机器人断层扫描的速度是手动扫描的3-4倍。 表2 展示了机器人批量扫描结束时生成的典型日志文件，包括将每个扫描编号与对应样本关联所需的参数。更多细节见 表2 图例。

图4展示了其中一个样本的归一化投影图像，该昆虫（昆虫纲，鞘翅目目），在上述断层扫描实验中以1.25倍和4倍放大率拍摄。上排图4A-C展示了用1.25倍成像的样品，然后用4倍成像了同一样品，即图4D-F。图4 A–F显示了在0°、90°和180°处拍摄的投影图像。黄色矩形显示了用4倍物镜拍摄的放大投影图像的视野。需要注意的是，一旦样品装入图1C所示的托盘，所有工艺均未进行人工干预。请注意，这两次扫描相隔约8.5小时。这表明该装置的稳定性和可重复性。

图5 展示了图 4中提到样品断层重建切片组的水平或横向切片。1.25x（图5A） 和4x（图5B）切片均未裁剪图像绘制，像素大小为2510 x 2510。切片在视场内位置良好，表明无需物理干预即可放大更高倍率区域。

本研究结果表明，在同步辐射微断层扫描实验中实施机器人系统进行样本交换具有多项显著优势。这些改进包括更高的通量、提升的操作效率，以及无需人工干预即可进行多倍放大扫描（放大）的能力。考虑到需要扫描的样本数量，如这里展示的NHM研究，通过人工扫描无法获得统计上稳健且一致的结论。

图1：机器人及安装在I13-2光束线上的断层扫描实验装置图片。（A）配备自制弯曲夹持器的机器人（1）2。（B）样本装载托盘（3）和断层扫描阶段（5）。光学相机（望远镜相机），标注为（4），用于将样品对准到COR。用于测量的探测器系统（6）包含多个电动物镜，可自动改变视场，以及一个pco.edge 5.5探测器。红色虚线箭头代表X射线束方向。（C） 样品装载托盘的图片，配有7个圆盘，每个圆盘可装载最多16个样品，安装在样品底座和样品销的组合上。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：样品安装方案及弯曲夹具设计的详细信息。 （A） 3D打印塑料样品安装在样品底座上的图片，代表弯曲夹具可承受的最大样品包层。红色箭头表示夹持器握住样品底座的位置。（B）弯曲夹具的三维设计。夹持器的手指被驱动以握住或释放样品基座。（C） 夹持器的垂直截面图及尺寸图。中心最大开口为8.9毫米;因此，最大允许样本量为≤8毫米。（D） 断层扫描阶段顶部的图片。一个铝制圆棒（蓝色箭头表示）安装在两个正交阶段的顶部。一个磁盘固定在木销顶部，夹持器将样品基座（含样品）定位于其上。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3：使用侧面望远镜相机拍摄的COR校准过程视频图快照。（A）校准针脚在对准程序开始前的图片。蓝色双头十字带中央红点为目标位置，与断层扫描旋转阶段的COR重合。插图显示了引脚顶部的放大图像，显示了检测到的采样中心，包括高度和宽度。（B） 销钉以0°对准目标位置。（C） 销子旋转到90°，位置偏离目标。（D） 销钉以90°对准目标位置。此时销钉在两个正交方向上对齐;因此，样品会在相机中心旋转。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：以1.25倍和4倍物镜采集的昆虫归一化投影图像。该昆虫属于鞘翅目昆虫纲。这代表了128次断层扫描中的两次。昆虫被粘在纸上并固定在样品销上。1.25倍物镜投影图像分别为（A）0°、（B）90°、（C）180°，以及4倍（D）0°、（E）90°和（F）180°的投影图像。一组1.25倍和4倍的断层扫描在一次会谈中采集，且无人工干预。一组1.25倍的图像可以完整展示样品，4倍的一组图像则显示了变焦能力。请点击此处查看该图的放大版本。

图5。使用两个不同视野获得的相同断层切片的比较。图4中投影图像的断层扫描重建切片，分别为（A）1.25倍和 （B） 4倍放大。 请点击此处查看该图的放大版本。

表1： 用户提供的典型samples.csv文件，包含层析参数。该文件由用于数据采集的拓扑 Python 脚本读取。用户填写列A（样本描述）、B（节点ID）、C（节点槽位）、E（断层扫描旋转步数）、F（FI数）、G（DI数）、H（待用放大倍数）和K（槽位优先级）。在对准和初步优化后，填写了D列（曝光时间）、I列（样品与相机之间的X射线传播距离）、J列（相机移动以将COR置于相机中心）和L列（样品基座条码）。 请点击此处下载此表格。

表2：所有样本扫描后保存为Output_file.txt的典型输出日志文件。 该文件报告所有输入参数，此外还提供扫描样品条码（列M）、扫描元数据和图像文件的路径（列N），以及用于采集FI的电机位置（列O）。基本上，这个输出文件为数据重建和分析提供了必要的信息。由于输入文件的A列没有输入，该列填充当前扫描计数，以及节点号和引脚号。 请点击此处下载此表格。

补充文件1：描述用于操作机器人作为样本转换器的脚本的伪代码。 文件概述了自动样品装载、数据矩阵代码读取、自动样本对准及断层扫描执行的程序。 请点击此处下载该文件。

补充图1：通用数据采集图形界面的截图。 该接口允许调整基本相机参数、实时可视化样品，并启动断层扫描采集。扫描可以通过屏幕按钮（仅手动扫描）或通过命令行界面开始，后者由截图底部中央的黄色矩形指示。请点击这里下载此文件。

补充图2：SPINE标准圆球（左）和圆球帽（右）的照片。 样品底座安装的针位（红色标示）从中央固定柱缺口对面的位置开始编号。数字7267（白色标记）是冰球识别号。圆盘盖可以安装在圆饼上，以保护运输或储存过程中的样品。安装盖子前请确保样本大小兼容。请点击这里下载此文件。

讨论

样品制备和样品对准是自动样品更换机器人正确有效工作的两个关键步骤。样本大小和安装要求详见第2节（协议）。基本上，样品直径需要不超过8毫米，并且必须在样品基底¹²上保持良好中心。该约束由夹持器尺寸决定。此外，单次测量中的所有样品必须处于相同高度，以确保样品在旋转中心的位置在所有样品中保持一致。如果机器人已经为实验对准，那么用样品转换器机器人进行另一个实验是完全自动化的，除了设置样品的兴趣区域外。这一点在代表性结果部分（图3）中有解释。此外，需要注意的是，这也是由光束线杆（本地接触）进行的对准过程的一部分。一旦设定好，所有样本测量均在无人工干预的情况下进行。从用户角度看，测量完全自动化。迄今为止，仅使用分子维度有限公司的样品碱基和样品针脚;然而，也有其他供应商，如MiTeGen和Hampton Research，生产SPINE风格的样本基座和样本引脚。

目前正在开发和测试中，有更大的样品夹具设计用于容纳直径可达12毫米的样品。这将使机器人能够处理较大的样品，比如放置在微离心管内并安装在样品底座上的样品。改进的夹持器设计可以采用从侧面接近样品的机制，从而消除当前对样品大小的限制。此外，升级光束线将使通量提升一个数量级，使每天扫描超过3000个样品成为可能。这将使得在10天内收集约3万个样本的统计学显著数据集成为可能。不久的将来，我们将实施一条新的断层重建流程，名为HTTomo。

需要注意的是，诸如光束传播距离（样品到探测器的距离）、曝光时间、投影次数等参数，都需要事先优化，就像其他同步辐射X射线断层扫描实验一样。另一个限制是实验中涉及的阶段，如六轴样品操作、断层扫描阶段和摄像机操作阶段，必须处于样品装卸时的固定位置。这意味着在样品装卸过程中，各级需要来回移动。

总之，高通量断层扫描可以通过样品更换机器人完成，使过程至少快4-10倍，并减少或消除死时间，相较于手动操作。机器人的实验自动化也使我们能够更高效地部署人员，因为执行测量所需的人手更少。测量统计显著的数据集对于许多科学领域来说非常重要，因为需要可靠且充足的数据量来应对科学案例。使用机器人能极大地帮助完成这些任务。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
空气轴旋转台	Aerotech, Inc.	https://www.aerotech.com/wp-content/ uploads/2021/01/abrt-data-sheet.pdf	断层扫描旋转台
AVIZO	ThermoFisher scientific		商业数据可视化和分析软件
Cryocap -MiTeGen	MiTeGen LLC	https://www.mitegen.com/product/ reusable-goniometer-base-styles/	替代CryoCap供应商
CryoCap-Hampton research	Hampton research	https://hamptonresearch.com/ product-CrystalCap-SPINE-HT-445.html	替代CryoCap供应商
Cryocaps( MD7-401)和Cryopins(MD7-410)	Calibre Scientific	https://www.moleculardimensions.com/ products/magnetic-cryovials-and-cryocaps	用于样品安装
探测器光学	Olympus/Evident Scientific	https://evidentscientific.com/en/objective-finder? creative=651972731238&keyword =olympus+objectives&matchtype= e&network=g&device=c&campaign id=19865307548&adgroupid=144 087466781&gad_source=1&gad_ campaignid=19865307548&gbraid =0AAAAADMIOOmWDa2WC5VP2 Ngxlqao8dyWe&gclid=Cj0KCQiAhtv MBhDBARIsAL26pjFYUqjLVZ1Miz p2W7eGzD2SEPNTjxiA87Dry6un 1Fx6GplHQjuBR94aAs1xEALw_wcB	物镜和光学目镜
GDA	Diamond Light Source Ltd.	https://www.diamond.ac.uk/Users/Experiment -at-Diamond/IT-User-Guide/Software/Data-Acq/GDA.html	通用数据采集软件
六足机器人	PI miCos GmbH	https://www.physikinstrumente.co.uk/en/pro ducts/6-axis-hexapods-parallel-positioners	用于断层扫描对齐和样品操作的6轴舞台
ImageJ	在美国国家卫生研究院，威斯康星大学开发	https://imagej.net/ij/	开源图像处理和可视化软件
pco.edge 5.5 sCMOS 相机	PCO (PCO AG / Excelitas Technologies)	https://www.excelitas.com/product-category/ pcoedge-cooled-scmos-cameras	用于断层扫描成像的X射线相机
SAVU	Diamond Light Source Ltd.	https://www.diamond.ac.uk/Home.html ;jsessionid=8977FA8A10694BFA2AA DFD5D0D23B320	断层扫描重建管道
闪烁计数器	CRYTUR, spol. S r.o	https://www.crytur.com/materials/luag-ce/	闪烁光学
Universal V1-puck( Uni-puck)	Calibre Scientific	https://www.moleculardimensions. com/products/uni-pucks-and-accessories	样品安装在Uni-puck上以便机器人拾取