CN107014892B - 一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统，属于激光技术领域，包括用于产生基频光的染料激光器，真空紫外激光获取单元，透射式分光聚焦单元，样品扫描装置及信号数据采集和处理单元；由三台染料激光器产生的三束基频光通过真空紫外激光单元产生120‑150nm的真空紫外激光，该真空紫外激光通过透射式分光聚焦单元后聚焦到待测样品上；通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元获取待测样品的质谱信号，实现质谱成像。本发明利用波长短于150nm的真空紫外激光轰击样品，进行该样品的质谱成像，可实现样品如生物组织、单细胞等成分的高灵敏度的质谱成像分析。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于真空紫外激光(VUV，波长范围120-150nm)的微米级空间分辨质谱成像系统。
背景技术
质谱成像在材料学、药学、生物学具有广泛应用，它能同时提供分子的空间和成分信息。特别是在对生物组织、细胞的分析研究中能提供非常详细的化学成分结构信息，具有重大意义。
现阶段用于研究数十微米尺寸样品的质谱成像装置包括，用于产生溅射离子的离子枪或激光束、样品扫描装置及信号数据采集和处理单元。其中，样品扫描装置及信号数据采集和处理单元包括位移台、承载样品的非绝缘基底片、样品离子引出电极组及离子探测器、示波器、工作站。由于将离子源或激光束聚焦到微米光斑等级所需焦距很短(一般小于30mm)，从而使得离子引出电极组与样品之间的距离受到限制，因此引出离子的电极一般设计为锥形电极，但这导致一部分产生的样品离子无法达到离子探测器，降低了离子探测器的灵敏度。
常见的质谱成像装置为二次离子质谱(简称SIMS)仪，其工作原理为：用依次通过离子枪和二次离子能量过滤器后获得的高能量团簇离子源轰击样品，通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元采集样品的二次离子并得到高空间分辨的质谱成像。文献报导其空间分辨率可达100nm左右，但是其质谱的碎片很多，基本上只能得到质量数为500以内的小分子的质谱成像，很难实现大质量分子(如磷脂、肽段)的成像信息。
近些年来，真空紫外激光(VUV，波长范围120-150nm)的质谱溅射作用受到人们越来越多的关注，这是由于真空紫外激光相对于高能量团簇离子源来说是一个软电离源。真空紫外激光的单光子能量较高，接近10电子伏特，能电离大部分的单个生物分子，而且极易被生物样品吸收。因此，利用真空紫外激光溅射电离质谱可以对各类有机小分子甚至生物大分子进行高灵敏度检测。另外，该激光波长比可见光、紫外光短，理论上真空紫外激光可聚焦至直径为100nm的光斑，可实现亚微米的空间分辨，为研究生物样品提供了一个新的工具，特别是对临床组织的微米级别质谱成像，亚微米级的生物细胞成像，纳米材料的微观结构分析等具有深远的意义。但若是要实现亚微米聚焦效果，真空紫外激光单脉冲能量需高达几十微焦耳。
目前主要有三种方式获得上述较高强度的真空紫外光：同步辐射光源、自由电子激光器、四波混频技术。前两者装置的成本昂贵，体积庞大而复杂，使用不便；而通过四波混频产生真空紫外激光，相对比较容易实现。
基于四波混频产生真空紫外激光技术兴起于二十世纪七十年代，一般四波混频选择的介质主要有Kr气、Xe气、Ar气等惰性气体，但产生的真空紫外激光效率低，接近百万分之一。此外，还可采用汞蒸气作为四波混频介质，其产生的混频效率高达1％。现阶段，实现汞蒸气四波混频分为聚焦或非聚焦的方法。前者需要一束或两束激光聚焦在混频池，通过双光子共振技术实现四波混频，其中一束激光波长固定，改变另一束激光波长产生可调谐的真空紫外激光。由于双光子共振很容易饱和，此方法难以产生高强度的真空紫外激光；而后者采用三束准直激光，其中两束激光波长固定在共振能级，另外一束激光波长实现调谐，饱和效应较小，可获得单脉冲能量几十微焦耳的真空紫外激光光源。
已有的一种汞蒸气池设计方案来自R.Wallenstein课题组(Hilbig,R.andR.Wallenstein.IEEE Journal of Quantum Electronics 19(12):1759-1770.)，他们设计的汞蒸气池适合用聚焦的方法实现四波混频，其主要含有加热管，与加热管两端连接的侧管。其中加热管和侧管之间通过一个小孔连通，侧管外面缠绕冷却水管，可以有效地实现汞蒸气的冷凝回流。但是该加热管长度较短(20mm)，导致四波混频作用长度较短，且汞蒸气池处于一个封闭状态，很难获取稳定的高强度真空紫外激光。
而对于三束准直激光，目前只有两个课题组课报道了利用三束准直激光通过汞蒸气池产生高强度真空紫外激光。一个是A Smith等人的课题组(Muller,C.,et al.OpticsLetters 13(8):651,1988)：他们设计的汞蒸气池长为1.1m，其池体、两端窗口片、真空计等都在一个恒温炉中，该装置体积庞大、汞蒸气池处于封闭状态，因此其使用很不方便。另外一个是Davis等人的课题组(Albert,D.R.,et al.Review of Scientific Instruments 84(6):063104,2013)：他们采用的汞蒸气池四波混频作用长度为600mm，其混频管为一个向下弯曲的不锈钢管，管中央缠裹加热带，通过调节加热带上的电压来加热混频管，无温度控制功能，很难保证恒温效果；通过两端环绕通冷却水的铜管实现冷却，但冷凝效果较差。这两个课题组设计的汞蒸气池在操作过程中，均不能得知汞蒸气在不同位置的真空度。
由于四波混频技术基于非线性光学原理，将输入光(即基频光，包括紫外光、可见光)中的一部分在混频介质中转换为VUV光后，剩下的基频光会与VUV光共同输出。VUV波长较基频光短，单光子能量较基频光高，但由此产生的VUV光强度只有基频光的百分之一或更小。由于输出光中还混有高强度的基频光，若不将VUV光与该高强度的基频光分离，将会损伤被测样本，或掩盖VUV光的效果。因此，需要将VUV光和基频光分离。
将VUV光和基频光分离一般使用两个独立光学系统分别进行分光和聚焦。分光的常规技术是先使用棱镜或光栅将输出光中的VUV光和基频光进行分开。这种方法利用了棱镜或光栅对不同波长的光有不同的折射或衍射角度的性质，但出射的VUV光路改变了方向，大大增加了实验装置的难度和稳定使用。
文献报道的棱镜分光系统之一(D.Riedel，Appl.Phys.A 69,375–380,1999)分光后再通过单透镜实现聚焦。输出光通过棱镜后传播方向发生改变。不同波长的光线偏移角度不同，从而实现分光。可见光路不在一条轴线上，使用起来会非常不便。
目前用于VUV光的聚焦系统可采用反射聚焦方式。反射式聚焦镜具有无色差的优点；但成本高，体积大，反射镀膜损伤阈值低。另外，表面光解化学反应会在光学表面生成污染层，反射率会随工作时间降低，造成VUV光强的损失；且反射镀膜清洗困难。特别是用于高强度VUV光时，反射式聚焦系统存在的上述问题会更加突出。目前还未见用于高强度真空紫外激光的透射式分光聚焦系统。
综上所述，目前利用波长短于150nm的真空紫外激光进行生物样品的质谱成像还未有文献报道，主要是因为产生出来的波长短于150nm的真空紫外激光能量太弱，真空紫外激光需要在真空传播，光学材料的透过率比较低使得光斑聚小较难，而激光溅射需要很高的能量密度才能产生离子，进一步得到质谱信号。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统。本发明的质谱成像系统结构简单、成本较低，可产生高强度、稳定性好的真空紫外激光，可用少至三片透镜达到同时分光和亚微米近衍射极限聚焦的目的，可以实现更高灵敏度的小质量的生物样品检测，如临床生物组织成分质谱成像分析，单细胞成分质谱成像分析等。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统，包括含有三维位移台、离子探测器、示波器、工作站的样品扫描装置及信号数据采集和处理单元，其特征在于，该质谱成像系统还包括用于产生基频光的染料激光器，真空紫外激光获取单元，透射式分光聚焦单元；其中，由三台染料激光器产生的三束基频光通过真空紫外激光获取单元产生120-150nm的真空紫外激光，该真空紫外激光通过透射式分光聚焦单元后聚焦到待测样品上；通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元获取待测样品的质谱信号，实现质谱成像。
所述真空紫外激光获取单元为一个具有管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池，该汞蒸气池包括：包裹在等直径混频管外侧的管式恒温炉，真空获取装置，在混频管两端均设有的冷却套管、气体保护管；其特征在于，所述管式恒温炉由电阻丝、陶瓷及绝热层组成，该管式恒温炉内腔侧壁的尺寸与混频管侧壁尺寸相匹配；所述混频管每端的冷却套管均由锥形内管和圆柱形外套管构成，锥形内管的大口端与混频管一端连通，锥形内管与圆柱形外套管之间填充有循环冷却水，圆柱形外套管的侧壁上分别设有冷却水进、出管；所述混频管两端的两个气体保护管一端均分别与该端的锥形内管小口端连通，一个气体保护管的另一端安装平面窗口片或透镜，该平面窗口片或透镜的材质为氟化镁或氟化锂，另一个气体保护管的另一端安装平面石英窗口片；两个气体保护管侧壁上均分别设有进气管和出气管，其中进气管上设有控制保护气体流量的针阀，出气管与真空获取装置相连。
所述管式恒温炉还包含两个分别用于检测混频管中心和端部温度的热偶测温计，该管式恒温炉的测量误差为1摄氏度。
所述汞蒸气池还包括两个电容薄膜规，其中一个位于混频管中部，另一个紧靠所述平面石英窗口片设置。
所述汞蒸气池还包括设置在所述出气管与真空获取装置之间的汞蒸气回收装置，该汞蒸气回收装置为一个圆柱体不锈钢桶，桶内塞满铜网，经出气管导出的热汞蒸气由该铜网吸收或者冷凝。
所述透射式分光聚焦单元的一种实现方式为：包括三块凸透镜和一个光阑，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，第三凸透镜位于光阑另一侧；
令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L1、L2、L3，令第一、第二、第三凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f1、f2、f3，则各元件的参数满足以下公式：
1.5×(f1+f2)＞L1＞f1+f2 (1)
L1＞2f1 (2)
f2≥f1 (3)
L3＞f3 (5-1)
所述第三凸透镜的工作距离WD按照公式(6)计算：
所述透射式分光聚焦单元的另一种实现方式为：包括四块凸透镜和一个光阑，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，第三凸透镜、第四凸透镜前后排列于光阑另一侧；
令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L1、L2、L3，令第一、第二、第三及第四凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f1、f2、f3、f4，则各元件的参数满足以下公式：
1.5×(f1+f2)＞L1＞f1+f2 (1)
L1＞2f1 (2)
f2≥f1 (3)
L3＝f3 (5-2)；
所述第四凸透镜设置在第三透镜后方任意处，第四凸透镜的工作距离等于该凸透镜的焦距f4。
所述样品扫描装置及信号数据采集和处理单元还包括用于承载待测样品的绝缘基底片以及多片平行的电极片；所述绝缘基底片与所述三维位移台固定连接后设置在两块电极片之间。
本发明的特点及有益效果：
1、整套汞蒸气池采用不锈钢制成，易于加工，生产成本较低。
2、整套汞蒸气池与现有汞蒸气池相比，引入管式恒温炉对混频管加热，使汞蒸气分布更均匀，对汞蒸气池中的气压多点监测，采用两端内冷式水冷方法使得汞蒸气更好的冷凝，从而获得高强度的真空紫外光输出。另外，通过对汞蒸气的回收避免了环境污染。
3、通过该汞蒸气池产生的高强度真空紫外光，可实现真空紫外激光溅射实验，对材料、生物样品、特别是微小尺度样品(如单细胞)的质谱信号进行检测，为高空间分辨质谱成像提供了工具。同时可用于光谱检测等科研或民用领域以及推广到环境监测、军事科学、天文观测、生物医学等领域。
4、真空紫外激光的透射式分光聚焦系统结构简单，成本低，体积小，光路同轴，光学表面损伤阈值高，污染清洗方便。该系统采用氟化镁和氟化锂等制成用于VUV光波段的光学元件，用最少三块球面或非球面凸透镜对四波混频产生的VUV光源进行分光和聚焦。对基频光的分光率达到99.99％以上，VUV光(125nm-150nm)的总透过率可达到10％以上。在聚焦时，配合非球面透镜抵消球差，使本系统达到衍射极限，从而实现亚微米衍射极限光斑聚焦。
5、本发明能更好的应用于绝缘材料样品基底的分析，如玻璃，石英，氟化镁材料等基底。平行电极片引出离子方式，更好地探测离子信号，提高了离子探测效率、质谱分辨率和质谱空间分辨率。
6、由于VUV光源极易被样品吸收的性质，可以获得较大质量的分子(500-2000Da)的质谱成像，同时VUV光源可以聚焦到几百纳米的光斑大小，从而使得样品的微米、亚微米的空间质谱成像成为可能，特别是在生物组织，单细胞中的有机小分子，如胆固醇，脂类，肽段等研究具有重要的潜力。
附图说明
图1是本发明提供的质谱成像装置的整体结构示意图；
图2是本发明质谱成像装置所采用的另一种透射式分光聚焦系统的光路结构示意图；
图3是本发明实施例采用三束激光四波混频实现高强度真空紫外激光输出的强度与时间关系图；
图4是本发明实例的样品扫描对应的SEM图；
图5是本发明实例的样品质谱及其质谱成像图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明提出的一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像装置作进一步详细说明。
本发明提出的一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像装置的整体结构如图1所示，包括用于产生基频光的染料激光器(图1中未示意)，真空紫外激光获取单元1，透射式分光聚焦单元2，样品扫描装置及信号数据采集和处理单元3；由常规的三台染料激光器产生的三束基频光通过高强度真空紫外激光获取单元1产生120-150nm的真空紫外激光，该真空紫外激光通过透射式分光聚焦单元2后聚焦到待测样品上；通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元3获取待测样品的质谱信号，实现质谱成像。
所述真空紫外激光获取单元1为一个具有管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池，结构如图1所示，包括：包裹在等直径混频管1-1外侧的管式恒温炉1-2，真空获取装置，在混频管1-1两端均设有冷却套管1-3、气体保护管1-4；其中，管式恒温炉1-2由电阻丝、陶瓷及绝热层组成，可以上下开启，该管式恒温炉中空，内腔侧壁的尺寸与混频管1-1侧壁尺寸相匹配；所述混频管1-1每端的冷却套管1-3均由锥形内管1-3-1和圆柱形外套管1-3-2构成，锥形内管1-3-1的大口端与混频管1-1一端连通，锥形内管1-3-1与圆柱形外套管1-3-2之间填充有循环冷却水，圆柱形外套管1-3-2的侧壁上分别设有冷却水进管1-3-3和冷却水出管1-3-4；所述混频管1两端的两个气体保护管1-4一端均分别与该端的锥形内管1-3-1小口端连通，一个气体保护管1-4的另一端安装平面窗口片或透镜1-6，该平面窗口片或透镜1-6的材质为氟化镁或氟化锂，另一个气体保护管1-4的另一端安装平面石英窗口片1-5；两个气体保护管1-4侧壁上均分别设有进气管1-4-1和出气管1-4-2，进气管1-4-1上设有控制保护气体流量的针阀1-11，出气管1-4-2与真空获取装置相连。
为了实现恒温控制，所述管式恒温炉还包含两个热偶测温计，分别用于检测混频管1-1中心和端部的温度，通过电路控制保证混频管1-1中心和两端温度相同。该管式恒温炉的测量误差为1摄氏度，恒温范围为0-1000摄氏度，有效长度为300-600mm。
所述混频管1-1每端的冷却套管1-3有效外径均为30-60mm，有效长度均为100-300mm。在冷却套管1-3的圆柱形外套管1-3-2上下侧壁各焊接冷却进水管1-3-3和冷却出水管1-3-4，有效外径为4-8mm，通过冷却水进、出管在冷却套管1-3的锥形内管和圆柱形外套管之间通入16-24摄氏度的循环冷却水，汞蒸气在接触锥形内管冷却成液体后，由于重力作用而重新回落到混频管1-1中。
所述混频管1-1每端的气体保护管1-4均采用不锈钢管制成，有效外径为30-60mm，有效长度为100-200mm。保护气体(Ar气或者He气)均从靠近窗口片的进气管1-4-1导入，从靠近锥形内管小口端设置的出气管1-4-2导出。通过导入Ar气或者He气不仅可以实现四波混频要求的相位匹配条件，而且可以防止汞蒸气在汞蒸气池两端的镜片上冷凝而污染镜片，造成真空紫外激光通过率降低的情况。
所述真空获取装置由电磁阀1-8和涡旋干泵1-9构成，涡旋干泵1-9通过电磁阀1-8与出气管1-4-2连通。通过电磁阀1-8的开关控制出气管1-4-2与涡旋干泵1-9的连通；通过控制针阀1-11调节氦气或氩气的流速，以控制汞蒸气池的真空度。
本发明汞蒸气池还设有两个用于测量气压的电容薄膜规1-10，其中一个位于混频管1-1中部，另一个紧靠平面石英窗口片1-5设置，用于实时监测汞蒸气池中部及端部的真空度。
此外，本发明的汞蒸气池在出气管1-4-2与真空获取装置之间还可设有汞蒸气回收装置1-7，该汞蒸气回收装置为一个圆柱体不锈钢桶，桶内塞满铜网，经出气管1-4-2导出的热汞蒸气被该铜网吸收或者冷凝，防止汞蒸气污染环境。
所述透射式分光聚焦单元2，由三块凸透镜及一个光阑构成，结构如图2所示，各凸透镜采用氟化镁或氟化锂制成，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜2-1、第二凸透镜2-2前后排列于光阑2-5同一侧，第三凸透镜2-3位于光阑2-5另一侧；将经四波混频得到的输出光作为本分光聚焦单元的入射光，入射光经过第一、第二凸透镜后该入射光中的真空紫外激光汇聚并穿过光阑2-5的中心孔，基频光由于凸透镜色散被光阑2-5遮挡；通过该第三凸透镜对真空紫外激光进行聚焦；该分光聚焦单元各元件的设置的距离如下：
令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L1、L2、L3，令第一、第二、第三凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f1、f2、f3，则L1、L2满足以下公式可达到设计分光效果的同时确保光阑和第一、第二凸透镜不会受到损坏：
1.5×(f1+f2)＞L1＞f1+f2 (1)
L1＞2f1 (2)
f2≥f1 (3)
第二凸透镜和光阑之间的距离L2可通过公式(4)确定：
此时基频光在第二凸透镜位置的光斑大小大于1/3W,且基频光光密度小于入射基频光的9倍，其中，W为入射光光束直径。当使用焦距f2更长的第二透镜二时，可以使第二透镜处基频光的这个光密度数值变小。
所述光阑的中心孔直径D可取1-50微米，大小可根据被测样本的热损伤阈值来选择。光阑可同时起到分光和提高VUV光束质量的作用。该光阑对基频光的衰减率Q(通过光阑中心孔的光能量与入射光总能量之比，衰减率越大分光效果越好)，可用下式来计算：Q＝1-(D/W)2。当入射光光束直径为5毫米时，衰减率在99.99％到99.99999％之间。虽然光阑中心孔直径越小分光效果越好，但对光阑位置的调试精度要求会相应增加。
为了保证光束在第三凸透镜2-3后面汇聚，第三凸透镜至光阑的距离L3及第三凸透镜的焦距f3应满足：
L3＞f3 (5-1)
第三凸透镜的工作距离WD应按照公式(6)计算：
所述用于真空紫外激光的透射式分光聚焦单元，还可由四块凸透镜及一个光阑构成，结构如图1所示，该系统是在上述三块凸透镜的分光聚焦系统的基础上，保持第一凸透镜2-1、第二凸透镜2-2和光阑2-5的参数和位置不变的情况下，将第三凸透镜至光阑的距离L3调整为第三凸透镜的焦距f3，使光束经过第三凸透镜后形成准直光，同时在第三凸透镜后方的任意位置处同轴设置第四凸透镜2-4以实现最终的聚焦，第四凸透镜的工作距离与第四凸透镜的焦距相等。该四块凸透镜构成分光聚焦单元的基频光衰减率与上述三块凸透镜的分光聚焦单元一致。四块凸透镜分光聚焦单元相较于三块凸透镜分光聚焦单元的优点是最终的VUV焦点位置可调，即图2中L4长度可取任意正值，光路总长度更为灵活。
所述样品扫描装置及信号数据采集和处理单元3的结构组成如图1所示，包括样品扫描部分、信号数据采集和处理部分：
对于样品扫描部分，真空紫外激光VUV聚焦在放置于玻璃/石英/氟化镁片等绝缘片上的待测样品(待测样品尺寸为5微米-5mm)3-1上，该绝缘片与高精度(移动精度为5nm-10微米)的三维位移台固定连接，该三维位移台采用闭环控制，通过扫描该位移台实现样品的三维扫描。
对于信号数据采集和处理部分，真空紫外激光VUV聚焦在样品3-1上将产生很多样品离子3-3，将承载样品的绝缘基底片放置在三片平行放置的电极片之间，其中相邻两片平行电极之间的距离为10mm-30mm。在相互平行的电极片3-2上加脉冲电压，溅射产生的样品离子3-3穿过电极片后通过自由飞行至离子探测器3-4上。样品3-1放在电极片3-2中间，能更好地探测离子信号，减少了样品离子的损失，提高了样品离子探测的效率。该离子探测器3-4由三块微通道板组成，将样品离子信号放大。其中微通道板用于样品离子信号数据的采集，直径为20mm-60mm，工作电压为2400伏，平均每一块微通道板承载电压为800V左右。该样品离子信号导入常规的示波器3-5，再通过工作站3-6来分析和处理实验数据，最终获得质谱成像，该工作站包含一台电脑，其中有编写好的matlab程序，通过该程序来实现质谱成像。
实施例1：
本实施例VUV质谱成像装置用于微米级别生物组织质谱成像，结合本实施例的工作过程对各组成器件的参数说明如下：
Step 1:通过采用管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池1产生高强度的真空紫外激光
首先在汞蒸气池左端通过一个不锈钢导管加入4mL液体汞到混频管1-1中，然后在汞蒸气池左右两端分别安装直径均为25.4mm的平面石英窗口片1-5和一个平面氟化镁窗口片1-6，这样使得汞蒸气池构成了一个封闭的空间。将冷却水通过混频管1-1两端的冷却套管1-3，从进水管1-3-3进入，从出水管1-3-4出来，不断循环，使得汞蒸气在锥形内管1-3-1中冷凝，再在重力的作用下流回至混频管1-1，从而实现长期的稳定的实验效果。
汞蒸气回收装置1-7下方的的不锈钢管连通一个涡旋干泵1-9，将汞蒸气池抽成真空，接着通过控制针阀1-11来调节进入汞蒸气池的Ar气或者He气的流量。
接着通过管式恒温炉1-2将混频管1-1加热，将利用商业染料激光器产生的三束平行光，通过非聚焦的方式通过汞蒸气池的入射端的平面石英窗口片1-5，与混频管1-1中的汞蒸气产生四波混频效应，调节进入的激光光束对应的波长，可以产生高强度、稳定可调谐的真空紫外激光(120-150nm)。
采用三束准直光非聚焦四波混频产生真空紫外激光实施例：
本实施例中，在混频管1-1中注入4mL液体汞，汞蒸气池左端安装的平面氟化镁窗口片1-6以及右端安装的平面石英窗口片1-5直径均为25.4mm，冷却进水管1-3-3和冷却出水管1-3-4的内径和外径均分别为12.5mm、17mm。气体保护管1-4与汞蒸气回收装置1-7通过内径4mm、外径6mm的不锈钢出气管1-4-2连通。监测汞蒸气池的两端及中部真空度的电容薄膜规1-10的测量程均为0-5000Pa，本例中的真空度为600Pa。管式恒温炉的外径187mm、内径为42mm，其恒温范围为0到1000摄氏度，误差为1摄氏度，有效长度470mm，利用管式恒温炉将混频管1-1加热至230摄氏度。冷却套管1-3中锥形内管1-3-1靠近混频管1-1一端的内径30mm、另一端26mm，圆柱形外套管1-3-2内径45mm、外径49mm，上下各开一个12.5mm的孔，焊接一个外径17mm、内径12.5mm的不锈钢管，用于接通冷却水。
将三束准直光通入汞蒸气池，激光光斑直径均为5mm，重复频率20Hz，脉宽6ns，发散角0.5mrad。该三束激光能量分别为255nm(对应于汞原子的能级跃迁61S→63P)、4mJ/pulse；404nm(对应于Hg原子的能级跃迁63P→71S)、10mJ/pulse；631nm、15mJ/pulse。产生的真空紫外激光波长为125.4nm，用光电转换器探测，其强度如下图3所示(16次脉冲平均)，图中坐标x为探测器响应时间，坐标y为利用光电二极管探测的电压，校准比例为1.6微焦耳/V，产生的能量约为100微焦耳/pulse。当第三束光波长从520-850nm变换时，对应于产生的VUV波长从120nm变到132nm。
Step 2：通过透射式分光聚焦系统2将Step 1产生的激光聚焦至生物样品上
通过四块凸透镜的分光聚焦单元实现高空间分辨，具体组成如下：
本实施例中入射光的光斑直径为4mm，光阑的中心孔直径D为10μm，VUV光的波长为125nm、基频光的波长为255-640nm；第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的焦距分别为f1＝50mm、f2＝80mm，f3＝450mm。第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离L1＝140mm、第二凸透镜与光阑之间的距离L2＝183mm，第三凸透镜的作用是将发散的VUV光准直为直径为20mm的准直光束。然后将焦距为52mm的第四凸透镜2-4放置在第三凸透镜2-3后面50mm处，即可得工作距离为52mm、衍射极限光斑大小为500nm的参数。
本实施例中的凸透镜全部使用氟化镁制成，对125nmVUV光的透过率为13％，对255-640nm基频光的衰减率为99.93％。此时波长为255nm的UV光(紫外光)在光阑处的光斑大小为12mm。第一、第二、第三、第四凸透镜可采用球面镜。由于球面镜会产生球差，也可采用非球面透镜替代球面镜减小球差，达到近衍射极限性能。
Step 3：通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元3获取该生物样品质谱成像
通过真空紫外激光的透射式分光聚焦单元2将VUV聚焦在石英片样品3-1上，能量密度为1J/cm2。将尺寸为2mm×35mm×0.5mm的石英样品3-1放在精度为6nm的三维位移台(该位移台采用德国PI-miCos公司生产的型号为Q-545,具有闭环控制的位移台)上，通过调整该三维位移台相对聚焦VUV光光轴的位置改变VUV光打在样品上的脉冲数量，扫描位移台，可以得到很规则的洞。图4为所得结果的SEM图，横排孔直接间距为200微米，竖排孔之间间距为30微米，每一个洞大小直径约为4微米。在此基础上，将果蝇大脑切片放在石英样品3-1上，通过扫描，得到如图5的实验结果。其中数据采集微通道板(采用南京北方夜视公司生产的微通道板)直径为55mm，示波器型号为Teledyne,HDO6104,2.5GS/s。通过工作站将采集的质谱数据和位移台扫面位置连接起来，实现质谱成像，工作站所完成的操作由编程人员按照常规的编程方法编写matlab程序实现。图5(a)为果蝇大脑切片总的质谱图，可以看到有较大质量的碎片出现。在质量数m/z 380to 650范围内有较大质量的信号。图5(b)为质量数m/z 575.6的质谱成像，与光学显微镜图像吻合很好。
实施例2：
与实施例1不同的是，本实施例Step 2采用包含三块凸透镜的分光聚焦单元，该系统在实施例1所述的分光聚焦单元的基础上将第三、四凸透镜更换为一块非球面凸透镜，第一、第二凸透镜和光阑的参数和位置保持不变,如图2所示。第三凸透镜与光阑之间的距离L3＝450mm。第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的焦距分别为f1＝50mm、f2＝80mm、f3＝40mm，第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离L1＝140mm、第二凸透镜与光阑之间的距离L2＝183mm、第三凸透镜与光阑之间的距离L3＝450mm，也可得到工作距离为52mm，衍射极限光斑大小为500nm的参数。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统，包括含有三维位移台、离子探测器、示波器、工作站的样品扫描装置及信号数据采集和处理单元，其特征在于，该质谱成像系统还包括用于产生基频光的染料激光器，真空紫外激光获取单元，透射式分光聚焦单元；其中，由三台染料激光器产生的三束基频光通过真空紫外激光获取单元产生120-150nm的真空紫外激光，该真空紫外激光通过透射式分光聚焦单元后聚焦到待测样品上；通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元获取待测样品的质谱信号，实现质谱成像；
所述透射式分光聚焦单元，包括三块凸透镜和一个光阑，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，第三凸透镜位于光阑另一侧；
令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L1、L2、L3，令第一、第二、第三凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f1、f2、f3，则各元件的参数满足以下公式：
1.5×(f1+f2)＞L1＞f1+f2 (1)
L1＞2f1 (2)
f2≥f1 (3)
L3＞f3 (5-1)
所述第三凸透镜的工作距离WD按照公式(6)计算：
2.一种基于真空紫外激光的微米级空间分辨质谱成像系统，包括含有三维位移台、离子探测器、示波器、工作站的样品扫描装置及信号数据采集和处理单元，其特征在于，该质谱成像系统还包括用于产生基频光的染料激光器，真空紫外激光获取单元，透射式分光聚焦单元；其中，由三台染料激光器产生的三束基频光通过真空紫外激光获取单元产生120-150nm的真空紫外激光，该真空紫外激光通过透射式分光聚焦单元后聚焦到待测样品上；通过样品扫描装置及信号数据采集和处理单元获取待测样品的质谱信号，实现质谱成像；
所述透射式分光聚焦单元，包括四块凸透镜和一个光阑，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，第三凸透镜、第四凸透镜前后排列于光阑另一侧；
令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L1、L2、L3，令第一、第二、第三及第四凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f1、f2、f3、f4，则各元件的参数满足以下公式：
1.5×(f1+f2)＞L1＞f1+f2 (1)
L1＞2f1 (2)
f2≥f1 (3)
L3＝f3 (5-2)；
所述第四凸透镜设置在第三透镜后方任意处，第四凸透镜的工作距离等于该凸透镜的焦距f4。
3.如权利要求1或2所述的质谱成像系统，其特征在于，所述真空紫外激光获取单元为一个具有管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池，该汞蒸气池包括：包裹在等直径混频管外侧的管式恒温炉，真空获取装置，在混频管两端均设有的冷却套管、气体保护管；其特征在于，所述管式恒温炉由电阻丝、陶瓷及绝热层组成，该管式恒温炉内腔侧壁的尺寸与混频管侧壁尺寸相匹配；所述混频管每端的冷却套管均由锥形内管和圆柱形外套管构成，锥形内管的大口端与混频管一端连通，锥形内管与圆柱形外套管之间填充有循环冷却水，圆柱形外套管的侧壁上分别设有冷却水进、出管；所述混频管两端的两个气体保护管一端均分别与该端的锥形内管小口端连通，一个气体保护管的另一端安装平面窗口片或透镜，该平面窗口片或透镜的材质为氟化镁或氟化锂，另一个气体保护管的另一端安装平面石英窗口片；两个气体保护管侧壁上均分别设有进气管和出气管，其中进气管上设有控制保护气体流量的针阀，出气管与真空获取装置相连。
4.如权利要求3所述的质谱成像系统，其特征在于，所述管式恒温炉还包含两个分别用于检测混频管中心和端部温度的热偶测温计，该管式恒温炉的测量误差为1摄氏度。
5.如权利要求3所述的质谱成像系统，其特征在于，所述真空获取装置由电磁阀和涡旋干泵构成，通过电磁阀的开关控制所述出气管与该涡旋干泵的连通。
6.如权利要求3所述的质谱成像系统，其特征在于，所述汞蒸气池还包括两个电容薄膜规，其中一个位于混频管中部，另一个紧靠所述平面石英窗口片设置。
7.如权利要求3所述的质谱成像系统，其特征在于，所述汞蒸气池还包括设置在所述出气管与真空获取装置之间的汞蒸气回收装置，该汞蒸气回收装置为一个圆柱体不锈钢桶，桶内塞满铜网，经出气管导出的热汞蒸气由该铜网吸收或者冷凝。
8.如权利要求1或2所述的质谱成像系统，其特征在于，所述光阑的中心孔直径为1-50μm。
9.如权利要求1或2所述的质谱成像系统，其特征在于，所述样品扫描装置及信号数据采集和处理单元还包括用于承载待测样品的绝缘基底片以及多片平行的电极片；所述绝缘基底片与所述三维位移台固定连接后设置在两块电极片之间。
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