CN107907586A - 一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本方案公开了一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，即制样、采样、进样、离子化等过程可以不需要真空而直接在大气环境下进行。该方案利用激光作为离子源，基于激光的高能量密度，激光能够在大气环境下粉碎并离子化已知的任何材料(可以是固体、液晶、液体、气体等任何形态)，无需任何额外的制样、采样和进样设施，样品处于大气环境下即可直接测量。同时由于激光轰击产生的等离子体呈现高温高压的状态，在湮没前，等离子体内部区域能够有效地避免外部环境的影响并精确记录样品的化学成分信息。这些优势使得该便携式激光质谱仪能够突破现有技术的局限性，形成真正意义上的免制样并能够在大气环境中工作的质谱仪。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器领域，尤其是指利用激光在质谱仪中的应用而形成的一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪。
背景技术
质谱仪是根据离子的质荷比来分析离子的质量数的一种仪器，可通过测定质荷比和气相离子的丰度鉴定样品中存在的化学成分的含量和类型，在元素和同位素的检测和分析上有着不可替代的作用。据市场调研报告显示，2015年全球质谱市场实现了49.20亿美元的产值，未来5年将以8.1％的年复合增长率，在2020年达到72.79亿美元的市场规模。2015年全球质谱市场中北美地区所占份额最大，其次是欧洲和亚太区。但未来5年亚太区市场将以最高的年复合增长率扩容，成为质谱供应商一个重要的营收战场。基于应用领域，该市场可以划分为制药、生物技术、工业化学、环境监测、矿产勘探、边检、缉毒、海关、核材料追踪、爆炸物检查、食品饮料检测等。仅2013年，中国就进口了近5亿美元的质谱设备。自2011年启动的《国家重大科学仪器设备开发专项》中，我国已经投入了数亿元经费用于先进质谱的研发。
随着食品安全、环境保护、安全反恐、食品安全和医疗健康需求的日益增长，相关的痕量元素(例如铀，铅和汞等重金属)和同位素的测量得到了日益广泛的关注。因此便携式户外原位测量方法和相关设备成为了近期的关注热点。遗憾的是传统的质谱仪都是在真空下操作，体积庞大，设备复杂，在成本和便携性上都有很大的局限性。
离子源是质谱的核心部件之一，它很大程度上决定了质谱的灵敏度。传统的电离方法包括电子轰击电离(EI)、Chemical Ionization(CI)、Fast Atom Bombardment(FAB)、基质辅助激光解析电离(MALDI)、热电离(TIMS)等方法，都需要在真空环境中操作。近年来，随着电喷雾电离(ESI)、实时直接分析(DART)、电感耦合等离子体(ICP)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)、大气压固体分析探头电离(ASAP)、激光烧蚀电喷雾(LAESI)等电离方法的发明，使得非真空质谱测量成为可能。遗憾的是目前的非真空质谱测量还存在以下几个问题：
1.无法在真正的大气环境下操作，需要合适的气氛和温度。例如ICP、APCI、APPI、ASAP；
2.受外界环境影响很大。例如ESI、DART、LAESI；
3.都是软电离方法，无法有效应对硬质，难溶，难熔，难电离样品；
4.需要辅助装置对样品进行粉碎、溶解甚至雾化处理。
目前的非真空质谱测量存在的缺陷都来自于电离方法自身的不足。无论是ESI还是DART等方法，采用的都是电子或者离子喷射方法来使样品带电。这样的软电离方法对易脱附、易挥发、可溶解的材料非常适用，但是对于硬质、不挥发、难溶、难熔、难电离的样品就束手无策。尤其是目前的便携式非真空质谱设备，通常都装备有一系列配套的制样、采样和进样设施。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明利用了激光在质谱仪中的应用，即将激光作为质谱仪中的离子源，用于离子化待测样品。并还根据该种应用，对应公开了一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，该激光质谱仪包括控制单元、与控制单元相连的激光器、与控制单元相连的质量分析器，还包括可对所述激光器中所产生的激光进行整形、传输、指向和聚焦的光路系统。
进一步的，所述激光质谱仪还包括样品台，所述激光器形成的激光可通过光路系统到达样品台。
进一步的，所述样品台固定设置或可移动设置。
进一步的，所述激光器为连续激光器、毫秒脉冲激光器、微秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器或阿秒脉冲激光器中的任意一种。
进一步的，所述激光器为单色激光器或白色激光器。
进一步的，所述激光器的波长范围为10纳米到12微米。
进一步的，所述质量分析器为单四级杆质量分析器、三重四级杆质量分析器、离子阱质量分析器、飞行时间质量分析器中的任意一种。
进一步的，所述光路系统为由光学镜片组成的空间光路系统或为由光纤组成的光纤光路系统。
进一步的，所述光路系统包括固定出光口或包括光束扫描系统。
进一步的，所述控制单元包括PC、工控机、平板机或移动设备中的任意一种作为一终端。
本方案利用了激光在质谱仪中的应用，设计出对应的一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，即制样、采样、进样、离子化等过程可以不需要真空而直接在大气环境下进行，该方案利用激光作为离子源，基于其高能量密度，激光能够在大气环境下粉碎并离子化已知的任何材料(可以是固体、液晶、液体、气体等任何形态)，无需任何额外的制样、采样和进样设施，待测样品可直接置于大气环境下进行测量，因此便携式激光质谱仪可以实现真正意义的免制样过程。同时由于激光轰击产生的等离子体呈现高温高压的状态，在湮没前，等离子体内部区域能够有效地避免外部环境的影响并记录样品的化学成分信息。这些优势使得便携式激光质谱仪能够突破现有技术的局限性，实现真正意义上的免制样并能够在大气环境中工作的质谱仪。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明一种激光质谱仪的结构示意图。
图中，1-质量分析器、2-控制单元、3-激光器、4-光路系统、5-样品台。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明利用了激光在质谱仪中的应用，即是将激光作为质谱仪中的离子源，用于离子化待测样品，进而测量样品的化学成分。同时也正是在该种应用的基础上，利用该构思对应设计了一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，该激光质谱仪包括控制单元2、与控制单元2相连的激光器3、与控制单元2相连的质量分析器1，还包括可对所述激光器3中所产生的激光进行整形、传输、指向和聚焦的光路系统5。即本方案制样、采样、进样、离子化等过程可以不需要真空而直接在大气环境下进行。该激光质谱仪利用激光作为离子源，基于其高能量密度，激光能够在大气环境下粉碎并离子化已知的任何材料(可以是固体、液晶、液体、气体等任何形态)，无需任何额外的制样、采样和进样设施，因此便携式激光质谱仪可以实现真正意义的免制样测量。同时由于激光轰击产生的等离子体呈现高温高压的状态，在湮没前，等离子体内部区域能够有效地避免外部环境的影响并记录样品的化学成分信息。这些优势使得便携式激光质谱仪能够突破现有技术的局限性，实现真正意义上的免制样并能够在大气环境中工作的质谱仪。
优选的，所述激光质谱仪还包括样品台5，所述激光器3形成的激光可通过光路系统4到达样品台5。测量时，对于一些样品，可放置于样品台5上再进行测量。而针对某些样品，样品台5也可以不需要。例如测量大气成分，可以利用激光直接将气体电离即可。同理，当测量环境中的土壤和水样的时候，直接测量即可，也无需样品台5。此外，根据测量的需要，样品台5可以是固定式的也可以是移动式的，用来实现多角度扫描测量、大面扫描测量、三维扫描测量等功能。
此外，所述激光器3发出的激光可用来气化和离子化样品。基于不同的光-物质作用原理，可以是光导致的热作用也可以是光导致的化学作用或者是直接光电离。按照脉冲持续时间来分，所述激光器3可以为连续激光器、毫秒脉冲激光器、微秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器或阿秒脉冲激光器中的任意一种。若按照单色性来分，所述激光器可以为单色激光器或白色激光器两者中的任意一种。且所述激光器3的波长范围优选为10纳米到12微米。
此外，所述质量分析器1是用来测量离子的质荷比的设备，可以是单四级杆质量分析器(SQ)、三重四级杆质量分析器(QQQ)、离子阱质量分析器(IT)、飞行时间质量分析器(TOF)任意一种质量分析器。
优选的，所述光路系统4为由光学镜片组成的空间光路系统或为由光纤组成的光纤光路系统，所述光路系统4包括固定出光口或包括光束扫描系统。该光路系统4的作用是将激光光束调节成需要的光斑尺寸和光斑形状，并将光束聚焦和传导到样品上。故，该光路系统4可以是由光学镜片组成的空间光路系统，也可以是光纤传输系统。同时，由于光纤自身的材料特性，光纤并不能够用来传导所有波长的光束。根据测量样品自身性质和采样的需要，该光路系统4可以是拥有固定出光口的光路系统，也可以装备光束扫描系统(例如振镜扫描、多棱镜扫描、两者结合的超级扫描系统等)用以实现大范围的扫描测量。
最后，关于所述控制单元2，主要用来实现以下功能：1)激光器和质量分析器的关联、同步和控制，2)数据记录、传输、处理、储存，3)操作软件和数据库运行。该控制单元2还可包括PC、工控机、平板机或移动设备(如手机)中的任意一种，即可将上述设备作为一终端，对质谱仪的其它部分进行监测、控制，以及数据的查看等。
本方案公开的激光在质谱仪中的应用及对应的激光质谱仪，主要是利用激光作为离子源，并配合光路系统、控制单元、质量分析器、样品台等形成一种可在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，相对于现有的便携式质谱仪，本发明方案的便携式激光质谱仪，具有以下优点：
1)可以有效检测任何已知材料，突破现有设备在可检测材料方面的局限性；
2)可以有效检测任何形态的材料；
3)真正实现免粉碎免制样测量，无需周边设施由于样品脱附、粉碎、电离，有效降低系统复杂度和操作难度；
4)基于激光所产生的等离子体的高温高压特性，通过在等离子体内部汲取信息，能够有效避免环境干扰。
此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种可以在大气环境下工作的便携式激光质谱仪，其特征在于：包括控制单元、与控制单元相连的激光器、与控制单元相连的质量分析器，还包括可对所述激光器中所产生的激光进行整形、传输、指向和聚焦的光路系统。
2.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：还包括样品台，所述激光器形成的激光可通过光路系统到达样品台。
3.如权利要求2所述的激光质谱仪，其特征在于：所述样品台固定设置或可移动设置。
4.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：所述激光器为连续激光器、毫秒脉冲激光器、微秒脉冲激光器、纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器、飞秒脉冲激光器或阿秒脉冲激光器中的任意一种。
5.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：所述激光器为单色激光器或白色激光器。
6.如权利要求4或5所述的激光质谱仪，其特征在于：所述激光器的波长范围为10纳米到12微米。
7.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：所述质量分析器为单四级杆质量分析器、三重四级杆质量分析器、离子阱质量分析器、飞行时间质量分析器中的任意一种。
8.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：所述光路系统为由光学镜片组成的空间光路系统或为由光纤组成的光纤光路系统。
9.如权利要求8所述的激光质谱仪，其特征在于：所述光路系统包括固定出光口或所述光路系统包括光束扫描系统。
10.如权利要求1所述的激光质谱仪，其特征在于：所述控制单元包括PC、工控机、平板机或移动设备中的任意一种作为一终端。
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