CN109830425A - 一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源 - Google Patents

Abstract

一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，属于质谱成像领域，包括激光光源、光纤耦合系统、微透镜光纤、光纤‑样品距离控制系统、二维移动样品载物台和CCD观察系统；所述激光光源的下方依次设有光纤耦合系统、微透镜光纤和二维移动样品载物台，所述微透镜光纤具有供光源射入的入射端和光源射出的微透镜端，所述二维移动样品载物台用于放置样品；所述CCD观察系统设于样品的上方，CCD观察系统用于实时观测微透镜光纤的微透镜端与样品之间的距离以及采样的位置；所述光纤‑样品距离控制系统与微透镜光纤连接，用于控制微透镜光纤的微透镜端和样品表面之间的距离。可使用激光进行微纳区域采样，从而达到对待测物进行高空间分辨质谱分析的目的。

Description

一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源

技术领域

本发明涉及质谱成像领域，尤其涉及一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源。

背景技术

随着科技发展，科学家已经不满足于在宏观尺度上对分析对象的了解和研究，研究者越来越更加关注在微观尺度上对于分析对象的解读。近年来，高空间分辨率的质谱成像技术越来越受到人们的关注，如何在微纳尺度下对于样品的组成(包括分子组成和元素组成)进行全方位的表征，成为了科学家们迫切关注的科学问题，这些样品包括一些新型纳米材料、微电子芯片、动植物组织以及单细胞甚至亚细胞结构等等。

要达到高空间分辨质谱成像的要求，最重要的是采样范围要达到微纳米尺度的采样。目前对于材料或者一些生物样品可以进行高空间分辨质谱成像的主要技术是二次离子质谱(SIMS)技术，但是由于其操作繁琐、造价昂贵、基体效应严重等一些局限，目前还不能普及。激光采样的质谱技术从上世纪发展至现在已经相当成熟，基于其分析速度快、样品消耗量少、无须样品前处理等等优点而被广泛地关注和使用。但是由于衍射极限以及聚焦透镜像散等一系列问题的限制，常见的激光采样技术的空间分辨率一般难以达到微米甚至纳米级别，这也就使其无法满足科学家在微纳尺度对于样品分析的要求。因此怎样使用激光而且达到微纳范围的采样，成为了一个研究的热门领域。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，使用激光进行微纳区域采样，从而达到对待测物进行高空间分辨质谱分析的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，包括激光光源、光纤耦合系统、微透镜光纤、光纤-样品距离控制系统、二维移动样品载物台和CCD观察系统；所述激光光源的下方依次设有光纤耦合系统、微透镜光纤和二维移动样品载物台，所述微透镜光纤具有供光源射入的入射端和光源射出的微透镜端，所述二维移动样品载物台用于放置样品；所述CCD观察系统设于样品的上方，CCD观察系统用于实时观测微透镜光纤的微透镜端与样品之间的距离以及采样的位置；所述光纤-样品距离控制系统与微透镜光纤连接，用于控制微透镜光纤的微透镜端和样品表面之间的距离，从而使聚焦效果达到最佳。

所述微透镜光纤的入射端为平面状，微透镜光纤的微透镜端为锥形状。

微透镜光纤可为任意材料的单模(含偏振保持光纤和非偏振保持光纤)或多模光纤，微透镜光纤工作波长为从深紫外到远红外波段，光纤的模场直径为1μm～1mm，微透镜端的曲面为具有聚焦作用的球面或者非球面，球面的曲率半径为0.1～1000μm，微透镜端距离样品表面的距离为1nm～1cm。

激光光源采用连续或脉冲激光器；脉冲激光波长为115～4500nm，脉宽为1fs～1μs，脉冲频率为0.01Hz～100MHz，单脉冲能量为1nJ～1J；连续激光波长为115～4500nm，平均功率大于0.01mW。

本发明还包括后电离源，所述后电离源设于样品上方。所述后电离源可采用使中性原子或分子电离的能量源，比如激光、光离子体、电离子体、电磁波、离子束、电子束和射线等。

在本发明中，所述后电离源采用激光后电离源，激光后电离源采用连续或脉冲激光器；脉冲激光脉宽为1fs～1ms，波长为115～1550nm，单脉冲能量为1nJ～10J，脉冲频率为0.01Hz～100MHz；连续激光的波长为115～1550nm，平均功率为>0.01mW。

本发明还包括光纤固定架，所述微透镜光纤固定于光纤固定架上。

一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源的解吸电离方法，包括以下步骤：

1)首先将样品置于二维移动样品载物台上，并通过CCD观察系统选定所需成像的样品区域，然后通过控制二维移动样品载物台将微透镜光纤的微透镜端对准目标样品区域，通过光纤-样品距离控制系统将微透镜端趋近至焦距范围内，在趋近以及移动过程中都可通过CCD观察系统进行观察；

2)激光光源产生的激光通过光纤耦合系统进行聚焦，聚焦后的激光从微透镜光纤的入射端耦合进入光纤，最后从微透镜端射出并聚焦于样品上，从而对样品产生剥蚀、解吸以及电离，产生的离子进入质量分析器分析。

在步骤2)中，当电离程度不足时，可使用后电离源对产生的中性原子、分子进行后电离。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明可以和目前任何使用激光作为采样的质谱技术对接，如激光溅射电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS)、激光溅射电离质谱(LAI MS)、基质辅助激光解吸质谱(MALDIMS)、激光解吸质谱(LDI MS)激光溅射电喷雾质谱(LA-ESIMS)等等，这些质谱采样技术与本发明结合都可以实现高空间分辨的质谱分析。

2、本发明利用了尖端加工成微球形状的微透镜光纤，实现了微米甚至纳米尺度的质谱空间分辨，激光通过光纤耦合系统耦合进微透镜光纤中，从微透镜光纤的另一端(即微透镜端)出射的激光会在一定的范围内聚焦而后再发散。

3、通过光纤-样品距离控制系统可以对微透镜端和样品之间的距离进行调控，当样品和微透镜端的距离在微透镜焦距位置或附近时，激光聚焦照射在样品表面，对样品进行解吸附或剥蚀，产生离子进入质量分析器。若产生的离子量不足，可以采用后电离的方式提高离子产率。

4、样品所在的二维移动样品载物台通过扫描点阵的方式运行，可以获得每一点的样品化学成分质谱图，将每一点的化学信息与位置信息相结合即可获得质谱成像图。通过这种方式得到的质谱成像图的分辨率可以达到亚微米、纳米尺度。

5、本发明对于激光的聚焦效果更好，采样范围更小，而且操作简单，实用性强。

6、本发明采用的微透镜光纤很细，可以距离样品很近，不会挡住产生离子的飞行轨迹。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为激光通过光纤聚焦的示意图；

图3为使用纳秒532nm激光，通过光纤尖端聚焦后在光滑的酞菁铜镀层表面剥蚀得到的弹坑矩阵图；

图4为使用纳秒532nm激光，通过光纤尖端聚焦后在铜铝合金样品上溅射电离得到的质谱信号图；

图5为在硅片镀铝网格样品上得到的铝分布光学显微镜图像，框内为质谱成像范围；

图6为使用飞秒515nm激光，在硅片镀铝网格样品上得到的铝质谱成像图，成像范围为50×60μm。

附图标记：1-激光光源，2-光纤耦合系统，3-微透镜光纤，4-光纤固定架，5-光纤-样品距离控制系统，6-二维移动样品载物台，7-样品，8-后电离源，9-CCD观察系统。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括激光光源1、光纤耦合系统2、微透镜光纤3、光纤-样品距离控制系统5、二维移动样品载物台6、CCD观察系统9和后电离源8。

所述激光光源1的下方依次设有光纤耦合系统2、微透镜光纤3和二维移动样品载物台6。

本实施例中，激光光源1采用连续或脉冲激光器；脉冲激光波长为115～4500nm，脉宽为1fs～1μs，脉冲频率为0.01Hz～100MHz，单脉冲能量为1nJ～1J；连续激光波长为115～4500nm，平均功率大于0.01mW。连续或脉冲激光器也可用其它的光源代替，例如连续或脉冲式的发光二极管、紫外灯、汞灯、卤素灯等。

如图2所示，微透镜光纤3具有供光源射入的入射端和光源射出的微透镜端，入射端为平面状，微透镜端为锥形状，微透镜光纤3相当于一个微型的透镜，因此激光会在一定范围内聚焦而后发散。微透镜光纤3可为任意材料的单模(含偏振保持光纤和非偏振保持光纤)或多模光纤，微透镜光纤3工作波长为从深紫外到远红外波段，光纤的模场直径为1μm～1mm，微透镜端的曲面为具有聚焦作用的球面或者非球面，球面的曲率半径为0.1～1000μm，微透镜端距离样品7表面的距离为1nm～1cm。

所述光纤耦合系统2通常为商品化的光纤耦合透镜系统，也可简化地使用单透镜从而将激光进行聚焦达到耦合目的。根据激光的波长、光斑等具体情况可选择不同参数的耦合系统。

所述二维移动样品载物台6用于放置样品7。所述光纤-样品距离控制系统5与微透镜光纤3连接，用于控制微透镜光纤3的微透镜端和样品7表面之间的距离，从而使聚焦效果达到最佳。光纤-样品距离控制系统5和二维移动样品载物台6都采用可以任意驱动方式的移动平台，驱动方式可采用压电陶瓷、步进电机等，光纤-样品距离控制系统5可选用有反馈功能或无反馈功能的移动平台。

所述CCD观察系统9设于样品7的上方，CCD观察系统9用于实时观测微透镜光纤3的微透镜端与样品7之间的距离以及采样的位置；CCD观察系统9可采用远心镜头、显微物镜、单筒放大镜等任意镜头。

所述后电离源8设于样品7上方，在本实施例中，所述后电离源8采用激光后电离源，激光后电离源采用脉冲激光或者连续激光，脉冲激光脉宽为1fs～1ms，波长为115～1550nm，单脉冲能量为1nJ～10J，脉冲频率为0.01Hz～100MHz；连续激光的波长为115～1550nm，平均功率为>0.01mW。

本发明还包括光纤固定架4，所述微透镜光纤3固定于光纤固定架4上。光纤固定架4可采用夹持式、粘贴式、压附式、吸附式等固定方式，光纤固定架4可控制微透镜光纤3与样品7之间的夹角在0°～180°。

一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源的解吸电离方法，包括以下步骤：

1)首先将样品7置于二维移动样品载物台6上，并通过CCD观察系统9选定所需成像的样品7区域，然后通过控制二维移动样品载物台6将微透镜光纤3的微透镜端对准目标样品7区域，通过光纤-样品距离控制系统5将微透镜端趋近至焦距范围内，在趋近以及移动过程中都可通过CCD观察系统9进行观察；

2)激光光源1产生的激光通过光纤耦合系统2进行聚焦，聚焦后的激光从微透镜光纤3的入射端耦合进入光纤，最后从微透镜端射出并聚焦于样品7上，从而对样品7产生剥蚀、解吸以及电离，产生的离子通过传输进入质量分析器，从而进行质谱分离和检测。激光聚焦的焦斑很小，可以达到微米甚至纳米级别，可实现微区分析，通过二维移动样品载物台6带动样品7的移动，即可实现对样品7某范围的成像分析，将每一点的质谱图记录下来，与样品7的位置信息相对应后就能得到该区域的质谱成像图。

在步骤2)中，当电离程度不足时可使用后电离源8对产生的中性原子、分子进行后电离。

本发明的解吸电离方法可在真空中实现，也可在大气压氛围实现。

质量分析器可采用飞行时间质量分析器、四级杆质量分析器、离子阱质量分析器、磁场分析器、傅里叶变换质量分析器等一切可以进行离子分离和检测的质量分析器。

本发明的作用原理如下：

1、在光纤尖端通过研磨、腐蚀或激光加工等方式，加工得到微透镜端，激光从该端射出，会在一定距离内聚焦而后再发散。特别是若选用单模光纤，激光在光纤中传输几乎无色散、模式单一，光束质量极佳，出射后可以达到很好的聚焦效果。将样品放置于聚焦点附近位置，当光束的功率密度大于等于解吸阈值时，目标位置的样品分子或原子则会由于接受光源的能量而脱离样品表面，解吸产生的中性粒子而后再次接受后电离源的能量从而被电离成为离子，进入质量分析器被分离检测；当光束的功率密度大于等于电离阈值时，目标位置的样品分子或原子也可直接被电离，进入质量分析器。

2、当二维移动样品载物台6规律地移动，通过激光逐点扫描的方式则可获得一定范围内的元素、分子组成分布，通过记录二维位置信息和各个位置的谱峰信息，经过一定的数据处理，可以得到该扫描范围内的质谱成像图。通过这种方式获得的空间分辨率可以达到微米甚至亚微米尺度，该方法操作简单，便于与使用激光作为采样方式的现有质谱技术进行结合。

将光滑的酞菁铜镀层样品放置于光纤聚焦的焦点位置，532nm波长的纳秒激光从微透镜光纤的微透镜端射出，如图3所示，可以在样品表面均匀地剥蚀出直径约800nm的弹坑(由原子力显微镜扫描获得)。

将微透镜光纤的微透镜端引入到激光解吸电离质谱(LDI MS)的离子源区域内，将铜铝合金样品放置于光纤聚焦的焦点位置，532nm波长的纳秒激光从微透镜光纤的微透镜端射出，对样品进行解吸电离后离子通过飞行时间质谱的分离检测，得到如图4所示的铝和铜的质谱图。

图5为自制的硅片上镀铝网格的光学显微镜图像，其中黑色方形区域为铝镀层，白色区域为单晶硅。将微透镜光纤的微透镜端引入到激光解吸电离质谱(LDI MS)的离子源区域内，将该网格镀层样品放置于光纤聚焦的焦点位置，通过逐点扫描的方式对样品进行质谱成像分析。图6为铝的质谱信号成像图，可看出和实际的光学显微图像吻合准确，成像范围为50×60μm。

Claims (10)

1.一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：包括激光光源、光纤耦合系统、微透镜光纤、光纤-样品距离控制系统、二维移动样品载物台和CCD观察系统；所述激光光源的下方依次设有光纤耦合系统、微透镜光纤和二维移动样品载物台，所述微透镜光纤具有供光源射入的入射端和光源射出的微透镜端，所述二维移动样品载物台用于放置样品；所述CCD观察系统设于样品的上方，CCD观察系统用于实时观测微透镜光纤的微透镜端与样品之间的距离以及采样的位置；所述光纤-样品距离控制系统与微透镜光纤连接，用于控制微透镜光纤的微透镜端和样品表面之间的距离。

2.如权利要求1所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：所述微透镜光纤的入射端为平面状，微透镜光纤的微透镜端为锥形状。

3.如权利要求2所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：微透镜光纤为单模光纤或多模光纤，微透镜光纤工作波长为从深紫外到远红外波段，光纤的模场直径为1μm～1mm，微透镜端的曲面为具有聚焦作用的球面或者非球面，球面的曲率半径为0.1～1000μm，微透镜端距离样品表面的距离为1nm～1cm。

4.如权利要求1所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：激光光源采用连续或脉冲激光器；脉冲激光波长为115～4500nm，脉宽为1fs～1μs，脉冲频率为0.01Hz～100MHz，单脉冲能量为1nJ～1J；连续激光波长为115～4500nm，平均功率大于0.01mW。

5.如权利要求1所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：还包括后电离源，所述后电离源设于样品上方。

6.如权利要求5所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：所述后电离源采用激光、光离子体、电离子体、电磁波、离子束、电子束或射线。

7.如权利要求6所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：所述后电离源采用激光后电离源，激光后电离源采用连续或脉冲激光器；脉冲激光脉宽为1fs～1ms，波长为115～1550nm，单脉冲能量为1nJ～10J，脉冲频率为0.01Hz～100MHz；连续激光的波长为115～1550nm，平均功率为>0.01mW。

8.如权利要求1所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源，其特征在于：还包括光纤固定架，所述微透镜光纤固定于光纤固定架上。

9.一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源的解吸电离方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)首先将样品置于二维移动样品载物台上，并通过CCD观察系统选定所需成像的样品区域，然后通过控制二维移动样品载物台将微透镜光纤的微透镜端对准目标样品区域，通过光纤-样品距离控制系统将微透镜端趋近至焦距范围内，在趋近以及移动过程中都可通过CCD观察系统进行观察；

2)激光光源产生的激光通过光纤耦合系统进行聚焦，聚焦后的激光从微透镜光纤的入射端耦合进入光纤，最后从微透镜端射出并聚焦于样品上，从而对样品产生剥蚀、解吸以及电离，产生的离子进入质量分析器分析。

10.如权利要求9所述一种基于微透镜光纤的微纳尺度解吸的离子源的电离方法，其特征在于：在步骤2)中，当电离程度不足时，使用后电离源对产生的中性原子、分子进行后电离。