CN109860014A - 一种快速成像质谱仪 - Google Patents

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Abstract

一种快速成像质谱仪，属于质谱分析领域，包括激光器、光学聚焦透镜组、多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器；所述多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器依次设置在真空腔体内，所述激光器设于多维移动平台和离子光学透镜之间的右上方或左上方，所述光学聚焦透镜组设于激光器的下方；本发明结构简单，可节省质谱成像时间，即使用一次激光照射，实现被解吸电离各成分的二维分布成像；通过多次激光照射或辅助以其它表面剥蚀方法，可实现各成分的三维空间分布。

Description

一种快速成像质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱分析领域，尤其涉及一种快速成像质谱仪。
背景技术
随着质谱分析法与电子技术的发展，成像分析已越来越成为热点。而相较于光谱仪，质谱仪因其具有优异的定性与定量能力、背景干扰少、可与多种不同的离子源组合、理论上可分析所有固体样品等显著优点，成为了成像研究的有力武器。近年来，基于质谱仪进行的成像分析研究也越发热门。通过质谱法构建成像系统不仅可以对样品内物质进行定性定量分析，还可获取不同物质在样品内的空间分布信息。
质谱成像系统按照离子源固体采样方式的不同可以分为微探针模式与显微镜模式。微探针模式与显微镜模式的主要区别在于采用的电离源的束斑直径大小。
微探针模式常见于激光解吸以及二次离子等质谱成像分析法，是将一束激光或离子束聚焦于样品表面微小区域进行样品解吸电离，再利用质谱仪记录下该采样点的信息，根据离子质荷比对样品表面物质进行定性分析。待此采样点分析结束后，将样品移动到下一个采样点采样分析。当选定区域分析结束后，将不同采样点的物质信息与空间信息相结合，经过重新建模后便可得到成像分析结果。但是这种微探针模式采用逐点扫描，使得成像分析十分耗时，成像分辨率往往取决于激光(离子等)束斑大小，即相邻采样点之间的距离，并且在采样点内部的空间信息亦不得而知。
相较于微探针模式，显微镜模式则是采用大束斑电离源直接采样，电离源同样可以是激光束或离子束，通常束斑直径大于100μm。将一束激光或离子聚焦于样品表面大范围区域进行解吸电离，随后将采样所得离子通过离子光学透镜到达位敏检测器上进行离子时间信息与空间信息的记录，再将时间信息与空间信息进行整合得到成像分析结果。显微镜模式不需要多次逐点扫描，使得这种方法检测速度快，能够大大节省质谱成像时间，并且空间分辨率不受限于微探针尺寸，理论上空间分辨率优于微探针模式。但是显微镜模式对仪器参数要求严苛，其空间分辨率与传输过程中的离子光学透镜的参数以及位敏检测器的空间分辨率息息相关，并且要考虑到离子产生后的空间分散对空间分辨率的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种快速成像质谱仪，结构简单，可节省质谱成像时间，即使用一次激光照射，实现被解吸电离各成分的二维分布成像；通过多次激光照射或辅助以其它表面剥蚀方法，可实现各成分的三维空间分布。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种快速成像质谱仪，包括激光器、光学聚焦透镜组、多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器；所述多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器依次设置在真空腔体内，所述激光器设于多维移动平台和离子光学透镜之间的右上方或左上方，所述光学聚焦透镜组设于激光器的下方。
所述激光器为脉冲激光器。脉冲激光束斑直径为0.01～1000μm，激光照射强度为1×105～1×1015W/cm2，激光波长为110～4500nm，激光脉宽为1fs～1ms，脉冲频率为0.1Hz～1MHz。
所述飞行时间质量分析器为直线式、反射式或多次反射式的飞行时间质量分析器。
所述位敏检测器中可以有以下三种：(1)微通道板(MCP)-荧光屏-超快照相机组合的位敏检测器实现离子的时空成像；(2)MCP与延迟线组合的位敏检测器同时获得离子的空间信息和时间信息；(3)阵列式探测器形成的位敏检测器获得离子的空间和时间信息，实现成像。
一种快速成像质谱仪对样品表面成分成像的方法，包括以下步骤：首先将样品置于多维移动平台并伸入真空腔体中；从激光器出射的激光束经光学聚焦透镜组聚焦整形为近似平顶高斯光或普通高斯光并照射到样品的表面，在激光照射下，样品表面物质被解吸电离，或样品表面物质解吸成分通过后电离技术被电离，离子在加速区推斥电压和加速电压作用下进入离子光学透镜，保留其相对空间位置，再进入飞行时间质量分析器，分离后的不同质荷比的离子最后投射到位敏检测器上，获得样品表面被解吸成分的飞行时间信息与空间信息，实现二维成像，进而实现特定位置解吸的成分在特定的时间到达位敏检测器的特定位置。
本发明中，离子源部分解吸电离过程除了采用激光束，也可采用光、电、电磁波、离子束、电子束、射线等。解吸成分的电离可采用解吸激光或后电离技术，后电离技术包括激光、电子、射线等任何能量源。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、使用单次脉冲激光实现快速质谱成像，实现特定位置解吸的成分在特定的时间到达位敏检测器的特定位置，根据所测成分到达位敏检测器的时间，取出该时间位敏检测器的图像，直接得到该成分在解吸区域的分布成像，大大减少成像所需时间，在表面成像分析中有着广阔的应用前景。
2、本发明相比于微探针模式，显微镜模式成像空间分辨率不受限于激光等束流的束斑大小，可实现优于微探针模式的分辨率。
3、本发明可采用激光解吸电离或其它解吸电离方式，也可使用其它后电离技术将解吸的化学成分进行电离。后电离技术的使用能够减小解吸激光的能量，进而减小离子的空间分散，提高时空分辨率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1-激光器，2-光学聚焦透镜组，3-多维移动平台，4-离子光学透镜，5-飞行时间质量分析器，6-MCP，7-荧光屏，8-超快照相机。
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，本发明包括激光器1、光学聚焦透镜组2、多维移动平台3、离子光学透镜4、飞行时间质量分析器5和位敏检测器；本实施例中，所述位敏检测器为MCP6-荧光屏7-超快照相机8组合的位敏检测器。
所述多维移动平台3、离子光学透镜4、飞行时间质量分析器5和位敏检测器依次设置在真空腔体内，所述激光器1设于多维移动平台3和离子光学透镜4之间的右上方或左上方，所述光学聚焦透镜组2设于激光器1的下方。
所述激光器1为脉冲激光器。脉冲激光束斑直径为0.01～1000μm，激光照射强度为1×105～1×1015W/cm2，激光波长为110～4500nm，激光脉宽为1fs～1ms，脉冲频率为0.1Hz～1MHz。
本发明中，光学聚焦透镜组2、离子光学透镜4、飞行时间质量分析器5、位敏检测器可为商品化元件或自行设计。
一种快速成像质谱仪对样品表面成分成像的方法，包括以下步骤：首先将样品置于多维移动平台3并伸入真空腔体中，样品可直接放置于或通过夹具和粘贴等方法固定在多维移动平台3上；从激光器1出射的激光束经光学聚焦透镜组2聚焦整形为近似平顶高斯光或普通高斯光并照射到样品的表面，在激光照射下，样品表面物质被解吸电离，或样品表面物质解吸成分通过后电离技术被电离，离子在加速区推斥电压和加速电压作用下进入离子光学透镜4，保留其相对空间位置，再进入飞行时间质量分析器5，分离后的不同质荷比的离子最后投射到位敏检测器上，获得样品表面被解吸成分的飞行时间信息与空间信息，实现二维成像。
本发明的的作用原理如下：
在激光照射下，样品表面物质被解吸电离；离子在加速区加速电压和推斥电压作用下进入离子光学透镜4，保留其相对空间位置，再进入飞行时间质量分析器5，实现不同质荷比离子的时间分离，如图1中，黑色、灰色、白色分别代表不同质荷比的离子，且其质荷比大小为黑色>灰色>白色；不同质荷比的离子因飞行时间不同而被分离，并在不同时间依次射到由MCP6-荧光屏7-超快照相机8组成的位敏检测器上，记录离子的时空信息后实现特定位置解吸的成分在特定的时间到达位敏检测器的特定位置，根据所测成分到达位敏检测器的时间，取出该时间位敏检测器的图像，直接得到该成分在解吸区域的分布成像。在此过程中为了减小脉冲激光对物质电离带来的空间分散，可首先采用一束能量较低的激光对物质进行解吸，再利用一束激光对解吸后的物质进行电离；其次，采用性能优异的高空间分辨位敏检测器来提高成像空间分辨率。本发明通过多次激光照射或辅助以其它表面剥蚀方法，可实现各成分的三维空间分布。

Claims (7)

1.一种快速成像质谱仪，其特征在于：包括激光器、光学聚焦透镜组、多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器；所述多维移动平台、离子光学透镜、飞行时间质量分析器和位敏检测器依次设置在真空腔体内，所述激光器设于多维移动平台和离子光学透镜之间的右上方或左上方，所述光学聚焦透镜组设于激光器的下方。
2.如权利要求1所述一种快速成像质谱仪，其特征在于：所述激光器为脉冲激光器。
3.如权利要求2所述一种快速成像质谱仪，其特征在于：脉冲激光束斑直径为0.01～1000μm，激光照射强度为1×105～1×1015W/cm2，激光波长为110～4500nm，激光脉宽为1fs～1ms，脉冲频率为0.1Hz～1MHz。
4.如权利要求1所述一种快速成像质谱仪，其特征在于：所述飞行时间质量分析器为直线式、反射式或多次反射式的飞行时间质量分析器。
5.如权利要求1所述一种快速成像质谱仪，其特征在于：所述位敏检测器为微通道板-荧光屏-超快照相机组合的位敏检测器、微通道板与延迟线组合的位敏检测器或阵列式探测器形成的位敏检测器。
6.一种快速成像质谱仪对样品表面成分成像的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将样品置于多维移动平台并伸入真空腔体中；从激光器出射的激光束经光学聚焦透镜组聚焦整形为近似平顶高斯光或普通高斯光并照射到样品的表面，在激光照射下，样品表面物质被解吸电离，或样品表面物质解吸成分通过后电离技术被电离，离子在加速区推斥电压和加速电压作用下进入离子光学透镜，保留其相对空间位置，再进入飞行时间质量分析器，分离后的不同质荷比的离子最后投射到位敏检测器上，获得样品表面被解吸成分的飞行时间信息与空间信息，实现二维成像，进而实现特定位置解吸的成分在特定的时间到达位敏检测器的特定位置。
7.如权利要求6所述一种快速成像质谱仪对样品表面成分成像的方法，其特征在于：后电离技术包括激光、电子、射线。
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