CN110942972A - 质谱仪及其光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质谱仪及其光学系统。该光学系统采用了基于固体激光器的质谱离子源设计,相比较于N2激光器具有寿命长,脉冲时间短,体积小巧,高重复频率等优点,有助于提高质谱仪器的分辨率以及降低维护的频次。尤其是,该光学系统通过将固体激光器、整个光路系统和壳体完全固定在光学固定平台上,光路系统位于壳体内,结构非常稳定,且安装维护方便。在使用时,可以通过调节第一聚焦透镜与准直透镜之间的距离来实现对激光光斑大小的调节,使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及质谱技术领域,尤其是涉及一种质谱仪及其光学系统。
背景技术
基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS)是一种广泛使用的生物质谱仪。其通过将待分析的样品与基质进行混合形成共结晶体,当激光照射共结晶体时,基质就会吸收激光的能量,随后将能量传递给样品,使得样品产生解吸附和电离过程。样品电离产生的粒子在电场的作用下获得加速,并最终达到飞行时间质谱仪检测器。不同的物质到达质谱仪检测器的时间也不一样,因此可以根据不同离子的到达时间精确计算离子的分子量。这种软电离质谱分析技术特别适合于蛋白质、多肽、核酸等物质的检测。直线式结构的MALDI-TOFMS能够有限避免不稳定的大分子在飞行过程中的碎裂现象,因此分析的质量范围可以达到百万道尔顿。
当前用于微生物鉴定的直线式MALDI-TOFMS仍主要采用氮分子激光器(N2激光器)作为电离源。N2激光器的波长为337nm,特别适合MALDI-TOFMS的电离,且N2激光器具有价格低廉的优点,因而一直以来备受青睐。N2激光器产生的光束一般大于3mm,甚至更大,一般需要通过光纤连接到N2激光器的出光口进行光束导入,随后通过光学镜片调节光束大小;或者采用传统镜架形式单独安装固定。
N2激光器虽然使用普遍,但存在诸多缺点,例如:N2激光器的使用寿命较短,典型的N2激光器的寿命仅为5000万次脉冲发射,实验室一般需要定期更换激光器;N2激光器的脉冲宽度一般不低于3ns,这样会提高离子在产生初始的时间分散,最终影响分辨率;N2激光器的重复频率较低,一般仅为20Hz至60Hz,对于高通量的样品分析或者是质谱成像分析,这样的重复频率远远不够;N2激光器一般体积较大,产生的激光光束的直径也较大,因此需要采用光纤进行光束导入,然而光纤导入会大大降低光束能量,或者采用镜架安装固定,这样会使得光路的调试维护复杂繁琐,易受灰尘影响,系统稳定性弱;采用N2激光作为电离源的质谱系统虽然可以改变激光的能量大小,但是对于光斑大小的改变却并不容易,需要进行一系列复杂的光学调节才能实现。
发明内容
基于此,有必要提供一种质谱仪及其光学系统,以解决传统的使用N2激光器的质谱仪存在的诸多问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下。
一种质谱仪的光学系统,包括光学固定平台和设于所述光学固定平台上的固体激光器、光路系统和壳体;
所述光路系统包括第一聚焦透镜、准直透镜和第二聚焦透镜,所述固体激光器发出的激光束经所述第一聚焦透镜产生发散的激光束,所述发散的激光束经所述准直透镜后成为准直的激光束,所述准直的激光束经所述第二聚焦透镜聚焦后能够入射到样品上;
所述第一聚焦透镜、所述准直透镜以及所述第二聚焦透镜设于所述壳体内,且所述第一聚焦透镜与所述准直透镜之间的距离可调。
在其中一个实施例中,所述光路系统还包括滤光片,所述滤光片用于调节激光束的能量。
在其中一个实施例中,所述光学系统还包括滤光调节机构,所述滤光调节机构与所述滤光片连接,以用于带动所述滤光片转动。
在其中一个实施例中,所述壳体为模块化结构,包括依次连接的第一透镜壳体模块、第二透镜壳体模块和第三透镜壳体模块,所述第一聚焦透镜、所述准直透镜以及所述第二聚焦透镜分别设于所述第一透镜壳体模块、所述第二透镜壳体模块和所述第三透镜壳体模块中;
所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间可相对运动以调节所述第一聚焦透镜与所述准直透镜之间的距离。
在其中一个实施例中,所述光学系统还包括透镜调节机构,所述透镜调节机构与所述第一透镜壳体模块和/或所述第二透镜壳体模块连接,以用于调节所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块的相对位置。
在其中一个实施例中,所述壳体还包括第一反射壳体模块、第二反射壳体模块和/或第三反射壳体模块,相应地,所述光路系统还包括设于所述第一反射壳体模块内的第一反射镜、设于所述第二反射壳体模块内的第二反射镜和/或设于所述第三反射壳体模块内的第三反射镜;
所述第一反射壳体模块连接于所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间,所述第二反射壳体模块连接于所述第二透镜壳体模块与所述第三透镜壳体模块之间,所述第三反射壳体模块连接于所述第三透镜壳体模块之后。
在其中一个实施例中,所述光学系统还包括反射调节机构,所述反射调节机构与所述第一反射镜、所述第二反射镜和/或所述第三反射镜连接以用于调节相应的反射镜的角度。
在其中一个实施例中,相邻的壳体模块之间通过螺纹连接结构连接在一起;
所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间相对运动是通过螺旋式调节结构进行调节的。
在其中一个实施例中,所述光路系统上还设有用于对激光光斑进行平顶处理,使高斯分布的激光能变成平顶能量均匀分布的激光光束的光学整形镜片和/或用于对质谱仪电控脉冲系统进行零抖动触发的光电触发模块。
一种质谱仪,包括上述任一实施例所述的光学系统。
上述质谱仪及其光学系统采用了基于固体激光器的质谱离子源设计,相比较于N2激光器具有寿命长,脉冲时间短,体积小巧,高重复频率等优点,有助于提高质谱仪的分辨率以及降低维护的频次。尤其是,该光学系统通过将固体激光器、整个光路系统和壳体完全固定在光学固定平台上,光路系统位于壳体内,结构非常稳定,且安装维护方便。在使用时,可以通过调节第一聚焦透镜与准直透镜之间的距离来实现对激光光斑大小的调节,使用方便。
附图说明
图1为本发明一实施例的质谱仪的光学系统的结构示意图;
图2为图1所示光学系统的剖视图;
图3为图1所示光学系统的光路原理示意图;
图4为第一聚焦透镜的位移量与聚焦点光斑直径的关系曲线;
图5为实际光斑测量结果;
图6为另一实施例的光学系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是,当元件被称为“设于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请结合图1、图2和图3,本发明一实施例提供了一种质谱仪的光学系统10,其包括光学固定平台100、固体激光器200、光路系统300和壳体400。固体激光器200、光路系统300和壳体400设于光学固定平台100上。
固体激光器200固定在光学固定平台100上。在本实施例中,固体激光器200发射的激光的波长为343nm。固体激光器200相比较传统的N2激光器,具有使用寿命长、激光脉冲宽度小、重复频率高、体积小等优点,可显著改善基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪的分辨率,降低维护的频次,并且有利于仪器的体积小型化设计。
光路系统300包括第一聚焦透镜310、准直透镜320和第二聚焦透镜330。固体激光器200发出的激光束经第一聚焦透镜310产生发散的激光束,发散的激光束经准直透镜320后成为准直的激光束,准直的激光束经第二聚焦透镜330聚焦后能够入射到样品上。第一聚焦透镜310、准直透镜320以及第二聚焦透镜330设于壳体400内,且第一聚焦透镜310与准直透镜320之间的距离可调。
图3所示的是整个光路系统10的原理示意图。固体激光器200与第一聚焦透镜310(图中F1,其焦距为f1)之间的距离为L1,固体激光器200产生的激光脉冲,通过第一聚焦透镜310产生发散的光束,这一光束的后方一定距离L2处有准直透镜320(图中F2,其焦距为f2)用于将发散的激光束进行准直,在准直光束一定距离L3处有第二聚焦透镜330(图中F3,其焦距为f3)将准直光束进行再次聚焦,根据选择的透镜的焦距参数,可以在一定距离L4处获得想要的光斑大小。通过调节第一聚焦透镜310与准直透镜320之间的距离就可以实现在固定位置处激光光斑大小的连续可调。
图4所示为在参数如表1所示下,软件模拟出的不同ω0(固体激光器200出射的光斑直径大小)下ω1(固定位置处激光光斑直径大小)与第一聚焦透镜310的位移量的关系曲线。
表1
在一个具体示例中,光路系统300还包括滤光片(图未示)。滤光片可以是但不限于中性密度滤光片等,用于调节激光束的能量。更具体地,滤光片可设于第二聚焦透镜330之后,以用于调节由第二聚焦透镜330聚焦后的激光束的能量。
进一步,该光学系统10还包括滤光调节机构。滤光调节机构与滤光片连接,以用于带动滤光片转动。滤光调节机构可以是舵机等机构,其转动可以带动滤光片转动,进而实现对激光能力的连续调节。
为尽可能地减小整个光学系统10的体积,本发明对光学系统10的结构进行了创造性的优化设计。在一个具体示例中,壳体400采用模块化结构设计,包括依次连接的第一透镜壳体模块410、第二透镜壳体模块420和第三透镜壳体模块430。第一聚焦透镜310、准直透镜320以及第二聚焦透镜330分别设于第一透镜壳体模块410、第二透镜壳体模块420和第三透镜壳体模块430中。
第一透镜壳体模块410与第二透镜壳体模块420之间可相对运动以调节第一聚焦透镜310与准直透镜320之间的距离,如可以将第一聚焦透镜310的位置固定,准直透镜320的位置可调;或者将第一聚焦透镜310的位置可调,准直透镜320的位置固定;或者将第一聚焦透镜310和准直透镜320同时设计为位置可调。优选地,该光学系统10还包括透镜调节机构。透镜调节机构与第一透镜壳体模块410和/或第二透镜壳体模块420连接,以用于调节第一透镜壳体模块410与第二透镜壳体模块420的相对位置。透镜调节机构可以是微小型的步进电机等,可自动控制,调节精度高,操作方便。
壳体400采用模块化的结构设计,极大的降低了安装和调试的难度,且便于实现调节第一聚焦透镜310与准直透镜320之间的距离,如可以将第一透镜壳体模块410与第二透镜壳体模块420螺纹连接,通过透镜调节机构带动第一透镜壳体模块410和/或第二透镜壳体模块420转动进行位置微调,实现最终光斑大小的连续可调。
进一步,如在图1和图2所示的具体示例中,壳体400还包括第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460,相应地,光路系统300还包括设于第一反射壳体模块440内的第一反射镜340、设于第二反射壳体模块450内的第二反射镜450和设于第三反射壳体模块460内的第三反射镜360。第一反射壳体模块440连接于第一透镜壳体模块410与第二透镜壳体模块420之间,第二反射壳体模块450连接于第二透镜壳体模块420与第三透镜壳体模块430之间,第三反射壳体模块460连接于第三透镜壳体模块430之后。通过设置第一反射镜340、第二反射镜350以及第三反射镜360,可以实现对激光束的入射角度调节,并且有利于实现对整个光路系统10的长度和体积的优化设计。
更进一步,在图示的具体示例中,第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460通过螺钉固定在光学固定平台100上。第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460的两端均具有设有内螺纹的外筒,第一透镜壳体模块410、第二透镜壳体模块420与第三透镜壳体模块430为具有外螺纹的圆筒状结构,作为内筒分别与第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460螺纹连接,也即相邻的壳体模块之间通过螺纹连接结构连接在一起,第一透镜壳体模块410与第二透镜壳体模块420之间相对运动是通过螺旋式调节结构进行调节。壳体400的各壳体模块按照套管式的安装方式连接固定,安装和调试非常方便。
在一个具体示例中,光学系统10还包括反射调节机构。反射调节机构与第一反射镜340、第二反射镜350和/或第三反射镜360连接以用于调节相应的反射镜的角度,可轻松实现对激光出射方向的调节和聚焦点位置的调节。
模块化的壳体400可以根据需求将不同壳体模块放置于不同位置,灵活多变,此外,还可以根据需要增加用于对激光光斑进行平顶处理,使高斯分布的激光能变成平顶能量均匀分布的激光光束的光学整形镜片、和/或用于对质谱仪电控脉冲系统进行零抖动触发的光电触发模块等。
该壳体400也可以不含有第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460,或者含有第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460中的一个或两个,且第一反射壳体模块440、第二反射壳体模块450和第三反射壳体模块460中的反射镜朝向也可以根据需要设置。图6所示的光学系统20即不含有第二反射壳体模块,且第三发射壳体模块21中的第三反射镜朝下设置,将固体激光器22发出的激光最终沿垂直于光学固定平台23的方向导出。此外,图6所示的光学系统20还包括光电触发模块24和滤光片25。
本发明还提供了一种质谱仪,其包括上述任一具体示例的光学系统。
图5为采用图1和图2所示光学系统10对聚焦点进行实际光斑测量结果,结果表明该光学系统10最小可实现16*14μm的聚焦效果。
上述质谱仪及其光学系统10采用了基于固体激光器的质谱离子源设计,相比较于N2激光器具有寿命长,脉冲时间短,体积小巧,高重复频率等优点,有助于提高质谱仪器的分辨率以及降低维护的频次。尤其是,该光学系统10通过将固体激光器200、整个光路系统300和壳体400完全固定在光学固定平台100上,光路系统300位于壳体400内,结构非常稳定,且安装维护方便。在使用时,可以通过调节第一聚焦透镜310与准直透镜320之间的距离来实现对激光光斑大小的调节,并可调节滤光片最终调节出射的激光的强度,实现对激光能量的连续调节,操作简便。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种质谱仪的光学系统,其特征在于,包括光学固定平台和设于所述光学固定平台上的固体激光器、光路系统和壳体;
所述光路系统包括第一聚焦透镜、准直透镜和第二聚焦透镜,所述固体激光器发出的激光束经所述第一聚焦透镜产生发散的激光束,所述发散的激光束经所述准直透镜后成为准直的激光束,所述准直的激光束经所述第二聚焦透镜聚焦后能够入射到样品上;
所述第一聚焦透镜、所述准直透镜以及所述第二聚焦透镜设于所述壳体内,且所述第一聚焦透镜与所述准直透镜之间的距离可调。
2.如权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述光路系统还包括滤光片,所述滤光片用于调节激光束的能量。
3.如权利要求2所述的光学系统,其特征在于,还包括滤光调节机构,所述滤光调节机构与所述滤光片连接,以用于带动所述滤光片转动。
4.如权利要求1~3中任一项所述的光学系统,其特征在于,所述壳体为模块化结构,包括依次连接的第一透镜壳体模块、第二透镜壳体模块和第三透镜壳体模块,所述第一聚焦透镜、所述准直透镜以及所述第二聚焦透镜分别设于所述第一透镜壳体模块、所述第二透镜壳体模块和所述第三透镜壳体模块中;
所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间可相对运动以调节所述第一聚焦透镜与所述准直透镜之间的距离。
5.如权利要求4所述的光学系统,其特征在于,还包括透镜调节机构,所述透镜调节机构与所述第一透镜壳体模块和/或所述第二透镜壳体模块连接,以用于调节所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块的相对位置。
6.如权利要求4所述的光学系统,其特征在于,所述壳体还包括第一反射壳体模块、第二反射壳体模块和/或第三反射壳体模块,相应地,所述光路系统还包括设于所述第一反射壳体模块内的第一反射镜、设于所述第二反射壳体模块内的第二反射镜和/或设于所述第三反射壳体模块内的第三反射镜;
所述第一反射壳体模块连接于所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间,所述第二反射壳体模块连接于所述第二透镜壳体模块与所述第三透镜壳体模块之间,所述第三反射壳体模块连接于所述第三透镜壳体模块之后。
7.如权利要求6所述的光学系统,其特征在于,还包括反射调节机构,所述反射调节机构与所述第一反射镜、所述第二反射镜和/或所述第三反射镜连接以用于调节相应的反射镜的角度。
8.如权利要求6所述的光学系统,其特征在于,相邻的壳体模块之间通过螺纹连接结构连接在一起;
所述第一透镜壳体模块与所述第二透镜壳体模块之间相对运动是通过螺旋式调节结构进行调节的。
9.如权利要求1~3中任一项所述的光学系统,其特征在于,所述光路系统上还设有用于对激光光斑进行平顶处理,使高斯分布的激光能变成平顶能量均匀分布的激光光束的光学整形镜片和/或用于对质谱仪电控脉冲系统进行零抖动触发的光电触发模块。
10.一种质谱仪,其特征在于,包括如权利要求1~9中任一项所述的光学系统。
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CN113204176A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-08-03 | 合肥芯碁微电子装备股份有限公司 | 用于检测和调试设备成像光路的工装、检测系统和方法 |
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