CN110942973A - 质谱分析器及其光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质谱分析器及其光学系统。光学系统中激光的入射方向与离子源腔体的轴线方向所形成的角度非常小，激光电离产生的粒子的初始速度方向基本是沿离子源腔体的中轴方向发散，因此离子的初始动能发散较小，有利于提高质谱分析器的分辨率及灵敏度。而照明单元发出的照明光和成像光路与离子源腔体的轴线方向所形成的角度也非常小，且照明和成像方向完全对称，因而照明光源在样品靶板表面产生的照射面积与成像单元成像的面积的交叉范围可以达到最大化，既可以避免邪影效应的产生，又能够大大提高成像的范围，进而成像质量大大提高。

Description

质谱分析器及其光学系统

技术领域

本发明涉及质谱检测仪器领域，尤其是涉及一种质谱分析器及其光学系统。

背景技术

基质辅助激光解吸(MALDI)离子源的出现为大分子完整分析提供了非常重要的技术手段。MALDI技术非常适合与飞行时间质谱(TOFMS)检测技术进行联合，这也是MALDI技术最成功的技术组合。近年来，随着激光技术、高速数据采集、离子探测、基质技术的快速发展，MALDI离子化技术的性能也得到了飞速提升，使得现代的MALDI仪器已经具备了高分辨率、高灵敏度、高质量范围甚至定量的能力。近年来，MALDI-TOFMS已逐渐成为蛋白质、多肽、核酸等生物大分子分析的重要手段。利用MALDI-TOFMS绘制微生物的蛋白质离子峰图谱，随后将临床微生物的质谱数据与标准蛋白指纹图谱数据库进行比较，就可以达到微生物鉴定的目的。相比于传统的生化法、发光法等微生物鉴定技术，这一方法无论是在鉴定速度、结果准确率、还是技术成本、人员操作要求等方面都具有一定的优势。MALDI-TOFMS具有的高灵敏度、宽质量范围以及适中的分辨率和质量精度等技术特点，加之操作简单、快速、经济等使用特点，使其成为高通量、业务化运行最具潜力的仪器。在微生物鉴定以及核酸检测领域，MALDI-TOFMS已经走向临床应用阶段。

MALDI-TOFMS需要将待分析的样品物质与基质进行混合滴定在不锈钢靶板上，混合物风干或者吹干之后产生共结晶体，通过将聚焦之后的激光点照射到共结晶体表面，基质吸收激光能量之后将能量传递给待分析的样品分子，从而将样品分子进行电离，随后利用飞行时间质谱仪进行检测，并根据不同离子飞行时间的不同识别各个离子对应的物质。在样品分析时，由于产生的共结晶体在靶板表面的分布往往不均匀，有些位置的结晶体状态较好，形成的结晶物质较多，而有些部位则没有形成结晶物质。因此在进行激光样品分析的过程中，操作人员需要能够实时看到样品的结晶状态以及不同靶位处样品的结晶好坏，从而选择最合适的分析点进行实验。由于激光光路系统往往很长，轻微的震动或位移就会导致激光点偏移待分析样品的中心，因此实时观察激光样品点所处的位置能够有效监测仪器的工作状态，从而保证仪器的性能的发挥。此外，对于不同的分析样品，其结晶体的颜色、反光度、形状等都不一致，对于光的敏感程度也不一致，因此成像装置还必须能够适应不同分析物的照明和成像需求。

然而，传统的大部分质谱检测设备的质谱分辨率和成像质量均有待提高。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够提高质谱分辨率和成像质量的质谱分析器及其光学系统。

本发明解决所述技术问题的技术方案如下。

一种质谱分析器的光学系统，包括激光单元、照明单元、成像单元以及光学反射机构；所述激光单元、所述照明单元以及所述成像单元设于所述质谱分析器的离子源腔体的外部，所述光学反射机构设于所述离子源腔体的内部；

所述激光单元发出的激光经所述光学反射机构反射后射到样品表面且反射的激光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°；所述照明单元发出的照明光经所述光学反射机构反射后照射到样品表面且经所述光学反射机构反射后的照明光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°；所述成像单元用于接收由所述样品反射的照明光以用于样品成像。

在其中一个实施例中，所述样品反射的照明光经由所述光学反射机构反射后射入所述成像单元。

在其中一个实施例中，所述激光单元、所述照明单元以及所述成像单元围绕所述质谱分析器的离子源腔体的设置。

在其中一个实施例中，所述照明单元的光源与所述成像单元的光学镜头相对设置。

在其中一个实施例中，所述激光单元发出的激光的入射方向垂直于经所述光学反射机构反射后的照明光光线与由所述样品反射的照明光光线所确定的平面。

在其中一个实施例中，所述光学反射机构具有三个反射面，分别用于将入射的所述激光反射至所述样品、将所述照明单元发出的照明光反射至所述样品以及将所述样品反射的照明光反射至所述成像单元。

在其中一个实施例中，所述成像单元包括光学镜头和拍摄装置，由所述光学反射机构反射出的照明光经由所述光学镜头捕获后摄入所述拍摄装置。

一种质谱分析器，包括离子源组件以及上述任一实施例所述的光学系统；所述离子源组件包括离子源腔体、样品靶板以及极片组件，所述样品靶板及所述极片组件设于所述离子源腔体内且位于所述光学反射机构的下方。

在其中一个实施例中，所述离子源腔体的上部为八面柱体结构，所述照明单元与所述成像单元分别对应于所述离子源腔体的八面柱体结构部分的两个相对的侧壁，所述激光单元对应于所述离子源腔体的八面柱体结构部分的另一侧壁且该侧壁与所述照明单元对应的侧壁之间间隔有一侧壁。

在其中一个实施例中，所述光学反射机构位于所述离子源腔体的中部，经所述光学反射机构反射后的照明光光线与由所述样品反射的照明光光线以所述离子源腔体的中轴线对称。

研究发现，激光电离过程产生的离子的初始特性对于仪器整机性能的影响至关重要，产生的离子的初始飞行方向与激光入射的方向呈现直接的反向关系。因此，理论上来说激光垂直照射样品产生的离子将沿着仪器的中轴发散，最有利于提高分辨率。然而，传统的大部分设备的激光入射角度与轴向之间的角度过大，导致产生的离子发散方向偏离中轴，从而影响质谱分辨率。进一步研究发现，由于传统的MALDI-TOFMS离子源结构非常紧凑，实现对样品点的照明和成像具有一定的难度，整个光学系统需要穿过离子源系统的一系列组件，因此，传统的质谱设备一般采用的大角度照明和成像。这种方法一方面会导致成像的图像产生较为严重的斜影效应，造成成像所得到的图形的变形程度较大，一般需要做图形整形处理，较为复杂；另一方面，由于照明和成像光路系统往往不是同一光路，因此两者的交汇区域面积较小，导致最终成像的面积范围有限。

基于此，针对传统的MALDI-TOFMS仪器中存在的激光入射角度、照明以及成像角度过大的问题，本发明提供了一种小角度激光入射、照明以及成像的质谱分析器及其光学系统。其中，激光单元发出的激光经光学反射机构反射后射到样品表面且反射的激光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°，这样由于激光的入射方向与离子源腔体的轴线方向所形成的角度非常小，激光电离产生的粒子的初始速度方向基本是沿离子源腔体的中轴方向发散，因此离子的初始动能发散较小，有利于提高质谱分析器的分辨率及灵敏度。而照明单元发出的照明光经光学反射机构反射后照射到样品表面且经光学反射机构反射后的照明光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°，成像单元用于接收由样品反射的照明光，这样成像光路的角度也非常小。且照明和成像方向完全对称，因而照明光源在样品靶板表面产生的照射面积与成像单元成像的面积的交叉范围可以达到最大化，既可以避免邪影效应的产生，又能够大大提高成像的范围，进而成像质量大大提高。

进一步，为了尽可能降低激光入射方向与质谱飞行管中轴的角度，整个离子源组件的其他极片组件等都安装在光学反射机构的下方，并且极片组件内孔的设计可以保证激光和照明光能够顺利到达样品表面而不会受到极片组件的影响。因此，经反射之后的激光能够以非常小的角度到达样品表面，将样品电离，照明产生的面光源能够通过极片组件中间的孔阵列到达成像单元。

附图说明

图1为本发明一实施例的质谱分析器的部分结构示意图；

图2为图1中离子源组件与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和图2，本发明一实施例提供了一种质谱分析器10，其包括离子源组件100和光学系统200。质谱分析器10可以是飞行时间质谱仪等各类质谱分析器。

离子源组件100包括离子源腔体110、样品靶板120以及极片组件130。

离子源腔体110具有一真空腔112。在一个具体的示例中，离子源腔体110的上部呈八面柱体结构，优选为正八面柱体结构。

样品靶板120与极片组件130位于离子源腔体110的真空腔112内。样品靶板120用于放置待分析的样品物质与基质的共结晶体样品。极片组件130用于将样品电离产生的离子导入质量分析器进行质量分析。极片组件130的引出极片132位于样品靶板120的上方，且开设有供光学系统的光穿过的极片内孔134。

光学系统200包括激光单元210、照明单元220、成像单元230以及光学反射机构240。激光单元210、照明单元220以及成像单元230设于离子源腔体110的外部，光学反射机构240设于离子源腔体110的内部。

在本实施例中，激光单元210发出的激光经光学反射机构240反射后射到样品表面且反射的激光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角大于0°且不大于10°(反射的激光光线与样品靶板120所成的夹角小于90°且不小于80°)，也即入射的激光以非常小的角度入射到样本靶板120上。优选地，反射的激光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角不大于6°，如可以是3°、4°、5°或6°等，进一步优选为4°～5°。

进一步，本实施例的照明单元220发出的照明光经光学反射机构240反射后照射到样品表面且经光学反射机构240反射后的照明光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角大于0°且不大于10°(经光学反射机构240反射的照明光光线与样品靶板120所成的夹角小于90°且不小于80°)，也即入射的照明光以非常小的角度照射到样本靶板120上。优选地，经光学反射机构240反射后的照明光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角不大于6°，如可以是3°、4°、5°或6°等，进一步优选为4°～5°。

成像单元230用于接收由样品反射的照明光。样品反射的照明光光线与经光学反射机构240反射的照明光光线以垂直于样品靶板120的垂线对称设置。在一个具体的示例中，样品反射的照明光经由光学反射机构240反射后射入成像单元230。

更具体地，成像单元230包括光学镜头232和拍摄装置234。由光学反射机构240反射出的照明光经由光学镜头232捕获后摄入拍摄装置234进行成像。拍摄装置234可以是CCD成像装置，且还可以与外接显示装置连接，进行拍摄图像的显示。

以图2所示的具体示例为例，激光单元210、照明单元220以及成像单元230围绕离子源腔体110的设置。离子源腔体110上对应激光单元210、照明单元220以及成像单元230开设有三个透明窗口。

优选地，照明单元220的光源与成像单元230的光学镜头232相对设置。

更优选地，激光单元210发出的激光的入射方向垂直于经光学反射机构240反射后的照明光光线与由样品反射的照明光光线所确定的平面。

在一个具体的示例中，光学反射机构240具有三个反射面242，分别用于将入射的激光反射至样品、将照明单元220发出的照明光反射至样品以及将样品反射的照明光反射至成像单元230。如图2所示，以经光学反射机构240反射的照明光光线与垂直样品靶板120的轴线呈5°夹角为例，用于反射照明光的反射面242与入射的照明光光线呈42.5°的夹角，同理，用于反射由样品反射的照明光的反射面242与出射至成像单元230的照明光线也呈42.5°的夹角。同样，当经光学反射机构240反射的激光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角也为5°时，用于反射激光的反射面242与入射的激光光线也呈42.5°的夹角。

进一步，以上部为正八面柱体结构的离子源腔体110为例，优选地，照明单元220与成像单元230分别对应于离子源腔体110的八面柱体结构部分的两个相对的侧壁，激光单元210对应于离子源腔体110的八面柱体结构部分的另一侧壁且该侧壁与照明单元220或成像单元230对应的侧壁之间间隔有一侧壁。图2所示的示意图中未示出激光光路，激光光路垂直于经光学反射机构240反射后的照明光光线与由样品反射的照明光光线所确定的平面。

更进一步，在一个具体示例中，光学反射机构240位于离子源腔体110的中部，经光学反射机构240反射后的照明光光线与由样品反射的照明光光线以离子源腔体110的中轴线对称。

为了尽可能降低激光入射方向与质谱飞行管中轴的角度，整个离子源组件100的极片组件130等都安装在光学反射机构240的下方，并且引出极片132的极片内孔134的设计可以保证激光和照明光能够顺利到达样品表面而不会受到极片组件130的影响。因此，经反射之后的激光能够以非常小的角度到达样品表面，将样品电离，照明产生的面光源能够通过极片组件130中间的孔阵列到达成像单元230。

上述质谱分析器10以小角度激光入射、照明以及成像，可以显著提高质谱分析的分辨率和成像质量。具体地，激光单元210发出的激光经光学反射机构240反射后射到样品表面且反射的激光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角大于0°且不大于10°，这样由于激光的入射方向与离子源腔体110的轴线方向所形成的角度非常小，激光电离产生的粒子的初始速度方向基本是沿离子源腔体110的中轴方向发散，因此离子的初始动能发散较小，有利于提高质谱分析器10的分辨率及灵敏度。而照明单元220发出的照明光经光学反射机构240反射后照射到样品表面且经光学反射机构240反射后的照明光光线与垂直于样品靶板120的轴线的夹角大于0°且不大于10°，成像单元230用于接收由样品反射的照明光，这样成像光路的角度也非常小。且照明和成像方向完全对称，因而照明光源在样品靶板120表面产生的照射面积与成像单元230成像的面积的交叉范围可以达到最大化，既可以避免邪影效应的产生，又能够大大提高成像的范围，进而成像质量大大提高。

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)

1.一种质谱分析器的光学系统，其特征在于，包括激光单元、照明单元、成像单元以及光学反射机构；所述激光单元、所述照明单元以及所述成像单元设于所述质谱分析器的离子源腔体的外部，所述光学反射机构设于所述离子源腔体的内部；

所述激光单元发出的激光经所述光学反射机构反射后射到样品表面且反射的激光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°；所述照明单元发出的照明光经所述光学反射机构反射后照射到样品表面且经所述光学反射机构反射后的照明光光线与垂直于样品靶板的轴线的夹角大于0°且不大于10°；所述成像单元用于接收由所述样品反射的照明光以用于样品成像。

2.如权利要求1所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述样品反射的照明光经由所述光学反射机构反射后射入所述成像单元。

3.如权利要求2所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述激光单元、所述照明单元以及所述成像单元围绕所述质谱分析器的离子源腔体的设置。

4.如权利要求3所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述照明单元的光源与所述成像单元的光学镜头相对设置。

5.如权利要求4所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述激光单元发出的激光的入射方向垂直于经所述光学反射机构反射后的照明光光线与由所述样品反射的照明光光线所确定的平面。

6.如权利要求1～5中任一项所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述光学反射机构具有三个反射面，分别用于将入射的所述激光反射至所述样品、将所述照明单元发出的照明光反射至所述样品以及将所述样品反射的照明光反射至所述成像单元。

7.如权利要求1～5中任一项所述的质谱分析器的光学系统，其特征在于，所述成像单元包括光学镜头和拍摄装置，由所述光学反射机构反射出的照明光经由所述光学镜头捕获后摄入所述拍摄装置。

8.一种质谱分析器，其特征在于，包括离子源组件以及如权利要求1～7中任一项所述的光学系统；所述离子源组件包括离子源腔体、样品靶板以及极片组件，所述样品靶板及所述极片组件设于所述离子源腔体内且位于所述光学反射机构的下方。

9.如权利要求8所述的质谱分析器，其特征在于，所述离子源腔体的上部为八面柱体结构，所述照明单元与所述成像单元分别对应于所述离子源腔体的八面柱体结构部分的两个相对的侧壁，所述激光单元对应于所述离子源腔体的八面柱体结构部分的另一侧壁且该侧壁与所述照明单元对应的侧壁之间间隔有一侧壁。

10.如权利要求9所述的质谱分析器，其特征在于，所述光学反射机构位于所述离子源腔体的中部，经所述光学反射机构反射后的照明光光线与由所述样品反射的照明光光线以所述离子源腔体的中轴线对称。

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