双轴激光差动共焦libs、拉曼光谱-质谱成像方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于共焦显微成像技术、光谱成像技术和质谱成像技术领域，将双轴差动共焦显微成像技术、激光诱导击穿光谱成像技术、拉曼光谱成像技术与质谱成像技术相结合，涉及一种双轴激光差动共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，在生物、材料、矿产、微纳制造等领域有广泛的应用前景。
技术背景
[0002]质谱仪(Mass Spectrometry)是将样品中的组分发生电离，使生成的不同荷质比的带电原子、分子或分子碎片在电场和磁场的作用下分别聚焦而得到按质荷比大小顺序排列的图谱仪器。质谱成像是对样品二维区域内多个微小区域分别进行质谱分析来检测特定质荷比(m/z)物质的分布。
[0003]自上世纪80年代中期基质辅助激光解吸电离这种高灵敏度和高质量检测范围生物质谱成像技术的出现，开拓了质谱学一个崭新的领域一生物质谱，促使质谱技术应用范围扩展到生命科学研究的众多领域，特别是质谱在蛋白质、核酸、糖蛋白分析等方面的应用，不仅为生命科学研究提供了新手段，而且也促进了质谱技术自身的发展。
[0004]但现有基质辅助激光解吸电离质谱仪存在以下突出问题:
[0005]I)由于利用简单的激光聚焦来解吸电离样品，因而其仍存在激光聚焦光斑大、质谱探测空间分辨力不高等问题；
[0006]2)无法对中性原子、分子、中离子及基团等进行探测，其结果制约了样品组分信息的准确完整获取；
[0007]3)质谱成像所需时间长，激光质谱仪聚焦光斑轴向位置相对被测样品常发生漂移问题。
[0008]而矿产、空间物质以及生物样品的“微区”形貌和完整组分信息的准确获取对于科学研究和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产分析、生化检测等领域亟待研究的重要技术问题。
[0009]激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发样品产生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组成信息；利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子结构信息。将激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相结合与质谱探测技术结合可以实现优势互补和结构功能融合，利用激光多谱(质谱、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱)融合技术实现样品完整组分信息探测。
[0010]激光双轴差动共焦技术利用照明与探测光路非共路结构进行探测，不仅显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，实现样品形貌的高分辨成像探测，而且可以有效抑制背向散射干扰，提高光谱探测信噪比。
[0011]基于此，本发明提出一种双轴激光差动共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，其创新在于:首次将具有高空间分辨能力的双轴差动共焦显微技术与激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和质谱探测技术相融合，可实现被测样品微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测。
[0012]本发明一种高空间分辨激光共焦诱导击穿、拉曼光谱与质谱显微成像方法与装置可为生物、材料、物理化学、微纳制造等领域的形貌组分成像探测提供一个全新的有效技术途径。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提高质谱成像的空间分辨能力、抑制成像过程中聚焦光斑相对样品的漂移，提出一种双轴激光差动共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，以期同时获得被测样品微区形貌信息和组分信息。本发明将激光双轴差动共焦显微镜聚焦光斑的探测功能与激光聚焦解吸电离功能相融合，利用经超分辨技术处理的双轴差动共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨形态成像，利用拉曼光谱探测系统对双轴差动共焦显微系统聚焦光斑激发样品产生的拉曼光谱进行探测，利用质谱探测系统对双轴差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的带电分子、原子等进行微区质谱成像，利用激光诱导击穿光谱探测系统对双轴共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的等离子体发射光谱信息进行激光诱导击穿光谱成像，然后再通过探测数据信息的融合与比对获得完成的样品成分信息，继而实现被测样品微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的成像与探测。
[0014]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0015]本发明的一种双轴激光差动共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法，利用高空间分辨双轴差动共焦显微系统的聚焦光斑对样品进行定焦与成像，利用拉曼光谱探测系统对双轴差动共焦显微系统聚焦光斑激发样品产生的拉曼光谱进行探测，利用质谱探测系统对双轴差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的带电分子、原子等进行微区质谱成像，利用激光诱导击穿光谱探测系统对双轴差动共焦显微系统聚焦光斑解吸电离样品而产生的等离子体发射光谱进行探测，然后再通过探测数据信息的融合与比对分析继而实现被测样品微区高空间分辨和高灵敏形态与组分的同时成像与探测，包括以下步骤:
[0016]步骤一、使平行光束通过环形光发生系统后整形为环形光束，该环形光束再经测量物镜聚焦到被测样品上；
[0017]步骤二、使计算机控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向在测量物镜焦点附近上下移动，利用采集物镜、分光器、二向色分光器、聚焦透镜、中继放大透镜和位于中继放大透镜焦面并关于采集光轴对称放置的第一光强点探测器和第二光强点探测器对放大艾里斑进行分割探测，得到艾里斑第一微区和艾里斑第二微区的强度特性曲线分别为第一离轴共焦轴向强度曲线和第二离轴共焦轴向强度曲线；
[0018]步骤三、将第一离轴共焦轴向强度曲线和第二离轴共焦轴向强度曲线相减处理得到双轴差动共焦轴向强度曲线，利用双轴差动共焦轴向强度曲线可以精确定位被测样品该点轴向高度信息；
[0019]步骤四、计算机依据双轴差动共焦轴向强度曲线的零点位置zA值控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向运动，使测量物镜的聚焦光斑聚焦到被测样品上；
[0020]步骤五、利用拉曼光谱探测系统对经分光器反射、二向色分光器透射和拉曼光谱收集透镜收集的拉曼光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品化学键及分子结构信息;
[0021]步骤六、改变平行光束照明模式，激发被测样品的微区解吸电离产生等离子体羽；
[0022]步骤七、利用电离样品吸管将聚焦光斑解吸电离被测样品产生的等离子体羽中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息;
[0023]步骤八、利用激光诱导击穿光谱探测系统对经分光器透射和激光诱导击穿光谱收集透镜收集的激光诱导击穿光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；
[0024]步骤九、计算机将激光双轴差动共焦探测系统测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统探测的激光聚焦微区的拉曼光谱、激光诱导击穿光谱探测系统探测的激光聚焦微区的光谱信息、质谱探测系统测得的激光聚焦微区的质谱信息进行融合处理，继而得到聚焦光斑微区的高度、光谱和质谱信息；
[0025]步骤十、计算机控制三维工作台使测量物镜焦点对准被测对象的下一个待测区域，然后按步骤二?步骤九进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息；
[0026]步骤十一、重复步骤十直到被测样品上的所有待测点均被测到，然后利用计算机进行处理即可得到被测样品形态信息和完整组分信息。
[0027]本发明方法包括步骤一可为使平行光束通过矢量光束发生系统、光瞳滤波器后整形为环形光束，该环形光束再经测量物镜聚焦到被测样品上解吸电离产生等离子体羽。
[0028]本发明的高空间分辨激光双轴差动共焦诱导击穿、拉曼光谱-质谱显微成像装置包括点光源、沿入射光轴方向放置的准直透镜、产生环形光束的环形光发生系统和聚焦光斑到被测样品的测量物镜，包括沿采集光轴方向放置的用于探测测量物镜聚焦光斑反射光强度信号的采集物镜、分光器和位于分光器反射方向的二向色性分光器、位于二向色分光器反射方向的聚焦透镜、中继放大透镜和位于中继放大透镜焦面并关于采集光轴对称放置的第一光强点探测器和第二光强点探测器，还包括位于二向色分光器透射方向用于探测拉曼光谱的拉曼收集透镜和位于拉曼收集透镜焦点的拉曼光谱探测系统；位于分光器透射方向用于探测激光诱导击穿光谱的分色镜、位于分色镜反射光方向的激光诱导击穿光谱收集透镜和位于激光诱导击穿光谱收集透镜焦点处的激光诱导击穿光谱探测系统，以及沿测量面法线方向、用于探测测量物镜聚焦光斑解析电离的离子体羽组分的电离样品吸管和质谱探测系