本发明属于样品分析仪器技术领域，涉及一种常压敞开式激光质谱仪，具体地说涉及一种以激光作为离子源的外置电磁场增强常压敞开式质谱仪。
背景技术：
质谱仪是一种根据离子的质荷比来分析离子质量数的仪器，其通过测定质荷比和气相离子的丰度鉴定样品中存在的化学成分的含量和类型，在元素和同位素的检测和分析上有着不可替代的作用，随着科学技术的不断发展，质谱为有关研究与实践工作提供的信息越来越多，利用质谱仪分析样品的方法已逐渐成为生命科学、食品安全、国土安全、临床医学检测和空间技术等热门领域的主要分析方法。传统的质谱仪通常属于典型的“大型仪器”，平均报价均在百万元以上。
近年来随着移动检测和筛检市场需求的增长，如环境、海关、机场、车站、矿业、农场等领域，便携的常压敞开式质谱仪得到了广泛关注，2016年《“重大科学仪器设备开发”重点专项2016年度项目申报指南(国科发资〔2016〕38号)》中明确指出研究敞开式离子化新技术，研制新型电喷雾、介质阻挡放电、激光/气体辅助喷雾和高度集成化敞开式的离子源，开展新离子化应用方法开发和数据库构建，实施新离子源的工程化和产业化开发，以满足原位实时快速分析、单细胞分析、质谱成像分析、超痕量样品分析需求，推动我国质谱离子化技术与装置的跨越式发展。
离子源是质谱仪的核心部件之一，其很大程度上决定了质谱的灵敏度，目前，常规的离子源制备方法包括电子轰击电离(ei)、化学电离(ci)、快原子轰击(fab)、基质辅助激光解析电离(maldi)、热电离(tims)等，上述方法都需要在真空环境中操作。近年来，随着电喷雾电离(esi)、实时直接分析(dart)、电感耦合等离子体(icp)、大气压化学电离(apci)、大气压光电离(appi)、大气压固体分析探头电离(asap)、激光烧蚀电喷雾(laesi)等电离方法的发明，使得非真空质谱测量成为可能。但是目前的非真空质谱测量还存在以下几个问题：(1)无法在真正的大气环境下操作，需要合适的气氛和温度。例如icp、apci、appi、asap；(2)受外界环境影响很大。例如esi、dart、laesi；(3)都是软电离方法，无法有效应对硬质、难溶、难熔、难电离样品；(4)需要辅助装置对样品进行粉碎、溶解甚至雾化处理。
目前的非真空质谱测量存在的缺陷都来自于电离方法自身的不足。无论是esi还是dart等方法，采用的都是电子或者离子喷射方法来使样品带电。这样的软电离方法对易脱附、易挥发、可溶解的材料非常适用，但是对于硬质、不挥发、难溶、难熔、难电离的样品就束手无策。尤其是目前的便携式非真空质谱设备，通常需装备有一系列配套的制样、采样和进样设施。近几年来也出现了一些以激光作为离子源的质谱仪，其可在大气环境下粉碎并离子化材料，由于该方法中采集的是激光轰击后产生的等离子体，因此等离子体的寿命、分布和密度都会直接影响测量效果。而等离子体的寿命很短，通常在数个微妙以内，且具有高温高压特性，产生后即向周边自由空间告诉扩散，使得等离子体的分布和密度始终处于一个动态变化过程，同时敞开式大气环境使得高能等离子体暴露于空气环境，极易与空气中所含的氧分子、水分子等成分发生反应，从而直接影响等离子体寿命、稳定性和成分信息，导致检测结果准确性不佳。
技术实现要素：
为此，本发明正是要解决上述技术问题，从而提出一种提高了等离子体寿命、稳定性、抑制了等离子体扩散、提高了检测准确度的外置电磁场常压敞开式激光质谱仪。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明提供一种外置电磁场常压敞开式激光质谱仪，其包括顺次设置的质量分析器、控制单元、激光器、光束传输单元和外加电磁装置，待检测样品放置于外加电磁装置与所述质量分析器之间，所述质量分析器的进样口朝向所述外加电磁装置以收集被激发出的样品离子。
作为优选，所述的电磁装置由至少一个电极组成。
或者，作为优选，所述的电磁装置由至少一个磁体组成。
或者，作为优选，所述的电磁装置由至少一个电极和至少一个磁体组成。
作为优选，所述的电磁装置设置于待检测样品的周边位置。
所述光束传输单元包括光束整形器、光束传导器、聚焦透镜、激光方向调节机构中的至少一个。
作为优选，所述光束传输单元由沿激光光路顺次设置的光束整形器、光束传导器、聚焦透镜和激光方向调节或者扫描机构组成。
作为优选，所述激光方向调节或扫描机构为激光振镜、多面转镜或多面扫描镜。
作为优选，所述电极为正电极或负电极，所述磁体为永磁铁或电磁铁。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的外置电磁场常压敞开式激光质谱仪，其包括顺次设置的质量分析器、控制单元、激光器、光束整形单元和外加电磁装置，待检测样品放置于外加电磁装置与所述质量分析器之间，所述质量分析器的进样口朝向所述外加电磁装置以收集样品离子。该质谱仪以激光作为产生等离子体的激发源，可在非真空的大气环境下进行操作，应用范围更广，并且，外加电磁装置用于产生电磁场来控制等离子体中离子的运动方向并抑制了离子的扩散，从而起到了延长等离子体寿命、富集离子浓度、提高离子运动速度和引导离子向质量分析器进样口运动的作用，有效提高了常压敞开式激光质谱分析的信噪比和灵敏度，从而提高了质谱仪的检测精度，是一种便携且检测结果精确的检测装置。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例1所述的外置电磁场常压敞开式激光质谱仪的结构示意图；
图2是本发明实施例2所述的外置电磁场常压敞开式激光质谱仪的结构示意图；
图3是本发明实施例3所述的外置电磁场常压敞开式激光质谱仪的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-质量分析器；2-控制单元；3-激光器；4-光束传输单元；5-外加电磁装置；51-磁体；52-电极；6-样品；7-等离子体。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种外置电磁场常压敞开式激光质谱仪，其利用洛伦兹定律通过外加磁场来控制等离子体中离子运动方向并抑制离子的扩散，从而提高常压敞开式激光质谱分析的信噪比和灵敏度。
如图1所示，所述外置电磁场常压敞开式激光质谱仪包括顺次设置的质量分析器1、控制单元2、激光器3、光束传输单元4和外加电磁装置5，待检测的样品置于外加电磁装置5内侧。其中，所述质量分析器1用于将离子源中生成的样品离子按质荷比(m/z)的大小分开，其进样口朝向所述外加电磁装置5以收集外加电磁装置5处生成的样品等离子体，所述激光器3用于产生将样品的等离子体激发出来，所述激光器3设置于所述光束传输单元4的一侧，光束传输单元4用于将激光束整形、聚焦、传导至样品表面，其可以为光束整形器、光束传导器、聚焦透镜和激光方向调节机构中的任一种或几种的组合，本实施例中，所述光束传输单元4为光束传导器。所述光束传输单元4设置于所述外加电磁装置5上方，所述外加电磁装置5用于产生外加电磁场(可以是独立的电场或磁场，也可以是复合的电磁场)。
本实施例中，所述外加电磁装置5包括一截面图形为弧形的磁体51，所述磁体51也可为其它形状，如矩形等。具体地，所述磁体51设置于所述质量分析器1的对侧，且所述磁体51可以为永磁铁或电磁铁，其设置于样品6的周围，优选设置于质量分析器1对侧，即样品6置于质量分析器1与磁体51之间，从样品6中激发出的等离子体7在磁体51产生的磁场作用下朝向质量分析器1运动，原理如下：
根据库伦定律：两个点电荷彼此相互作用的静电力(f静电力)的大小可以用以下方程表达：f静电力＝ke(qq’/r2)，其中q和q’是点电荷电量，r是两个点电荷之间的距离，ke是库伦常数；以及洛伦兹力定律：运动于电磁场的带电粒子所感受到的作用力(即洛伦兹力)可以用洛伦兹方程表达：f＝q(e+v×b)，其中f是洛伦兹力，q是带电粒子的电荷量，e是电场强度，v是带电粒子的速度，b是磁感应强度。
在电场作用下，正电荷会朝着电场的方向加速；在磁场作用下，按照右手定则，正电荷会朝着垂直于速度v和磁场b的方向弯曲，本实施例中，样品中激发出的离子在外加电磁装置5的作用下朝向质量分析器1运动，从而被富集。
本实施例中，所述光束传输单元包括沿激光光路顺次设置的光束整形器和光束传导器，激光器3发出的激光光束经过光束整形器整形后由光束传到器传输至样品6表面，将样品6的等离子体7激发出来。
实施例2
本实施例提供一种外置电磁场常压敞开式激光质谱仪，其利用洛伦兹定律通过外加磁场来控制等离子体中离子运动方向并抑制离子的扩散，从而提高常压敞开式激光质谱分析的信噪比和灵敏度。
如图2所示，所述外置电磁场常压敞开式激光质谱仪包括顺次设置的质量分析器1、控制单元2、激光器3、光束传输单元4和外加电磁装置5，待检测的样品置于外加电磁装置5的内侧。其中，所述质量分析器1用于将离子源中生成的样品离子按质荷比(m/z)的大小分开，其进样口朝向所述外加电磁装置5以收集外加电磁装置5内生成的离子，所述激光器3用于产生将样品等离子体激发出来，所述激光器3设置于所述光束传输单元4的一侧，光束传输单元4用于将激光束聚焦、传导至样品表面，所述光束传输单元4设置于所述外加电磁装置5上方，所述外加电磁装置5用于产生外加电磁场(可以是独立的电场或磁场，也可以是复合的电磁场)。
本实施例中，所述外加电磁装置5包括一个磁体51和设置于所述磁体51一侧的电极52，具体地，所述电极52垂直于所述磁体51设置，且其设置于所述质量分析器1的对侧，即所述磁体51设置于所述电极52与所述质量分析器1之间，其中，磁体51可以为永磁铁或电磁铁，所述电极52可以为正电极或负电极，样品6也置于电极63与质量分析器51之间，电极52和磁体51设置于样品6外围，样品6中被激发出的等离子体7在电极52与磁体51产生的电磁场作用下朝向质量分析器1运动，原理如下：
根据库伦定律：两个点电荷彼此相互作用的静电力(f静电力)的大小可以用以下方程表达：f静电力＝ke(qq’/r2)，其中q和q’是点电荷电量，r是两个点电荷之间的距离，ke是库伦常数；以及洛伦兹力定律：运动于电磁场的带电粒子所感受到的作用力(即洛伦兹力)可以用洛伦兹方程表达：f＝q(e+v×b)，其中f是洛伦兹力，q是带电粒子的电荷量，e是电场强度，v是带电粒子的速度，b是磁感应强度。
在电场作用下，正电荷会朝着电场的方向加速；在磁场作用下，按照右手定则，正电荷会朝着垂直于速度v和磁场b的方向弯曲，本实施例中，样品中激发出的离子在外加电磁装置5的作用下朝向质量分析器1运动，从而被富集。
本实施例中，所述光束传输单元4由沿激光光路顺次设置的光束整形器、光束传导器、聚焦透镜和激光方向调节或扫描机构组成，其中所述激光方向调节或扫描机构为激光振镜。
实施例3
本实施例提供一种外置电磁场常压敞开式激光质谱仪，其结构与实施例1、2基本相同，不同之处在于，如图3所示，所述外加电磁装置5仅包括一电极52，所述电极52设置于所述质量分析器1对侧，样品6设置于电极52与质量发生器1之间，从样品6激发出的等离子体7在电极52产生的电磁场作用下，向质量分析器1运动。
本实施例中，所述光束传输单元4由沿激光光路顺次设置的光束整形器、光束传导器、聚焦透镜和激光方向调节或扫描机构组成，其中所述激光方向调节或扫描机构为激光振镜，或其它类似装置，如多面转镜或多面扫描镜。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。