专利名称：一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质谱仪，尤其是涉及一种用于无标样固体直接分析的高功率密度激光溅 射电离飞行时间质谱仪及其应用。
背景技术：
固体样品中元素的分析在冶金、地质、矿产、环保、国防和半导体工业等领域具有重要 地位，固体样品通常采用强酸溶解消化，然后以原子光谱或质谱进行检测。近年来，固体样 品的直接分析方法越来越受到人们的关注。与固体溶解分析法相比，直接分析法能节约大量 的样品制备时间，特别是在固体样品难以溶解或毒性很强的情况下更具优势。此外，对固体 样品的直接分析不仅可避免样品溶解过程中的损失及产生的污染等问题，而且可获得更精确 的实验结果。
激光溅射电离质谱被认为是沉睡的巨人。在激光能量为109 10""W/cm2时，样品表面 被辐射的微区在10'1()S内被瞬间加热，产生爆炸式的原子化效果。由于当等离子体的中央温 度为20000 50000K时，几乎所有原子都被电离，而且不同元素的相对灵敏因子基本等同。 因此只需使用某一元素的峰高(峰面积)除以谱图中所有谱线峰高(峰面积)的总和，即可 得到该元素在样品中的组份，而无需使用标准样品。因此激光电离质谱非常适合无标样固体 的直接分析。但是，由于传统的激光电离质谱仪工作时，激光电离是在高真空环境中进行， 激光电离产生的离子会发生高达上千电子伏特的能量分散，而且少量低电离能元素被过度电 离产生二价或多价离子，导致严重干扰谱图的解析。此外电离产生的离子未经冷却，就引入 到质量分析器，会使不同质荷比的离子无法有效分离，降低仪器的分辨能力，致使常规的质 谱分析器无法满足适配性要求，造成传统的激光电离质谱仪适用性不好。这些问题长期未能 得到解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质 谱仪及其应用。
本发明所述的高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪设有真空腔体、激光光源、激光 聚焦透镜、采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器;激光光源和激光聚焦透 镜设于真空腔体外部，采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器依次设于真空腔体中。
真空腔体设有三级真空室， 一级真空室设于采样锥之前，二级真空室设于采样锥与截取 锥之间，三级真空室设于截取锥之后， 一级真空室内充有氦气、氩气等惰性气体，其真空度 为0.01 100 torr，二级真空室的真空度为10" l()4torr，三级真空室的真空度小于5xl0—5 torr。
激光光源的波长为157 1100nm，脉宽为10 fs 10 ns，脉冲能量为10 nJ 500 mJ，脉 冲频率为1Hz 10kHz，激光经激光聚焦透镜聚焦后的功率密度为lxl(^—9xlO"W/cm2。
进样方式可以是样品的探杆置入或一级真空室开门置入。
样品表面与入射激光束可成任何角度，只要激光能够作用于样品表面；样品表面与采样 锥轴线也可成任何角度。
采样锥为设有中心孔的金属片、金属锥或金属管，中心孔直径为0.2 3 mm，中心孔可 为圆形孔或矩形孔；采样锥可以是接地、浮电位或电压可调。
离子传输装置可为离子透镜，或射频多极杆，或由离子透镜与射频多极杆组合构成。
截取锥为设有中心孔的金属片，中心孔直径0.1 4 mm，中心孔为圆形孔或矩形孔，截 取锥可以是接地、浮电位或电压可调。
飞行时间质量分析器(直线式或反射式)可以与截取锥轴线成任何角度；飞行时间质量 分析器亦可以是除了飞行时间质谱外的其它质量分析器，如四极杆、磁扇形场、离子阱或傅 立叶变换质量分析器。
本发明所述的高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪可应用于固体直接定性分析、有 标样定量分析、以及无标样半定量分析，得到样品中元素的组分。
本发明的工作原理如下固体样品被固定在原子化和离子化室。样品槽可放置至少1个 样品。从激光光源发出的激光束经过激光聚焦装置聚焦后，以某一角度射到固体样品的表面 微区，微区中的固体被瞬间原子化和离子化，产生等离子体。由于离子源中有低压惰性气体 的存在，通过碰撞，高价离子被部分降价或中和，离子的动能被减小。部分离子通过采样锥 中心孔和前置离子透镜组后进入离子传输装置。离子在传输装置中被聚焦、传输或进一步冷 却；然后经截取锥进入飞行时间质量分析器，并按照质荷比进行分离而得到谱图。在激光能 量为109 101Q W/cm2W，样品表面被辐射的微区在10—1Qs内被瞬间加热，产生爆炸式的原 子化效果，等离子体的中央温度为20000 50000K，几乎所有原子都被电离，而且不同元素 的相对灵敏因子基本等同。在此前提下，只需使用某一元素的峰高(峰面积)除以谱图中所 有谱线峰高(峰面积)的总和，即可得到该元素在样品中的组份，无需使用标准样品。或在 知道样品中某一元素的含量，通过峰高(峰面积)的比较，得知其它元素的含量。
4与传统的激光电离质谱仪比较，本发明具有如下突出优点和有益效果。 由于在离子源中(即一级真空室)内加入了惰性气体为辅气，使高真空离子源变为低真 空离子源，可使离子源的特性得到很大的改观a)激光溅射产生的等离子体的体积縮小；b) 电子逃逸等离子区的时间延长；C)通过与离子源内辅气分子(原子)的碰撞，样品离子的动 能得到降低，有利于被采样和传输；d)辅气成为电子一高价离子碰撞结合中多余能量的载体， 多价离子得以降价而转换为单价离子，可去除多价离子的干扰峰，使谱图清晰易读，分辨能 力强。此外，对固体样品可进行无标样定性乃至定量分析，无需寻找和购置昂贵的固体标准 样品，可显著降低成本；无需对样品进行前处理，能进行微区和薄层分析，对样品破坏性小。
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明设有真空腔体l、激光器2、激光聚焦透镜3、采样锥4、离子透镜5 (即 离子传输装置)、截取锥6和飞行时间质量分析器7。激光器2和激光聚焦透镜3设于真空腔体1 外部，样品P、采样锥4、离子透镜5、截取锥6和飞行时间质量分析器7依次设于真空腔体1中。
真空腔体l设有三级真空室，采样锥4之前为一级真空室11，采样锥4与截取锥6之间为二 级真空室12，截取锥6之后为三级真空室13， 一级真空室ll设有辅气进口lll，从辅气进口lll 充入氦气、氩气等惰性气体。从一级真空室ll的真空度为0.01 100torr， 二级真空室12的真 空度为10" l()4torr，三级真空室13的真空度小于5xl(T5 torr。
激光器2的波长为157 1100nm，脉宽为10 fs 10 ns，脉冲能量为10 ^J 500 mJ，脉 冲频率为l Hz 10kHz，激光经激光聚焦透镜3聚焦后的功率密度为lx107—9xl011 W/cm2。
当一级真空室ll开门时，将固体样品P置于进样探杆(图中未画出)上。也可采用进样 探杆置入方式。
从激光器2发出的激光束经过激光聚焦透镜3聚焦后，以某一角度射到固体样品P的表 面微区，微区中的固体被瞬间原子化和离子化，产生等离子体。由于离子源中有低压惰性气 体的存在，通过碰撞，高价离子被部分降价或中和，离子的动能被减小。
部分离子通过采样锥4中心孔后进入离子透镜5。离子在离子透镜5中被聚焦、传输或 进一步冷却；然后经截取锥6进入飞行时间质量分析器7，并按照质荷比进行分离而得到谱 图。
将本发明高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪应用于无标样固体直接分析，可得样 品中元素的组份。
权利要求
1、一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于设有真空腔体、激光光源、激光聚焦透镜、采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器；激光光源和激光聚焦透镜设于真空腔体外部，采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器依次设于真空腔体中。
2、 如权利要求l所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于真空 腔体设有三级真空室， 一级真空室设于采样锥之前，二级真空室设于采样锥与截取锥之间， 三级真空室设于截取锥之后， 一级真空室内充有氦气、氩气等惰性气体，其真空度为0.01 100torr， 二级真空室的真空度为10" l(^torr，三级真空室的真空度小于5xl(T5 torr。
3、 如权利要求1所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于激光 光源的波长为157 1100nm,脉宽为10fs 10ns，脉冲能量为1 nJ 500 mJ,脉冲频率为1 Hz 10kHz，激光经激光聚焦装置聚焦后的功率密度为lxl07—9xlOuW/cm2。
4、 如权利要求l所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于采样 锥为设有中心孔的金属片、金属锥或金属管，中心孔直径为0.2 3mm。
5、 如权利要求4所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于所述 中心孔为圆形孔或矩形孔。
6、 如权利要求1或4所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于 所述采样锥接地、浮电位或电压可调。
7、 如权利要求1所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于离子 传输装置为离子透镜，或射频多极杆或离子透镜和射频多极杆的组合。
8、 如权利要求1所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪，其特征在于截取 锥为设有中心孔的金属片，中心孔直径0.1 4mm，中心孔为圆形孔或矩形孔；截取锥接地、 浮电位或电压可调。
9、 如权利要求1所述的一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪用于固体直接定性 分析、有标样定量分析以及无标样半定量分析。
全文摘要
一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用，涉及一种质谱仪。提供一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用。设有真空腔体、激光光源、激光聚焦透镜、采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器；激光光源和激光聚焦透镜设于真空腔体外部，采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器依次设于真空腔体中。真空腔体设有三级真空室，一级真空室设于采样锥之前，二级真空室设于采样锥与截取锥之间，三级真空室设于截取锥之后。通过与离子源内辅气分子(原子)的碰撞，样品离子的动能得到降低，有利采样和传输；多价离子得以降价而转换为单价离子，可去除多价离子的干扰峰，使谱图清晰易读，分辨能力强。
文档编号H01J49/40GK101465261SQ200910110850
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者纬 杭 申请人:厦门大学