一种激光差动共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置与流程

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，将后置分光瞳激光差动共焦显微成像技术、拉曼光谱成像技术、激光诱导击穿光谱成像技术与质谱成像技术相结合，涉及一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法与装置，在生物医学、材料科学、物理化学、矿产、微纳制造等领域有广泛的应用前景。

背景技术：

目前物质组分高空间分辨探测的方法主要有激光拉曼光谱探测技术(ramanspectroscopy)、激光诱导击穿光谱探测技术(libs，laserinducedbreakdownspectroscopy)和激光质谱探测技术(massspectrometry)。

激光拉曼光谱探测技术是一种基于拉曼散射光谱的非侵入性、无损伤地获取物质分子结构特征与成分的探测技术，其利用激光照射样品激发出与入射激光波长不同的拉曼光谱，通过探测拉曼光谱的谱峰频移、谱峰强度及宽度等信息来探测样品化学键和分子结构信息，进而得到物质分子组分及形态，其突出优势是可探测分子化学键、分子结构和分子组分信息。

激光诱导击穿光谱探测技术是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素探测技术，其利用高功率密度的激光作用在样品表面，使样品表面极少部分材料产生激光诱导等离子体，通过探测激光诱导等离子体中的原子和离子发射光谱，得到物质的原子与小分子元素组成信息，进而确定样品的组分组成，其突出优势是可探测原子与小分子的元素组成。

激光质谱探测技术是一种基于等离子体激发的高特异性和高灵敏度的微量元素探测技术，其利用激光照射样品实现物质电离，并对电离后的离子加速，通过探测不同离子荷质比和数量来确定样品组分，其突出优势是可探测带电离子、分子碎片等元素组成，能实现复杂样品组分信息的准确探测。

上述三种激光组分探测技术中，激光拉曼光谱技术可以识别物质成分但不能测量样品中的元素，激光诱导击穿光谱技术可测量物质元素但不能测量样品分子结构，激光质谱技术虽然探测灵敏度高但只能识别电离后带电离子、分子碎片等元素。

随着生命科学、材料科学、物理化学、环境科学和深空探测等研究的不断深入，如何实现样品微区物质完整组分信息高分辨、高灵敏的探测是目前激光组分探测领域亟待研究的重大问题，在生物医学、物理化学、材料工程和深空探测等领域具有重大背景需求。

近年来，随着脉冲激光技术的快速发展，仅通过调节聚焦脉冲光束的波长、脉宽和强度就可激发出样品的散射光谱和表面离子体(激发表面等离子体要比激发散射光谱所需的光强度大)，可使样品散射出拉曼光谱、诱导击穿光谱，以及带电的原子、分子、分子碎片和中性的原子、分子、中离子等。目前，如何完整地获取样品微区同位置点的拉曼光谱、诱导击穿光谱，以及带电的原子、分子、分子碎片和中性的原子、分子、中离子等信息，对于样品组分信息的完整获取具有重要的作用。

可幸的是，激光拉曼光谱、激光诱导击穿光谱和激光质谱的同源(激光器)激发与多谱(激光拉曼光谱、激光诱导击穿光谱和激光质谱)组分信息的互补探测，为样品完整组分信息的探测提供了可能。这就有可能将激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱探测技术和激光质谱探测技术有机结合，利用激光拉曼光谱探测系统探测样品物质分子结构和化学键信息，利用激光诱导击穿光谱系统探测物质元素和部分小分子信息的原子光谱，利用质谱探测系统探测击穿电离样品等离子体产生的带电离子和分子基团信息，进而达到物质微区完整组分信息的高空间分辨探测。同时，激光共焦显微镜“点照明”和“点探测”的成像探测机制，不仅使其横向分辨力较同等参数的光学显微镜改善1.4倍，而且还使共焦显微镜极便于与超分辨光瞳滤波技术、径向偏振光紧聚焦技术等结合来压缩聚焦光斑，进一步实现样品微区信息的高空间激发与高分辨探测等。

基于上述分析，本发明提出后置分光瞳激光差动共焦显微聚焦激发和探测的一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法与装置，其创新在于：首次将具有高空间分辨能力的后置分光瞳激光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貌与组分的成像与探测。

本发明一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法与装置可为生物医学、材料科学、物理化学、矿产、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。

技术实现要素：

本发明的目的是为了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，提出一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法与装置，以期同时获得被测样品微区形貌信息和组分信息。本发明将后置分光瞳激光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后置分光瞳激光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貌成像，利用拉曼光谱探测系统对后置分光瞳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，利用质谱仪对后置分光瞳激光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后置分光瞳激光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貌、组分的成像与探测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法，利用高空间分辨后置分光瞳激光差动共焦显微系统的聚焦光斑对样品进行轴向定焦与成像，利用拉曼光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用质谱仪对后置分光瞳激光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，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貌与组分的成像与探测，包括以下步骤：

步骤一、点光源出射的激发光束，经过准直透镜准直为平行光束，平行光束通过压缩聚焦光斑系统、依次经分光棱镜透射、二向色镜a反射后，由测量物镜聚焦到样品上，激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；

步骤二、使计算机控制精密三维工作台带动样品沿测量面在测量物镜焦点附近上下移动；载有样品信息的拉曼散射光和瑞利散射光经过测量物镜收集，经过二向色镜a分为两束，其中通过二向色镜a反射的瑞利散射光经过分光棱镜反射后，被后置分光瞳激光差动共焦探测系统采集，经过收集物镜以及收集光瞳聚焦后，光斑被中继放大透镜放大，光强信号被二象限探测器采集；二象限探测器的第一探测象限和第二探测象限关于采集光轴对称；二象限探测器对经中继放大透镜放大后的放大艾里斑进行分割探测，分别得到艾里斑第一微区和艾里斑第二微区的强度特性曲线，即第一离轴轴向强度曲线和第二离轴轴向强度曲线；

步骤三、将第一离轴轴向强度曲线和第二离轴轴向强度曲线相减处理得到后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线，利用后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线能够精确定位样品的微区轴向高度信息；

步骤四、计算机依据后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线的“过零点”位置控制精密三维工作台带动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样品上；

步骤五、与此同时，经过二向色镜a透射的拉曼散射光经过二向色镜b反射后进入到拉曼光谱探测系统中，测得对应聚焦光斑区域的样品化学键及分子结构信息；

步骤六、改变点光源的工作模式，提高照明强度，激发样品的微区解吸电离产生等离子体羽，部分等离子体羽通过离子吸管由质谱仪探测，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；

步骤七、等离子体羽湮灭发出libs光谱，libs光谱经过二向色镜a和二向色镜b透射后，由libs光谱探测系统进行探测，测得样品对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；

步骤八、计算机将后置分光瞳激光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、拉曼光谱探测系统探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、libs光谱探测系统探测的激光聚焦微区的libs光谱信息、质谱仪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；

步骤九、计算机控制精密三维工作台使测量物镜焦点对准样品的下一个待测区域，然后按步骤一～步骤八进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息；

步骤十、重复步骤九直到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样品形态信息和完整组分信息。

本发明的方法包括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。

本发明的方法中，d型收集光瞳可以通过圆形收集光瞳或者其他形状的光瞳来完成。

本发明方法中，仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同na的测量物镜的匹配，无需对系统进行任何硬件装调。

本发明提供了一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像装置，包括：点光源、测量物镜、精密三维工作台、分光棱镜、二向色镜a、二向色镜b、后置分光瞳激光差动共焦探测系统、拉曼光谱探测系统、libs光谱探测系统、质谱仪和计算机。

本发明装置中，后置分光瞳激光差动共焦探测系统可由收集物镜、收集光瞳、中继放大透镜和二象限探测器构成，其中二象限探测器探测面上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称。

本发明装置中，后置分光瞳激光差动共焦探测系统还可由收集物镜、收集光瞳、中继放大透镜和ccd探测器构成，其中ccd探测器探测到的艾里斑第一微区和艾里斑第二微区，关于光轴对称。

本发明装置包括压缩聚焦光斑系统可用沿入射光轴方向放置的产生矢量光束的矢量光束发生器和光瞳滤波器替代。

本发明装置的点光源可由脉冲激光器、聚光透镜和聚光透镜焦点处的传光光纤替代；同时，在激光聚焦系统中引入出射光束衰减器，在后置分光瞳激光差动共焦探测系统中引入探测光束衰减器；由出射光束衰减器和探测光束衰减器构成光强调节系统，以适应样品表面定位时的光强强度需求。

有益效果

本发明对比已有的技术具有以下显著优点：

1)通过后置分光瞳激光差动共焦轴向响应曲线的“过零点”与高精度测量物镜的焦点精确对应这一特性，对被测样品实现精确定焦，可抑制现有质谱仪因长时间质谱成像中聚焦光斑相对被测样品的漂移问题；

2)结合拉曼光谱和激光诱导击穿光谱的探测，克服了现有激光质谱仪无法对中性原子、分子、中离子及基团等进行探测的不足，实现激光多谱(质谱、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱)组分成像探测的优势互补和结构功能融合，可以获得更为全面的微区组分信息；

3)利用后置分光瞳激光差动共焦曲线的“过零点”进行样品预先定焦，使最小聚焦光斑聚焦到样品表面，可实现样品微区高空间分辨质谱探测和微区显微成像，有效地发挥后置分光瞳激光差动共焦系统高空间分辨的潜能；

4)利用压缩聚焦光斑技术，提高了激光质谱仪的空间分辨能力；

5)由于采用分割焦斑的方法来获取信号，可通过改变在系统探测焦面上所设置微小区域的参数以匹配不同样品的反射率，从而可以扩展其应用领域；还可以仅通过计算机系统软件处理实现对不同na值的测量物镜的匹配，无需重新对系统进行任何硬件装调，有利于实现仪器的通用性。

附图说明

图1为本发明一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像方法示意图；

图2为本发明一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像装置示意图；

图3为本发明一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像装置示意图；

图4为后置分光瞳激光差动共焦轴向强度仿真曲线；

图5为后置分光瞳激光差动共焦轴向强度实测曲线；

其中：1-点光源、2-准直透镜、3-平行光束、4-压缩聚焦光斑系统、5-分光棱镜、6-二向色镜a、7-测量物镜、8-样品、9-等离子体羽、10-精密三维工作台、11-收集物镜、12-d型收集光瞳、13-后置分光瞳激光差动共焦探测系统、14-中继放大透镜、15-二象限探测器、16-第一探测象限、17-第二探测象限、18-放大艾里斑、19-艾里斑第一微区、20-艾里斑第二微区、21-第一离轴轴向强度曲线、22-第二离轴轴向强度曲线、23-后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线、24-二向色镜b、25-拉曼光谱探测系统、26-拉曼耦合透镜、27-拉曼光谱探测器、28-libs光谱探测系统、29-libs耦合透镜、30-libs光谱探测器、31-离子吸管、32-质谱仪、33-计算机、34-矢量光发生器、35-光瞳滤波器、36-圆形收集光瞳、37-ccd探测器、38-脉冲激光器、39-聚光透镜、40-传光光纤、41-出射光束衰减器、42-探测光束衰减器、43-第一离轴轴向强度实测曲线、44-第二离轴轴向强度实测曲线、45-后置分光瞳激光差动共焦轴向强度实测曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，点光源1出射的激发光束，经过准直透镜2准直为平行光束3，平行光束3通过压缩聚焦光斑系统4、依次经分光棱镜5透射、二向色镜a6反射后，由测量物镜7聚焦到样品8上，激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；

使计算机33控制精密三维工作台10带动样品8沿测量面在测量物镜7焦点附近上下移动；载有样品8信息的拉曼散射光和瑞利散射光经过测量物镜7收集，经过二向色镜a6分为两束，其中通过二向色镜a6反射的瑞利散射光经过分光棱镜5反射后，被后置分光瞳激光差动共焦探测系统13采集，经过收集物镜11以及d型收集光瞳12聚焦后，光斑由中继放大透镜14放大；光强信号被二象限探测器15采集；二象限探测器15的第一探测象限16和第二探测象限17关于采集光轴对称；二象限探测器15对经中继放大透镜14放大后的放大艾里斑18进行分割探测，在放大艾里斑中的xd'轴上设置微小区域，艾里斑第一微区19和艾里斑第二微区20，两个微区关于yd'轴偏移vm，测得这两个区域的强度特性曲线分别为第一离轴轴向强度曲线21ia(u,vm)和第二离轴轴向强度曲线22ib(u,-vm)，两条曲线差动相减，得到后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线23i(u,v)；

i(u,vm)＝ia(u,vm)-ib(u,-vm)；

其中，u为轴向归一化光学坐标，vm为针孔轴向偏移量。利用后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线23能够精确定位样品8的微区轴向高度信息。图5为后置分光瞳激光差动共焦轴向强度实测曲线，其中43为第一离轴轴向强度实测曲线、44为第二离轴轴向强度实测曲线、45为后置分光瞳激光差动共焦轴向强度实测曲线；

计算机33依据后置分光瞳激光差动共焦轴向强度曲线23的“过零点”位置控制精密三维工作台10带动样品8沿测量面法线方向运动，使测量物镜7的聚焦光斑聚焦到样品8上；

与此同时，经过二向色镜a6透射的拉曼散射光经过二向色镜b24反射后进入到拉曼光谱探测系统25中，测得对应聚焦光斑区域的样品化学键及分子结构信息；

改变点光源1的工作模式，提高照明强度，激发样品8的微区解吸电离产生等离子体羽9，部分等离子体羽9通过离子吸管31由质谱仪32探测，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；

等离子体羽湮灭发出libs光谱，libs光谱经过二向色镜a6透射、二向色镜b24透射后，由libs光谱探测系统28进行探测，测得样品8对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；

计算机33将后置分光瞳激光差动共焦探测系统13测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、拉曼光谱探测系统25探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、libs光谱探测系统28探测的激光聚焦微区的libs光谱信息、质谱仪32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；

实施例2

如图2所示：一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像装置中，压缩聚焦光斑系统4由矢量光束发生系统34和光瞳滤波器35替代，d型收集光瞳12可由圆形收集光瞳36替代，二象限探测器15由ccd探测器37替代，其中ccd探测器37探测的艾里斑第一微区19和艾里斑第二微区20，关于光轴对称。

其余成像方法与过程与实施例1相同。

实施例3

如图3所示：一种激光差动共焦raman-libs-质谱联用显微成像装置中，点光源1由脉冲激光器38、聚光透镜39和传光光纤40替代；传光光纤40位于聚光透镜39的焦点处，用于光线传导。同时，在激光聚焦系统中引入出射光束衰减器41，在后置分光瞳激光差动共焦探测系统中引入探测光束衰减器42。由出射光束衰减器41和探测光束衰减器42构成光强调节系统，以适应样品表面定位时的光强强度需求。

其余成像方法与过程与实施例1相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。