一种基于二次激光电离技术的离子化装置及方法

1.本发明属于质谱仪电离源技术领域，具体说是一种基于二次激光电离技术的离子化装置及方法。


背景技术：

2.随着质谱分析技术的不断蓬勃发展，质谱仪在生命科学、环境资源、食品与公共安全、新材料研发及航天、军事等领域发挥着越来越重要的作用。离子源作为质谱仪的核心部件，其离子化效率是决定质谱仪分析灵敏度的关键因素。20世纪80年代，基质辅助激光解吸电离(matrix-assisted laser desorption/ionization,maldi)的出现，以其软电离的特点及样品制备简单、空间分辨率高等优点在有机物检测、生物大分子分析和质谱成像中大放异彩。
3.maldi的原理是将样品分散在基质分子中并形成晶体，当用激光照射晶体时，基质从激光中吸收能量传递给样品分子，电离过程中基质将质子转移到样品分子或者基质从样品分子中得到质子，从而使样品完成电离。商品化的maldi电离源通常采用固定波长的单一激光束对样品进行解吸电离，单次激光照射电离产生的大多为中性粒子，能够离子化的分子所占比例仅有0.1％，且高丰度组分对低丰度分子的离子化存在严重的抑制效应，导致样品中难电离组分特别是低丰度组分的高灵敏度质谱检测面临严峻挑战。如何提高maldi离子源离子化效率逐渐成为高灵敏度质谱发展的重要方向。目前常采用电子气电离、电子束电离及激光电离等手段对初次电离产生的中性粒子进行二次电离以提高离子源离子化效率。然而电子气和电子束参与后电离的效率均低于1％，而激光参与后电离的效率较高时可达到10％左右，从而为二次中性粒子的高效利用提供可能。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种基于二次激光电离技术，通过一次激光轰击样品表面实现样品初次电离，随后引入另一束紫外或者真空紫外波段的激光对进入气相的样品分子进行二次离子化，以提高样品分子的离子化效率的离子化装置及方法，以克服上述现有的maldi离子源效率低的缺陷。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于二次激光电离技术的离子化装置，包括：第一激光器、第二激光器、激光时序控制器、第一束激光光学元件、第二束激光光学元件、真空系统、样品运载装置、离子聚焦装置、离子束偏转装置以及成像系统；
6.其中，所述真空系统内设有样品运载装置、离子聚焦装置和离子束偏转装置；
7.所述样品运载装置上放置有样品；所述样品运载装置上方依次设有离子束偏转装置和离子聚焦装置；
8.所述激光时序控制器分别与第一激光器、第二激光器连接，用于设定第一激光器和第二激光器的发射间隔时间；
9.所述第一激光器发射的第一束激光进入至第一束激光光学元件并反射至样品运
载装置上的样品上，以实现样品的初次电离，并将样品从固相转移到气相中；
10.所述第二激光器发射的第二束激光经第二束激光光学元件进入至样品上方，实现对进入气相的样品进行二次电离；
11.所述成像系统捕捉样品的反射光用于采集靶板平面上的样品信息，并将靶板样品信息放大并实时反映在输出设备上。
12.所述真空系统，包括：壳体以及设于壳体上的换样仓盖板；壳体内形成真空腔室。
13.所述样品运载装置，包括：三轴位移台、靶板安装板以及靶板；
14.所述靶板安装板安装在三轴位移台上，通过三轴位移台移动带动靶板安装板在真空腔室内实现沿三轴方向运动；所述靶板安装板上水平设有靶板；
15.靶板平行于换样仓盖板设置，所述靶板处于三轴位移台的z轴零位，高度小于换样仓盖板。
16.所述离子束偏转装置和离子聚焦装置沿靶板安装板中心线从上至下依次设置于靶板安装板上方。
17.所述靶板安装板通过绝缘材料转接至三轴位移台上，且在靶板安装板上施加直流电压。
18.所述靶板安装板上设有放置并固定靶板的凹槽，且凹槽外圈设有密封胶圈，以使在换样时，三轴位移台的z轴升高，将靶板顶起至换样仓盖板处，凹槽处的密封胶圈挤压在换样仓盖板处的壳体内壁上形成密封，以防止换样过程破坏腔室内真空环境。
19.所述离子聚焦装置包括：设有栅网的接地电极以及沿靶板安装板中心线同轴设置的三个筒状电极；
20.相邻的筒状电极之间的间距为2mm-10mm；所述接地电极设于靶板上方，且与靶板上样品外表面之间的距离为2mm-30mm；
21.任意所述筒状电极或接地电极相对一侧设有绝缘垫；绝缘垫采用陶瓷或peek材料任意一种；
22.所述筒状电极或接地电极的材质为不锈钢或铝合金任意一种。
23.所述离子束偏转装置，包括：两组相对设置的电极，且两组电极相互垂直顺序置于所述离子聚焦装置的上侧；
24.所述任意一组电极中，电极板的间距为4mm-20mm，且两组电极板之间设有绝缘垫；绝缘垫采用为陶瓷或peek材料任意一种；
25.所述电极板的材质为不锈钢或铝合金任意一种。
26.所述第一激光器发射的第一束激光为脉冲激光或连续激光；
27.所述第二激光器发射的第二束激光为：紫外脉冲激光或真空紫外脉冲激光。
28.所述第一束激光光学元件和第二束激光光学元件，均包括：凸透镜、凹透镜、反射镜或光纤中的任意一种或多种；
29.所述第一束激光进入至真空系统的入射角与靶板安装板中心线之间的夹角为θ；
30.所述第二束激光平行于样品表面上方，且与样品表面之间留有设定距离，以对进入气相的样品分子进行二次电离。
31.一种基于二次激光电离技术的离子化装置的离子化方法，包括以下步骤：
32.1)激光时序控制器设定第一激光器、第二激光器的发射间隔时间；
33.在发射激光束时，开启离子聚焦装置，设定直流电压，并在离子聚焦装置上施加直流电压；
34.当激光束发生偏转时，对离子束偏转装置施加设定的直流电压，以对激光束的方向进行调整；
35.2)第一激光器发射的第一束激光进入至第一束激光光学元件并以与靶板安装板中心线呈θ角，反射至真空腔室中的靶板上的样品上，对样品表面进行轰击，实现初次电离；
36.3)第二激光器发射的第二束激光经第二束激光光学元件以高于靶板平面δz的距离，水平进入至真空腔室中的样品上方，实现对进入气相的样品分子进行二次电离，进而提高样品分子的离子化率；
37.4)成像系统采集靶板平面上的样品信息，成像系统将靶板样品信息放大并实时反映在输出设备上；
38.5)三轴位移台沿x、y轴移动至换样仓盖板下方后，三轴位移台的z轴升高，将靶板顶起至换样仓盖板处，靶板的凹槽处的密封胶圈挤压在真空系统的壳体内壁上形成密封，打开换样仓盖板进行更换样品，以防止换样过程破坏腔室内真空环境。
39.本发明具有以下有益效果及优点：
40.1.本发明成功的将任意不同波长的两束激光，特别是紫外和真空紫外激光按时序引入maldi离子源腔体，提高了离子源的解离效率。
41.2.本发明的三轴位移台、靶板安装板与腔体间的巧妙设计，可在换样时形成单独的密闭空间，提高了换样效率。
附图说明
42.图1是本发明的整体结构示意图；
43.图2是第二束激光相对于靶板δz的局部放大图；
44.其中，1为第一激光器，2为第二激光器，3为激光时序控制器，4为第一束激光光学元件，5为第二束激光光学元件，6为三轴位移台，7为靶板安装板，8为离子聚焦装置，9为离子束偏转装置，10为ccd相机，11为成像系统，12为换样仓盖板，13为真空腔室。
具体实施方式
45.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
46.如图1所示，本发明所述的基于二次激光电离技术的离子源装置包括第一激光器1、第二激光器2、激光时序控制器3、第一束激光光学元件4、第二束激光光学元件5、三轴位移台6、靶板安装板7、离子聚焦装置8、离子束偏转装置9、ccd相机10、成像系统11、换样仓盖板12及真空腔室13。
47.其中，真空系统内设有样品运载装置、离子聚焦装置8和离子束偏转装置9；
48.样品运载装置上放置有样品；样品运载装置上方依次设有离子束偏转装置9和离子聚焦装置8；
49.激光时序控制器3分别与第一激光器1、第二激光器2连接，用于设定第一激光器1和第二激光器2的发射间隔时间；激光时序控制器3可以是但不限于脉冲时间延时发生器，其分辨率及精度应高于离子产生到第二束激光位置所用时间。
50.第一激光器1发射的第一束激光进入至第一束激光光学元件4并反射至样品运载装置上的样品上，以实现样品的初次电离，并将样品从固相转移到气相中；
51.第二激光器2发射的第二束激光经第二束激光光学元件5进入至样品上方，实现对进入气相的样品进行二次电离；
52.成像系统11捕捉样品的反射光用于采集靶板平面上的样品信息，并将靶板样品信息放大，实时反映在输出设备上。
53.在本实施例中，第一激光器1位于真空腔室13的左上方，该光源用来对样品进行初次电离。第二激光器2出光口位于靶板安装板7上方δz处左侧，该光源用于对进入气相的样品分子进行二次电离。激光时序控制器3用于调整两束激光的射出时间。
54.第一束激光光学元件4位于真空腔室13的左上方，该组光学元件将第一束激光器1发出的激光聚焦并改变激光光路方向，使进入真空腔体的激光光路轴线相对于离子传输轴线成θ角，并在靶板上交于一点。
55.第二束激光光学元件5位于第二束激光器2右侧，用于第二束激光的聚焦。
56.真空腔室13为实验提供超高真空实验环境。
57.真空实验环境由真空系统形成，真空系统，包括：壳体以及设于壳体上的换样仓盖板12；壳体内形成真空腔室13。
58.进一步地，样品运载装置，包括：三轴位移台6、靶板安装板7以及靶板；
59.靶板安装板7安装在三轴位移台6上，通过三轴位移台6移动带动靶板安装板7在真空腔室13内实现沿三轴方向运动；靶板安装板7上水平设有靶板；
60.靶板平行于换样仓盖板12设置，靶板处于三轴位移台6的z轴零位，高度小于换样仓盖板12。
61.离子束偏转装置9和离子聚焦装置8沿靶板安装板7中心线从上至下依次设于沿靶板安装板7上方。
62.靶板安装板7上设有放置并固定靶板的凹槽，且凹槽外圈设有密封胶圈，以使在换样时，三轴位移台6的z轴升高，将靶板顶起至壳体顶部处的换样仓盖板12，凹槽处的密封胶圈挤压在壳体顶部内壁上形成密封，以防止换样过程破坏腔室内真空环境。
63.快速换样过程如下：
64.放样前，三轴位移台6沿x轴正向移动，接近开关检测到位后，停止移动，位移台6沿z轴正向移动将靶板安装板7顶起，接近开关检测到位后，z轴停止移动。此时，靶板安装板7凹槽四周橡胶圈与腔体内壁压实，形成与主腔室相隔的密闭腔室，打开换样仓盖板12，将带有样品的靶板放入靶板安装板7凹槽内固定，关闭换样仓盖12，待真空度与主腔室内真空度平衡后，三轴位移台6将装有样品的靶板载入电离区。
65.靶板安装板7通过绝缘材料转接至三轴位移台6上，且在靶板安装板7上施加直流电压。
66.进一步地，第一激光器1发出的第一束激光经第一束激光光学元件4聚焦后相对于离子传输轴线成θ角射向样品表面，进行初电离。
67.第一激光器1可以为脉冲激光抑或连续激光。
68.进一步地，第二激光器2，在激光时序控制器3控制下经δt时间后，发出第二束激光并经第二束激光光学元件5聚焦后垂直离子传输方向射向真空腔室13内，对离子进行第
二次电离。
69.第二激光器2可以为紫外脉冲激光或真空紫外脉冲激光。
70.为保证样品电离过程和质谱中离子的传输、数据采集等系统的协调，提高离子化效率，需通过激光时序控制器3在指定的时间触发激光器，将激光引入样品电离区域。初次电离和二次离子化激光的延迟时间需根据实验进行优化。
71.第一束激光光学元件4和第二束激光光学元件5，均包括：凸透镜、凹透镜、反射镜或光纤中的任意一种或多种，用于激光的传输、聚焦及方向改变时，需增加光导纤维调整装置；
72.其他实施例中，第一束激光光学元件4和第二束激光光学元件5可采用透镜和光纤组合的方式对激光进行传输、聚焦，并增加光导纤维调整装置，方便控制方向角度。而在本实施例中，可以采用凸透镜、凹透镜、反射镜相互组合或单独根据实际情况选择其中一种，在本技术中，不限于由凸透镜、凹透镜、光阑及反射镜的组合，用于激光的传输、聚焦及方向改变，也可为凸透镜、凹透镜、光阑及光导纤维的组合。
73.第一束激光进入至真空系统的入射角与靶板安装板7中心线之间的夹角为θ；
74.第二束激光平行于样品表面上方，且与样品表面之间留有设定距离，以对进入气相的样品分子进行二次电离。
75.进一步地，成像系统包括：ccd相机10、成像光学元件，可将靶板样品信息放大并实时反映在输出设备上；成像光学元件包括：沿入射光路设置的聚焦镜、光源、遮光片；
76.本实施例中，ccd相机10位于真空腔室13外右上方，用于实时观测样品状态及激光光斑情况。成像光学元件位于ccd相机10左侧，该组光学元件用于成像聚焦并改变成像光路方向，使成像光路轴线相对于离子传输轴线成θ角，并在靶板上交于一点。
77.ccd相机10经成像光学元件，对靶点放大成像，可根据ccd相机10实时成像选择靶点上电离位置。
78.进一步地，离子聚焦装置8包括：设有栅网的接地电极以及沿靶板安装板7中心线同轴设置的三片筒状电极；
79.相邻的筒状电极之间的间距为2mm-10mm；所述接地电极设于靶板上方，且与靶板上样品外表面之间的距离为2mm-30mm；
80.任意所述筒状电极或接地电极相对一侧设有绝缘垫；绝缘垫采用为陶瓷或peek材料任意一种；
81.筒状电极或接地电极的材质为不锈钢或铝合金任意一种。
82.本实施例中，离子聚焦装置8位于靶板安装板正上方，对产生的离子聚焦传输。离子聚焦装置8包括三片筒状电极及装有栅网的接地电极，电极内径10-30mm，外径12-32mm，长度10-30mm,电极间距2-10mm。
83.进一步地，离子束偏转装置9，包括：设于同一纵轴的两组电极；每组电极包括一对相对设置的电极板，且两组电极相互垂直设置，且不处于同一水平高度；
84.而在其他实施例中，两组电极设于同一高度，且相互垂直的两对电极板构成长方体四个表面，且不相互接触；
85.两组电极中的电极板之间的间距为4mm-20mm，且任意相邻的两块电极板之间相对一侧设有绝缘垫；绝缘垫采用陶瓷或peek材料任意一种；
86.电极板的材质为不锈钢或铝合金任意一种。
87.在本实施例中，离子束偏转装置9位于离子聚焦装置8正上方，对聚焦后的离子束方向进行调整，从而获得更加高效的传输效率。离子束偏转装置9由两组电极组成，每组电极由两块相互平行的金属板组成，两组电极相互垂直顺序置于所述离子聚焦装置8的上侧，每组电极片间距15mm，电极片为矩形，边长10mm-30mm。
88.进一步地，电极的材料均为不锈钢材质或铝及其合金材质。
89.用于电极片之间的绝缘垫均采用陶瓷或peek等绝缘材料。
90.一种基于二次激光电离技术的离子化装置的离子化方法，包括以下步骤：
91.1)激光时序控制器3设定第一激光器1、第二激光器2的发射时间；
92.在发射激光束时，开启离子聚焦装置8，设定直流电压，并在离子聚焦装置8上施加直流电压；
93.当激光束发生偏转时，对离子束偏转装置9施加设定的直流电压，以对激光束的方向进行调整；
94.2)第一激光器1发射的第一束激光进入至第一束激光光学元件4并以与靶板安装板7中心线呈θ角，反射至真空腔室13中的靶板上的样品上，对样品表面进行轰击，实现初次电离；
95.3)如图2所示，第二激光器2发射的第二束激光经第二激光光学元件5以高于靶板平面δz的距离，水平进入至真空腔室13中的样品上方，实现对进入气相的样品分子进行二次电离，进而提高样品分子的离子化率；
96.4)成像系统11采集靶板平面上的样品信息，将靶板样品信息放大并实时反映在输出设备上；
97.5)三轴位移台6沿x、y轴移动至换样仓盖板12下方后，三轴位移台6的z轴升高，将靶板顶起至换样仓盖板12处，靶板的凹槽处的密封胶圈挤压在真空系统的壳体内壁上形成密封，打开换样仓盖板12进行更换样品，以防止换样过程破坏腔室内真空环境。
98.本发明采用一次激光轰击样品表面实现样品初次电离，上述初次激光电离产生的大多为中性离子，能够离子化的分子所占比例仅有0.1％，且高丰度组分对低丰度分子的离子化存在严重的抑制效应，在很大程度上限制了检测的准确性和分辨率。本发明引入另一束紫外或者真空紫外波段的激光对进入气相的样品分子进行二次电离，以提高样品分子的离子化效率。
99.以上是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。