本實用新型涉及基質(zhì)輔助激光解析離子源型MALDI-TOF技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種采用非球面透鏡的激光解析離子源激光光路。

背景技術(shù)：

基質(zhì)輔助激光解析離子源型MALDI-TOF是近年來發(fā)展起來的一種新型軟電離生物質(zhì)譜，簡單、高效，因此獲得了廣泛應(yīng)用。其工作原理如下：被分析質(zhì)子固化在靶臺上，激光系統(tǒng)與CCD成像系統(tǒng)固定在透鏡腔體系統(tǒng)上，其二者中軸線相對于靶臺焦點位置中心軸線成一定角度的對稱分布。通過激光系統(tǒng)發(fā)射一定波長的光（常用337nm或355nm），通過光學透鏡組傳導聚焦在靶樣上，靶樣上的樣品在短時間內(nèi)獲得能量，不同樣品被分解成各種相應(yīng)片段的離子；由于各離子的質(zhì)荷比不同，其在飛行管中的運動速度不同，到達飛行管終端檢測設(shè)備的時間也不同，因此可根據(jù)檢測到的離子信號形成相應(yīng)的圖譜。具體地，如中國專利“基質(zhì)輔助激光解析離子源激光及成像集成系統(tǒng)”（申請?zhí)枮?01510913071.5）所述，激光發(fā)射部分的激光光纖頭調(diào)節(jié)器傾斜設(shè)置在離子源腔體的左上方，進行光傳導的激光光路光學透鏡組設(shè)置在激光光纖頭調(diào)節(jié)器下方的透鏡組支架上，上述激光光路光學透鏡組由沿激光光纖頭調(diào)節(jié)器的主光軸同軸設(shè)置的凸透鏡、進光凸透鏡和出光凸透鏡組成。

根據(jù)像差理論，正透鏡只能產(chǎn)生正球差，則平凸透鏡組成的光學系統(tǒng)必然存在較大的球差。因而，平行激光束經(jīng)過上述平凸透鏡組成的球面光學系統(tǒng)，不能在成像面得到點像，而是形成一個彌散斑。光斑彌散斑過大會使得焦點激光功率密度降低，從而會造成激光激發(fā)誤操作或者激發(fā)后得不到理想波形的情況，尤其當使用1536個靶位的基質(zhì)靶板時，單個靶點達到直徑小于0.8mm的程度，采用現(xiàn)有基質(zhì)輔助激光解析離子源型MALDI-TOF針對目標靶位進行激光激發(fā)操作時，很容易出現(xiàn)激發(fā)誤操作或者激發(fā)后得不到理想波形的情況。

研究表明，質(zhì)子解析為離子所需能量是固定的，當激光通過透鏡在焦點處的平均能量密度較小時，質(zhì)子不能分解成相應(yīng)的離子或者分解量較小，會造成不能生成波峰圖譜或生成的圖譜質(zhì)量較差，影響儀器的檢測分辨率。此時，需要相應(yīng)加大激光器的發(fā)射功率來增加焦點處的能量，使其達到質(zhì)子分解成離子過程所需要的能量級別。但激光器發(fā)射能量的大小與其壽命成反比，即激光器發(fā)射的功率能量越大，其使用壽命越短。由于在焦點光總能量一定的情況下，平均能量密度與焦點面積成反比，因此，可以通過優(yōu)化光學透鏡組合的方式，縮小焦點面積，提高焦點能量密度，從而提高操作準確性、獲得高質(zhì)量圖譜，并在一定程度上延長激光發(fā)射器的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決以上問題，本實用新型提供一種采用非球面透鏡的激光解析離子源激光光路。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型可采取下述技術(shù)方案：

本實用新型所述的采用非球面透鏡的激光解析離子源激光光路，包括傾斜設(shè)置在離子源腔體左上方的激光光纖頭調(diào)節(jié)器，所述激光光纖頭調(diào)節(jié)器下方設(shè)置有透鏡組支架，所述透鏡組支架上依次設(shè)置有與激光光纖頭調(diào)節(jié)器主光軸同軸的準直用平凸透鏡、聚焦用非球面透鏡和聚焦用凸透鏡，所述準直用平凸透鏡、聚焦用非球面透鏡和聚焦用凸透鏡的球差之和為零。

所述準直用平凸透鏡的直徑為15～35mm，焦距為40～100mm，所述聚焦用非球面透鏡的直徑為15～35mm，焦距為20～100mm，圓錐系數(shù)為-0.7～-0.95，所述聚焦用凸透鏡的直徑為10～35mm，焦距為50～115mm，入射光纖頭部與準直用平凸透鏡的間距H1在25～35mm之間，聚焦用凸透鏡與聚焦焦點的間距H2在25～35mm之間，準直用平凸透鏡與聚焦用非球面透鏡的間距H3在75～90mm之間，聚焦用非球面透鏡與聚焦用凸透鏡的間距H4在8～18mm 之間。

位于所述聚焦用非球面透鏡和聚焦用凸透鏡之間的所述離子源腔體壁面上開設(shè)有排氣孔。

本實用新型提供的采用非球面透鏡的激光解析離子源激光光路，采用由一個準直用平凸透鏡、一個聚焦用非球面透鏡和一個聚焦用凸透鏡組成的透鏡組，結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，優(yōu)化了激光光路焦點和焦點能量密度等參數(shù)，實現(xiàn)了基質(zhì)輔助激光解析離子源型MALDI-TOF針對基因鑒定物進行基質(zhì)解析的要求，避免了激光光路焦點過大引起的激發(fā)誤操作或者激發(fā)后得不到理想波形等情況的發(fā)生，同時在一定程度上提高了激光發(fā)射器的使用壽命。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型光路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型所述的采用非球面透鏡的激光解析離子源激光光路，包括傾斜設(shè)置在離子源腔體1左上方的激光光纖頭調(diào)節(jié)器2，激光光纖頭調(diào)節(jié)器2下方設(shè)置有透鏡組支架，透鏡組支架上依次設(shè)置有與激光光纖頭調(diào)節(jié)器2主光軸同軸的準直用平凸透鏡3、聚焦用非球面透鏡4和聚焦用凸透鏡5，所述準直用平凸透鏡3、聚焦用非球面透鏡4和聚焦用凸透鏡5的球差之和為零。其中，準直用平凸透鏡3上側(cè)設(shè)置帶有螺紋的壓緊塊，以旋入方式將準直用平凸透鏡3及其下側(cè)的O型密封圈壓緊密封。

此外，如圖1所示，在位于聚焦用非球面透鏡4和聚焦用凸透鏡5之間的離子源腔體壁面上開設(shè)有排氣孔8。由于上述鏡片均在常壓下裝配，使用時，離子源腔體1為真空系統(tǒng)，設(shè)置排氣孔8后，可以將上述兩鏡片之間的空氣抽出，有效避免由于內(nèi)外壓差造成的鏡片崩裂。

根據(jù)像差理論，實際平行光束僅通過球面透鏡不能在成像面上得到點像，只能形成一個彌散斑。本實用新型采用由多項高次方程決定、面形上各點半徑均不相同的非球面透鏡，使其與球面透鏡進行合理組合后，可以完全校正球面透鏡的像差，能把平行光入射的光成像在一點上，大大提高激光聚焦光路光學成像質(zhì)量。

上述非球面透鏡的鏡面彎曲程度z符合以下規(guī)律：

其中，z表示鏡面彎曲程度；h為鏡面的孔徑半徑；c為曲率半徑倒數(shù)；A、B、C、D…為h的各階高次系數(shù)；k為圓錐系數(shù)。

當非球面高次系數(shù)A、B、C、D…都為0時，方程變?yōu)槎吻娣匠蹋?/p>

在上述激光光路中的像差主要來自于球差。根據(jù)像差理論，各透鏡球差之和S應(yīng)符合如下公式：

其中，

上述公式中，表示球面透鏡的球差系數(shù)之和，表示非球面透鏡的球差系數(shù)，h為光線入射高度，為入射光線偏折角度函數(shù)，k為非球面透鏡的圓錐系數(shù)，R為非球面頂點曲率半徑，為透鏡材料折射率，n為環(huán)境空間折射率。

為使激光光路的光學透鏡球差矯正為零，必須滿足：

因此，

將各球面透鏡的球差系數(shù)和非球面透鏡的相關(guān)參數(shù)帶入上述公式，就可以得出按照像差理論求解的非球面透鏡的圓錐系數(shù)k的初始值。將非球面透鏡的圓錐系數(shù)k的初始值代入光學仿真軟件ZEMAX中，通過像差平衡之后，將非球面透鏡的圓錐系數(shù)k和各階高次系數(shù)A、B、C、D…作為設(shè)計變量不斷優(yōu)化，使初級像差和高級像差互相平衡，最終可以得到整個激光光路的光學透鏡球差矯正為零時的非球面透鏡系數(shù)，包括圓錐系數(shù)k和各高次系數(shù)A、B、C、D等。各高次系數(shù)如果不需要使用時，取值為0。

具體地，如圖2所示，當準直用平凸透鏡3的直徑為15～35mm，焦距為40～100mm，聚焦用非球面透鏡4的直徑為15～35mm，焦距為20～100mm，圓錐系數(shù)k取值為-0.7～-0.95，聚焦用凸透鏡5的直徑為10～35mm，焦距為50～115mm，入射光纖6頭部與準直用平凸透鏡3的間距H1在25～35mm之間，聚焦用凸透鏡5與聚焦焦點7的間距H2在25～35mm之間，準直用平凸透鏡3與聚焦用非球面透鏡4的間距H3在75～90mm之間，聚焦用非球面透鏡4與聚焦用凸透鏡5的間距H4在8～18mm之間時，整個激光光路的光學透鏡球差矯正為零。

此時，當入射光纖6的直徑為0.2mm，入射發(fā)散角為24.5度時，聚焦焦點7直徑達到60～120um；當入射光為1W時，聚焦焦點7處平均功率密度能夠達到160～252W/mm2；當激光器發(fā)射一定波長（337nm或355nm）的紫外光光波時，光路輸出焦點直徑為50～120um，可以針對直徑小于0.8mm的樣靶準確操作，有效避免打錯樣靶的現(xiàn)象。由于聚焦光斑面積大幅減小，因此在不提高發(fā)射激光總能量的條件下，焦點能量密度獲得增加，操作準確性得到提高，能夠獲得高質(zhì)量圖譜，并在一定程度上延長激光器的使用壽命。