分光瞳激光共焦libs、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于共焦顯微成像技術(shù)、光譜成像技術(shù)和質(zhì)譜成像技術(shù)領(lǐng)域，將分光瞳共焦顯微成像技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像技術(shù)、拉曼光譜成像技術(shù)與質(zhì)譜成像技術(shù)相結(jié)合，涉及一種分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法與裝置，在生物、材料、礦產(chǎn)、微納制造等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
技術(shù)背景
[0002]質(zhì)譜儀(Mass Spectrometry)是將樣品中的組分發(fā)生電離，使生成的不同荷質(zhì)比的帶電原子、分子或分子碎片在電場和磁場的作用下分別聚焦而得到按質(zhì)荷比大小順序排列的圖譜儀器。質(zhì)譜成像是對樣品二維區(qū)域內(nèi)多個微小區(qū)域分別進行質(zhì)譜分析來檢測特定質(zhì)荷比(m/z)物質(zhì)的分布。
[0003]自上世紀80年代中期基質(zhì)輔助激光解吸電離這種高靈敏度和高質(zhì)量檢測范圍生物質(zhì)譜成像技術(shù)的出現(xiàn)，開拓了質(zhì)譜學(xué)一個嶄新的領(lǐng)域一生物質(zhì)譜，促使質(zhì)譜技術(shù)應(yīng)用范圍擴展到生命科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域，特別是質(zhì)譜在蛋白質(zhì)、核酸、糖蛋白分析等方面的應(yīng)用，不僅為生命科學(xué)研究提供了新手段，而且也促進了質(zhì)譜技術(shù)自身的發(fā)展。
[0004]但現(xiàn)有基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜儀存在以下突出問題:
[0005]I)由于利用簡單的激光聚焦來解吸電離樣品，因而其仍存在激光聚焦光斑大、質(zhì)譜探測空間分辨力不高等問題；
[0006]2)無法對中性原子、分子、中離子及基團等進行探測，其結(jié)果制約了樣品組分信息的準確完整獲?。?br>[0007]3)質(zhì)譜成像所需時間長，激光質(zhì)譜儀聚焦光斑軸向位置相對被測樣品常發(fā)生漂移問題。
[0008]而礦產(chǎn)、空間物質(zhì)以及生物樣品的“微區(qū)”形貌和完整組分信息的準確獲取對于科學(xué)研究和生產(chǎn)檢測都具有極其重要的意義。事實上，如何高靈敏地探測微區(qū)成分信息是目前礦產(chǎn)分析、生化檢測等領(lǐng)域亟待研究的重要技術(shù)問題。
[0009]激光誘導(dǎo)擊穿光譜的強脈沖激光聚焦到樣品表面會使樣品離子化，可激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，通過探測等離子體能量衰退輻射出的光譜可獲取樣品的原子及小分子元素組成信息；利用激光拉曼光譜技術(shù)可測量樣品的分子激發(fā)光譜，獲得樣品中的化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)信息。將激光拉曼光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)相結(jié)合與質(zhì)譜探測技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補和結(jié)構(gòu)功能融合，利用激光多譜(質(zhì)譜、拉曼光譜和激光誘導(dǎo)擊穿光譜)融合技術(shù)實現(xiàn)樣品完整組分信息探測。
[0010]分光瞳激光共焦技術(shù)利用照明與探測光路非共路結(jié)構(gòu)進行探測，不僅顯著提高了光路的軸向分辨力和定焦精度，實現(xiàn)樣品形貌的高分辨成像探測，而且可以有效抑制背向散射干擾，提高光譜探測信噪比。
[0011]基于此，本發(fā)明提出一種分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法與裝置，其創(chuàng)新在于:首次將具有高空間分辨能力的分光瞳共焦顯微技術(shù)與激光拉曼光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)和質(zhì)譜探測技術(shù)相融合，可實現(xiàn)被測樣品微區(qū)高空間分辨和高靈敏形態(tài)與組分的成像與探測。
[0012]本發(fā)明一種高空間分辨激光共焦誘導(dǎo)擊穿、拉曼光譜與質(zhì)譜顯微成像方法與裝置可為生物、材料、物理化學(xué)、微納制造等領(lǐng)域的形貌組分成像探測提供一個全新的有效技術(shù)途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提高質(zhì)譜成像的空間分辨能力、抑制成像過程中聚焦光斑相對樣品的漂移，提出一種分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法與裝置，以期同時獲得被測對象微區(qū)形貌信息和組分信息。本發(fā)明將激光分光瞳共焦顯微鏡聚焦光斑的探測功能與激光聚焦解吸電離功能相融合，利用經(jīng)超分辨技術(shù)處理的分光瞳共焦顯微鏡的微小聚焦光斑對樣品進行高空間分辨形態(tài)成像，利用拉曼光譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑激發(fā)樣品產(chǎn)生的拉曼光譜進行探測，利用質(zhì)譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑解吸電離樣品而產(chǎn)生的帶電分子、原子等進行微區(qū)質(zhì)譜成像，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑解吸電離樣品而產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜信息進行激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像，然后再通過探測數(shù)據(jù)信息的融合與比對獲得完成的樣品成分信息，繼而實現(xiàn)被測樣品微區(qū)高空間分辨和高靈敏形態(tài)與組分的成像與探測。
[0014]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0015]本發(fā)明的一種高空間分辨分光瞳激光共焦誘導(dǎo)擊穿、拉曼光譜一質(zhì)譜顯微成像方法，利用高空間分辨分光瞳共焦顯微系統(tǒng)的聚焦光斑對樣品進行軸向定焦與成像，利用拉曼光譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑激發(fā)樣品產(chǎn)生的拉曼光譜進行探測，利用質(zhì)譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑解吸電離樣品而產(chǎn)生的帶電分子、原子等進行微區(qū)質(zhì)譜成像，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)對分光瞳共焦顯微系統(tǒng)聚焦光斑解吸電離樣品而產(chǎn)生的等離子體發(fā)射光譜進行探測，然后再通過探測數(shù)據(jù)信息的融合與比對分析繼而實現(xiàn)被測樣品微區(qū)高空間分辨和高靈敏形態(tài)與組分的成像與探測，包括以下步驟:
[0016]步驟一、使平行光束通過沿入射光軸方向放置的壓縮聚焦光斑系統(tǒng)、D型照明收集鏡中的D型照明光瞳聚焦到被測樣品上；
[0017]步驟二、使計算機控制三維工作臺帶動被測樣品沿測量面法線方向在D型照明收集鏡焦點附近上下移動，利用沿采集光軸方向放置的D型收集光瞳、分光器、分光器反射方向的二向色分光器和位于二向色分光器反射方向的米集透鏡和位于米集透鏡焦點的光強點探測器對被測樣品反射的測量光束進行聚焦探測得到分光瞳共焦軸向強度曲線；
[0018]步驟三、將分光瞳共焦軸向強度曲線沿z向平移s后得到移位分光瞳共焦軸向強度曲線，然后將移位分光瞳共焦軸向強度曲線與分光瞳共焦軸向強度曲線相減處理得到錯位分光瞳共焦軸向強度曲線，利用錯位分光瞳共焦軸向強度曲線可以精確定位被測樣品該點軸向高度信息；
[0019]步驟四、將錯位分光瞳共焦軸向強度曲線的零點位置zA減去平移值s/2得(zA-s/2)，計算機依據(jù)(za-s/2)值控制三維工作臺帶動被測樣品沿測量面法線方向運動使D型照明收集鏡的聚焦光斑聚焦到被測樣品上；
[0020]步驟五、利用拉曼光譜探測系統(tǒng)對經(jīng)分光器反射、二向色分光器透射和光譜收集透鏡收集的拉曼光譜進行探測，測得對應(yīng)聚焦光斑區(qū)域的樣品化學(xué)鍵及分子結(jié)構(gòu)信息；
[0021]步驟六、改變平行光束(照明模式，激發(fā)被測樣品的微區(qū)解吸電離產(chǎn)生等離子體羽；
[0022]步驟七、利用電離樣品吸管將聚焦光斑解吸電離被測樣品產(chǎn)生的等離子體羽中的分子、原子和離子吸入質(zhì)譜探測系統(tǒng)中進行質(zhì)譜成像，測得對應(yīng)聚焦光斑區(qū)域的質(zhì)譜信息;
[0023]步驟八、利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)對經(jīng)分光器透射和激光誘導(dǎo)擊穿光譜收集透鏡收集的激光誘導(dǎo)擊穿光譜進行探測，測得對應(yīng)聚焦光斑區(qū)域的樣品元素組成信息；
[0024]步驟九、計算機將激光分光瞳共焦探測系統(tǒng)測得的激光聚焦光斑位置樣品高度信息、激光拉曼光譜探測系統(tǒng)探測的激光聚焦微區(qū)的拉曼光譜信息、激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)探測激光聚焦微區(qū)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜信息、質(zhì)譜探測系統(tǒng)測得的激光聚焦微區(qū)的質(zhì)譜信息進行融合處理，繼而得到聚焦光斑微區(qū)的高度、光譜和質(zhì)譜信息；
[0025]步驟十、計算機控制三維工作臺使D型照明收集鏡焦點對準被測對象的下一個待測區(qū)域，然后按步驟二?步驟九進行操作，得到下一個待測聚焦區(qū)域的高度、光譜和質(zhì)譜信息;
[0026]步驟十一、重復(fù)步驟十直到被測樣品上的所有待測點均被測到，然后利用計算機進行處理即可得到被測樣品形態(tài)信息和完整組分信息。
[0027]本發(fā)明方法包括步驟一可為使平行光束通過沿入射光軸方向放置的矢量光束發(fā)生系統(tǒng)、光瞳濾波器后整形為環(huán)形光束，該環(huán)形光束再經(jīng)圓形照明收集鏡聚焦到被測樣品上解吸電離產(chǎn)生等離子體羽。
[0028]本發(fā)明方法包括步驟四可為計算機依據(jù)分光瞳共焦軸向強度曲線最大值M對應(yīng)的位置4值來控制三維工作臺帶動被測樣品沿測量面法線方向運動，使D型照明收集鏡的聚焦光斑聚焦到被測樣品上。
[0029]本發(fā)明方法中D型照明收集鏡中D型照明光瞳和D型收集光瞳的照明收集功能可以通過圓形照明收集鏡中圓形照明光瞳和圓形收集光瞳來完成。
[0030]本發(fā)明的一種分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像裝置，包括點光源、沿入射光軸(方向放置的準直透鏡、壓縮聚焦光斑系統(tǒng)和聚焦光斑到被測樣品的D型照明收集鏡的D型照明光瞳，包括沿采集光軸方向放置的D型照明收集鏡的D型收集光瞳、分光器和位于分光器反射方向的二向色分光器、位于二向色分光器反射方向的米集透鏡和位于米集透鏡焦點的光強點探測器，還包括位于二向色分光器透射方向用于探測拉曼光譜的拉曼收集透鏡和位于拉曼收集透鏡焦點的拉曼光譜探測系統(tǒng)；位于分光器透射方向用于探測激光誘導(dǎo)擊穿光譜的激光誘導(dǎo)擊穿光譜收集透鏡和激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測系統(tǒng)，以及用于D型照明收集鏡聚焦光斑解吸電離的離子體羽組分的電離樣品吸管和質(zhì)譜探測系統(tǒng)，入射光軸和采集光軸之間的夾角為2 α，并關(guān)于測量面法線對稱。
[0031]本發(fā)