雙軸激光差動(dòng)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，將雙軸差動(dòng)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，涉及一種雙軸激光差動(dòng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(duì)樣品二維區(qū)域內(nèi)多個(gè)微小區(qū)域分別進(jìn)行質(zhì)譜分析來檢測(cè)特定質(zhì)荷比(m/z)物質(zhì)的分布。
[0003]自上世紀(jì)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(cè)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(gè)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(kuò)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(jìn)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(jiǎn)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(cè)空間分辨力不高等問題；
[0006]2)無(wú)法對(duì)中性原子、分子、中離子及基團(tuán)等進(jìn)行探測(cè)，其結(jié)果制約了樣品組分信息的準(zhǔn)確完整獲??；
[0007]3)質(zhì)譜成像所需時(shí)間長(zhǎng)，激光質(zhì)譜儀聚焦光斑軸向位置相對(duì)被測(cè)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(zhǔn)確獲取對(duì)于科學(xué)研究和生產(chǎn)檢測(cè)都具有極其重要的意義。事實(shí)上，如何高靈敏地探測(cè)微區(qū)成分信息是目前礦產(chǎn)分析、生化檢測(cè)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(qiáng)脈沖激光聚焦到樣品表面會(huì)使樣品離子化，可激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，通過探測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)樣品完整組分信息探測(cè)。
[0010]激光雙軸差動(dòng)共焦技術(shù)利用照明與探測(cè)光路非共路結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，不僅顯著提高了光路的軸向分辨力和定焦精度，實(shí)現(xiàn)樣品形貌的高分辨成像探測(cè)，而且可以有效抑制背向散射干擾，提高光譜探測(cè)信噪比。
[0011]基于此，本發(fā)明提出一種雙軸激光差動(dòng)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雙軸差動(dòng)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(cè)技術(shù)相融合，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)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(cè)。
[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(cè)提供一個(gè)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(duì)樣品的漂移，提出一種雙軸激光差動(dòng)共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法與裝置，以期同時(shí)獲得被測(cè)樣品微區(qū)形貌信息和組分信息。本發(fā)明將激光雙軸差動(dòng)共焦顯微鏡聚焦光斑的探測(cè)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)處理的雙軸差動(dòng)共焦顯微鏡的微小聚焦光斑對(duì)樣品進(jìn)行高空間分辨形態(tài)成像，利用拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸差動(dòng)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(jìn)行探測(cè)，利用質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸差動(dòng)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(jìn)行微區(qū)質(zhì)譜成像，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸共焦顯微系統(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(jìn)行激光誘導(dǎo)擊穿光譜成像，然后再通過探測(cè)數(shù)據(jù)信息的融合與比對(duì)獲得完成的樣品成分信息，繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)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(cè)。
[0014]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0015]本發(fā)明的一種雙軸激光差動(dòng)共焦LIBS、拉曼光譜-質(zhì)譜成像方法，利用高空間分辨雙軸差動(dòng)共焦顯微系統(tǒng)的聚焦光斑對(duì)樣品進(jìn)行定焦與成像，利用拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸差動(dòng)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(jìn)行探測(cè)，利用質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸差動(dòng)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(jìn)行微區(qū)質(zhì)譜成像，利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙軸差動(dòng)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(jìn)行探測(cè)，然后再通過探測(cè)數(shù)據(jù)信息的融合與比對(duì)分析繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品微區(qū)高空間分辨和高靈敏形態(tài)與組分的同時(shí)成像與探測(cè)，包括以下步驟:
[0016]步驟一、使平行光束通過環(huán)形光發(fā)生系統(tǒng)后整形為環(huán)形光束，該環(huán)形光束再經(jīng)測(cè)量物鏡聚焦到被測(cè)樣品上；
[0017]步驟二、使計(jì)算機(jī)控制三維工作臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)樣品沿測(cè)量面法線方向在測(cè)量物鏡焦點(diǎn)附近上下移動(dòng)，利用采集物鏡、分光器、二向色分光器、聚焦透鏡、中繼放大透鏡和位于中繼放大透鏡焦面并關(guān)于采集光軸對(duì)稱放置的第一光強(qiáng)點(diǎn)探測(cè)器和第二光強(qiáng)點(diǎn)探測(cè)器對(duì)放大艾里斑進(jìn)行分割探測(cè)，得到艾里斑第一微區(qū)和艾里斑第二微區(qū)的強(qiáng)度特性曲線分別為第一離軸共焦軸向強(qiáng)度曲線和第二離軸共焦軸向強(qiáng)度曲線；
[0018]步驟三、將第一離軸共焦軸向強(qiáng)度曲線和第二離軸共焦軸向強(qiáng)度曲線相減處理得到雙軸差動(dòng)共焦軸向強(qiáng)度曲線，利用雙軸差動(dòng)共焦軸向強(qiáng)度曲線可以精確定位被測(cè)樣品該點(diǎn)軸向高度信息；
[0019]步驟四、計(jì)算機(jī)依據(jù)雙軸差動(dòng)共焦軸向強(qiáng)度曲線的零點(diǎn)位置zA值控制三維工作臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)樣品沿測(cè)量面法線方向運(yùn)動(dòng)，使測(cè)量物鏡的聚焦光斑聚焦到被測(cè)樣品上；
[0020]步驟五、利用拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)分光器反射、二向色分光器透射和拉曼光譜收集透鏡收集的拉曼光譜進(jìn)行探測(cè)，測(cè)得對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行質(zhì)譜成像，測(cè)得對(duì)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(cè)系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行探測(cè)，測(cè)得對(duì)應(yīng)聚焦光斑區(qū)域的樣品元素組成信息；
[0024]步驟九、計(jì)算機(jī)將激光雙軸差動(dòng)共焦探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的激光聚焦光斑位置樣品高度信息、激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的激光聚焦微區(qū)的拉曼光譜、激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的激光聚焦微區(qū)的光譜信息、質(zhì)譜探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的激光聚焦微區(qū)的質(zhì)譜信息進(jìn)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(jì)算機(jī)控制三維工作臺(tái)使測(cè)量物鏡焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)對(duì)象的下一個(gè)待測(cè)區(qū)域，然后按步驟二?步驟九進(jìn)行操作，得到下一個(gè)待測(cè)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(cè)樣品上的所有待測(cè)點(diǎn)均被測(cè)到，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理即可得到被測(cè)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)測(cè)量物鏡聚焦到被測(cè)樣品上解吸電離產(chǎn)生等離子體羽。
[0028]本發(fā)明的高空間分辨激光雙軸差動(dòng)共焦誘導(dǎo)擊穿、拉曼光譜-質(zhì)譜顯微成像裝置包括點(diǎn)光源、沿入射光軸方向放置的準(zhǔn)直透鏡、產(chǎn)生環(huán)形光束的環(huán)形光發(fā)生系統(tǒng)和聚焦光斑到被測(cè)樣品的測(cè)量物鏡，包括沿采集光軸方向放置的用于探測(cè)測(cè)量物鏡聚焦光斑反射光強(qiáng)度信號(hào)的采集物鏡、分光器和位于分光器反射方向的二向色性分光器、位于二向色分光器反射方向的聚焦透鏡、中繼放大透鏡和位于中繼放大透鏡焦面并關(guān)于采集光軸對(duì)稱放置的第一光強(qiáng)點(diǎn)探測(cè)器和第二光強(qiáng)點(diǎn)探測(cè)器，還包括位于二向色分光器透射方向用于探測(cè)拉曼光譜的拉曼收集透鏡和位于拉曼收集透鏡焦點(diǎn)的拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)；位于分光器透射方向用于探測(cè)激光誘導(dǎo)擊穿光譜的分色鏡、位于分色鏡反射光方向的激光誘導(dǎo)擊穿光譜收集透鏡和位于激光誘導(dǎo)擊穿光譜收集透鏡焦點(diǎn)處的激光誘導(dǎo)擊穿光譜探測(cè)系統(tǒng)，以及沿測(cè)量面法線方向、用于探測(cè)測(cè)量物鏡聚焦光斑解析電離的離子體羽組分的電離樣品吸管和質(zhì)譜探測(cè)系