本发明专利技术涉及一种分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，属于共焦显微成像、光谱成像和质谱成像技术领域。本发明专利技术将分光瞳共焦成像与光谱、质谱探测技术结合，利用经超分辨技术处理的分光瞳共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨形态成像，利用质谱探测系统对样品微区带电分子、原子等进行质谱探测，利用光谱探测系统对分光瞳共焦显微系统聚焦光斑激发光谱(拉曼光谱、诱导击穿光谱)进行微区光谱探测，利用激光多谱探测的优势互补和结构融合实现样品微区完整组分信息与形态参数的高空间分辨和高灵敏成像与探测。本发明专利技术可为生物、材料等领域物质组分及形态成像探测提供一条全新的技术途径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于共焦显微成像技术、光谱成像技术和质谱成像
，将分光瞳共焦显微成像技术、激光诱导击穿光谱成像技术、拉曼光谱成像技术与质谱成像技术相结合，涉及一种分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，在生物、材料、矿产、微纳制造等领域有广泛的应用前景。技术背景质谱仪(Mass Spectrometry)是将样品中的组分发生电离，使生成的不同荷质比的带电原子、分子或分子碎片在电场和磁场的作用下分别聚焦而得到按质荷比大小顺序排列的图谱仪器。质谱成像是对样品二维区域内多个微小区域分别进行质谱分析来检测特定质荷比(m/z)物质的分布。自上世纪80年代中期基质辅助激光解吸电离这种高灵敏度和高质量检测范围生物质谱成像技术的出现，开拓了质谱学一个崭新的领域一生物质谱，促使质谱技术应用范围扩展到生命科学研究的众多领域，特别是质谱在蛋白质、核酸、糖蛋白分析等方面的应用，不仅为生命科学研究提供了新手段，而且也促进了质谱技术自身的发展。但现有基质辅助激光解吸电离质谱仪存在以下突出问题:I)由于利用简单的激光聚焦来解吸电离样品，因而其仍存在激光聚焦光斑大、质谱探测空间分辨力不高等问题；2)无法对中性原子、分子、中离子及基团等进行探测，其结果制约了样品组分信息的准确完整获取；3)质谱成像所需时间长，激光质谱仪聚焦光斑轴向位置相对被测样品常发生漂移问题。而矿产、空间物质以及生物样品的“微区”形貌和完整组分信息的准确获取对于科学研究和生产检测都具有极其重要的意义。事实上，如何高灵敏地探测微区成分信息是目前矿产分析、生化检测等领域亟待研究的重要技术问题。激光诱导击穿光谱的强脉冲激光聚焦到样品表面会使样品离子化，可激发样品产生等离子体，通过探测等离子体能量衰退辐射出的光谱可获取样品的原子及小分子元素组成信息；利用激光拉曼光谱技术可测量样品的分子激发光谱，获得样品中的化学键和分子结构信息。将激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术相结合与质谱探测技术结合可以实现优势互补和结构功能融合，利用激光多谱(质谱、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱)融合技术实现样品完整组分信息探测。分光瞳激光共焦技术利用照明与探测光路非共路结构进行探测，不仅显著提高了光路的轴向分辨力和定焦精度，实现样品形貌的高分辨成像探测，而且可以有效抑制背向散射干扰，提高光谱探测信噪比。基于此，本专利技术提出一种分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，其创新在于:首次将具有高空间分辨能力的分光瞳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态与组分的成像与探测。本专利技术一种高空间分辨激光共焦诱导击穿、拉曼光谱与质谱显微成像方法与装置可为生物、材料、物理化学、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。
技术实现思路
本专利技术的目的是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，提出一种分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光谱-质谱成像方法与装置，以期同时获得被测对象微区形貌信息和组分信息。本专利技术将激光分光瞳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分光瞳共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨形态成像，利用拉曼光谱探测系统对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，利用质谱探测系统对分光瞳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分光瞳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态与组分的成像与探测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的一种高空间分辨分光瞳激光共焦诱导击穿、拉曼光谱一质谱显微成像方法，利用高空间分辨分光瞳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，利用质谱探测系统对分光瞳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分光瞳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，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态与组分的成像与探测，包括以下步骤:步骤一、使平行光束通过沿入射光轴方向放置的压缩聚焦光斑系统、D型照明收集镜中的D型照明光瞳聚焦到被测样品上；步骤二、使计算机控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向在D型照明收集镜焦点附近上下移动，利用沿采集光轴方向放置的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镜和位于米集透镜焦点的光强点探测器对被测样品反射的测量光束进行聚焦探测得到分光瞳共焦轴向强度曲线；步骤三、将分光瞳共焦轴向强度曲线沿z向平移s后得到移位分光瞳共焦轴向强度曲线，然后将移位分光瞳共焦轴向强度曲线与分光瞳共焦轴向强度曲线相减处理得到错位分光瞳共焦轴向强度曲线，利用错位分光瞳共焦轴向强度曲线可以精确定位被测样品该点轴向高度信息；步骤四、将错位分光瞳共焦轴向强度曲线的零点位置zA减去平移值s/2得(zA-s/2)，计算机依据(za-s/2)值控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向运动使D型照明收集镜的聚焦光斑聚焦到被测样品上；步骤五、利用拉曼光谱探测系统对经分光器反射、二向色分光器透射和光谱收集透镜收集的拉曼光谱进行探测，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、改变平行光束(照明模式，激发被测样品的微区解吸电离产生等离子体羽；步骤七、利用电离样品吸管将聚焦光斑解吸电离被测样品产生的等离子体羽中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息;步骤八、利用激光诱导击穿光谱探测系统对经分光器透射和激光诱导击穿光谱收集透镜收集的激光诱导击穿光谱进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤九、计算机将激光分光瞳共焦探测系统测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、激光诱导击穿光谱探测系统探测激光聚焦微区的激光诱导击穿光谱信息、质谱探测系统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；步骤十、计算机控制三维工作台使D型照明收集镜焦点对准被测对象的下一个待测区域，然后按步骤二?步骤九进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息;步骤十一、重复步骤十直到被测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被测样品形态信息和完整组分信息。本专利技术方法包括步骤一可为使平行光束通过沿入射光轴方向放置的矢量光束发生系统、光瞳滤波器后整形为环形光束，该环形光束再经圆形照明收集镜聚焦到被测样品上解吸电离产生等离子体羽。本专利技术方法包括步骤四可为计算机依据分光瞳共焦轴向强度曲线最大值M对应的位置4值来控制三维工作台带动被测样品沿测量面法线方向运动，使D型照明收集镜的聚焦本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分光瞳激光共焦LIBS、拉曼光谱‑质谱成像方法，其特征在于：利用高空间分辨分光瞳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，利用质谱探测系统对分光瞳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分光瞳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，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态与组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、使平行光束(3)通过沿入射光轴(8)方向放置的压缩聚焦光斑系统(4)、D型照明收集镜(5)中的D型照明光瞳(6)聚焦到被测样品(9)上；步骤二、使计算机(18)控制三维工作台(19)带动被测样品(9)沿测量面法线(10)方向在D型照明收集镜(5)焦点附近上下移动，利用沿采集光轴(12)方向放置的D型收集光瞳(7)、分光器(20)、分光器(20)反射方向的二向色分光器(36)和位于二向色分光器(36)反射方向的采集透镜(13)和位于采集透镜(13)焦点的光强点探测器(14)对被测样品(9)反射的测量光束进行聚焦探测得到分光瞳共焦轴向强度曲线(15)；步骤三、将分光瞳共焦轴向强度曲线(15)沿z向平移s后得到移位分光瞳共焦轴向强度曲线(16)，然后将移位分光瞳共焦轴向强度曲线(16)与分光瞳共焦轴向强度曲线(15)相减处理得到错位分光瞳共焦轴向强度曲线(17),利用错位分光瞳共焦轴向强度曲线(17)可以精确定位被测样品(8)该点轴向高度信息；步骤四、将错位分光瞳共焦轴向强度曲线(17)的零点位置zA减去平移值s/2得(zA‑s/2)，计算机(18)依据(zA‑s/2)值控制三维工作台(19)带动被测样品(9)沿测量面法线(10)方向运动使D型照明收集镜(5)的聚焦光斑聚焦到被测样品(9)上；步骤五、利用拉曼光谱探测系统(39)对经分光器(20)反射、二向色分光器(36)透射和光谱收集透镜(38)收集的拉曼光谱(37)进行探测，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、改变平行光束(3)照明模式，激发被测样品(8)的微区解吸电离产生等离子体羽(9)；步骤七、利用电离样品吸管(23)将聚焦光斑解吸电离被测样品(9)产生的等离子体羽(11)中的分子、原子和离子吸入质谱探测系统(24)中进行质谱成像，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；步骤八、利用激光诱导击穿光谱探测系统(22)对经分光器(20)透射和激光诱导击穿光谱收集透镜(21)收集的激光诱导击穿光谱(35)进行探测，测得对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤九、计算机(18)将激光分光瞳共焦探测系统测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、激光拉曼光谱探测系统(39)探测的激光聚焦微区的拉曼光谱(37)、激光诱导击穿光谱探测系统(22)探测激光聚焦微区的激光诱导击穿光谱(35)、质谱探测系统(24)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；步骤十、计算机(18)控制三维工作台(19)使D型照明收集镜(5)焦点对准被测对象(9)的下一个待测区域，然后按步骤二～步骤九进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息；步骤十一、重复步骤十直到被测样品(9)上的所有待测点均被测到，然后利用计算机(18)进行处理即可得到被测样品形态信息和完整组分信息。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王允，赵维谦，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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