一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光共焦Raman‑LIBS‑质谱联用显微成像方法与装置，属于共焦显微成像、光谱成像及质谱成像测量技术领域。本发明专利技术将后置分光瞳激光共焦显微成像技术与光谱、质谱探测技术结合，利用经超分辨技术处理的后置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，利用光谱探测系统对聚焦光斑激发光谱(拉曼光谱、诱导击穿光谱)进行微区光谱探测，利用质谱仪对样品微区带电分子、原子等进行质谱探测，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医学、材料科学等领域物质组分及形态成像探测提供一条全新的有效技术途径。

A Laser Confocal Raman-LIBS-MS Microscopic Imaging Method and Device

The invention relates to a laser confocal Raman LIBS mass spectrometry microimaging method and device, belonging to the technical field of confocal microimaging, spectral imaging and mass spectrometry imaging measurement. The invention combines the post-splitting pupil laser confocal microscopy imaging technology with the spectrum and mass spectrometry detection technology, uses the micro-focusing spot of the post-splitting pupil confocal microscopy processed by the super-resolution technology to perform high spatial resolution morphological imaging of the sample, uses the spectral detection system to detect the micro-area spectrum of the focused spot excitation spectrum (Raman spectrum, induced breakdown spectrum), and uses the quality. Spectrometer detects charged molecules and atoms in sample micro-region by mass spectrometry. High spatial resolution and high sensitivity imaging and detection of complete component information and morphological parameters in sample micro-region are realized by using the advantages of laser multi-spectral detection complementary and structure fusion. The invention can provide a completely new and effective technical approach for the detection of material components and morphological imaging in the fields of biomedicine, material science, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置
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
，将后置分光瞳激光共焦显微成像技术、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，涉及一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置，在生物医学、材料科学、物理化学、矿产、微纳制造等领域有广泛的应用前景。
技术介绍
目前物质组分高空间分辨探测的方法主要有激光拉曼光谱探测技术(RamanSpectroscopy)、激光诱导击穿光谱探测技术(LIBS，LaserInducedBreakdownSpectroscopy)和激光质谱探测技术(Massspectrometry)。激光拉曼光谱探测技术是一种基于拉曼散射光谱的非侵入性、无损伤地获取物质分子结构特征与成分的探测技术，其利用激光照射样品激发出与入射激光波长不同的拉曼光谱，通过探测拉曼光谱的谱峰频移、谱峰强度及宽度等信息来探测样品化学键和分子结构信息，进而得到物质分子组分及形态，其突出优势是可探测分子化学键、分子结构和分子组分信息。激光诱导击穿光谱探测技术是一种基于原子发射光谱和激光等离子体发射光谱的元素探测技术，其利用高功率密度的激光作用在样品表面，使样品表面极少部分材料产生激光诱导等离子体，通过探测激光诱导等离子体中的原子和离子发射光谱，得到物质的原子与小分子元素组成信息，进而确定样品的组分组成，其突出优势是可探测原子与小分子的元素组成。激光质谱探测技术是一种基于等离子体激发的高特异性和高灵敏度的微量元素探测技术，其利用激光照射样品实现物质电离，并对电离后的离子加速，通过探测不同离子荷质比和数量来确定样品组分，其突出优势是可探测带电离子、分子碎片等元素组成，能实现复杂样品组分信息的准确探测。上述三种激光组分探测技术中，激光拉曼光谱技术可以识别物质成分但不能测量样品中的元素，激光诱导击穿光谱技术可测量物质元素但不能测量样品分子结构，激光质谱技术虽然探测灵敏度高但只能识别电离后带电离子、分子碎片等元素。随着生命科学、材料科学、物理化学、环境科学和深空探测等研究的不断深入，如何实现样品微区物质完整组分信息高分辨、高灵敏的探测是目前激光组分探测领域亟待研究的重大问题，在生物医学、物理化学、材料工程和深空探测等领域具有重大背景需求。近年来，随着脉冲激光技术的快速发展，仅通过调节聚焦脉冲光束的波长、脉宽和强度就可激发出样品的散射光谱和表面离子体(激发表面等离子体要比激发散射光谱所需的光强度大)，可使样品散射出拉曼光谱、诱导击穿光谱，以及带电的原子、分子、分子碎片和中性的原子、分子、中离子等。目前，如何完整地获取样品微区同位置点的拉曼光谱、诱导击穿光谱，以及带电的原子、分子、分子碎片和中性的原子、分子、中离子等信息，对于样品组分信息的完整获取具有重要的作用。可幸的是，激光拉曼光谱、激光诱导击穿光谱和激光质谱的同源(激光器)激发与多谱(激光拉曼光谱、激光诱导击穿光谱和激光质谱)组分信息的互补探测，为样品完整组分信息的探测提供了可能。这就有可能将激光拉曼光谱技术、激光诱导击穿光谱探测技术和激光质谱探测技术有机结合，利用激光拉曼光谱探测系统探测样品物质分子结构和化学键信息，利用激光诱导击穿光谱系统探测物质元素和部分小分子信息的原子光谱，利用质谱探测系统探测击穿电离样品等离子体产生的带电离子和分子基团信息，进而达到物质微区完整组分信息的高空间分辨探测。同时，激光共焦显微镜“点照明”和“点探测”的成像探测机制，不仅使其横向分辨力较同等参数的光学显微镜改善1.4倍，而且还使共焦显微镜极便于与超分辨光瞳滤波技术、径向偏振光紧聚焦技术等结合来压缩聚焦光斑，进一步实现样品微区信息的高空间激发与高分辨探测等。基于上述分析，本专利技术提出后置分光瞳激光共焦显微聚焦激发和探测的一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置，其创新在于：首次将具有高空间分辨能力的后置分光瞳激光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貌与组分的成像与探测。本专利技术一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置可为生物医学、材料科学、物理化学、矿产、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为了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，提出一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置，以期同时获得被测对象微区形貌信息和组分信息。本专利技术将后置分光瞳激光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后置分光瞳激光共焦显微镜的微小聚焦光斑对样品进行高空间分辨形貌成像，利用拉曼光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用质谱探测系统对后置分光瞳激光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，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貌、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。本专利技术的一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法，利用高空间分辨后置分光瞳激光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后置分光瞳激光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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用质谱探测系统对后置分光瞳激光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，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貌与组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、点光源出射的激发光束，经过准直透镜准直为平行光束，平行光束通过压缩聚焦光斑系统、依次经分光棱镜透射、二向色镜A反射后，由测量物镜聚焦到样品上，激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；步骤二、计算机控制精密三维工作台带动样品沿测量面在测量物镜焦点附近上下移动；载有样品信息的拉曼散射光和瑞利散射光经过测量物镜收集，经过二向色镜A分为两束，其中通过二向色镜A反射的瑞利散射光经过分光棱镜反射后，被后置分光瞳激光共焦探测系统采集，经过收集物镜以及收集光瞳聚焦后，光斑被中继放大透镜放大，放大艾里斑透过针孔，探测区域的光强信号被光强探测器采集，得到后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线；步骤三、利用后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线可以精确定位样品的微区轴向高度信息；步骤四、计算机依据后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线的“极值点”精确对应测量物镜聚焦光斑焦点这一特性，控制精密三维工作台带动样品沿测量面法线方向运动，使测量物镜的聚焦光斑聚焦到样品上；步骤五、与此同时，经过二向色镜A透射的拉曼散射光经过二向色镜B反射后进入到拉曼光谱探测系统中，测得对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光共焦Raman‑LIBS‑质谱联用显微成像方法，其特征在于：利用高空间分辨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后置分光瞳激光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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用质谱探测系统对后置分光瞳激光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，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貌、组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、光源出射的激发光束，经过准直透镜(2)准直为平行光束(3)，平行光束(3)通过压缩聚焦光斑系统(4)、依次经分光棱镜(5)透射、二向色镜A(6)反射后，由测量物镜(7)聚焦到样品(8)上，激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；步骤二、计算机(29)控制精密三维工作台(10)带动样品(8)沿测量面在测量物镜(7)焦点附近上下移动；载有样品信息的拉曼散射光和瑞利散射光经过测量物镜(7)收集，经过二向色镜A(6)分为两束，其中通过二向色镜A(6)反射的瑞利散射光经过分光棱镜(5)反射后，被后置分光瞳激光共焦探测系统(13)采集，经过收集物镜(11)以及D型收集光瞳(12)聚焦后，光斑被中继放大透镜(14)放大，放大艾里斑(17)透过针孔(15)，探测区域(18)的光强信号被光强探测器(16)采集，得到后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)；步骤三、利用后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)能够精确定位样品(8)的微区轴向高度信息；步骤四、计算机依据后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)的“极值点”精确对应物镜聚焦光斑焦点这一特性，控制精密三维工作台(10)带动样品(8)沿测量面法线方向运动，使测量物镜(7)的聚焦光斑聚焦到样品(8)上；步骤五、与此同时，经过二向色镜A(6)透射的拉曼散射光经过二向色镜B(20)反射后进入到拉曼光谱探测系统(21)中，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、改变光源的工作模式，提高照明强度，激发样品(8)的微区解吸电离产生等离子体羽(9)，部分等离子体羽(9)通过离子吸管(27)由质谱仪(28)探测，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；步骤七、等离子体羽(9)湮灭发出LIBS光谱，LIBS光谱经过二向色镜A(6)和二向色镜B(20)透射后，由LIBS光谱探测系统进行探测(24)，测得样品对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤八、计算机(29)将后置分光瞳激光共焦探测系统(13)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、拉曼光谱探测系统(21)探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、LIBS光谱探测系统(24)探测的激光聚焦微区的LIBS光谱信息、质谱仪(28)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；步骤九、计算机(29)控制精密三维工作台(10)使测量物镜(7)焦点对准样品(8)的下一个待测区域，然后按步骤一～步骤八进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息；步骤十、重复步骤九直到样品(8)上的所有待测点均被测到，然后利用计算机(29)进行处理即可得到样品形态信息和完整组分信息。...

【技术特征摘要】
1.一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法，其特征在于：利用高空间分辨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后置分光瞳激光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，利用激光诱导击穿光谱探测系统对后置分光瞳激光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，利用质谱探测系统对后置分光瞳激光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，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貌、组分的成像与探测，包括以下步骤：步骤一、光源出射的激发光束，经过准直透镜(2)准直为平行光束(3)，平行光束(3)通过压缩聚焦光斑系统(4)、依次经分光棱镜(5)透射、二向色镜A(6)反射后，由测量物镜(7)聚焦到样品(8)上，激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；步骤二、计算机(29)控制精密三维工作台(10)带动样品(8)沿测量面在测量物镜(7)焦点附近上下移动；载有样品信息的拉曼散射光和瑞利散射光经过测量物镜(7)收集，经过二向色镜A(6)分为两束，其中通过二向色镜A(6)反射的瑞利散射光经过分光棱镜(5)反射后，被后置分光瞳激光共焦探测系统(13)采集，经过收集物镜(11)以及D型收集光瞳(12)聚焦后，光斑被中继放大透镜(14)放大，放大艾里斑(17)透过针孔(15)，探测区域(18)的光强信号被光强探测器(16)采集，得到后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)；步骤三、利用后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)能够精确定位样品(8)的微区轴向高度信息；步骤四、计算机依据后置分光瞳激光共焦轴向强度曲线(19)的“极值点”精确对应物镜聚焦光斑焦点这一特性，控制精密三维工作台(10)带动样品(8)沿测量面法线方向运动，使测量物镜(7)的聚焦光斑聚焦到样品(8)上；步骤五、与此同时，经过二向色镜A(6)透射的拉曼散射光经过二向色镜B(20)反射后进入到拉曼光谱探测系统(21)中，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、改变光源的工作模式，提高照明强度，激发样品(8)的微区解吸电离产生等离子体羽(9)，部分等离子体羽(9)通过离子吸管(27)由质谱仪(28)探测，测得对应聚焦光斑区域的质谱信息；步骤七、等离子体羽(9)湮灭发出LIBS光谱，LIBS光谱经过二向色镜A(6)和二向色镜B(20)透射后，由LIBS光谱探测系统进行探测(24)，测得样品对应聚焦光斑区域的样品元素组成信息；步骤八、计算机(29)将后置分光瞳激光共焦探测系统(13)测得的激光聚焦光斑位置样品高度信息、拉曼光谱探测系统(21)探测的激光聚焦微区的拉曼光谱信息、LIBS光谱探测系统(24)探测的激光聚焦微区的LIBS光谱信息、质谱仪(28)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；步骤九、计算机(29)控制精密三维工作台(10)使测量物镜(7)焦点对准样品(8)的下一个待测区域，然后按步骤一～步骤八进行操作，得到下一个待测聚焦区域的高度、光谱和质谱信息；步骤十、重复步骤九直到样品(8)上的所有待测点均被测到，然后利用计算机(29)进行处理即可得到样品形态信息和完整组分信息。2.根据权利要求1所述的一种激光共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法，所述压缩聚焦光斑系统(4)能够被矢量光发生器(30)和光瞳滤波器(31)替代；所述矢量光发生器(30)置于准直透镜(2)和分光棱镜(5)之间；所述光瞳滤波器(31)置于分光棱镜(5)和二向色镜A(6)之间。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，张蕊蕊，李荣吉，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