[发明专利]解决常压敞开式激光质谱仪中待测等离子体寿命短的方法及质谱仪

说明书

本发明提供了一种解决常压敞开式激光质谱仪中待测等离子体寿命短的方法及质谱仪，属于分析仪器技术领域，该方案针对常压敞开式激光质谱仪待测样品于非真空环境离子化所形成的等离子体稳定性低、寿命短的缺点，利用激光对等离子体进行二次或多次辐照，进一步提高等离子体的电离度，提升等离子体中离子浓度，并延长等离子体寿命。从而有效提高检测精度，准确度和信号的信噪比。

技术领域

本发明涉及分析仪器领域，尤其是指解决常压敞开式激光质谱仪中待测等离子体寿命短的方法及质谱仪。

背景技术

质谱仪是根据离子的质荷比来分析离子的质量数的一种仪器，可通过测定质荷比和气相离子的丰度鉴定样品中存在的化学成分的含量和类型，在元素和同位素的检测和分析上有着不可替代的作用。据市场调研报告显示，2015年全球质谱市场实现了49.20亿美元的产值，未来5年将以8.1％的年复合增长率，在2020年达到72.79亿美元的市场规模。2015年全球质谱市场中北美地区所占份额最大，其次是欧洲和亚太区。但未来5年亚太区市场将以最高的年复合增长率扩容，成为质谱供应商一个重要的营收战场。基于应用领域，该市场可以划分为制药、生物技术、工业化学、环境监测、矿产勘探、边检、缉毒、海关、核材料追踪、爆炸物检查、食品饮料检测等。仅2013年，中国就进口了近5亿美元的质谱设备。自2011年启动的《国家重大科学仪器设备开发专项》中，我国已经投入了数亿元经费用于先进质谱的研发。

随着食品安全、环境保护、安全反恐、食品安全和医疗健康需求的日益增长，相关的痕量元素(例如铀，铅和汞等重金属)和同位素的测量得到了日益广泛的关注。因此便携式户外原位测量方法和相关设备成为了近期的关注热点。遗憾的是传统的质谱仪都是在真空下操作，体积庞大，设备复杂，在成本和便携性上都有很大的局限性。

离子源是质谱的核心部件之一，它很大程度上决定了质谱的灵敏度。传统的电离方法包括电子轰击电离(EI)、Chemical Ionization(CI)、Fast Atom Bombardment(FAB)、基质辅助激光解析电离(MALDI)、热电离(TIMS)等方法，都需要在真空环境中操作。近年来，随着电喷雾电离(ESI)、实时直接分析(DART)、电感耦合等离子体(ICP)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)、大气压固体分析探头电离(ASAP)、激光烧蚀电喷雾(LAESI)等电离方法的发明，使得非真空质谱测量成为可能。遗憾的是目前的非真空质谱测量还存在以下几个问题：

1.无法在真正的大气环境下操作，需要合适的气氛和温度。例如ICP、APCI、APPI、ASAP；

2.受外界环境影响很大。例如ESI、DART、LAESI；

3.都是软电离方法，无法有效应对硬质，难溶，难熔，难电离样品；

4.需要辅助装置对样品进行粉碎、溶解甚至雾化处理。

目前的非真空质谱测量存在的缺陷都来自于电离方法自身的不足。无论是ESI还是DART等方法，采用的都是电子或者离子喷射方法来使样品带电。这样的软电离方法对易脱附、易挥发、可溶解的材料非常适用，但是对于硬质、不挥发、难溶、难熔、难电离的样品就束手无策。尤其是目前的便携式非真空质谱设备，通常都装备有一系列配套的制样、采样和进样设施。

针对上述真空质谱仪的缺陷，可利用常压敞开式便携激光质谱仪进行替代。该设备利用激光作为离子源，基于其高能量密度，激光能够在大气环境下粉碎并离子化已知的任何材料(可以是固体、液晶、液体、气体等任何形态)并生产等离子体。由于在该方法中所采集的是激光轰击后产生的等离子体，因此等离子体的寿命、稳定性、分布和密度都将会直接影响测量效果。就目前所知，等离子体的寿命通常在数个微秒以内，寿命较短。由于等离子体的高温高压特性，等离子体从产生的初始就开始向周边自由空间高速扩散，使得等离子体的分布和密度始终处于一个动态变化过程。同时敞开式大气环境使得高能等离子体暴露于空气环境，极易与空气中所含的氧分子、水分子等成分发生反应，从而直接影响等离子体寿命、稳定性和成分信息。