本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于真空紫外激光(vuv，波長范圍120-150nm)的微米級空間分辨質(zhì)譜成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

質(zhì)譜成像在材料學(xué)、藥學(xué)、生物學(xué)具有廣泛應(yīng)用，它能同時提供分子的空間和成分信息。特別是在對生物組織、細(xì)胞的分析研究中能提供非常詳細(xì)的化學(xué)成分結(jié)構(gòu)信息，具有重大意義。

現(xiàn)階段用于研究數(shù)十微米尺寸樣品的質(zhì)譜成像裝置包括，用于產(chǎn)生濺射離子的離子槍或激光束、樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元。其中，樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元包括位移臺、承載樣品的非絕緣基底片、樣品離子引出電極組及離子探測器、示波器、工作站。由于將離子源或激光束聚焦到微米光斑等級所需焦距很短(一般小于30mm)，從而使得離子引出電極組與樣品之間的距離受到限制，因此引出離子的電極一般設(shè)計(jì)為錐形電極，但這導(dǎo)致一部分產(chǎn)生的樣品離子無法達(dá)到離子探測器，降低了離子探測器的靈敏度。

常見的質(zhì)譜成像裝置為二次離子質(zhì)譜(簡稱sims)儀，其工作原理為：用依次通過離子槍和二次離子能量過濾器后獲得的高能量團(tuán)簇離子源轟擊樣品，通過樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元采集樣品的二次離子并得到高空間分辨的質(zhì)譜成像。文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)其空間分辨率可達(dá)100nm左右，但是其質(zhì)譜的碎片很多，基本上只能得到質(zhì)量數(shù)為500以內(nèi)的小分子的質(zhì)譜成像，很難實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量分子(如磷脂、肽段)的成像信息。

近些年來，真空紫外激光(vuv，波長范圍120-150nm)的質(zhì)譜濺射作用受到人們越來越多的關(guān)注，這是由于真空紫外激光相對于高能量團(tuán)簇離子源來說是一個軟電離源。真空紫外激光的單光子能量較高，接近10電子伏特，能電離大部分的單個生物分子，而且極易被生物樣品吸收。因此，利用真空紫外激光濺射電離質(zhì)譜可以對各類有機(jī)小分子甚至生物大分子進(jìn)行高靈敏度檢測。另外，該激光波長比可見光、紫外光短，理論上真空紫外激光可聚焦至直徑為100nm的光斑，可實(shí)現(xiàn)亞微米的空間分辨，為研究生物樣品提供了一個新的工具，特別是對臨床組織的微米級別質(zhì)譜成像，亞微米級的生物細(xì)胞成像，納米材料的微觀結(jié)構(gòu)分析等具有深遠(yuǎn)的意義。但若是要實(shí)現(xiàn)亞微米聚焦效果，真空紫外激光單脈沖能量需高達(dá)幾十微焦耳。

目前主要有三種方式獲得上述較高強(qiáng)度的真空紫外光：同步輻射光源、自由電子激光器、四波混頻技術(shù)。前兩者裝置的成本昂貴，體積龐大而復(fù)雜，使用不便；而通過四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光，相對比較容易實(shí)現(xiàn)。

基于四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光技術(shù)興起于二十世紀(jì)七十年代，一般四波混頻選擇的介質(zhì)主要有kr氣、xe氣、ar氣等惰性氣體，但產(chǎn)生的真空紫外激光效率低，接近百萬分之一。此外，還可采用汞蒸氣作為四波混頻介質(zhì)，其產(chǎn)生的混頻效率高達(dá)1％。現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)汞蒸氣四波混頻分為聚焦或非聚焦的方法。前者需要一束或兩束激光聚焦在混頻池，通過雙光子共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)四波混頻，其中一束激光波長固定，改變另一束激光波長產(chǎn)生可調(diào)諧的真空紫外激光。由于雙光子共振很容易飽和，此方法難以產(chǎn)生高強(qiáng)度的真空紫外激光；而后者采用三束準(zhǔn)直激光，其中兩束激光波長固定在共振能級，另外一束激光波長實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，飽和效應(yīng)較小，可獲得單脈沖能量幾十微焦耳的真空紫外激光光源。

已有的一種汞蒸氣池設(shè)計(jì)方案來自r.wallenstein課題組(hilbig,r.andr.wallenstein.ieeejournalofquantumelectronics19(12):1759-1770.)，他們設(shè)計(jì)的汞蒸氣池適合用聚焦的方法實(shí)現(xiàn)四波混頻，其主要含有加熱管，與加熱管兩端連接的側(cè)管。其中加熱管和側(cè)管之間通過一個小孔連通，側(cè)管外面纏繞冷卻水管，可以有效地實(shí)現(xiàn)汞蒸氣的冷凝回流。但是該加熱管長度較短(20mm)，導(dǎo)致四波混頻作用長度較短，且汞蒸氣池處于一個封閉狀態(tài)，很難獲取穩(wěn)定的高強(qiáng)度真空紫外激光。

而對于三束準(zhǔn)直激光，目前只有兩個課題組課報(bào)道了利用三束準(zhǔn)直激光通過汞蒸氣池產(chǎn)生高強(qiáng)度真空紫外激光。一個是asmith等人的課題組(muller,c.,etal.opticsletters13(8):651,1988)：他們設(shè)計(jì)的汞蒸氣池長為1.1m，其池體、兩端窗口片、真空計(jì)等都在一個恒溫爐中，該裝置體積龐大、汞蒸氣池處于封閉狀態(tài)，因此其使用很不方便。另外一個是davis等人的課題組(albert,d.r.,etal.reviewofscientificinstruments84(6):063104,2013)：他們采用的汞蒸氣池四波混頻作用長度為600mm，其混頻管為一個向下彎曲的不銹鋼管，管中央纏裹加熱帶，通過調(diào)節(jié)加熱帶上的電壓來加熱混頻管，無溫度控制功能，很難保證恒溫效果；通過兩端環(huán)繞通冷卻水的銅管實(shí)現(xiàn)冷卻，但冷凝效果較差。這兩個課題組設(shè)計(jì)的汞蒸氣池在操作過程中，均不能得知汞蒸氣在不同位置的真空度。

由于四波混頻技術(shù)基于非線性光學(xué)原理，將輸入光(即基頻光，包括紫外光、可見光)中的一部分在混頻介質(zhì)中轉(zhuǎn)換為vuv光后，剩下的基頻光會與vuv光共同輸出。vuv波長較基頻光短，單光子能量較基頻光高，但由此產(chǎn)生的vuv光強(qiáng)度只有基頻光的百分之一或更小。由于輸出光中還混有高強(qiáng)度的基頻光，若不將vuv光與該高強(qiáng)度的基頻光分離，將會損傷被測樣本，或掩蓋vuv光的效果。因此，需要將vuv光和基頻光分離。

將vuv光和基頻光分離一般使用兩個獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)分別進(jìn)行分光和聚焦。分光的常規(guī)技術(shù)是先使用棱鏡或光柵將輸出光中的vuv光和基頻光進(jìn)行分開。這種方法利用了棱鏡或光柵對不同波長的光有不同的折射或衍射角度的性質(zhì)，但出射的vuv光路改變了方向，大大增加了實(shí)驗(yàn)裝置的難度和穩(wěn)定使用。

文獻(xiàn)報(bào)道的棱鏡分光系統(tǒng)之一(d.riedel，appl.phys.a69,375–380,1999)分光后再通過單透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦。輸出光通過棱鏡后傳播方向發(fā)生改變。不同波長的光線偏移角度不同，從而實(shí)現(xiàn)分光?？梢姽饴凡辉谝粭l軸線上，使用起來會非常不便。

目前用于vuv光的聚焦系統(tǒng)可采用反射聚焦方式。反射式聚焦鏡具有無色差的優(yōu)點(diǎn)；但成本高，體積大，反射鍍膜損傷閾值低。另外，表面光解化學(xué)反應(yīng)會在光學(xué)表面生成污染層，反射率會隨工作時間降低，造成vuv光強(qiáng)的損失；且反射鍍膜清洗困難。特別是用于高強(qiáng)度vuv光時，反射式聚焦系統(tǒng)存在的上述問題會更加突出。目前還未見用于高強(qiáng)度真空紫外激光的透射式分光聚焦系統(tǒng)。

綜上所述，目前利用波長短于150nm的真空紫外激光進(jìn)行生物樣品的質(zhì)譜成像還未有文獻(xiàn)報(bào)道，主要是因?yàn)楫a(chǎn)生出來的波長短于150nm的真空紫外激光能量太弱，真空紫外激光需要在真空傳播，光學(xué)材料的透過率比較低使得光斑聚小較難，而激光濺射需要很高的能量密度才能產(chǎn)生離子，進(jìn)一步得到質(zhì)譜信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種基于真空紫外激光的微米級空間分辨質(zhì)譜成像系統(tǒng)。本發(fā)明的質(zhì)譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，可產(chǎn)生高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的真空紫外激光，可用少至三片透鏡達(dá)到同時分光和亞微米近衍射極限聚焦的目的，可以實(shí)現(xiàn)更高靈敏度的小質(zhì)量的生物樣品檢測，如臨床生物組織成分質(zhì)譜成像分析，單細(xì)胞成分質(zhì)譜成像分析等。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種基于真空紫外激光的微米級空間分辨質(zhì)譜成像系統(tǒng)，包括含有三維位移臺、離子探測器、示波器、工作站的樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元，其特征在于，該質(zhì)譜成像系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生基頻光的染料激光器，真空紫外激光獲取單元，透射式分光聚焦單元；其中，由三臺染料激光器產(chǎn)生的三束基頻光通過真空紫外激光獲取單元產(chǎn)生120-150nm的真空紫外激光，該真空紫外激光通過透射式分光聚焦單元后聚焦到待測樣品上；通過樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元獲取待測樣品的質(zhì)譜信號，實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜成像。

所述真空紫外激光獲取單元為一個具有管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池，該汞蒸氣池包括：包裹在等直徑混頻管外側(cè)的管式恒溫爐，真空獲取裝置，在混頻管兩端均設(shè)有的冷卻套管、氣體保護(hù)管；其特征在于，所述管式恒溫爐由電阻絲、陶瓷及絕熱層組成，該管式恒溫爐內(nèi)腔側(cè)壁的尺寸與混頻管側(cè)壁尺寸相匹配；所述混頻管每端的冷卻套管均由錐形內(nèi)管和圓柱形外套管構(gòu)成，錐形內(nèi)管的大口端與混頻管一端連通，錐形內(nèi)管與圓柱形外套管之間填充有循環(huán)冷卻水，圓柱形外套管的側(cè)壁上分別設(shè)有冷卻水進(jìn)、出管；所述混頻管兩端的兩個氣體保護(hù)管一端均分別與該端的錐形內(nèi)管小口端連通，一個氣體保護(hù)管的另一端安裝平面窗口片或透鏡，該平面窗口片或透鏡的材質(zhì)為氟化鎂或氟化鋰，另一個氣體保護(hù)管的另一端安裝平面石英窗口片；兩個氣體保護(hù)管側(cè)壁上均分別設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管，其中進(jìn)氣管上設(shè)有控制保護(hù)氣體流量的針閥，出氣管與真空獲取裝置相連。

所述管式恒溫爐還包含兩個分別用于檢測混頻管中心和端部溫度的熱偶測溫計(jì)，該管式恒溫爐的測量誤差為1攝氏度。

所述汞蒸氣池還包括兩個電容薄膜規(guī)，其中一個位于混頻管中部，另一個緊靠所述平面石英窗口片設(shè)置。

所述汞蒸氣池還包括設(shè)置在所述出氣管與真空獲取裝置之間的汞蒸氣回收裝置，該汞蒸氣回收裝置為一個圓柱體不銹鋼桶，桶內(nèi)塞滿銅網(wǎng)，經(jīng)出氣管導(dǎo)出的熱汞蒸氣由該銅網(wǎng)吸收或者冷凝。

所述透射式分光聚焦單元的一種實(shí)現(xiàn)方式為：包括三塊凸透鏡和一個光闌，各凸透鏡和光闌均垂直于光路且共光軸設(shè)置；其中，第一凸透鏡、第二凸透鏡前后排列于光闌同一側(cè)，第三凸透鏡位于光闌另一側(cè)；

令第一和第二凸透鏡之間的距離、第二凸透鏡和光闌之間的距離、光闌和第三凸透鏡之間的距離分別為l1、l2、l3，令第一、第二、第三凸透鏡在真空紫外激光波段的的焦距分別為f1、f2、f3，則各元件的參數(shù)滿足以下公式：

1.5×(f1+f2)＞l1＞f1+f2(1)

l1＞2f1(2)

f2≥f1(3)

l3＞f3(5-1)

所述第三凸透鏡的工作距離wd按照公式(6)計(jì)算：

所述透射式分光聚焦單元的另一種實(shí)現(xiàn)方式為：包括四塊凸透鏡和一個光闌，各凸透鏡和光闌均垂直于光路且共光軸設(shè)置；其中，第一凸透鏡、第二凸透鏡前后排列于光闌同一側(cè)，第三凸透鏡、第四凸透鏡前后排列于光闌另一側(cè)；

令第一和第二凸透鏡之間的距離、第二凸透鏡和光闌之間的距離、光闌和第三凸透鏡之間的距離分別為l1、l2、l3，令第一、第二、第三及第四凸透鏡在真空紫外激光波段的的焦距分別為f1、f2、f3、f4，則各元件的參數(shù)滿足以下公式：

1.5×(f1+f2)＞l1＞f1+f2(1)

l1＞2f1(2)

f2≥f1(3)

l3＝f3(5-2)；

所述第四凸透鏡設(shè)置在第三透鏡后方任意處，第四凸透鏡的工作距離等于該凸透鏡的焦距f4。

所述樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元還包括用于承載待測樣品的絕緣基底片以及多片平行的電極片；所述絕緣基底片與所述三維位移臺固定連接后設(shè)置在兩塊電極片之間。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

1、整套汞蒸氣池采用不銹鋼制成，易于加工，生產(chǎn)成本較低。

2、整套汞蒸氣池與現(xiàn)有汞蒸氣池相比，引入管式恒溫爐對混頻管加熱，使汞蒸氣分布更均勻，對汞蒸氣池中的氣壓多點(diǎn)監(jiān)測，采用兩端內(nèi)冷式水冷方法使得汞蒸氣更好的冷凝，從而獲得高強(qiáng)度的真空紫外光輸出。另外，通過對汞蒸氣的回收避免了環(huán)境污染。

3、通過該汞蒸氣池產(chǎn)生的高強(qiáng)度真空紫外光，可實(shí)現(xiàn)真空紫外激光濺射實(shí)驗(yàn)，對材料、生物樣品、特別是微小尺度樣品(如單細(xì)胞)的質(zhì)譜信號進(jìn)行檢測，為高空間分辨質(zhì)譜成像提供了工具。同時可用于光譜檢測等科研或民用領(lǐng)域以及推廣到環(huán)境監(jiān)測、軍事科學(xué)、天文觀測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

4、真空紫外激光的透射式分光聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，光路同軸，光學(xué)表面損傷閾值高，污染清洗方便。該系統(tǒng)采用氟化鎂和氟化鋰等制成用于vuv光波段的光學(xué)元件，用最少三塊球面或非球面凸透鏡對四波混頻產(chǎn)生的vuv光源進(jìn)行分光和聚焦。對基頻光的分光率達(dá)到99.99％以上，vuv光(125nm-150nm)的總透過率可達(dá)到10％以上。在聚焦時，配合非球面透鏡抵消球差，使本系統(tǒng)達(dá)到衍射極限，從而實(shí)現(xiàn)亞微米衍射極限光斑聚焦。

5、本發(fā)明能更好的應(yīng)用于絕緣材料樣品基底的分析，如玻璃，石英，氟化鎂材料等基底。平行電極片引出離子方式，更好地探測離子信號，提高了離子探測效率、質(zhì)譜分辨率和質(zhì)譜空間分辨率。

6、由于vuv光源極易被樣品吸收的性質(zhì)，可以獲得較大質(zhì)量的分子(500-2000da)的質(zhì)譜成像，同時vuv光源可以聚焦到幾百納米的光斑大小，從而使得樣品的微米、亞微米的空間質(zhì)譜成像成為可能，特別是在生物組織，單細(xì)胞中的有機(jī)小分子，如膽固醇，脂類，肽段等研究具有重要的潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的質(zhì)譜成像裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明質(zhì)譜成像裝置所采用的另一種透射式分光聚焦系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例采用三束激光四波混頻實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度真空紫外激光輸出的強(qiáng)度與時間關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)例的樣品掃描對應(yīng)的sem圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)例的樣品質(zhì)譜及其質(zhì)譜成像圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明提出的一種基于真空紫外激光的微米級空間分辨質(zhì)譜成像裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提出的一種基于真空紫外激光的微米級空間分辨質(zhì)譜成像裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括用于產(chǎn)生基頻光的染料激光器(圖1中未示意)，真空紫外激光獲取單元1，透射式分光聚焦單元2，樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元3；由常規(guī)的三臺染料激光器產(chǎn)生的三束基頻光通過高強(qiáng)度真空紫外激光獲取單元1產(chǎn)生120-150nm的真空紫外激光，該真空紫外激光通過透射式分光聚焦單元2后聚焦到待測樣品上；通過樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元3獲取待測樣品的質(zhì)譜信號，實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜成像。

所述真空紫外激光獲取單元1為一個具有管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：包裹在等直徑混頻管1-1外側(cè)的管式恒溫爐1-2，真空獲取裝置，在混頻管1-1兩端均設(shè)有冷卻套管1-3、氣體保護(hù)管1-4；其中，管式恒溫爐1-2由電阻絲、陶瓷及絕熱層組成，可以上下開啟，該管式恒溫爐中空，內(nèi)腔側(cè)壁的尺寸與混頻管1-1側(cè)壁尺寸相匹配；所述混頻管1-1每端的冷卻套管1-3均由錐形內(nèi)管1-3-1和圓柱形外套管1-3-2構(gòu)成，錐形內(nèi)管1-3-1的大口端與混頻管1-1一端連通，錐形內(nèi)管1-3-1與圓柱形外套管1-3-2之間填充有循環(huán)冷卻水，圓柱形外套管1-3-2的側(cè)壁上分別設(shè)有冷卻水進(jìn)管1-3-3和冷卻水出管1-3-4；所述混頻管1兩端的兩個氣體保護(hù)管1-4一端均分別與該端的錐形內(nèi)管1-3-1小口端連通，一個氣體保護(hù)管1-4的另一端安裝平面窗口片或透鏡1-6，該平面窗口片或透鏡1-6的材質(zhì)為氟化鎂或氟化鋰，另一個氣體保護(hù)管1-4的另一端安裝平面石英窗口片1-5；兩個氣體保護(hù)管1-4側(cè)壁上均分別設(shè)有進(jìn)氣管1-4-1和出氣管1-4-2，進(jìn)氣管1-4-1上設(shè)有控制保護(hù)氣體流量的針閥1-11，出氣管1-4-2與真空獲取裝置相連。

為了實(shí)現(xiàn)恒溫控制，所述管式恒溫爐還包含兩個熱偶測溫計(jì)，分別用于檢測混頻管1-1中心和端部的溫度，通過電路控制保證混頻管1-1中心和兩端溫度相同。該管式恒溫爐的測量誤差為1攝氏度，恒溫范圍為0-1000攝氏度，有效長度為300-600mm。

所述混頻管1-1每端的冷卻套管1-3有效外徑均為30-60mm，有效長度均為100-300mm。在冷卻套管1-3的圓柱形外套管1-3-2上下側(cè)壁各焊接冷卻進(jìn)水管1-3-3和冷卻出水管1-3-4，有效外徑為4-8mm，通過冷卻水進(jìn)、出管在冷卻套管1-3的錐形內(nèi)管和圓柱形外套管之間通入16-24攝氏度的循環(huán)冷卻水，汞蒸氣在接觸錐形內(nèi)管冷卻成液體后，由于重力作用而重新回落到混頻管1-1中。

所述混頻管1-1每端的氣體保護(hù)管1-4均采用不銹鋼管制成，有效外徑為30-60mm，有效長度為100-200mm。保護(hù)氣體(ar氣或者h(yuǎn)e氣)均從靠近窗口片的進(jìn)氣管1-4-1導(dǎo)入，從靠近錐形內(nèi)管小口端設(shè)置的出氣管1-4-2導(dǎo)出。通過導(dǎo)入ar氣或者h(yuǎn)e氣不僅可以實(shí)現(xiàn)四波混頻要求的相位匹配條件，而且可以防止汞蒸氣在汞蒸氣池兩端的鏡片上冷凝而污染鏡片，造成真空紫外激光通過率降低的情況。

所述真空獲取裝置由電磁閥1-8和渦旋干泵1-9構(gòu)成，渦旋干泵1-9通過電磁閥1-8與出氣管1-4-2連通。通過電磁閥1-8的開關(guān)控制出氣管1-4-2與渦旋干泵1-9的連通；通過控制針閥1-11調(diào)節(jié)氦氣或氬氣的流速，以控制汞蒸氣池的真空度。

本發(fā)明汞蒸氣池還設(shè)有兩個用于測量氣壓的電容薄膜規(guī)1-10，其中一個位于混頻管1-1中部，另一個緊靠平面石英窗口片1-5設(shè)置，用于實(shí)時監(jiān)測汞蒸氣池中部及端部的真空度。

此外，本發(fā)明的汞蒸氣池在出氣管1-4-2與真空獲取裝置之間還可設(shè)有汞蒸氣回收裝置1-7，該汞蒸氣回收裝置為一個圓柱體不銹鋼桶，桶內(nèi)塞滿銅網(wǎng)，經(jīng)出氣管1-4-2導(dǎo)出的熱汞蒸氣被該銅網(wǎng)吸收或者冷凝，防止汞蒸氣污染環(huán)境。

所述透射式分光聚焦單元2，由三塊凸透鏡及一個光闌構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，各凸透鏡采用氟化鎂或氟化鋰制成，各凸透鏡和光闌均垂直于光路且共光軸設(shè)置；其中，第一凸透鏡2-1、第二凸透鏡2-2前后排列于光闌2-5同一側(cè)，第三凸透鏡2-3位于光闌2-5另一側(cè)；將經(jīng)四波混頻得到的輸出光作為本分光聚焦單元的入射光，入射光經(jīng)過第一、第二凸透鏡后該入射光中的真空紫外激光匯聚并穿過光闌2-5的中心孔，基頻光由于凸透鏡色散被光闌2-5遮擋；通過該第三凸透鏡對真空紫外激光進(jìn)行聚焦；該分光聚焦單元各元件的設(shè)置的距離如下：

令第一和第二凸透鏡之間的距離、第二凸透鏡和光闌之間的距離、光闌和第三凸透鏡之間的距離分別為l1、l2、l3，令第一、第二、第三凸透鏡在真空紫外激光波段的的焦距分別為f1、f2、f3，則l1、l2滿足以下公式可達(dá)到設(shè)計(jì)分光效果的同時確保光闌和第一、第二凸透鏡不會受到損壞：

1.5×(f1+f2)＞l1＞f1+f2(1)

l1＞2f1(2)

f2≥f1(3)

第二凸透鏡和光闌之間的距離l2可通過公式(4)確定：

此時基頻光在第二凸透鏡位置的光斑大小大于1/3w,且基頻光光密度小于入射基頻光的9倍，其中，w為入射光光束直徑。當(dāng)使用焦距f2更長的第二透鏡二時，可以使第二透鏡處基頻光的這個光密度數(shù)值變小。

所述光闌的中心孔直徑d可取1-50微米，大小可根據(jù)被測樣本的熱損傷閾值來選擇。光闌可同時起到分光和提高vuv光束質(zhì)量的作用。該光闌對基頻光的衰減率q(通過光闌中心孔的光能量與入射光總能量之比，衰減率越大分光效果越好)，可用下式來計(jì)算：

q＝1-(d/w)²。當(dāng)入射光光束直徑為5毫米時，衰減率在99.99％到99.99999％之間。雖然光闌中心孔直徑越小分光效果越好，但對光闌位置的調(diào)試精度要求會相應(yīng)增加。

為了保證光束在第三凸透鏡2-3后面匯聚，第三凸透鏡至光闌的距離l3及第三凸透鏡的焦距f3應(yīng)滿足：

l3＞f3(5-1)

第三凸透鏡的工作距離wd應(yīng)按照公式(6)計(jì)算：

所述用于真空紫外激光的透射式分光聚焦單元，還可由四塊凸透鏡及一個光闌構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)是在上述三塊凸透鏡的分光聚焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保持第一凸透鏡2-1、第二凸透鏡2-2和光闌2-5的參數(shù)和位置不變的情況下，將第三凸透鏡至光闌的距離l3調(diào)整為第三凸透鏡的焦距f3，使光束經(jīng)過第三凸透鏡后形成準(zhǔn)直光，同時在第三凸透鏡后方的任意位置處同軸設(shè)置第四凸透鏡2-4以實(shí)現(xiàn)最終的聚焦，第四凸透鏡的工作距離與第四凸透鏡的焦距相等。該四塊凸透鏡構(gòu)成分光聚焦單元的基頻光衰減率與上述三塊凸透鏡的分光聚焦單元一致。四塊凸透鏡分光聚焦單元相較于三塊凸透鏡分光聚焦單元的優(yōu)點(diǎn)是最終的vuv焦點(diǎn)位置可調(diào)，即圖2中l(wèi)4長度可取任意正值，光路總長度更為靈活。

所述樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元3的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，包括樣品掃描部分、信號數(shù)據(jù)采集和處理部分：

對于樣品掃描部分，真空紫外激光vuv聚焦在放置于玻璃/石英/氟化鎂片等絕緣片上的待測樣品(待測樣品尺寸為5微米-5mm)3-1上，該絕緣片與高精度(移動精度為5nm-10微米)的三維位移臺固定連接，該三維位移臺采用閉環(huán)控制，通過掃描該位移臺實(shí)現(xiàn)樣品的三維掃描。

對于信號數(shù)據(jù)采集和處理部分，真空紫外激光vuv聚焦在樣品3-1上將產(chǎn)生很多樣品離子3-3，將承載樣品的絕緣基底片放置在三片平行放置的電極片之間，其中相鄰兩片平行電極之間的距離為10mm-30mm。在相互平行的電極片3-2上加脈沖電壓，濺射產(chǎn)生的樣品離子3-3穿過電極片后通過自由飛行至離子探測器3-4上。樣品3-1放在電極片3-2中間，能更好地探測離子信號，減少了樣品離子的損失，提高了樣品離子探測的效率。該離子探測器3-4由三塊微通道板組成，將樣品離子信號放大。其中微通道板用于樣品離子信號數(shù)據(jù)的采集，直徑為20mm-60mm，工作電壓為2400伏，平均每一塊微通道板承載電壓為800v左右。該樣品離子信號導(dǎo)入常規(guī)的示波器3-5，再通過工作站3-6來分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終獲得質(zhì)譜成像，該工作站包含一臺電腦，其中有編寫好的matlab程序，通過該程序來實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜成像。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例vuv質(zhì)譜成像裝置用于微米級別生物組織質(zhì)譜成像，結(jié)合本實(shí)施例的工作過程對各組成器件的參數(shù)說明如下：

step1:通過采用管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池1產(chǎn)生高強(qiáng)度的真空紫外激光

首先在汞蒸氣池左端通過一個不銹鋼導(dǎo)管加入4ml液體汞到混頻管1-1中，然后在汞蒸氣池左右兩端分別安裝直徑均為25.4mm的平面石英窗口片1-5和一個平面氟化鎂窗口片1-6，這樣使得汞蒸氣池構(gòu)成了一個封閉的空間。將冷卻水通過混頻管1-1兩端的冷卻套管1-3，從進(jìn)水管1-3-3進(jìn)入，從出水管1-3-4出來，不斷循環(huán)，使得汞蒸氣在錐形內(nèi)管1-3-1中冷凝，再在重力的作用下流回至混頻管1-1，從而實(shí)現(xiàn)長期的穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果。

汞蒸氣回收裝置1-7下方的的不銹鋼管連通一個渦旋干泵1-9，將汞蒸氣池抽成真空，接著通過控制針閥1-11來調(diào)節(jié)進(jìn)入汞蒸氣池的ar氣或者h(yuǎn)e氣的流量。

接著通過管式恒溫爐1-2將混頻管1-1加熱，將利用商業(yè)染料激光器產(chǎn)生的三束平行光，通過非聚焦的方式通過汞蒸氣池的入射端的平面石英窗口片1-5，與混頻管1-1中的汞蒸氣產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入的激光光束對應(yīng)的波長，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度、穩(wěn)定可調(diào)諧的真空紫外激光(120-150nm)。

采用三束準(zhǔn)直光非聚焦四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光實(shí)施例：

本實(shí)施例中，在混頻管1-1中注入4ml液體汞，汞蒸氣池左端安裝的平面氟化鎂窗口片1-6以及右端安裝的平面石英窗口片1-5直徑均為25.4mm，冷卻進(jìn)水管1-3-3和冷卻出水管1-3-4的內(nèi)徑和外徑均分別為12.5mm、17mm。氣體保護(hù)管1-4與汞蒸氣回收裝置1-7通過內(nèi)徑4mm、外徑6mm的不銹鋼出氣管1-4-2連通。監(jiān)測汞蒸氣池的兩端及中部真空度的電容薄膜規(guī)1-10的測量程均為0-5000pa，本例中的真空度為600pa。管式恒溫爐的外徑187mm、內(nèi)徑為42mm，其恒溫范圍為0到1000攝氏度，誤差為1攝氏度，有效長度470mm，利用管式恒溫爐將混頻管1-1加熱至230攝氏度。冷卻套管1-3中錐形內(nèi)管1-3-1靠近混頻管1-1一端的內(nèi)徑30mm、另一端26mm，圓柱形外套管1-3-2內(nèi)徑45mm、外徑49mm，上下各開一個12.5mm的孔，焊接一個外徑17mm、內(nèi)徑12.5mm的不銹鋼管，用于接通冷卻水。

將三束準(zhǔn)直光通入汞蒸氣池，激光光斑直徑均為5mm，重復(fù)頻率20hz，脈寬6ns，發(fā)散角0.5mrad。該三束激光能量分別為255nm(對應(yīng)于汞原子的能級躍遷6¹s→6³p)、4mj/pulse；404nm(對應(yīng)于hg原子的能級躍遷6³p→7¹s)、10mj/pulse；631nm、15mj/pulse。產(chǎn)生的真空紫外激光波長為125.4nm，用光電轉(zhuǎn)換器探測，其強(qiáng)度如下圖3所示(16次脈沖平均)，圖中坐標(biāo)x為探測器響應(yīng)時間，坐標(biāo)y為利用光電二極管探測的電壓，校準(zhǔn)比例為1.6微焦耳/v，產(chǎn)生的能量約為100微焦耳/pulse。當(dāng)?shù)谌獠ㄩL從520-850nm變換時，對應(yīng)于產(chǎn)生的vuv波長從120nm變到132nm。

step2：通過透射式分光聚焦系統(tǒng)2將step1產(chǎn)生的激光聚焦至生物樣品上

通過四塊凸透鏡的分光聚焦單元實(shí)現(xiàn)高空間分辨，具體組成如下：

本實(shí)施例中入射光的光斑直徑為4mm，光闌的中心孔直徑d為10μm，vuv光的波長為125nm、基頻光的波長為255-640nm；第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡的焦距分別為f1＝50mm、f2＝80mm，f3＝450mm。第一凸透鏡與第二凸透鏡之間的距離l1＝140mm、第二凸透鏡與光闌之間的距離l2＝183mm，第三凸透鏡的作用是將發(fā)散的vuv光準(zhǔn)直為直徑為20mm的準(zhǔn)直光束。然后將焦距為52mm的第四凸透鏡2-4放置在第三凸透鏡2-3后面50mm處，即可得工作距離為52mm、衍射極限光斑大小為500nm的參數(shù)。

本實(shí)施例中的凸透鏡全部使用氟化鎂制成，對125nmvuv光的透過率為13％，對255-640nm基頻光的衰減率為99.93％。此時波長為255nm的uv光(紫外光)在光闌處的光斑大小為12mm。第一、第二、第三、第四凸透鏡可采用球面鏡。由于球面鏡會產(chǎn)生球差，也可采用非球面透鏡替代球面鏡減小球差，達(dá)到近衍射極限性能。

step3：通過樣品掃描裝置及信號數(shù)據(jù)采集和處理單元3獲取該生物樣品質(zhì)譜成像

通過真空紫外激光的透射式分光聚焦單元2將vuv聚焦在石英片樣品3-1上，能量密度為1j/cm²。將尺寸為2mm×35mm×0.5mm的石英樣品3-1放在精度為6nm的三維位移臺(該位移臺采用德國pi-micos公司生產(chǎn)的型號為q-545,具有閉環(huán)控制的位移臺)上，通過調(diào)整該三維位移臺相對聚焦vuv光光軸的位置改變vuv光打在樣品上的脈沖數(shù)量，掃描位移臺，可以得到很規(guī)則的洞。圖4為所得結(jié)果的sem圖，橫排孔直接間距為200微米，豎排孔之間間距為30微米，每一個洞大小直徑約為4微米。在此基礎(chǔ)上，將果蠅大腦切片放在石英樣品3-1上，通過掃描，得到如圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中數(shù)據(jù)采集微通道板(采用南京北方夜視公司生產(chǎn)的微通道板)直徑為55mm，示波器型號為teledyne,hdo6104,2.5gs/s。通過工作站將采集的質(zhì)譜數(shù)據(jù)和位移臺掃面位置連接起來，實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜成像，工作站所完成的操作由編程人員按照常規(guī)的編程方法編寫matlab程序?qū)崿F(xiàn)。圖5(a)為果蠅大腦切片總的質(zhì)譜圖，可以看到有較大質(zhì)量的碎片出現(xiàn)。在質(zhì)量數(shù)m/z380to650范圍內(nèi)有較大質(zhì)量的信號。圖5(b)為質(zhì)量數(shù)m/z575.6的質(zhì)譜成像，與光學(xué)顯微鏡圖像吻合很好。

實(shí)施例2：

與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例step2采用包含三塊凸透鏡的分光聚焦單元，該系統(tǒng)在實(shí)施例1所述的分光聚焦單元的基礎(chǔ)上將第三、四凸透鏡更換為一塊非球面凸透鏡，第一、第二凸透鏡和光闌的參數(shù)和位置保持不變,如圖2所示。第三凸透鏡與光闌之間的距離l3＝450mm。第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡的焦距分別為f1＝50mm、f2＝80mm、f3＝40mm，第一凸透鏡與第二凸透鏡之間的距離l1＝140mm、第二凸透鏡與光闌之間的距離l2＝183mm、第三凸透鏡與光闌之間的距離l3＝450mm，也可得到工作距離為52mm，衍射極限光斑大小為500nm的參數(shù)。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。