一种痕量元素的激光质谱测量方法及常压敞开式便携激光质谱仪技术

本发明专利技术提供了一种痕量元素的激光质谱测量方法及常压敞开式便携激光质谱仪，属于分析仪器领域。本方案针对痕量元素利用质谱仪进行测量时，由于其含量极低，导致检测困难和较低的信噪比，从而根据目标元素原子、离子或分子的跃迁频率选定对应波长的激光进行共振激发，选择性地提高待测元素的电离率，故可做到选择性地检测到目标物，提高待检测物的信噪比，降低待检测物的检出浓度，适合于专用型检测。 1

【技术实现步骤摘要】
一种痕量元素的激光质谱测量方法及常压敞开式便携激光质谱仪
本专利技术涉及分析仪器领域，尤其是指一种痕量元素的激光质谱测量方法及常压敞开式便携激光质谱仪。
技术介绍
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)、ChemicalIonization(CI)、FastAtomBombardment(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)等电离方法的专利技术，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，，无需任何额外的制样、采样和进样设施，可以实现真正意义的常压敞开式免制样测量。由于在该方法中所采集的是激光轰击后产生的等离子体，因此等离子体中所含的离子种类(即激光辐照过程中有效电离的样品分子或者原子)决定了能够有效检测到的样品中的成分。对于微量以及痕量元素检测(例如ppb级甚至亚ppb浓度的元素检测)，由于所含量极低，导致检测困难和较低的信噪比。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：常压敞开式便携激光质谱仪测量样品中痕量元素时，由于欲测元素含量极低，导致检测困难和较低的信噪比。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种痕量元素的激光质谱测量方法，该方法具体可包括以下步骤：S1、确定待测样品中欲测痕量元素的共振频率；S2、根据所得的共振频率选择与该频率对应的特定波长的激光；S3、利用选定的特定波长的激光进行辐照测并共振激发欲测痕量元素，该共振激发过程为单光子电离或多光子电离；S4、利用激光质谱仪的质量分析器对共振激发的欲测痕量元素进行测量。在上述方案基础上，所述S3步骤中，所述特定波长的激光直接辐照轰击待测样品并共振激发欲测元素。在上述方案基础上，所述S3步骤中，先利用一激光轰击待测样品形成待测等离子体，然后再利用所述特定波长的激光辐照待测等离子体并共振激发欲测量元素。此外，结合上述方法，本方案还公开了一种常压敞开式便携激光质谱仪，具体包括：控制单元、与控制单元相连的第一激光器、与控制单元相连的质量分析器，还包括可对所述激光器中所产生的激光光束进行整形、传输、指向和聚焦的第一光路系统,以及用于形成待测样品等离子体的常压敞开式离子化腔室，第一光路系统可将第一激光器所产生激光引导至离子化腔室中；所述第一激光器为可形成与欲测元素共振频率对应的特定波长的激光。进一步的，所述第一激光器为可调谐激光器。进一步的，所述第一激光器选用为一定波长激光器，该定波长根据欲测元素共振频率进行确定。进一步的，所述第一激光器中所产生激光可经第一光路系统被引导至离子化腔室中的样品上。此外，常压敞开式便携激光质谱仪还包括用于轰击待测样品并产生等离子体的第二激光器，以及与第二激光器对应的第二光路系统，第二光路系统可将第二激光器所产生激光引导至所述离子化腔室，第二激光器也与所述控制单元相连。进一步的，所述第二激光器中所产生激光可经第二光路系统被引导至离子化腔室中的待测样品上并轰击待测样品形成等离子体，所述第一激光器中所产生激光可经第一光路系统被引导至离子化腔室中所形成的等离子体上并共振激发该等离子体。进一步的，所述常压敞开式便携激光质谱仪还包括激光光束阻拦器，用于阻拦穿过待测等离子体却未辐照到待测样品上的激光光束。本方案针对痕量元素利用质谱仪进行测量时，由于其含量极低，导致检测困难和较低的信噪比，从而利用激光共振激发的方法以及对应可提供共振波长激光的激光器，从而可选择性地共振激发欲测元素，故可选择性地检测到目标物，提高待检测物的信噪比，降低待检测物的检出浓度，适合于专用型检测。附图说明下面结合附图详述本专利技术的具体结构图1为本专利技术一种常压敞开式便携激光质谱仪的结构示意图；图2为本专利技术另一种常压敞开式便携激光质谱仪的结构示意图。图中，1-质量分析器、2-控制单元、3-第一激光器、4-第一光路系统、5-等离子体、6-样品、7-第二激光器、8-第二光路系统、9-激光光束阻拦器。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。在一具体实施例中，公开了一种痕量元素的激光质谱测量方法，该方法具体可包括以下步骤：S1、确定待测样品中欲测痕量元素的共振频率；S2、根据所得的共振频率选择与该频率对应的特定波长的激光；S3、利用选定的特定波长的激光进行辐照测并共振激发欲测痕量元素，该共振激发过程为单光子电离或多光子电离，多个光子可以是相同能量的，也可以是不同能量的，可通过吸收光子的能量来实现跃迁；S4、利用激光质谱仪的质量分析器对共振激发的欲测痕量元素进行测量。本方案中，其关键构思在于利用与欲测元素共振频率所对应波长的激光来选择性地共振激发样品中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种痕量元素的激光质谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

【技术特征摘要】
1.一种痕量元素的激光质谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定待测样品中欲测痕量元素原子、离子或者分子的共振频率；S2、根据所得的共振频率选择与该频率对应的特定波长的激光；S3、利用选定的特定波长的激光进行辐照测并共振激发欲测痕量元素，该共振激发过程为单光子电离或多光子电离；S4、利用激光质谱仪的质量分析器对共振激发的欲测痕量元素进行测量。2.如权利要求1所述的一种痕量元素的激光质谱测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述特定波长的激光直接辐照轰击待测样品并共振激发欲测元素。3.如权利要求1所述的一种痕量元素的激光质谱测量方法，其特征在于，所述S3步骤中，先利用一激光轰击待测样品形成待测等离子体，然后再利用所述特定波长的激光辐照待测等离子体并共振激发欲测量元素。4.一种利用如权利要求1所述方法的常压敞开式便携激光质谱仪，其特征在于，包括：控制单元、与控制单元相连的第一激光器、与控制单元相连的质量分析器，还包括可对所述激光器中所产生的激光光束进行整形、传输、指向和聚焦的第一光路系统,以及用于形成待测样品等离子体的常压敞开式离子化腔室，第一光路系统可将第一激光器所产生激光引导至离子化腔室中；所述第一激光器为可形成与欲测元素共振频率对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周云申，秦国双，
申请(专利权)人：常州英诺激光科技有限公司，江苏微纳激光应用技术研究院有限公司，英诺激光科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32