[发明专利]一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，尤其是涉及一种用于无标样固体直接分析的高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用。

背景技术

固体样品中元素的分析在冶金、地质、矿产、环保、国防和半导体工业等领域具有重要地位，固体样品通常采用强酸溶解消化，然后以原子光谱或质谱进行检测。近年来，固体样品的直接分析方法越来越受到人们的关注。与固体溶解分析法相比，直接分析法能节约大量的样品制备时间，特别是在固体样品难以溶解或毒性很强的情况下更具优势。此外，对固体样品的直接分析不仅可避免样品溶解过程中的损失及产生的污染等问题，而且可获得更精确的实验结果。

激光溅射电离质谱被认为是沉睡的巨人。在激光能量为10⁹～10¹⁰W/cm²时，样品表面被辐射的微区在10^-10s内被瞬间加热，产生爆炸式的原子化效果。由于当等离子体的中央温度为20000～50000K时，几乎所有原子都被电离，而且不同元素的相对灵敏因子基本等同。因此只需使用某一元素的峰高(峰面积)除以谱图中所有谱线峰高(峰面积)的总和，即可得到该元素在样品中的组份，而无需使用标准样品。因此激光电离质谱非常适合无标样固体的直接分析。但是，由于传统的激光电离质谱仪工作时，激光电离是在高真空环境中进行，激光电离产生的离子会发生高达上千电子伏特的能量分散，而且少量低电离能元素被过度电离产生二价或多价离子，导致严重干扰谱图的解析。此外电离产生的离子未经冷却，就引入到质量分析器，会使不同质荷比的离子无法有效分离，降低仪器的分辨能力，致使常规的质谱分析器无法满足适配性要求，造成传统的激光电离质谱仪适用性不好。这些问题长期未能得到解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用。

本发明所述的高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪设有真空腔体、激光光源、激光聚焦透镜、采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器；激光光源和激光聚焦透镜设于真空腔体外部，采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器依次设于真空腔体中。

真空腔体设有三级真空室，一级真空室设于采样锥之前，二级真空室设于采样锥与截取锥之间，三级真空室设于截取锥之后，一级真空室内充有氦气、氩气等惰性气体，其真空度为0.01～100torr，二级真空室的真空度为10^-1～10^-4torr，三级真空室的真空度小于5×10^-5torr。

激光光源的波长为157～1100nm，脉宽为10fs～10ns，脉冲能量为10μJ～500mJ，脉冲频率为1Hz～10kHz，激光经激光聚焦透镜聚焦后的功率密度为1×10⁷—9×10¹¹W/cm²。

进样方式可以是样品的探杆置入或一级真空室开门置入。

样品表面与入射激光束可成任何角度，只要激光能够作用于样品表面；样品表面与采样锥轴线也可成任何角度。

采样锥为设有中心孔的金属片、金属锥或金属管，中心孔直径为0.2～3mm，中心孔可为圆形孔或矩形孔；采样锥可以是接地、浮电位或电压可调。

离子传输装置可为离子透镜，或射频多极杆，或由离子透镜与射频多极杆组合构成。

截取锥为设有中心孔的金属片，中心孔直径0.1～4mm，中心孔为圆形孔或矩形孔，截取锥可以是接地、浮电位或电压可调。

飞行时间质量分析器(直线式或反射式)可以与截取锥轴线成任何角度；飞行时间质量分析器亦可以是除了飞行时间质谱外的其它质量分析器，如四极杆、磁扇形场、离子阱或傅立叶变换质量分析器。

本发明所述的高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪可应用于固体直接定性分析、有标样定量分析、以及无标样半定量分析，得到样品中元素的组分。