基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪及样品检测方法与流程

本发明涉及仪器仪表技术领域。更具体地，涉及一种基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪及样品检测方法。

背景技术：

质谱仪是一种利用电子测量技术对离子的质荷比(m/z)值及其强度进行测量的仪器。其利用进样系统将待测样品引入质谱仪，利用离子源将其离子化，质量分析器通过施加电场将离子按其质荷比进行分离，利用检测器将分离后的离子信号按其质荷比及强度记录下来。除了快原子轰击质谱(FAB)、大气压化学电离质谱(APCI)、电喷雾电离质谱(ESI)之外，基质辅助激光解吸(MALDI)也是质谱对样品离子化一种软电离技术之一，基质辅助激光解吸是将待测物与基质以一定比例混合后以激光照射，基质在吸收激光能量后将激光的能量传递至待测物分子，使之气化电离而形成离子。

基质辅助激光解吸电离飞行时间(Matrix Assisted Laser Desorption Ioniza tion-Time Of Flight Mass Spectrometer，MALDI-TOF)质谱仪是近年发展的一种新型的软电离生物质谱，是生化分析中常用的仪器，具有灵敏度高、准确度高和分辨率高等特点，已经广泛应用于基因组学和蛋白组学。

目前，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的激光引入装置包括激光器、反射镜、UV透镜组等，激光器出射的激光束经反射镜后进入密封外壳形成的真空腔体，以与靶板的承载面成0～90度(即锐角)的角度射入密封外壳形成的真空腔体(真空电离室)，再经过密封外壳内设置的UV透镜组后照射在样品上。

一方面，这种激光束的入射方式，照射样品的激光束与靶板的承载面成锐角，这会导致样品离子化程度低且形成的大部分离子的飞行初始角度发散，导致样品的利用率低且质谱仪的检测灵敏度低。另一方面，基质分子从激光束中吸收能量而离子化的过程中也会发生本体解吸，这会导致了检测器会接收大量无用的中性粒子和非选择性离子，缩短了检测器的寿命，且中性粒子和非选择性离子会对样品的检测造成干扰，减小了质谱仪检测信号的信噪比。

因此，需要提供一种新的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪及样品检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪及样品检测方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，包括用于形成真空腔体的密封壳体、位于所述密封壳体外的激光器及收容于所述密封壳体内的靶板，该质谱仪还包括收容于所述密封壳体内的调制电极组、第一偏转电极组、第一反射镜、飞行管和检测器；

所述激光器，用于向所述密封壳体内出射激光束；

所述第一反射镜，用于反射所述激光束，以使得所述激光束垂直照射置于所述靶板上的样品；

所述调制电极组，用于调制所述样品受所述激光束垂直照射而气化电离所出射的离子束，所述离子束中包含有有效离子、中性粒子和非选择性离子；

所述第一偏转电极组，用于产生第一电场以对调制后的离子束中的有效离子的飞行方向进行偏转，使得飞行方向偏转的有效离子沿所述飞行管的轴向方向进入所述飞行管的一端并被设置于所述飞行管另一端的检测器接收。

可选地，该质谱仪还包括：位于所述第一偏转电级组与所述飞行管之间的第二偏转电极组，用于产生与所述第一电场强度相同且方向相反的第二电场以对所述飞行方向偏转的有效离子的飞行方向进行再次偏转，使得飞行方向再次偏转的有效离子沿所述飞行管的轴向方向进入所述飞行管的一端并被设置于所述飞行管另一端的检测器接收。

可选地，该质谱仪还包括：位于所述密封壳体外的第二反射镜和调节机构，所述第二反射镜用于将所述激光器出射的激光束反射入所述密封壳体内，所述调节机构用于调节所述第二反射镜的反射角度。

可选地，该质谱仪还包括：用于带动所述靶板在垂直于经所述第一反射镜反射的激光束的光路方向的平面内移动的位移机构。

可选地，该质谱仪还包括：位于所述第一反射镜与所述第一偏转电极组之间的透镜。

可选地，所述透镜可拆卸地安装在所述密封壳体内。

可选地，所述飞行管的位置被设置为远离所述靶板。

可选地，所述调制电极组包括用于对所述离子束进行过滤的偏置电极组、用于对过滤后的离子束进行延时提取的提取电极组、用于对延时提取后的离子束进行空间聚焦的聚焦电极组及用于对空间聚焦后的离子束进行离子加速的加速电极组。

可选地，该质谱仪还包括：位于所述密封壳体外的UV透镜组，用于对激光器出射的激光束进行过滤及聚焦。

本发明第二方面提供了一种利用本发明第一方面提供的质谱仪的样品检测方法，包括：

驱动所述激光器出射激光束以垂直照射所述样品，使所述样品气化电离而出射的离子束；向所述调制电极组施加调制电压以使其调制所述离子束；并向所述第一偏转电极组施加第一偏转电压以使其通过产生的第一电场对调制后的离子束中的有效离子的飞行方向进行偏转，使得飞行方向偏转的有效离子沿所述飞行管的轴向方向进入所述飞行管；

利用检测器接收所述离子束中的有效离子。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可缩小激光束照射在样品上的光斑直径，提高质谱成像的空间分辨率，使质谱成像更清晰，可以更容易地识别病灶区与健康组织的边缘位置。且可实现筛除离子束中的中性粒子和非选择性离子，提升质谱仪检测信号的信噪比。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明实施例提供的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，包括用于形成真空腔体的密封壳体10、位于所述密封壳体10外的激光器20及收容于所述密封壳体10内的靶板11、调制电极组12、第一偏转电极组13、第一反射镜14、飞行管15和检测器16；

所述激光器20，用于向所述密封壳体10内出射激光束；

所述第一反射镜14，用于反射所述激光束，以使得所述激光束垂直照射置于所述靶板11上的样品90；

所述调制电极组12，用于调制所述样品90受所述激光束垂直照射而气化电离所出射的离子束，所述离子束中包含有有效离子、中性粒子和非选择性离子；

所述第一偏转电极组13，用于产生第一电场以对调制后的离子束中的有效离子的飞行方向进行偏转，使得飞行方向偏转的有效离子沿所述飞行管15的轴向方向进入所述飞行管15的一端并被设置于所述飞行管15另一端的检测器16接收。

本实施例提供的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪，一方面，实现了激光束垂直照射样品90，可缩小激光束照射在样品90上的光斑直径，提高质谱成像的空间分辨率，使质谱成像更清晰，可以更容易地识别病灶区与健康组织的边缘位置。另一方面，由于第一偏转电极组13产生的第一电场仅能较明显地偏转离子束中的有效离子的飞行方向，飞行方向偏转的离子束中的有效离子可绕过第一反射镜14而继续飞行后沿所述飞行管15的轴向方向进入所述飞行管15，但不受第一电场的偏转作用的中性粒子和受第一电场的偏转作用较微弱的非选择性离子会撞击到透镜18，因此，可实现筛除离子束中的中性粒子和非选择性离子，提升质谱仪检测信号的信噪比。可理解的是，尽管图中没有示出，但是，可以设置诸如框架或者支杆的支撑元件，以固定激光器20、密封壳体10、靶板11、调制电极组12、第一偏转电极组13、第一反射镜14、飞行管15及检测器16的位置。

在一个具体示例中，如图1所示，调制电极组12包括一组调制电极板，每个调制电极板的中间区域为离子束的飞行区域；第一偏转电极组13包括两个相对设置的偏转电极板，两个偏转电极板的中间区域为离子束的飞行区域，通过向这两个偏转电极板分别施加不同的电压，可在这两个偏转电极板的中间区域产生第一电场；第一反射镜14为直角棱镜，具体可为石英直角棱镜；可在密封壳体10上设置阀门(图中未示出)，打开阀门即可泄去密封壳体10内的真空环境，使密封壳体10的内腔在大气常压状态下，通过与密封壳体10连通的抽真空装置(图中未示出)可使密封壳体10形成真空腔体。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该质谱仪还包括：位于所述第一偏转电级组13与所述飞行管15之间的第二偏转电极组17，用于产生与所述第一电场强度相同且方向相反的第二电场以对所述飞行方向偏转的有效离子的飞行方向进行再次偏转，使得飞行方向再次偏转的有效离子沿所述飞行管15的轴向方向进入所述飞行管15的一端并被设置于所述飞行管15另一端的检测器16接收。可理解的是，第二偏转电极组17位于所述第一偏转电级组13与所述飞行管15之间指的是在有效离子的飞行方向上第二偏转电极组17设置的位置位于所述第一偏转电级组13与所述飞行管15之间，进一步，图1所示中，第二偏转电极组17设置的位置位于第一反射镜14与所述飞行管15之间。另外，第二偏转电极组17位于所述第一偏转电级组13与所述飞行管15之间意味着第二偏转电极组收容于所述密封壳体10内。采用此实现方式，可不必考虑第一电场强度与飞行管15的轴向角度之间的对应关系以使得两者严格匹配，或者说不必严格要求有效离子在第一电场作用下的飞行方向偏转量大小与飞行管15的轴向角度的之间的对应关系，而可以直接设置飞行管15的轴向方向垂直于靶板11的承载面，便于设置飞行管15的位置及轴向角度。另外，简化了质谱仪的结构，减小了质谱仪的体积。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该质谱仪还包括：位于所述密封壳体10外的第二反射镜30和调节机构(图中未示出)，所述第二反射镜30用于将所述激光器20出射的激光束反射入所述密封壳体10内，所述调节机构用于调节所述第二反射镜30的反射角度，以调节射入所述密封壳体10的激光束的入射角度，使得射入所述密封壳体10的激光束经第一反射镜14反射后可垂直照射置于所述靶板11上的样品90。由于位于密封壳体10内的第一反射镜14的反射角度不便调节，因此通过位于密封壳体10外的第二反射镜30和调节机构，可精确便捷地调节激光束的光路以保证激光束可垂直照射置于所述靶板11上的样品90。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该质谱仪还包括：用于带动所述靶板11在垂直于经所述第一反射镜14反射的激光束的光路方向的平面内移动的位移机构(图中未示出)。采用此实现方式，可同时在靶板11上放置多个样品(例如图1中在样品90左右两侧分别放置的样品)，在一次检测过程中，可依次对多个样品进行检测，提升检测效率。其中，位移机构为二维位移机构，如图1所示，位移机构可带动靶板11在水平面内沿相互垂直的两个方向移动(可设定X轴方向与Y轴方向)，在一个具体示例中，靶板11设置有等间距阵列排布的多个靶点，多个样品分别点涂在多个靶点上，检测完一个靶点上的样品后，控制位移机构带动靶板11在水平面内移动以使得下一靶点上的样品位于激光束垂直照射的位置(例如图1中，检测完图1中的样品90后，控制位移机构带动靶板11向右移动以使得左侧的样品位于正中的激光束垂直照射的位置)。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该质谱仪还包括：位于所述第一反射镜14与所述第一偏转电极组13之间的透镜18。激光束可透过透镜18，而不受第一电场的偏转作用的中性粒子和受第一电场的偏转作用较微弱的非选择性离子会撞击透镜18，以筛除中性粒子和非选择性离子。在一个具体示例中，透镜18为石英透镜。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述透镜18可拆卸地安装在所述密封壳体内。采用此实现方式，便于清理透镜18上的中性粒子和非选择性离子。另外，如果不设置透镜18，即，由第一反射镜14起到被不受第一电场的偏转作用的中性粒子和受第一电场的偏转作用较微弱的非选择性离子撞击，以筛除中性粒子和非选择性离子的作用，此情况下可将第一反射镜14设置为可拆卸地安装在所述密封壳体10内，以便清理第一反射镜14上的中性粒子和非选择性离子。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述飞行管15的位置被设置为远离所述靶板11。采用此实现方式，可保证筛除离子束中的中性粒子和非选择性离子的效果。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述调制电极组12包括用于对所述离子束进行过滤的偏置电极组、用于对过滤后的离子束进行延时提取的提取电极组、用于对延时提取后的离子束进行空间聚焦的聚焦电极组及用于对空间聚焦后的离子束进行离子加速的加速电极组。在一个具体示例中，偏置电极组、提取电极组、聚焦电极组及加速电极组可分别包括相应的电极板，可分别向相应的电极板施加对应的电压以使得各电极组实现其功能。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该质谱仪还包括：位于所述密封壳体10外的UV透镜组40，用于对激光器20出射的激光束进行过滤及聚焦。

在一个具体示例中，参照图1所示的激光束光路及离子束飞行方向，采用了上述所有实现方式的质谱仪的工作流程如下：

首先，将各器件安装在如图1所示的相应位置，并通过调节机构第二反射镜30的反射角度使激光束垂直照射在样品90上。其中，第一反射镜14和透镜18固定安装在密封壳体10内。UV透镜组40包含多个透镜元件，按照光学原理进行组合固定排列。激光器20发出349nm波长的激光束经过UV透镜组40过滤聚焦后照射在第二反射镜30上，经过一次反射后照射在第一反射镜14上，再经过二次反射后穿过透镜18垂直照射工装中央孔洞(即中间的样品90的位置)的中心。在初始安装时，调节机构(光学调整架)的角度不固定，需要在非真空条件下通过粗调和细调第二反射镜30的反射角度使激光束垂直照射工装中央孔洞的中心，具体而言，打开密封壳体10的阀门，使其内腔处于大气常压状态下，驱动激光器20使其出射激光束，调节机构包括粗调螺母和细调螺栓，先调整垂直方向的粗调螺母，使激光束在工装中央孔洞的垂直中心，再调整水平方向的粗调螺母，使激光束在工装中央孔洞的水平中心。通过细调螺栓，对激光束进行细调。调整细调螺栓，使激光束扫过工装中央孔洞，先顺时针方向旋转，当光斑消失后，改变旋转方向为逆时针，直到在相反的方向光斑消失，将细调螺栓固定在总圈数一半的位置，即为激光束已经垂直于样品。经实测，激光束垂直照射在样品90上的直径最小为10um，可提高质谱检测的灵敏度及质谱成像的空间分辨率。

之后，利用进样系统(图中未示出)将样品放置在靶板11上，利用抽真空装置使密封壳体10形成真空腔体后，开始检测：

驱动激光器20出射激光束，依次经UV透镜组40、第二反射镜30、第一反射镜14、透镜18后垂直照射样品90，使样品90气化电离而出射离子束；

样品90气化电离而出射的离子束经调制电极组12依次进行过滤、延时提取、空间聚焦及加速调制后，进入第一偏转电极组13的两个偏转电极板分别被施加不同的电压而产生第一电场的区域，离子束中的有效离子的飞行方向经第一电场的一次偏转后绕过透镜18而进入第二偏转电极组17的两个偏转电极板分别被施加不同的电压而产生第二电场的区域，离子束中的中性粒子和非选择性离子撞击透镜18；离子束中的有效离子经第二电场的二次偏转后垂直向上进入飞行管15，最终被检测器16接收。其中，第一偏转电极组13和第二偏转电极组17各自包含的两个偏转电极板之间的距离相同、施加的电压值相同且方向相反，如图1所示，在进行检测前，先确定样品电离出离子的极性(正或负)，可根据所测样品和基质的化学特性确定电离出的离子的极性，比如：根据所测样品的电负性强的特性(电负性的概念是用来表示两个原子形成化学键时，吸引键合电子能力的相对强弱。元素电负性数值越大，表示其原子在化合物中吸引键合电子的能力越强)，能够确定电离生成的大部分是负离子，只有很小一部分是正离子，在第一电场的作用下，正离子被筛除掉而不能到达检测器16。如果离子带有正电荷，即为正离子，图1中施加在第一偏转电极组13的右侧偏转电极板的电压为V1，施加在第一偏转电极组13的左侧偏转电极板的电压为V2，其中，V1>V2(反之，如果离子带有负电荷，即为负离子，V1<V2)。离子束在通过第一偏转电极组13时，受到第一电场E1的作用(其中，E1＝(V1-V2)/d，d为第一偏转电极组13的左、右偏转电极板之间的距离)，有效离子的飞行方向相对竖直方向偏转一定的角度，经过在第一偏转电极组13和第二偏转电极组17之间的无电场区自由飞行后，绕过透镜18和第一反射镜14而进入第二偏转电极组17，但中性粒子和非选择性离子继续飞行，撞击在透镜18。当离子带有正电荷即为正离子时，图1中施加在第二偏转电极组17中左侧偏转电极板的电压为V1，施加在第二偏转电极组17中右侧偏转电极板的电压为V2，其中，V1>V2(反之，如果离子带有负电荷，即为负离子，V1<V2)。第二偏转电极组17产生的第二电场E2和第一偏转电极组13产生的第一电场E1的大小相等且方向相反。离子束中的有效离子在通过第二偏转电极组17时，受到第二电场E2(其中，E2＝(V2-V1)/d，d为第二偏转电极组17的左、右偏转电极板之间的距离)的作用，有效离子的飞行方向由相对竖直方向偏转一定的角度而回到竖直方向，之后进入无电场区的飞行管15，到达检测器16被接收检测。加载到第二偏转电极组13和第二偏转电极组17的偏转电极板的电压V1和V2可以通过电阻分压获得，也可以通过高压模块经控制单元生成。

需要说明的是，图1所示中，激光束的光路和离子束中的有效离子的飞行路径存在空间上的交叉，但，由于激光束直径为um量级和离子束直径为mm量级，两者之间影响很小。另外，可驱动激光器20出射脉冲激光束，使激光束和离子束在时间上错开，即分时利用同一空间。

在完成对样品90的检测后，控制位移机构带动靶板11向右移动以使得左侧的样品位于正中的激光束垂直照射的位置后重复上述检测过程，直至完成放置在靶板11上的所有样品的检测。

本发明的另一个实施例提供了一种利用上述质谱仪的样品检测方法，包括：

驱动所述激光器出射激光束以垂直照射所述样品，使所述样品气化电离而出射的离子束；向所述调制电极组施加调制电压以使其调制所述离子束；并向所述第一偏转电极组施加第一偏转电压以使其通过产生的第一电场对调制后的离子束中的有效离子的飞行方向进行偏转，使得飞行方向偏转的有效离子沿所述飞行管的轴向方向进入所述飞行管；

利用检测器接收所述离子束中的有效离子。

需要说明的是，本实施例提供的样品检测方法与上述基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪的原理及工作流程相似，相关之处可以参照上述说明，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。