空间中心科研人员开发完成基于微片激光器电离源的新一代轻小型TOF质谱仪

近日，中国科学院国家空间科学中心的李保权团队在质谱领域期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry发表了最新研究成果“A miniature laser ablation nonaxial time-of-flight mass spectrometer for in situ elemental measurement of extraterrestrial planets”，团队成功研发出一款基于激光烧蚀的飞行时间质谱仪，该仪器具有小型化、低功耗与高质量分辨的特点，为行星物质成分及同位素探测提供了新的技术手段。该成果以封面论文的形式发表在2026年的JAAS上（JAAS, 2026, 41, 978–988，DOI: 10.1039/d5ja00433k）。

图1 基于激光烧蚀的TOF质谱仪封面成果简介

深空探测中，地外天体的原位元素测量是揭示天体物质组成、探索生命起源和宇宙演化的关键手段。传统探测手段或存在体积大、功耗高的问题，或需复杂的样品预处理，难以适配航天任务的资源约束或者应用环境。飞行时间质谱仪（TOF质谱仪）因结构简单、资源需求少、扫描速度快、全元素测量等优势成为深空探测的优选技术。

这款小型质谱仪主要微片激光器和离轴反射式TOF组成，整体尺寸仅为 φ58mm×172mm，实现了小型化集成。微片激光器国内自主研制，波长1064nm，聚焦之后的功率密度22 GW cm⁻²，脉冲宽度410ps，频率100-1000Hz可调，整机重量106g，能够很好的烧蚀岩石或者金属样品产生等离子体，加载压电陶瓷驱动的样品台，可实现测试点的精准位移，保证了测量的稳定性和连续性。TOF机构主要包括静电单透镜（Einzel透镜）、等离子体双极反射器、无场漂移管和微通道板（MCP）组成。Einzel透镜用于激光等离子体的空间聚焦；等离子体双级反射器采用无栅网的电极结构，实现等离子体时间聚焦的同时，保证了等离子体的高透射率；无场漂移管提供TOF等离子体飞行路径；MCP用于激发等离子体元素的到达时间测量。通过结构离子光学的全链路仿真优化，在紧凑架构下实现了高质量分辨率，仿真显示质量分辨率可以达到1050。同时飞行路径上采取一些抗外场干扰设计，增强了TOF质谱仪的电磁兼容性。

图2 自研的含电控系统的微片激光器

图3 TOF离子光学质量分辨率仿真（最高最高质量分辨率1050）

图4 真空腔内测试的微片激光器激发TOF质谱仪

此外为了增强系统可靠性，系统除了MCP的供电高压之外，离子光学上的其它电极都保持 500V 以下低电位，所有的高压供电系统集成于单块印刷电路板，既降低了高压放电风险，又进一步压缩了整体体积，同时也实现了TOF质谱仪大动态范围和高质量分辨，理论上该质谱仪能够实现全元素测量。

图5 优化后TOF离子光学电极电压

实验测试结果显示，该质谱仪性能表现优异，对铝合金样品测试单谱质量分辨率416，多谱叠加分辨率 300，动态范围拓展至五个数量级，同位素丰度比的相对测量精度优于 5%，空间分辨率达 15 μm。借助脉冲激光优势，每秒可完成多达 1000 次单光谱测量，且无需复杂的样品前处理，可实现固体样品的直接分析。此外，在镁、铜等纯金属样品测试中，仪器能清晰分辨不同同位素的质量谱图，测得的同位素丰度比与天然丰度高度吻合，验证了其在同位素定量分析中的可靠性。

图6 Mg和Cu的同位素测量谱

该仪器的研发得到科工局民用航天预先研究项目资助。其研发成功为未来月球、火星等深空探测任务的物质成分原位分析提供了一种新的载荷技术，填补了国内轻小型微片激光烧蚀TOF质谱仪的技术空白。目前正在完善基于激光同轴激发、体积更小的TOF质谱仪。此外，团队已经全面突破了轻小型离轴和同轴TOF的仿真与设计技术，并研制了基于TOF的气体或者挥发份质谱仪，能够在高真空环境下实施残余气体测量，该成果正在进一步整理。这些技术的进一步完善和拓展，不仅能为深空探测提供新的技术手段，同时该技术也具有广阔的市场前景，发展轻小型便携式质谱仪，为野外选矿或者实验室分析提供一种更为便捷、低成本的高端科学分析仪器。

图7气态TOF质谱仪及真空残余气体测量

（供稿：系统室）