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近日，中國科學院國家空間科學中心的李保權團隊在質譜領域期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry發表了最新研究成果“A miniature laser ablation nonaxial time-of-flight mass spectrometer for in situ elemental measurement of extraterrestrial planets”，團隊成功研發出一款基于激光燒蝕的飛行時間質譜儀，該儀器具有小型化、低功耗與高質量分辨的特點，為行星物質成分及同位素探測提供了新的技術手段。該成果以封面論文的形式發表在2026年的JAAS上（JAAS,2026,41,978–988，DOI:10.1039/d5ja00433k）。

圖1 基于激光燒蝕的TOF質譜儀封面成果簡介

深空探測中，地外天體的原位元素測量是揭示天體物質組成、探索生命起源和宇宙演化的關鍵手段。傳統探測手段或存在體積大、功耗高的問題，或需復雜的樣品預處理，難以適配航天任務的資源約束或者應用環境。飛行時間質譜儀（TOF質譜儀）因結構簡單、資源需求少、掃描速度快、全元素測量等優勢成為深空探測的優選技術。

這款小型質譜儀主要微片激光器和離軸反射式TOF組成，整體尺寸僅為 φ58mm×172mm，實現了小型化集成。微片激光器國內自主研制，波長1064nm，聚焦之后的功率密度22 GW cm-2，脈沖寬度410ps，頻率100-1000Hz可調，整機重量106g，能夠很好的燒蝕巖石或者金屬樣品產生等離子體，加載壓電陶瓷驅動的樣品臺，可實現測試點的精準位移，保證了測量的穩定性和連續性。TOF機構主要包括靜電單透鏡（Einzel透鏡）、等離子體雙極反射器、無場漂移管和微通道板（MCP）組成。Einzel透鏡用于激光等離子體的空間聚焦；等離子體雙級反射器采用無柵網的電極結構，實現等離子體時間聚焦的同時，保證了等離子體的高透射率；無場漂移管提供TOF等離子體飛行路徑；MCP用于激發等離子體元素的到達時間測量。通過結構離子光學的全鏈路仿真優化，在緊湊架構下實現了高質量分辨率，仿真顯示質量分辨率可以達到1050。同時飛行路徑上采取一些抗外場干擾設計，增強了TOF質譜儀的電磁兼容性。

圖2 自研的含電控系統的微片激光器

圖3 TOF離子光學質量分辨率仿真（最高最高質量分辨率1050）

圖4 真空腔內測試的微片激光器激發TOF質譜儀

此外為了增強系統可靠性，系統除了MCP的供電高壓之外，離子光學上的其它電極都保持 500V 以下低電位，所有的高壓供電系統集成于單塊印刷電路板，既降低了高壓放電風險，又進一步壓縮了整體體積，同時也實現了TOF質譜儀大動態范圍和高質量分辨，理論上該質譜儀能夠實現全元素測量。

圖5 優化后TOF離子光學電極電壓

實驗測試結果顯示，該質譜儀性能表現優異，對鋁合金樣品測試單譜質量分辨率416，多譜疊加分辨率300，動態范圍拓展至五個數量級，同位素豐度比的相對測量精度優于5%，空間分辨率達15 μm。借助脈沖激光優勢，每秒可完成多達1000次單光譜測量，且無需復雜的樣品前處理，可實現固體樣品的直接分析。此外，在鎂、銅等純金屬樣品測試中，儀器能清晰分辨不同同位素的質量譜圖，測得的同位素豐度比與天然豐度高度吻合，驗證了其在同位素定量分析中的可靠性。

圖6 Mg和Cu的同位素測量譜

該儀器的研發得到科工局民用航天預先研究項目資助。其研發成功為未來月球、火星等深空探測任務的物質成分原位分析提供了一種新的載荷技術，填補了國內輕小型微片激光燒蝕TOF質譜儀的技術空白。目前正在完善基于激光同軸激發、體積更小的TOF質譜儀。此外，團隊已經全面突破了輕小型離軸和同軸TOF的仿真與設計技術，并研制了基于TOF的氣體或者揮發份質譜儀，能夠在高真空環境下實施殘余氣體測量，該成果正在進一步整理。這些技術的進一步完善和拓展，不僅能為深空探測提供新的技術手段，同時該技術也具有廣闊的市場前景，發展輕小型便攜式質譜儀，為野外選礦或者實驗室分析提供一種更為便捷、低成本的高端科學分析儀器。

圖7氣態TOF質譜儀及真空殘余氣體測量

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