激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术发展简史

国外地学动态课题组译 李莉 李万伦 审

LA-ICP-MS 技术在过去30多年里被用于测定天然和合成材料的元素组成。随着越来越多地使用深紫外激光器和超灵敏质谱仪,该技术已发展到具有更高的采样分辨率,并能绘制出反映成分变化的二维(和三维)图像。未来很可能会普遍使用飞秒激光器和同步质谱仪,从而产生新的研究领域。

1 技术总结

现今激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术被广泛用于原位基体内或机械分离出来的对象中元素和同位素组分,或固态物质的目标域年龄的高分辨率空间测量(通常在几十微米尺度)。对于以包裹体的形式被捕获在固体内的流体的分析也成为可能。

2 激光烧蚀系统的发展

下面将对两方面的发展作更详细的讨论,即从可见/ 红外光转换到紫外光激光器,以及飞秒脉冲激光器的应用。
图1 显示了过去30 年里用于LA-ICP-MS 的激光器类型的进展。第一代激光烧蚀系统采用长波、可见光激光束(693 nm 的红宝石)和红外激光束(1064 nm 的Nd :YAG),不能被透明(在激光波长范围内)物质很好地吸收,导致一些矿物烧蚀点出现物理破碎。从1985 年至2000 年的研究表明,波长较短的紫外激光器,特别是213 nm 的Nd :YAG 和193 nm 的ArF 受激准分子,可以很好地烧蚀更多的矿物(因为更多矿物吸收了更高能量的光子),所生成的气溶胶只含有一小部分不能在ICP 中蒸发的大颗粒。然而,
在烧蚀点的样品加热和熔化,及挥发分与难熔元素的分馏方面,仍有尚未解决的问题。后一技术难点需要在数据处理过程中进行与基质相匹配的标准校验和/ 或数学样正。
图1 从1985 年至2015 年测试的LA-ICP-MS 激光技术的发展
图1 从1985 年至2015 年测试的LA-ICP-MS 激光技术的发展

3 ICP-MS 系统的发展

最近一项激动人心的进展是通过在两个设备之间将气溶胶分成两份,从而实现LA 取样器与顺序的(Q-MS 或 SF-MS)和同步的(MC-SF-MS)ICPMS质谱仪的耦合同步,该技术有时被称为LA 分流(LASS)。使用该技术,可以对相同烧蚀体积的样品同时进行元素与同位素分析。依据地球化学补充信息,对同位素比值或年龄进行解释,这就提供了一种将同位素比值信息融入到岩石学背景中的直接方法,从而提高了地质解释的置信度。
图2 从1996 年到2016 年LA-ICP-MS 的“有效”激光光斑大小,随着扫描质谱分析
图2 从1996 年到2016 年LA-ICP-MS 的“有效”激光光斑大小,随着扫描质谱分析
仪和激光烧蚀系统的灵敏度(即信号强度/ 分析物的浓度)的提高而不断减小

4 数据处理方面的改进

LA-ICP-MS 的数据质量不仅取决于仪器,还取决于数据处理方面的规定,包括外部校准和光谱干扰校正(将质荷比相同的原子或分子离子作为重点分析物,以便于测定其信号),仪器质量偏差(受质谱仪影响造成的测量样品同位素比值与其实际比值之间的系统误差),以及由激光引起的元素和同位素分馏。根据LA-ICP-MS 的灵活性,提出了几种不同的流程,每种都是依据研究的目的来制定的。

5 2020 年及之后的LA-ICP-MS 技术

LA-ICP-MS 技术在接下来的十年里会是什么样子?我们可以想象,基于飞秒激光器烧蚀系统的仪器已经在地质分析实验室里广泛使用,后者具有超快响应单元选项,并耦合到ICP-MH-MS 或ICP-TOF-MS,以便用于快速的多元素分析或高速成像。由于可以提供有关矿物形成过程和来源历史方面的特别丰富的信息,该技术可能成为一种标准的地质分析工具。或者我们也可以把由激光生成的气溶胶样品分成两份,并将其中一部分送到MC-SF-MS 中对具有相同烧蚀体积的样品同时进行元素与同位素分析,以增加我们对同位素数据的解释能力。数据处理的方案流程—— 包括用于校准、分馏校正算法和不确定性估计方法的参考物质的选择—— 将更加标准化,以便使来自不同实验室的数据可以更容易地进行比对。

Paul J. Sylvester and Simon E. Jackson. A Brief History of Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA–ICP–MS). Elements, 2016,12(5): 307-310.

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