J100飞秒激光剥蚀进样系统的原理及应用

2020.6.29

王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

——来自美国劳伦斯伯克利国家实验室的顶级飞秒剥蚀产品

J100飞秒激光剥蚀系统（Femoto LA）是ASI公司融汇美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）80余年激光基础理论研究成果而推出的顶级飞秒剥蚀进样系统（实际上，ASI公司就是由劳伦斯伯克利国家实验室技术骨干在许可下成立的）。是激光剥蚀领域划时代产品；是高端质谱仪（ICP-MS）最理想的飞秒激光剥蚀进样系统。

1、激光剥蚀基理

激光剥蚀是由激光能量产生的冲击波形成的爆炸。在极短时间内，激光诱导产生的等离子体开始扩张膨胀，等离子体冷凝成核后，产生适宜质谱仪（ICP-MS）分析的纳米级颗粒。

图1等离子体膨胀的电镜显微阴影图像(氩气中的铜样品)

Photp source: Lawrence Berkeley National Laboratory

2、影响激光剥蚀的重要因子——激光脉宽

激光剥蚀的效果直接决定质谱仪分析的灵敏度、精确性和准确度。对于激光剥蚀，激光脉宽（单个脉冲持续时间）是影响剥蚀效果的重要因子。过去由于技术限制，激光脉宽只能达到纳秒级（10^-9s）；随着技术的发展，飞秒激光（10^-15s）技术已经非常成熟（飞秒激光已经临床应用于眼科手术，J100正是采用适合于眼科手术的飞秒激光光源）。相较于纳秒激光，飞秒激光剥蚀具有强大的优势（表1、图2）。

表1 飞秒激光与纳秒激光的比较

	飞秒激光	纳秒激光	飞秒激光剥蚀优势
剥蚀热量	样品极少的热效应	样品上产生大量热量	纳秒激光剥蚀过程会在样品上产生大量的热量；而飞秒激光无热量累积
元素分馏	不产生元素分馏	大量元素分馏	纳秒激光导致样品元素分馏，不能真实反映样品元素含量；而飞秒激光不产生分馏效应
剥蚀粒子	产生均匀纳米级颗粒/松散纳米级颗的粒聚合体	产生不均匀颗粒/紧实的颗粒聚合体	纳秒激光产生大小不一的粒子在ICP-MS中会产生极不稳定的信号，降低分析精确性和准确度；飞秒激光产生均为颗粒能形成稳定信号，更为灵敏精确
基体影响	不受基体影响	受基体影响显著	纳秒激光受基体影响很大，不同的基体组成会剥蚀出大小不一的粒子；而飞秒激光对不同的基体均能剥蚀出相同大小的纳米级颗粒，不受基体组成影响
波长影响	不受波长影响	受波长影响显著	对于同一样品，不同的波长的纳秒激光剥蚀出的粒子大小不等，总的来说是波长越短剥蚀出的粒子越小越均匀，故纳秒激光产品追求短波长；但飞秒激光由于本身具有极高能量，波长对其剥蚀的效果没有影响

3、J100应用领域

J100作为顶级的激光剥蚀进样系统，适用于多种领域，如岩矿、能源、材料、生态、环境、农业等。不同于传统雾化进样方式需要繁琐的样品消解过程，J100采用飞秒激光直接剥蚀样品材料，产生可供质谱仪分析的均匀纳米级颗粒。故J100对样品材料的前期制备要求极低，这也避免了消解过程中引入的误差；同时，J100对样品的形态无特殊要求，因此，J100可应用于一切采用ICP-MS进行分析研究的领域。

图2 飞秒激光和纳秒激光剥蚀出的颗粒显微影响对比

4、激光剥蚀应用案例

王云霞. 杨连新. W. J. Horst. 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱( LA-ICP-MS) 定量分析小麦籽粒锌元素的空间分布. 南京农业大学学报 2011，34( 2) : 18 －22

王云霞等同时利用酸消解溶液雾化进样 ICP-MS 法和激光剥蚀进样ICP-MS 测定了校正标准样品和小麦整粒种子的锌浓度。结果表明，LA-ICP-MS 对各校正标准样品锌浓度的测定值与酸消解溶液雾化进样 ICP-MS 法的测定值非常接近，且重复间差异很小。依据小麦种子不同部位所占比例可计算整粒小麦种子的锌浓度为( 64 ±1.6) mg·kg-1，这一结果与小麦种子消化后在 ICP-MS 上的测定值( 66±1.2) mg·kg-1非常接近。