J100飛秒激光剝蝕進樣系統(tǒng)的原理及應用
——來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室的頂級飛秒剝蝕產品
J100飛秒激光剝蝕系統(tǒng)（Femoto LA）是ASI公司融匯美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）80余年激光基礎理論研究成果而推出的頂級飛秒剝蝕進樣系統(tǒng)（實際上，ASI公司就是由勞倫斯伯克利國家實驗室技術骨干在許可下成立的）。是激光剝蝕領域劃時代產品；是高端質譜儀（ICP-MS）最理想的飛秒激光剝蝕進樣系統(tǒng)。
1、激光剝蝕基理
激光剝蝕是由激光能量產生的沖擊波形成的爆炸。在極短時間內，激光誘導產生的等離子體開始擴張膨脹，等離子體冷凝成核后，產生適宜質譜儀（ICP-MS）分析的納米級顆粒。
圖1等離子體膨脹的電鏡顯微陰影圖像(氬氣中的銅樣品)
Photp source: Lawrence Berkeley National Laboratory
2、影響激光剝蝕的重要因子——激光脈寬
激光剝蝕的效果直接決定質譜儀分析的靈敏度、精確性和準確度。對于激光剝蝕，激光脈寬（單個脈沖持續(xù)時間）是影響剝蝕效果的重要因子。過去由于技術限制，激光脈寬只能達到納秒級（10-9s）；隨著技術的發(fā)展，飛秒激光（10-15s）技術已經非常成熟（飛秒激光已經臨床應用于眼科手術，J100正是采用適合于眼科手術的飛秒激光光源）。相較于納秒激光，飛秒激光剝蝕具有強大的優(yōu)勢（表1、圖2）。
表1 飛秒激光與納秒激光的比較
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飛秒激光 |
納秒激光 |
飛秒激光剝蝕優(yōu)勢 |
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剝蝕熱量 |
樣品極少的熱效應 |
樣品上產生大量熱量 |
納秒激光剝蝕過程會在樣品上產生大量的熱量；而飛秒激光無熱量累積 |
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元素分餾 |
不產生元素分餾 |
大量元素分餾 |
納秒激光導致樣品元素分餾，不能真實反映樣品元素含量；而飛秒激光不產生分餾效應 |
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剝蝕粒子 |
產生均勻納米級顆粒/松散納米級顆的粒聚合體 |
產生不均勻顆粒/緊實的顆粒聚合體 |
納秒激光產生大小不一的粒子在ICP-MS中會產生極不穩(wěn)定的信號，降低分析精確性和準確度；飛秒激光產生均為顆粒能形成穩(wěn)定信號，更為靈敏精確 |
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基體影響 |
不受基體影響 |
受基體影響顯著 |
納秒激光受基體影響很大，不同的基體組成會剝蝕出大小不一的粒子；而飛秒激光對不同的基體均能剝蝕出相同大小的納米級顆粒，不受基體組成影響 |
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波長影響 |
不受波長影響 |
受波長影響顯著 |
對于同一樣品，不同的波長的納秒激光剝蝕出的粒子大小不等，總的來說是波長越短剝蝕出的粒子越小越均勻，故納秒激光產品追求短波長；但飛秒激光由于本身具有極高能量，波長對其剝蝕的效果沒有影響 |
3、J100應用領域
J100作為頂級的激光剝蝕進樣系統(tǒng)，適用于多種領域，如巖礦、能源、材料、生態(tài)、環(huán)境、農業(yè)等。不同于傳統(tǒng)霧化進樣方式需要繁瑣的樣品消解過程，J100采用飛秒激光直接剝蝕樣品材料，產生可供質譜儀分析的均勻納米級顆粒。故J100對樣品材料的前期制備要求極低，這也避免了消解過程中引入的誤差；同時，J100對樣品的形態(tài)無特殊要求，因此，J100可應用于一切采用ICP-MS進行分析研究的領域。
圖2 飛秒激光和納秒激光剝蝕出的顆粒顯微影響對比
4、激光剝蝕應用案例
王云霞. 楊連新. W. J. Horst. 激光剝蝕電感耦合等離子體質譜( LA-ICP-MS) 定量分析小麥籽粒鋅元素的空間分布. 南京農業(yè)大學學報 2011，34( 2) : 18 －22
王云霞等同時利用酸消解溶液霧化進樣 ICP-MS 法和激光剝蝕進樣ICP-MS 測定了校正標準樣品和小麥整粒種子的鋅濃度。結果表明，LA-ICP-MS 對各校正標準樣品鋅濃度的測定值與酸消解溶液霧化進樣 ICP-MS 法的測定值非常接近，且重復間差異很小。依據(jù)小麥種子不同部位所占比例可計算整粒小麥種子的鋅濃度為( 64 ±1.6) mg·kg-1，這一結果與小麥種子消化后在 ICP-MS 上的測定值( 66±1.2) mg·kg-1非常接近。
小麥種子橫切面( a) 及 LA-ICP-MS 測定的胚乳( b) 、胚( c) 、糊粉層和腹溝維管組織( d)
圖片源自：王云霞 激光剝蝕電感耦合等離子體質譜( LA-ICP-MS) 定量分析小麥籽粒鋅元素的空間分布
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