新聞動(dòng)態(tài)高振麗、楊武斌等JAAS：氣流對(duì)飛秒LIBS/LA-ICPMS聯(lián)用系統(tǒng)元素分析的影響
?激光剝蝕電感耦合質(zhì)譜儀（LA-ICPMS）的應(yīng)用引發(fā)了地球科學(xué)領(lǐng)域分析技術(shù)的變革，相關(guān)技術(shù)已成為研究巖石、礦物和礦床成因的核心工具之一。為了彌補(bǔ)LA-ICPMS 無(wú)法定量檢測(cè)C-H-S-F-Cl 等揮發(fā)性元素的短板，楊武斌研究員團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在飛秒激光剝蝕進(jìn)樣系統(tǒng)上同時(shí)配置了激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀（LIBS）和電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS），從而構(gòu)建了一套fsLIBS+fsLA-ICPMS 同步分析系統(tǒng)。該分析系統(tǒng)可同步實(shí)時(shí)獲取光譜與質(zhì)譜信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)礦物原位主量、微量和揮發(fā)份等覆蓋全元素的定量檢測(cè)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，兩種技術(shù)對(duì)剝蝕池內(nèi)載氣的物理化學(xué)需求存在沖突：LIBS信號(hào)的激發(fā)增強(qiáng)通常依賴(lài)于氬氣（Ar）較低的電離能和較高的電子密度，而LA-ICPMS則受益于氦氣（He）的高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的氣溶膠傳輸效率。因此，如何在剝蝕環(huán)境中平衡氣體對(duì)光譜和質(zhì)譜元素分析精確度和準(zhǔn)確度的影響，是制約系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定量分析的關(guān)鍵問(wèn)題。
?針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所楊武斌研究員采用美國(guó)應(yīng)用光譜公司J200 Tandem QX飛秒LIBS-ICPMS，探討了不同流速配比的氦-氬混合氣在聯(lián)用系統(tǒng)中對(duì)光譜和質(zhì)譜元素分析性能的影響機(jī)制。以地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參考樣品NIST SRM 610為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了12組氦氣/氬氣不同比例呈梯度變化的混合氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，隨著混合氣中氬氣比例增加，等離子體的擴(kuò)散受到抑制，電子濃度上升，從而顯著提升了LIBS的光譜發(fā)射強(qiáng)度。但與此同時(shí)，氬氣的引入也改變了氣溶膠的粒徑分布與傳輸穩(wěn)定性，對(duì)LA-ICPMS信號(hào)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，LIBS信號(hào)強(qiáng)度的提升伴隨著相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）的增大(圖1)。LA-ICPMS各元素信號(hào)則在氦氣作為主要成分的環(huán)境氣中有更好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性(圖2)。上述發(fā)現(xiàn)反映了氣體組成對(duì)等離子體演化與氣溶膠傳輸過(guò)程的復(fù)雜調(diào)控。
?通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多方面評(píng)估，本研究提出并驗(yàn)證了該同步分析系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)載氣流速設(shè)定為 700 ml/min 氦氣與 400 ml/min 氬氣時(shí)(圖3)，系統(tǒng)能夠在獲得可靠質(zhì)譜分析精度的前提下，同時(shí)獲得高信噪比的光譜信號(hào)。在此優(yōu)化條件下，LA-ICPMS 的元素分餾效應(yīng)得到有效抑制，測(cè)定值與推薦值的高度吻合證明了該方案在定量分析中的可靠性。該研究不僅定量評(píng)價(jià)了氣體組成對(duì)飛秒激光分析系統(tǒng)的影響，更為光譜和質(zhì)譜同步分析方法在其它應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛推廣提供了一個(gè)成功范例。
圖1?飛秒LIBS信號(hào)穩(wěn)定性和強(qiáng)度受不同比例氦氬混合氣的影響
圖2 飛秒LA-ICPMS信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性受不同比例氦氬混合氣的影響
圖3?不同比例氦氬混合氣體條件對(duì)fsLIBS和fsLA-ICPMS信號(hào)強(qiáng)度的同步影響
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?該研究由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所與美國(guó)應(yīng)用光譜公司、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，相關(guān)成果于近日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry之上。該項(xiàng)研究得到了廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2024B0303390002）、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC2901705）以及中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（42302092）的資助。
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?論文信息：
?Gao, Z.L. (高振麗), Yang, W.B. (楊武斌), Qu, P. (屈潘), Yan, S. (嚴(yán)爽), Liu, C.Y. and R. E. Russo, 2026. Influence of gas flow on elemental analysis using?a tandem femtosecond LIBS and LA-ICPMS system. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 41, 1042-1047. https://doi.org/10.1039/D5JA00338E
