激光剝蝕成像是一種相對較新的分析技術，可以在二維乃至三維空間內實現固體樣品中所關注元素的濃度分布可視化

激光剝蝕（laser ablation, LA）係統將樣品引入元素分析儀(yi) ，通常是電感耦合等離子質譜儀(yi) （ICP-MS），通過使激光燒蝕係統和下遊化學分析儀(yi) 精確同步，可以在樣品的不同或相同位置連續記錄元素信號，以生成完整的2d或者3d元素分布圖。LA-ICP-MS質譜成像技術正越來越多地應用於(yu) 地質研究（Ubide等，2015年）、生物研究（Becker等，2010年）和醫學研究（Hare等，2017年）。

激光剝蝕ICP-MS成像係統是如何工作的？

在實踐中，激光剝蝕ICP-MS成像是通過在樣品表麵上掃描高頻率脈衝(chong) 激光束來實現的。通常采用的方式是：激光束固定不動，樣品台在x、y和z方向上由高精度電機移動，樣品台移動精度通常優(you) 於(yu) 1微米。深紫外激光器（例如：193納米波長）通常用於(yu) 固體(ti) 樣品的剝蝕處理。激光光斑尺寸可根據所需的空間分辨率進行相應調整；先進激光剝蝕（LA）係統可提供小至1微米的激光光斑尺寸，也就是優(you) 於(yu) 1微米的空間分辨率。

當激光的能量密度（注量）高於(yu) 某個(ge) 閾值時，激光脈衝(chong) 將進行樣品剝蝕過程。由於(yu) 此剝蝕閾值取決(jue) 於(yu) 特定的樣品，因此需針對每種樣品材料優(you) 化激光注量。剝蝕過程一般在密封的氣密室（即剝蝕室）內(nei) 進行。燒蝕產(chan) 生的氣溶膠樣品在連續的載氣（通常是氦氣）流中被快速衝(chong) 刷出燒蝕室，然後輸送到下遊的ICP檢測係統。當氣溶膠樣品流動通過高能ICP係統時，其將被霧化和電離。所產(chan) 生的離子將通過多級真空和相應的離子傳(chuan) 輸元件從(cong) ICP電離源傳(chuan) 輸到末端質譜分析儀(yi) 。這其中也會(hui) 設有能量過濾器和反應/碰撞室用於(yu) 去除離子束中的幹擾物質。質譜分析器（包括四極、扇形場或飛行時間質譜等）可用於(yu) 測量所關(guan) 注元素的強度。這些信號強度對應於(yu) 燒蝕樣品內(nei) 元素的豐(feng) 度。然後，通過在樣品表麵上（二維）或樣品體(ti) 積內(nei) （三維）已知的x，y，z坐標位置重複此燒蝕分析過程，以還原元素在樣品內(nei) 分布圖。

打破瓶頸：點分辨激光剝蝕質譜成像

業(ye) 內(nei) 最近出現的一種趨勢是開發具有快速衝(chong) 刷功能的激光燒蝕室（Wang等，2013年；VanMalderen等人，2015年；Gundlach-Graham和Günther，2016年）。借助這種快速衝(chong) 刷係統，可以在數毫秒內(nei) 將剝蝕樣品從(cong) 燒蝕室中‘完整輸出’，而傳(chuan) 統係統則需要花費數秒時間。舉(ju) 例來說，通過使用業(ye) 界俗稱的雙容積燒蝕室，或者通過減小載氣管的內(nei) 徑，或者通過在氣溶膠傳(chuan) 輸過程中引入額外的氣體(ti) （如氬氣），都可以幫助實現更快速的衝(chong) 刷效果。更快速的衝(chong) 刷過程縮短了整個(ge) 分析過程所需的時間，不再讓樣品衝(chong) 刷和傳(chuan) 輸成為(wei) 激光剝蝕ICP質譜成像的瓶頸。此外，更快速的衝(chong) 刷意味著，燒蝕氣溶膠煙霧在進入ICP係統之前分布更為(wei) 集中，從(cong) 而在所記錄的MS數據中能產(chan) 生更高的信噪比，也有著更好的分析精確度。

要高效適配快速衝(chong) 刷燒蝕室傳(chuan) 輸到ICP-MS的樣品短脈衝(chong) ，特別是目標元素多達十多種乃至更多的情況下，快速質量分析技術成為(wei) 必須。掃描型質量分析儀(yi) （如四極杆或扇形場等）需要按順序測量單個(ge) 元素，而飛行時間（TOF）質譜（如TOFWERK的icpTOF係統中使用的質量分析儀(yi) ）則可以同時測量所有元素及其同位素信息（Borovinskaya等，2013；Hendriks等，2017）。TOFWERK icpTOF質譜儀(yi) 能夠每33微秒記錄一張完整的質譜，有足夠的‘空餘(yu) ’來完整捕捉測量短暫的瞬態信號（如單次激光發射的氣溶膠煙羽）。

通過將icpTOF係統與(yu) 快速衝(chong) 刷（低分散）激光燒蝕室搭配使用，可快速實現點分辨、多元素快速成像（Burger等，2017年；Bussweiler等，2017年）。在這種方法中，圖像采集是通過並排激光點光柵掃描方式完成的。為(wei) 了避免相鄰激光點的信號重疊，激光發射的重複頻率需要適配於(yu) 來自單次激光發射的信號持續時間。由於(yu) 特定的樣本衝(chong) 刷時間不等，因此需要在每次成像實驗之前相應的優(you) 化激光重複頻率（示例請參見TOFpilot白皮書(shu) ）。激光掃描速度（微米/秒）由激光光斑尺寸（微米）和重複頻率（s-1）決(jue) 定。相比連續掃描成像模式（即信號連續進入ICP-MS係統），點掃描模式具有顯著的優(you) 勢。在點分辨成像中，每個(ge) 像素即代表一個(ge) “封閉實驗”，每次激光發射將在最終的圖像中對應著一個(ge) 具有明確坐標，且包含多元素全譜信息的單像素。因此，樣品表麵的原始幾何形狀得以多維化學組分的形式‘完整重現’，並且大大降低了產(chan) 生偽(wei) 影（如拖尾效應）的幾率。

延伸閱讀

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Bussweiler, Y., Borovinskaya, O. and Tanner, M., 2017. Laser Ablation and inductively coupled plasma-time-of-flight mass spectrometry-A powerful combination for high-speed multielemental imaging on the micrometer scale. Spectroscopy (Santa Monica), 32(5), pp.14-20.

Bussweiler, Y., Spetzler, T., Tanner, M. and Borovinskaya, O., 2017. TOFpilot–An Integrated Control Software for the icpTOF that Enables High-Speed, High-Resolution, Multi-Element Laser Ablation Imaging in Real Time.

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Hare, D.J., Kysenius, K., Paul, B., Knauer, B., Hutchinson, R.W., O’Connor, C., Fryer, F., Hennessey, T.P., Bush, A.I., Crouch, P.J. and Doble, P.A., 2017. Imaging metals in Brain Tissue by Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (LA-ICP-MS). Journal of visualized experiments: JoVE, (119).

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Wang, H.A., Grolimund, D., Giesen, C., Borca, C.N., Shaw-Stewart, J.R., Bodenmiller, B. and Gunther, D., 2013. Fast chemical imaging at high spatial resolution by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Analytical chemistry, 85(21), pp.10107-10116.