步步生花:什么是激光剥蚀ICP-MS质谱成像?

2022-05-12 09:08:20, TOFWERK TOFWERK中国-南京拓服工坊




激光剥蚀成像是一种相对较新的分析技术,可以在二维乃至三维空间内实现固体样品中所关注元素的浓度分布可视化


激光剥蚀(laser ablation, LA)系统将样品引入元素分析仪,通常是电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS),通过使激光烧蚀系统和下游化学分析仪精确同步,可以在样品的不同或相同位置连续记录元素信号,以生成完整的2d或者3d元素分布图。LA-ICP-MS质谱成像技术正越来越多地应用于地质研究(Ubide等,2015年)、生物研究(Becker等,2010年)和医学研究(Hare等,2017年)。




激光剥蚀ICP-MS成像系统是如何工作的?


在实践中,激光剥蚀ICP-MS成像是通过在样品表面上扫描高频率脉冲激光束来实现的。通常采用的方式是:激光束固定不动,样品台在x、y和z方向上由高精度电机移动,样品台移动精度通常优于1微米。深紫外激光器(例如:193纳米波长)通常用于固体样品的剥蚀处理。激光光斑尺寸可根据所需的空间分辨率进行相应调整;先进激光剥蚀(LA)系统可提供小至1微米的激光光斑尺寸,也就是优于1微米的空间分辨率。


当激光的能量密度(注量)高于某个阈值时,激光脉冲将进行样品剥蚀过程。由于此剥蚀阈值取决于特定的样品,因此需针对每种样品材料优化激光注量。剥蚀过程一般在密封的气密室(即剥蚀室)内进行。烧蚀产生的气溶胶样品在连续的载气(通常是氦气)流中被快速冲刷出烧蚀室,然后输送到下游的ICP检测系统。当气溶胶样品流动通过高能ICP系统时,其将被雾化和电离。所产生的离子将通过多级真空和相应的离子传输元件从ICP电离源传输到末端质谱分析仪。这其中也会设有能量过滤器和反应/碰撞室用于去除离子束中的干扰物质。质谱分析器(包括四极、扇形场或飞行时间质谱等)可用于测量所关注元素的强度。这些信号强度对应于烧蚀样品内元素的丰度。然后,通过在样品表面上(二维)或样品体积内(三维)已知的x,y,z坐标位置重复此烧蚀分析过程,以还原元素在样品内分布图。


打破瓶颈:点分辨激光剥蚀质谱成像


业内最近出现的一种趋势是开发具有快速冲刷功能的激光烧蚀室(Wang等,2013年;VanMalderen等人,2015年;Gundlach-Graham和Günther,2016年)。借助这种快速冲刷系统,可以在数毫秒内将剥蚀样品从烧蚀室中‘完整输出’,而传统系统则需要花费数秒时间。举例来说,通过使用业界俗称的双容积烧蚀室,或者通过减小载气管的内径,或者通过在气溶胶传输过程中引入额外的气体(如氩气),都可以帮助实现更快速的冲刷效果。更快速的冲刷过程缩短了整个分析过程所需的时间,不再让样品冲刷和传输成为激光剥蚀ICP质谱成像的瓶颈。此外,更快速的冲刷意味着,烧蚀气溶胶烟雾在进入ICP系统之前分布更为集中,从而在所记录的MS数据中能产生更高的信噪比,也有着更好的分析精确度。


要高效适配快速冲刷烧蚀室传输到ICP-MS的样品短脉冲,特别是目标元素多达十多种乃至更多的情况下,快速质量分析技术成为必须。扫描型质量分析仪(如四极杆或扇形场等)需要按顺序测量单个元素,而飞行时间(TOF)质谱(如TOFWERK的icpTOF系统中使用的质量分析仪)则可以同时测量所有元素及其同位素信息(Borovinskaya等,2013;Hendriks等,2017)。TOFWERK icpTOF质谱仪能够每33微秒记录一张完整的质谱,有足够的‘空余’来完整捕捉测量短暂的瞬态信号(如单次激光发射的气溶胶烟羽)。


通过将icpTOF系统与快速冲刷(低分散)激光烧蚀室搭配使用,可快速实现点分辨、多元素快速成像(Burger等,2017年;Bussweiler等,2017年)。在这种方法中,图像采集是通过并排激光点光栅扫描方式完成的。为了避免相邻激光点的信号重叠,激光发射的重复频率需要适配于来自单次激光发射的信号持续时间。由于特定的样本冲刷时间不等,因此需要在每次成像实验之前相应的优化激光重复频率(示例请参见TOFpilot白皮书)。激光扫描速度(微米/秒)由激光光斑尺寸(微米)和重复频率(s-1)决定。相比连续扫描成像模式(即信号连续进入ICP-MS系统),点扫描模式具有显著的优势。在点分辨成像中,每个像素即代表一个“封闭实验”,每次激光发射将在最终的图像中对应着一个具有明确坐标,且包含多元素全谱信息的单像素。因此,样品表面的原始几何形状得以多维化学组分的形式‘完整重现’,并且大大降低了产生伪影(如拖尾效应)的几率。


延伸阅读


Becker, J.S., Zoriy, M., Matusch, A., Wu, B., Salber, D., Palm, C. and Becker, J.S., 2010. Bioimaging of metals by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA‐ICP‐MS). Mass spectrometry reviews, 29(1), pp.156-175.

Borovinskaya, O., Hattendorf, B., Tanner, M., Gschwind, S. and Günther, D., 2013. A prototype of a new inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometer providing temporally resolved, multi-element detection of short signals generated by single particles and droplets. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 28(2), pp.226-233.

Burger, M., Schwarz, G., Gundlach-Graham, A., Käser, D., Hattendorf, B. and Günther, D., 2017. Capabilities of laser ablation inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 32(10), pp.1946-1959.

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.

Gundlach-Graham, A. and Günther, D., 2016. Toward faster and higher resolution LA–ICPMS imaging: on the co-evolution of LA cell design and ICPMS instrumentation. Analytical and bioanalytical chemistry, 408(11), pp.2687-2695.

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).

Hendriks, L., Gundlach-Graham, A., Hattendorf, B. and Günther, D., 2017. Characterization of a new ICP-TOFMS instrument with continuous and discrete introduction of solutions. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 32(3), pp.548-561.

Ubide, T., McKenna, C.A., Chew, D.M. and Kamber, B.S., 2015. High-resolution LA-ICP-MS trace element mapping of igneous minerals: In search of magma histories. Chemical Geology, 409, pp.157-168.

Van Malderen, S.J., van Elteren, J.T. and Vanhaecke, F., 2015. Development of a fast laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry cell for sub-μm scanning of layered materials. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 30(1), pp.119-125.

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





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