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）系統將樣品引入元素分析儀，通常是電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS），通過使激光燒蝕系統和下游化學分析儀精確同步，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于地質研究（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成像系統是如何工作的？

在實踐中，激光剝蝕ICP-MS成像是通過在樣品表面上掃描高頻率脈沖激光束來實現的。通常采用的方式是：激光束固定不動，樣品臺在x、y和z方向上由高精度電機移動，樣品臺移動精度通常優于1微米。深紫外激光器（例如：193納米波長）通常用于固體樣品的剝蝕處理。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）系統可提供小至1微米的激光光斑尺寸，也就是優于1微米的空間分辨率。

當激光的能量密度（注量）高于某個閾值時，激光脈沖將進行樣品剝蝕過程。由于此剝蝕閾值取決于特定的樣品，因此需針對每種樣品材料優化激光注量。剝蝕過程一般在密封的氣密室（即剝蝕室）內進行。燒蝕產生的氣溶膠樣品在連續的載氣（通常是氦氣）流中被快速沖刷出燒蝕室，然后輸送到下游的ICP檢測系統。當氣溶膠樣品流動通過高能ICP系統時，其將被霧化和電離。所產生的離子將通過多級真空和相應的離子傳輸元件從ICP電離源傳輸到末端質譜分析儀。這其中也會設有能量過濾器和反應/碰撞室用于去除離子束中的干擾物質。質譜分析器（包括四極、扇形場或飛行時間質譜等）可用于測量所關注元素的強度。這些信號強度對應于燒蝕樣品內元素的豐度。然后，通過在樣品表面上（二維）或樣品體積內（三維）已知的x，y，z坐標位置重復此燒蝕分析過程，以還原元素在樣品內分布圖。

打破瓶頸：點分辨激光剝蝕質譜成像

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

要高效適配快速沖刷燒蝕室傳輸到ICP-MS的樣品短脈沖，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必須。掃描型質量分析儀（如四極桿或扇形場等）需要按順序測量單個元素，而飛行時間（TOF）質譜（如TOFWERK的icpTOF系統中使用的質量分析儀）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質譜儀能夠每33微秒記錄一張完整的質譜，有足夠的‘空余’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系統與快速沖刷（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，圖像采集是通過并排激光點光柵掃描方式完成的。為了避免相鄰激光點的信號重疊，激光發射的重復頻率需要適配于來自單次激光發射的信號持續時間。由于特定的樣本沖刷時間不等，因此需要在每次成像實驗之前相應的優化激光重復頻率（示例請參見TOFpilot白皮書）。激光掃描速度（微米/秒）由激光光斑尺寸（微米）和重復頻率（s-1）決定。相比連續掃描成像模式（即信號連續進入ICP-MS系統），點掃描模式具有顯著的優勢。在點分辨成像中，每個像素即代表一個“封閉實驗”，每次激光發射將在最終的圖像中對應著一個具有明確坐標，且包含多元素全譜信息的單像素。因此，樣品表面的原始幾何形狀得以多維化學組分的形式‘完整重現’，并且大大降低了產生偽影（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.

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).

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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.