杭緯：強激光電離質譜定量分析固體樣品痕量元素利器

　　光譜技術已邁過百年歷史長河，中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代，今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這背后，老中青科學家，克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開的第21屆全國分子光譜學學術會議，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望對廣大光譜愛好與從業者有更多的啟發。

　　廈門大學化學化工學院、譜學分析與儀器教育部重點實驗室的杭緯教授課題組，曾開發第一臺強激光電離飛行時間質譜儀，在國際上享有很高聲譽。杭緯教授師從黃本立院士，主要從事原子光譜及質譜儀器的研發工作。從廣義上來說，Atomic Mass Spectrometry也屬于Atomic Spectroscopy的范疇。因此，杭緯教授主要為我們介紹了其課題組用激光電離質譜技術進行固體樣品元素分析方面的工作。眾所周知，芯片、半導體、高端材料領域，固體樣品的直接分析是主要的挑戰。杭緯將帶領我們了解各種技術在這種極致分析領域的發展情況。

廈門大學化學化工學院 杭緯教授

　　在美國留學期間，杭緯已開始從事強激光電離質譜分析元素的工作，迄今已近20年。固體分析的商品化儀器方法已有輝光放電質譜（GDMS）和激光剝蝕電感耦合等離子體質譜（LA-ICPMS），杭緯主要研究的是強激光電離質譜直接分析固體樣品，他首先為我們介紹了上述幾種固體分析方法的區別。

LA-ICPMS、GDMS的特點

　　在使用LA-ICPMS方法時，優點是可以進行微區分析，得到樣品的空間信息（一般分辨率為微區約10 μm，深度約100 nm），某些元素的最低檢測限可達10^-9 g/g。但是ICPMS自身的背景很強、干擾大，元素分餾效應（不同元素在剝蝕、蒸發和傳輸過程中行為的差異）較大，導致檢測到的信息與樣品信息不一致。目前雖然有反應池、碰撞池等技術輔助，但干擾問題始終未能完全解決。在沒有標準品時，LA-ICPMS對定量無能為力。

　　近年來，GDMS比較受青睞。輝光放電離子源是直接利用低壓（10~150 Pa）惰性氣體（氬氣或氦氣）在約千伏電壓下放電電離，形成正離子后被加速到陰極表面，撞擊由待測樣品構成的陰極產生濺射，濺射出的陰極原子在等離子體中通過電子轟擊和彭寧碰撞電離產生待測離子，進而引入質譜進行檢測。雖然也有干擾，但所有元素的響應因子比較接近，如果是鐵基體，由于主要成分是鐵，可以直接將鐵設為100%，用其它元素的峰與鐵峰的峰高相比，就能實現定量功能。GDMS的缺點是微區分辨率不足，最小分辨率只能達到幾個毫米，無法進行微區分析；使用相對靈敏度因數（RSF）進行定量，而不同儀器的元素RSF值不一樣，所以要準確測定樣品中被測元素的含量，必須有與樣品基體一致、并含有所有待測元素的標準品，以獲得該類樣品被測元素的RSF值，從而準確測定樣品的雜質含量。眾所周知，固體樣品的標準品種類非常少，也非常昂貴。GDMS應用的另一個局限是比較適用于導體，對于非導體檢測就得用非常“土”的方法，在導體上放個金屬環，先對金屬環濺射，濺射物到處鋪開，鋪到非導體上面，非導體也會被濺射出來。此外，GDMS采用磁質譜非常昂貴，約700萬人民幣一臺。即使如此，近年來由于半導體行業的刺激，中國每年進口約10臺GDMS。

　　無論是LA-ICPMS還是GDMS，定量都需要標樣。理論上可以買美國標準局的標樣，但是一種標樣就需要數千美元，堪比黃金。此外，固體樣品的標準樣品非常少，對一個未知樣品來說，根本不知道其基體是什么，因此也就找不到標樣。

強激光電離質譜（LI-TOFMS）的特點

　　激光技術作為20世紀最偉大的科學發明之一，被稱為“最鋒利的刀”，在生物、醫學 及機械制造等行業應用廣泛。激光采樣，尤其是脈沖激光采樣，是一種可以進行小體積濺射、解吸的采樣技術。因其重現性好、易操控、分析時間短、無需樣品前處理、樣品需求量少、作用過程不受樣品形貌影響、可聚焦至微米級別、能進行準無損分析等優勢而被廣泛應用。其中，飛秒激光備受關注，其超短脈寬能減小對樣品的損傷，并且降低采樣過程中的熱效應，該采樣方法在空間分辨、基體和分餾效應抑制等各方面有突破性進展。質譜因其高靈敏度、高精度和適用性廣等優勢逐漸成為物質定性定量的重要工具。

　　強激光電離質譜（LIMS）的檢測原理是，由激光器發射出的激光，經過聚焦后到達固體樣品表面，形成很高的能量密度（10⁹~10¹¹ W/cm²），產生10,000~50,000 K的高溫等離子體（一般ICP的溫度約為8000 K，GD為3000 K），樣品的表面瞬間被加熱、汽化成原子態；樣品原子化后，原子的最外層電子將吸收與原子電離能相對應的能量（通過碰撞或者吸收激光光子能量），逃逸出原子核的束縛，發生離子化，整個過程在極短的時間內完成。產生的離子與輔助氣體碰撞，實現能量冷卻和去除高價離子后，進入質量分析器，根據m/z不同定性分析，同時由質譜峰的強度可以對元素進行定量分析。

　　杭緯談到了強激光電離質譜的優點：首先，激光電離質譜可適用于導體、半導體、絕緣體等各種樣品，只要吸收激光的能量，就能濺射出來。對樣品的形狀和尺寸無特殊要求，不需進行樣品前處理或進行很少的處理，大大縮短了整個樣品的分析時間。其次，無論是ICPMS還是GDMS，干擾峰都非常多。“我們做的激光電離源，放在一個封閉的惰性氣體氛圍中，幾乎看不到干擾。激光強度比一般激光要高一個數量級，我們的目的不僅要把樣品原子化（比如LA激光剝蝕就是原子化），還要離子化。當激光強度提高一個數量級后，等離子體的溫度可達到幾萬度，幾乎所有樣品都被原子化或離子化了。”

　　當激光照射在樣品表面時，幾乎所有的原子都被電離，因此不同元素可以獲得較統一的相對靈敏度因子（RSF），譜圖干擾極小，這樣就可以使用某一元素的峰高（峰面積）除以TIC譜圖中所有譜線高（峰面積）的總和，即元素分離子流/總離子流，得到元素在樣品中的組分，不需要用標準樣品就可以進行定量分析。

　　由于LIMS法的離子化溫度相當高，因此較LA-ICPMS法的分餾效應大大減小，濺射電離產生的離子與樣品的真實組成相符，提高了分析結果的準確性。同時與GDMS和ICPMS法相比，譜圖中干擾離子少，識譜容易，可通過加低壓緩沖惰性氣體（氦氣）來冷卻離子和降低多價離子的干擾（三體碰撞），使定量變得容易。高的空間分辨率（深度約100 nm，微區約10 μm）可進行元素空間分布檢測（成像）。當結合TOF飛行時間質譜后，分析速度快、費用低（分析過程中不需要消耗大量的高純氣體）。

杭緯課題組自制的強激光飛行時間質譜儀

　　激光電離飛行時間質譜（LI-TOF-MS）最早出現在1963年，70年代初曾推出過商品化儀器，但同軸式LI-TOF-MS有諸多缺點。20世紀90年代初，垂直加速技術的發明大大提高了TOF質譜的分辨本領，激光技術也迅猛發展，激光波長從可見發展到紅外，直至到今天占主導地位的紫外波段，激光脈寬從納秒逐漸向更短脈款（皮秒和飛秒）發展。

　　杭緯課題組，開發出國際首臺氣體輔助強激光電離飛行時間質譜儀，并不斷改進分析性能，無論是成像還是定量，目前的性能都優于現有的商品化GDMS，但目前尚沒有進行商品化。杭緯也談到了可能的產業化方法，“假設產業化，我們準備將其價格定位在GDMS一半的價格，因為要打敗一個現成的技術，必須要具有技術和價格優勢。”但是，市場需求量和所需投入的巨大精力，讓該課題組無法輕易邁出這一步。

　　杭緯認為，從光譜、質譜的發展來看，解決固體快速直接分析的方法是一大挑戰。即使是分析生物樣品的直接離子化技術，定量也是個難題。“我已經搭建了5臺LI-TOF-MS，已經完全自動化了；目前正在搭建第6臺，目標是分辨率達到10,000以上，同二次離子飛行時間質譜一比高下。”SIMS的特點是成像的空間分辨率極高，達幾百納米；但SIMS基體效應嚴重，定量效果也較差。

最新成果：激光質譜成像分析的進展

　　除了用LIMS直接對固體進行元素分析，杭緯課題組還研究了近場光學與激光電離質譜結合的成像分析。2017年12月，杭緯教授課題組在Science 子刊《科學進展》（Science Advances）發表文章，標題為《Tip-enhanced ablation and ionization mass spectrometry for nanoscale chemical analysis》。納米級空間分辨率的光譜方法在物理學、化學、地質學、生物學和材料科學領域正變得至關重要。然而，激光質譜成像（MSI）技術的橫向分辨率迄今僅限于微米尺度。課題組創制了無孔貴金屬針尖的尖端增強剝蝕電離飛行時間質譜（TEAI-TOFMS），利用激光誘導近場增強和隧道電流距離控制，可生成納米尺度坑并進行隨后的質譜分析，并獲得了在50 nm橫向分辨率下的鉀鹽殘留物模式的MSI激光質譜成像。

　　然而，貴金屬針尖極易彎曲，因此該組發展了有孔光纖硅針近場解吸技術，使激光通過開口極小（200 nm）硅針孔，使用尖端的瞬逝光進行解吸，通過原子力自動控制光纖尖端到樣品表面的距離，實現形貌與化學成分的共成像，無需使用探針，得到多種藥物在單細胞內的分布成像，成像分辨率達250 nm。該質譜儀將近場解吸的分子通過深紫外激光后電離，具有離子產率高、傳輸性好等特點，達到amol級絕對檢出限，能夠得到清晰的譜圖。該儀器克服了樣品表面起伏產生誤信號的問題，實現形貌和化學成分的精準成像。該成果于2019年5月發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）。

　　征稿啟事

　　自光譜技術出現以來，已邁過百年歷史長河。中國的光譜分析技術自上個世紀50年代起，已經從跟跑發展到部分領域領跑。在這背后，老中青科學家三代科技工作者克服了嚴峻的挑戰，付出了辛勤的汗水。

　　第21屆全國分子光譜學學術會議即將在2020年10月在成都的召開，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向。

　　活動時間：2020年光譜年會召開之前。

　　展現形式：專訪——圖文展示，所有采訪稿件最終匯聚成專題集中展示。

　　采訪對象：光譜界一線工作者。

　　詳情咨詢：news@antpedia.net