杭纬:强激光电离质谱 定量分析固体样品痕量元素利器

2020年7月15日 16:57:28 来源: 分析测试百科
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  光谱技术已迈过百年历史长河,中国的光谱分析技术亦可追溯到上个世纪50年代,今日中国的光谱技术已从国际上“跟跑”跃升到部分领域领跑的地位。在这背后,老中青科学家,克服了严峻的挑战、付出了辛勤的汗水。伴随着将在成都召开的第21届全国分子光谱学学术会议,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向,希望对广大光谱爱好与从业者有更多的启发。

  厦门大学化学化工学院、谱学分析与仪器教育部重点实验室的杭纬教授课题组,曾开发第一台强激光电离飞行时间质谱仪,在国际上享有很高声誉。杭纬教授师从黄本立院士,主要从事原子光谱及质谱仪器的研发工作。从广义上来说,Atomic Mass Spectrometry也属于Atomic Spectroscopy的范畴。因此,杭纬教授主要为我们介绍了其课题组用激光电离质谱技术进行固体样品元素分析方面的工作。众所周知,芯片、半导体、高端材料领域,固体样品的直接分析是主要的挑战。杭纬将带领我们了解各种技术在这种极致分析领域的发展情况。

厦门大学化学化工学院 杭纬教授

  在美国留学期间,杭纬已开始从事强激光电离质谱分析元素的工作,迄今已近20年。固体分析的商品化仪器方法已有辉光放电质谱(GDMS)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS),杭纬主要研究的是强激光电离质谱直接分析固体样品,他首先为我们介绍了上述几种固体分析方法的区别。

LA-ICPMS、GDMS的特点

  在使用LA-ICPMS方法时,优点是可以进行微区分析,得到样品的空间信息(一般分辨率为微区约10 μm,深度约100 nm),某些元素的最低检测限可达10-9 g/g。但是ICPMS自身的背景很强、干扰大,元素分馏效应(不同元素在剥蚀、蒸发和传输过程中行为的差异)较大,导致检测到的信息与样品信息不一致。目前虽然有反应池、碰撞池等技术辅助,但干扰问题始终未能完全解决。在没有标准品时,LA-ICPMS对定量无能为力。

  近年来,GDMS比较受青睐。辉光放电离子源是直接利用低压(10~150 Pa)惰性气体(氩气或氦气)在约千伏电压下放电电离,形成正离子后被加速到阴极表面,撞击由待测样品构成的阴极产生溅射,溅射出的阴极原子在等离子体中通过电子轰击和彭宁碰撞电离产生待测离子,进而引入质谱进行检测。虽然也有干扰,但所有元素的响应因子比较接近,如果是铁基体,由于主要成分是铁,可以直接将铁设为100%,用其它元素的峰与铁峰的峰高相比,就能实现定量功能。GDMS的缺点是微区分辨率不足,最小分辨率只能达到几个毫米,无法进行微区分析;使用相对灵敏度因数(RSF)进行定量,而不同仪器的元素RSF值不一样,所以要准确测定样品中被测元素的含量,必须有与样品基体一致、并含有所有待测元素的标准品,以获得该类样品被测元素的RSF值,从而准确测定样品的杂质含量。众所周知,固体样品的标准品种类非常少,也非常昂贵。GDMS应用的另一个局限是比较适用于导体,对于非导体检测就得用非常“土”的方法,在导体上放个金属环,先对金属环溅射,溅射物到处铺开,铺到非导体上面,非导体也会被溅射出来。此外,GDMS采用磁质谱非常昂贵,约700万人民币一台。即使如此,近年来由于半导体行业的刺激,中国每年进口约10台GDMS。

  无论是LA-ICPMS还是GDMS,定量都需要标样。理论上可以买美国标准局的标样,但是一种标样就需要数千美元,堪比黄金。此外,固体样品的标准样品非常少,对一个未知样品来说,根本不知道其基体是什么,因此也就找不到标样。

强激光电离质谱(LI-TOFMS)的特点

  激光技术作为20世纪最伟大的科学发明之一,被称为“最锋利的刀”,在生物、医学 及机械制造等行业应用广泛。激光采样,尤其是脉冲激光采样,是一种可以进行小体积溅射、解吸的采样技术。因其重现性好、易操控、分析时间短、无需样品前处理、样品需求量少、作用过程不受样品形貌影响、可聚焦至微米级别、能进行准无损分析等优势而被广泛应用。其中,飞秒激光备受关注,其超短脉宽能减小对样品的损伤,并且降低采样过程中的热效应,该采样方法在空间分辨、基体和分馏效应抑制等各方面有突破性进展。质谱因其高灵敏度、高精度和适用性广等优势逐渐成为物质定性定量的重要工具。

  强激光电离质谱(LIMS)的检测原理是,由激光器发射出的激光,经过聚焦后到达固体样品表面,形成很高的能量密度(109~1011 W/cm2),产生10,000~50,000 K的高温等离子体(一般ICP的温度约为8000 K,GD为3000 K),样品的表面瞬间被加热、汽化成原子态;样品原子化后,原子的最外层电子将吸收与原子电离能相对应的能量(通过碰撞或者吸收激光光子能量),逃逸出原子核的束缚,发生离子化,整个过程在极短的时间内完成。产生的离子与辅助气体碰撞,实现能量冷却和去除高价离子后,进入质量分析器,根据m/z不同定性分析,同时由质谱峰的强度可以对元素进行定量分析。

  杭纬谈到了强激光电离质谱的优点:首先,激光电离质谱可适用于导体、半导体、绝缘体等各种样品,只要吸收激光的能量,就能溅射出来。对样品的形状和尺寸无特殊要求,不需进行样品前处理或进行很少的处理,大大缩短了整个样品的分析时间。其次,无论是ICPMS还是GDMS,干扰峰都非常多。“我们做的激光电离源,放在一个封闭的惰性气体氛围中,几乎看不到干扰。激光强度比一般激光要高一个数量级,我们的目的不仅要把样品原子化(比如LA激光剥蚀就是原子化),还要离子化。当激光强度提高一个数量级后,等离子体的温度可达到几万度,几乎所有样品都被原子化或离子化了。”

  当激光照射在样品表面时,几乎所有的原子都被电离,因此不同元素可以获得较统一的相对灵敏度因子(RSF),谱图干扰极小,这样就可以使用某一元素的峰高(峰面积)除以TIC谱图中所有谱线高(峰面积)的总和,即元素分离子流/总离子流,得到元素在样品中的组分,不需要用标准样品就可以进行定量分析。

  由于LIMS法的离子化温度相当高,因此较LA-ICPMS法的分馏效应大大减小,溅射电离产生的离子与样品的真实组成相符,提高了分析结果的准确性。同时与GDMS和ICPMS法相比,谱图中干扰离子少,识谱容易,可通过加低压缓冲惰性气体(氦气)来冷却离子和降低多价离子的干扰(三体碰撞),使定量变得容易。高的空间分辨率(深度约100 nm,微区约10 μm)可进行元素空间分布检测(成像)。当结合TOF飞行时间质谱后,分析速度快、费用低(分析过程中不需要消耗大量的高纯气体)。

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杭纬课题组自制的强激光飞行时间质谱仪

  激光电离飞行时间质谱(LI-TOF-MS)最早出现在1963年,70年代初曾推出过商品化仪器,但同轴式LI-TOF-MS有诸多缺点。20世纪90年代初,垂直加速技术的发明大大提高了TOF质谱的分辨本领,激光技术也迅猛发展,激光波长从可见发展到红外,直至到今天占主导地位的紫外波段,激光脉宽从纳秒逐渐向更短脉款(皮秒和飞秒)发展。

  杭纬课题组,开发出国际首台气体辅助强激光电离飞行时间质谱仪,并不断改进分析性能,无论是成像还是定量,目前的性能都优于现有的商品化GDMS,但目前尚没有进行商品化。杭纬也谈到了可能的产业化方法,“假设产业化,我们准备将其价格定位在GDMS一半的价格,因为要打败一个现成的技术,必须要具有技术和价格优势。”但是,市场需求量和所需投入的巨大精力,让该课题组无法轻易迈出这一步。

  杭纬认为,从光谱、质谱的发展来看,解决固体快速直接分析的方法是一大挑战。即使是分析生物样品的直接离子化技术,定量也是个难题。“我已经搭建了5台LI-TOF-MS,已经完全自动化了;目前正在搭建第6台,目标是分辨率达到10,000以上,同二次离子飞行时间质谱一比高下。”SIMS的特点是成像的空间分辨率极高,达几百纳米;但SIMS基体效应严重,定量效果也较差。

最新成果:激光质谱成像分析的进展

  除了用LIMS直接对固体进行元素分析,杭纬课题组还研究了近场光学与激光电离质谱结合的成像分析。2017年12月,杭纬教授课题组在Science 子刊《科学进展》(Science Advances)发表文章,标题为《Tip-enhanced ablation and ionization mass spectrometry for nanoscale chemical analysis》。纳米级空间分辨率的光谱方法在物理学、化学、地质学、生物学和材料科学领域正变得至关重要。然而,激光质谱成像(MSI)技术的横向分辨率迄今仅限于微米尺度。课题组创制了无孔贵金属针尖的尖端增强剥蚀电离飞行时间质谱(TEAI-TOFMS),利用激光诱导近场增强和隧道电流距离控制,可生成纳米尺度坑并进行随后的质谱分析,并获得了在50 nm横向分辨率下的钾盐残留物模式的MSI激光质谱成像。

  然而,贵金属针尖极易弯曲,因此该组发展了有孔光纤硅针近场解吸技术,使激光通过开口极小(200 nm)硅针孔,使用尖端的瞬逝光进行解吸,通过原子力自动控制光纤尖端到样品表面的距离,实现形貌与化学成分的共成像,无需使用探针,得到多种药物在单细胞内的分布成像,成像分辨率达250 nm。该质谱仪将近场解吸的分子通过深紫外激光后电离,具有离子产率高、传输性好等特点,达到amol级绝对检出限,能够得到清晰的谱图。该仪器克服了样品表面起伏产生误信号的问题,实现形貌和化学成分的精准成像。该成果于2019年5月发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)。


  征稿启事

  自光谱技术出现以来,已迈过百年历史长河。中国的光谱分析技术自上个世纪50年代起,已经从跟跑发展到部分领域领跑。在这背后,老中青科学家三代科技工作者克服了严峻的挑战,付出了辛勤的汗水。

  第21届全国分子光谱学学术会议即将在2020年10月在成都的召开,中国光学学会光谱专业委员会和分析测试百科网联合举办了“七彩光谱 万象更新”主题活动。活动将采访业内的光谱界的一线工作者,探讨光谱近年来的发展、最新技术与应用,展望光谱未来发展的新方向。

  活动时间:2020年光谱年会召开之前。

  展现形式:专访——图文展示,所有采访稿件最终汇聚成专题集中展示。

  采访对象:光谱界一线工作者。

  详情咨询:news@antpedia.net