準(zhǔn)確測定地質(zhì)全巖樣品的元素組成是開展地球科學(xué)研究的基礎(chǔ)。目前巖石樣品常規(guī)主量元素分析是采用硼酸鹽助熔劑與樣品粉末混勻，在1000℃條件下制成樣品熔融玻璃片，然后采用X射線熒光光譜儀（XRF）進(jìn)行分析測試，通常測試周期在1-2天。微量元素分析則是采用高溫高壓鋼套酸消解技術(shù)來確保樣品的全消解，然后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）進(jìn)行樣品溶液的分析測試，通常測試周期在7-10天，無法滿足現(xiàn)代大量樣品的高效測試。如果能夠采用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）直接測定主量分析中制備的樣品熔融玻璃片中的微量元素，則可以大大提高分析效率，主、微量數(shù)據(jù)最快可在1天內(nèi)同時(shí)獲得（圖1）。

圖1 XRF和LA-ICP-MS測定全巖主、微量元素示意圖

然而，使用激光剝蝕法進(jìn)行分析的玻璃片，其微量元素能否代表樣品全巖值得探討；此外，由于助熔劑熔融玻璃片高的透射率，當(dāng)使用納秒（ns）激光時(shí)，需要非常高的能量密度（通常 >10 J cm?2）才能有效剝蝕，而顯著的熱效應(yīng)，會導(dǎo)致明顯的元素分餾和基體效應(yīng)，因此激光剝蝕過程是否會影響結(jié)果準(zhǔn)確性，也需要仔細(xì)分析。

針對上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖礦制樣與分析實(shí)驗(yàn)室劉艷紅高級工程師及其合作者，系統(tǒng)研究了代表性巖石樣品熔融片中微量元素的均勻性，利用具有更高脈沖功率密度和更短脈沖持續(xù)時(shí)間的飛秒（fs）激光進(jìn)行樣品助熔劑熔融玻璃片微量元素的分析。

結(jié)果顯示，硼酸鹽樣品熔融玻璃片中的32種微量元素的均勻性指數(shù)（H）均小于其均勻性指數(shù)臨界值（Hcrit），表明元素分布均勻。此外，使用飛秒激光降低了基體效應(yīng)的影響，使得采用非基體匹配的外部標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（NIST 612和614）進(jìn)行校準(zhǔn)變得準(zhǔn)確（圖2）。為了驗(yàn)證方法的可靠性，使用該技術(shù)對六種硅酸鹽巖石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（涵蓋從鎂鐵質(zhì)至長英質(zhì)的巖石類型）進(jìn)行分析，大多數(shù)元素的結(jié)果與標(biāo)物推薦值在10%以內(nèi)一致，大多數(shù)元素的分析精度（RSD）也在10%以內(nèi)，與傳統(tǒng)溶液分析法結(jié)果類似。

圖2 基體匹配和非基體匹配外標(biāo)對玄武巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) GSR-3分析結(jié)果準(zhǔn)確度的影響

該項(xiàng)新技術(shù)在提高激光微量分析數(shù)據(jù)精確度的同時(shí)大大提高了實(shí)驗(yàn)室的分析效率，能有效支撐現(xiàn)代地球科學(xué)工作者大數(shù)據(jù)時(shí)代的對大量樣品測試的精度要求和效率要求。

研究成果發(fā)表于國際分析化學(xué)期刊JAAS（劉艷紅，薛丁帥，李文君，王忠強(qiáng)，梁燕，郭順，萬博. Trace element determination by femtosecond LA-ICP-MS in 10 mg extraterrestrial geological samples prepared as lithium borate glasses[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2024. DOI：10.1039/D4JA00275J.）。研究受先導(dǎo)B專項(xiàng)（XDB0710000）和國家自然科學(xué)基金（42073022）共同資助。

編輯：萬鵬