北京
準確測定地質全巖樣品的元素組成是開展地球科學研究的基礎。目前巖石樣品常規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來確保樣品的全消解，然后采用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）進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、微量數據最快可在1天內同時獲得（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，當使用納秒（ns）激光時，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，會導致明顯的元素分餾和基體效應，因此激光剝蝕過程是否會影響結果準確性，也需要仔細分析。
針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖礦制樣與分析實驗室劉艷紅高級工程師及其合作者，系統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時間的飛秒（fs）激光進行樣品助熔劑熔融玻璃片微量元素的分析。
結果顯示，硼酸鹽樣品熔融玻璃片中的32種微量元素的均勻性指數（H）均小于其均勻性指數臨界值（Hcrit），表明元素分布均勻。此外，使用飛秒激光降低了基體效應的影響，使得采用非基體匹配的外部標準物質（NIST 612和614）進行校準變得準確（圖2）。為了驗證方法的可靠性，使用該技術對六種硅酸鹽巖石標準物質（涵蓋從鎂鐵質至長英質的巖石類型）進行分析，大多數元素的結果與標物推薦值在10%以內一致，大多數元素的分析精度（RSD）也在10%以內，與傳統溶液分析法結果類似。
圖2 基體匹配和非基體匹配外標對玄武巖標準物質 GSR-3分析結果準確度的影響
該項新技術在提高激光微量分析數據精確度的同時大大提高了實驗室的分析效率，能有效支撐現代地球科學工作者大數據時代的對大量樣品測試的精度要求和效率要求。
研究成果發表于國際分析化學期刊JAAS（劉艷紅，薛丁帥，李文君，王忠強，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B專項（XDB0710000）和國家自然科學基金（42073022）共同資助。
編輯：萬鵬
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