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(dāng)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(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驗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(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）進行校準(zhǔn)變得準(zhǔn)確（圖2）。為了驗證方法的可靠性，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

該項新技術(shù)在提高激光微量分析數(shù)據(jù)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(xiàn)代地球科學(xué)工作者大數(shù)據(jù)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(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，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（XDB0710000）和國家自然科學(xué)基金（42073022）共同資助。

編輯：萬鵬