LA-ICP-MS在地質全巖樣品元素分析中的應用

胡志中，楊 波，杜 谷

LA-ICP-MS在地質全巖樣品元素分析中的應用

胡志中，楊 波，杜 谷

（成都地質調查中心，成都 610081）

激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法（LA-ICP-MS）作為一種原位微區分析方法，已被廣泛的應用于地質研究的各個領域。LA-ICP-MS法避免了傳統溶液進樣分析中繁瑣、費時的濕法化學消解過程，并且具有低背景、低氧化物和氫氧化物干擾的特點，因此適用于地質全巖樣品的元素分析。本文闡述了LA-ICP-MS用于全巖樣品元素分析現狀，在總結了現有研究成果的同時，對目前存在的問題進行了評述，并展望了該方面研究的發展方向。

LA-ICP-MS；全巖分析；前處理方法；標準物質

激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法（LA-ICP-MS）作為一種原位微區分析方法，經過不斷的發展，特別是近十年來我國相關實驗室的普及，目前在國內地質樣品分析領域已有了廣泛的應用。例如年代學研究[1,2]、流體和熔融包裹體分析[3,4]、單礦物原位微區分析[5-7]等。LA-ICP-MS在具備多元素同時分析、靈敏度高、線性范圍寬和檢出限低等特點的同時，相比傳統的溶液進樣分析，該方法避免了繁瑣、費時的濕法化學消解過程，且具有低背景、低氧化物和氫氧化物干擾的特點，因此適用于地質全巖樣品的元素分析[5,8]。

LA-ICP-MS由激光系統和等離子體質譜聯機組成，采用的是固體進樣的方式，其基本原理是將激光束聚焦于樣品表面使之熔蝕氣化, 由載氣(He或Ar)將產生的樣品氣溶膠送至電感耦合等離子體質譜進行檢測。該方法在應用過程中，采用的激光系統從早期的紅外激光系統轉換為能量耦合效率更高、分餾效應更低的紫外激光系統，從而提高了分析精度及應用范圍。在地質研究中213nm和193nm納秒波長的紫外激光系統應用的最為廣泛，而熔融熱效應和分餾效應更小的飛秒激光雖已被應用于分析中，但由于價格等因素，普及程度不如納秒激光[9-11]。目前，地質樣品LA-ICP-MS多采用ArF 193nm準分子激光系統與四級桿等離子體質譜（Q- ICP- MS）或扇形磁場等離子質譜儀(SF- ICP- MS)聯機進行元素分析。

LA-ICP-MS對地質全巖樣品元素含量的準確分析，會受到樣品前處理、標準物質、儀器條件以及定量校正方法等因素的影響。本文闡述了LA-ICP-MS應用于全巖樣品元素分析現狀，在總結了現有研究成果的同時，對目前存在的問題進行評述，并對該方面研究的發展作了展望。

1 樣品前處理方法

制備均勻、穩定且適用于LA-ICP-MS全巖分析的樣品是該法準確分析的前提，也是一直以來該方法研究和改進的重點，制備方法主要分為粉末壓片法和熔融玻璃法兩種。

1.1 粉末壓片法

粉末壓片法包含直接壓片和添加黏合劑壓片兩種。粉末直接壓片無疑是最為簡單、快速手段，也是最早被采用的方法，但在分析中發現如果樣品粉末粒度不夠細、壓片不夠牢固, 會引起分析信號不穩定從而導致分析結果的精密度和準確度較差[5,12]。在壓片中加入黏合劑可以增強粉末顆粒間的凝聚力以及樣品的穩定性，有些還能改善信號靈敏度，但是總體而言會對樣品起到稀釋作用，同時也引入污染的風險。因此研究者更傾向于提高壓片壓制的壓力或降低粉末顆粒的粒度來提高壓片的黏合度，進而改善剝蝕行為。有研究就指出如當樣品粒徑<1μm時，即使直接壓片也可以改善激光剝蝕時的粉末爆發和選擇性剝蝕，從而提高分析結果的準確性和精密度[13-15]。采用納米級顆粒壓片可以獲得致密性和均勻性更好的樣品，實驗研究也發現納米級顆粒壓片具有良好激光剝蝕效果，能夠獲得滿意的測試結果，因而已被用于標準物質樣品的制備[16]。目前納米級巖石粉末顆粒的制備方法主要有兩種：一是采用火焰噴涂技術[17,18]，即將含有一定數量已知濃度的金屬有機體進行火焰噴涂，然后收集納米粉末顆粒進行壓片制成粉末壓片標準物質。二是濕式研磨法[19]，將約2g粒徑為200目的樣品放入球磨機的瑪瑙器皿中，加入8mL去離子水間歇性研磨，研磨好的粉末水溶物經冷凍干燥制備成納米級巖石粉末進行壓片。

1.2 熔融玻璃法

熔融玻璃法通常具有較好的均一性和穩定性，以及良好激光剝蝕效果，是LA-ICP-MS 元素標準物質制備的常用方法，其分為添加助熔劑熔融法和無熔劑熔融法。添加助熔劑熔融可以降低巖石樣品熔融所需要的溫度，特別是高熔點的地質樣品，減少熔融過程中揮發性元素的損失，形成均一性較好的玻璃樣品。其缺點是稀釋了待測樣品，并引入了雜質造成樣品的污染，同時還會對等離子體質譜造成污染[20-22]。無熔劑熔融則是采用高熔點和高純的金屬帶（如：銥、鎢、鉬）作加熱器在惰性氣體環境中直接熔融巖石粉末。該方法避免了使用助熔劑所帶來的一系列問題，但要做到樣品完全熔融和元素的均勻分布，則往往需要非常高的加熱溫度，因而會造成揮發性元素在熔融過程中的丟失。而將樣品置于密封的容器再加熱，減少加熱持續時間，可以降低損失的程度，但在高溫下樣品可能與容器發生反應，從而增加了潛在的污染[11,23~28]。

粉末壓片法和熔融玻璃法兩種前處理方法各有特點。過往的研究已證明采用常規的粉末壓片法（如X射線熒光光譜法粉末片的制備）并不能滿足LA-ICP-MS對樣品元素的準確分析，需要提高壓片壓制的壓力或降低粉末顆粒的粒度。而若制備納米級巖石粉末顆粒，則必然會增加制作工序和時間，以及增加潛在的污染。熔融玻璃法特別是直接熔融，在有效熔融并制備出成分均勻的玻璃樣品同時，如何減少易揮發元素的損失、避免污染、以及消除氣泡，還需要對制樣方式、載體的材料以及熔融溫度和時間等影響因素開展更多的實驗研究。

LA-ICP-MS全巖樣品制備方式的選擇應根據巖性并結合制樣法的特點，目前制備方法仍在不斷改進和發展中。如Peters等[29]在粉末濕式研磨法制備納米顆粒的基礎上添加黏合劑，在增強顆粒凝聚力的同時，也擴展了準確分析的元素種類。而Zhang等[30]提供了一種快速而環保的處理方法，既將經過壓制后的粉末片置于高能量紅外激光器下經短暫激光作用，使樣品表面玻璃化。這些研究為樣品的制備提供了新的思路。

2 標準物質

LA-ICP-MS 分析中標準物質用于定量校正、質量監控以及儀器校準，相對于巖石粉末標準物質，適用于LA-ICP-MS元素分析的標準物質還存在種類較少，部分標準定值不確定較大等不足。當前LA-ICP-MS元素分析標準物質主要包括 NIST 系列（NIST610、NIST612、NIST614、NIST616）、USGS 系列（包括BCR - 2G、BHVO - 2G、BIR - 1G、NKT - 1G、TB -1G、GSC -1G、GSD -1G 、GSE -1G 、）MPI -DING系列（KL2 - G、ML3B - G、StHs6/80 - G、GOR128 - G、GOR132 - G、ATHO - G、T1 -G、BM90/21 -G）、CGSG系列（CGSG - 1、CGSG - 2、CGSG -4、CGSG -5），以及MACS - 3、MASS -1、MAPS -4、MAPS - 5、STDGL2b2、NiS-3、PGE-A、FeMnOx-1等[5,31]。這些標準物質的具體性狀已有文獻做了詳細描述。

標準物質對LA-ICP-MS準確分析的影響主要來至于標樣與待測樣品基體和成份的匹配程度，以及標準物質元素的定值和不確定度。為了避免基體效應的影響以及分析的準確，LA-ICP-MS分析時通常盡可能選擇與待測樣品基體和成份相匹配的標準樣品。MPI-DING和USGS系列標準物質是基于巖石性狀和地質需要研發適用于LA-ICP-MS分析的標準物質，相對組成與天然礦物或巖石截然不同的NIST玻璃系列，其含有與地質樣品匹配的主量元素，是全巖元素分析的首選標準物質，但也存在部分元素定值含量較低及定值不確定度較大的問題[31-34]。而NIST 系列作為LA-ICP-MS微量元素分析最常用的標準，其微量元素種類多，含量高，大部分微量元素分布均勻，且研究程度最深，定值不確定度的相對較小。因而在有些研究中為了避免因標樣中元素含量低和不確定較大的影響，仍將其作為微量元素測定的標準[35-39]。地質巖石樣品具有多樣性和復雜性，因此在選擇基體匹配的標樣同時，可采用多個標準做外標的方法降低標準中低含量和高不確定度的影響，或采用優化儀器條件以及選擇合適校正方法的方式，減少基體因素的影響。

3 儀器條件

全巖元素樣品分析儀器條件的選擇與LA-ICP-MS其他分析相似，也是通過對參數優化，特別是激光束斑直徑、激光頻率和能量密度、樣品剝蝕方式以及載氣的選擇，獲得最佳的靈敏度，同時保持較低的氧化物和二次離子產率。儀器調諧時通常采用NIST610（612）標準物質，優化儀器參數獲取最大的238U（232Th或139La）計數，以及較低的氧化物產率(ThO/ Th)和二次離子產率(Ca2+/ Ca+)，并根據U/Th 信號的比值來衡量離子化程度，NIST610 中U和Th含量接近，因而產生的U/Th比值應接近1[40]。全巖樣品可以提供較大的分析區域供LA-ICP-MS測定，因而可以選擇相對較大剝蝕束斑（40-80μm），以增加剝蝕坑的直徑/深度比例，降低分餾效應，或采用線掃描降低分餾效應影響，提高采樣的代表性[27,41]。

4 數據處理及定量校正

測定后的原始數據需要通過數據處理及定量校正以獲取準確的分析結果，通常包括信號空白扣除，儀器信號漂移校正和元素定量校準。除實驗室自用的計算工具或軟件外，ICPMSDataCal[36]、Glitter[42]、lolite[43]等計算軟件使用得更為普遍。LA-ICP-MS元素分析定量校正的方法中，單（多）外標單內標法和單（多）外標結合基體歸一法更為常用。多外標可以避免單外標存在某些元素偏低或定值不確定度較大的影響，但同時也增加了測試量。而基體歸一法原理是元素氧化物歸一至 100% (wt)方式對剝蝕質量進行校準，因而不需要預知內標元素含量，但測定時需要選擇盡可能多的元素。定量校正方法的選擇與待測樣品的巖性和采用的標準樣品有關，同時也受到研究目的和測試方法的影響，如硅酸鹽樣品分析中，以NIST610作為單外標，選擇合適元素做內標，即可快速的了解樣品中大部分元素含量；而采用天然成分的MPIDING、USGS等硅酸鹽標準做多外標，以多外標單內標或多外標歸一法校正，則可以更為準確分析硅酸鹽礦物中主量和微量元素[6,30,36,44,45]。

5 結論與展望

激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法（LA-ICP-MS）對于地質全巖樣品的元素分析相比傳統的溶液進樣分析更具有優勢，并已經被運用于實際樣品的分析中，但還沒達到廣泛的應用。這一方面與該方法起步相對較晚，設備（主要是激光系統）還在普及中；更主要是其存在的不足阻礙了該方法的推廣，還有待進一步的研究并改進。結合目前的研究現狀，今后還應在如下幾個方面開展深入的工作。首先是全巖樣品前處理方法的研究，在保證樣品制備均勻、穩定以及分析準確的前提下，研究更為高效、便捷、經濟且適宜推廣的制備方法。其次研制更多的標準物質，特別是不同基體和成分的硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽標準，并對現有標準物質進行更多的定值研究，降低定值不確定的影響。最后建立便于不同實驗室分析數據對比方法。隨著LA-ICP-MS全巖元素分析方法的不斷改進和設備的普及，將來該方法將會得到更為廣泛的應用。

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The Application of LA-ICP-MS to Elemental Analysis of Bulk-Rock Sample

HU Zhi-zhong YANG Bo DU Gu

(Chengdu Center, CGS, Chengdu 610081)

Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) as a microanalysis technique has been widely applied to geoanalysis. Compare with dissolution, LA-ICP-MS is characterized by avoidingcumbersome and time-consuming wet chemical digestion process in traditional solution sampling analysis, stronger capacity of resisting interference of low background, oxides and hydroxides. So, LA-ICP-MS is often use for element analysis of bulk-rock sample. This paper deals with present situation and existing problems and future development of the application of LA-ICP-MS to element analysis of bulk-rock sample.

LA-ICP-MS; bulk-rock analysis; reference materials; preparation methods

2018-04-25

胡志中（1983-），男，四川成都人，碩士，工程師，從事實驗測試

P575.4

A

1006-0995（2019）01-0164-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.037