全岩化学分析是地外地质样品的主要、关键的分析方法之一。然而，地外地质样品的mg水平消耗量分析对现有分析技术提出了重大挑战。

中国科学院地质与地球物理研究所岩矿制样与分析实验室刘艳红高级工程师和凯来团队合作建立了一种新型的fsLA-ICP-MS分析方法，系统研究了代表性岩石样品熔融片中微量元素的均匀性，利用具有更高功率密度和更短脉冲持续时间的飞秒（fs）激光剥蚀系统与质谱联用，直接测定主量分析中制备的样品熔融玻璃片中的微量元素，则可以大大提高分析效率，主、微量数据最快可在1天内同时获得（采用电感耦合等离子体质谱ICP-MS进行样品溶液的分析测试，通常测试周期需要7-10天）。

该项新技术在提高激光微量分析数据精确度的同时大大提高了实验室的分析效率，能有效支撑现代地球科学工作者大数据时代的对大量样品测试的精度要求和效率要求。

上述研究成果“Trace elements determination by femtosecond LA-ICP-MS of 10 mg extraterrestrial geological samples prepared as lithium borate glasses”已经发表在《JAAS》上,并入选2024年度热点文章。

在地外地质样品分析工作中，Genesis GEO作为一款高端国产仪器，发挥了至关重要的作用。Genesis GEO新型飞秒激光剥蚀系统独特的大光斑、高能量、平底坑等性能在国际同行中脱颖而出，成为全场焦点。它不仅填补了国内在该领域的空白，更在性能上展现出了领先优势，为我国地质科学研究提供了强有力的技术支持。

研 究 背 景

准确测定地质全岩样品的元素组成是开展地球科学研究的基础。目前岩石样品常规主量元素分析是采用硼酸盐助熔剂与样品粉末混匀，在1000℃条件下制成样品熔融玻璃片，然后采用X射线荧光光谱仪（XRF）进行分析测试，通常测试周期在1-2天。微量元素分析则是采用高温高压钢套酸消解技术来确保样品的全消解，然后采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行样品溶液的分析测试，通常测试周期在7-10天，无法满足现代大量样品的高效测试。如果能够采用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）直接测定主量分析中制备的样品熔融玻璃片中的微量元素，则可以大大提高分析效率，主、微量数据最快可在1天内同时获得。

熔剂熔融技术通过与助熔剂混合熔化样品粉末（例如四硼酸锂和硼酸锂）来生产样品玻璃，并已广泛用于X射线荧光（XRF）分析。由于熔融玻璃的高透光率，当使用纳秒（ns）激光时，有效剥蚀需要非常高的能量密度（通常>10J/cm²），并且ns激光的显著热效应会引起明显的元素分异和基体效应，在没有与基体匹配的参考物质时，这将直接影响分析结果的精度和准确性。与ns激光相比，飞秒(fs)激光具有极高的脉冲功率密度和极短的脉冲持续时间，表现出优异的剥蚀性能以及较小的基体效应影响。fs激光更适合于透明熔融玻璃的分析，分析结果质量更高。但迄今为止，还没有利用飞秒激光对熔融玻璃进行元素分析的研究工作。

研 究 成 果

样品融合玻璃的微量元素分析使用Genesis GEO飞秒激光联机ICP-MS仪器进行。测量空白25s后，使用100μm光斑在1Hz频率下剥蚀45s，剥蚀后有25s冲洗时间。通过NIST SRM 612的点剥蚀调谐参数，获得最大信号强度，同时将ThO/Th保持在<0.3%，U/Th保持在0.95-1.05。

结果显示，硼酸盐样品熔融玻璃片中的32种微量元素的均匀性指数（H）均小于其均匀性指数临界值（Hcrit），表明元素分布均匀。此外，使用飞秒激光降低了基体效应的影响，使得采用非基体匹配的外部标准物质（NIST 612和614）进行校准变得准确（图1）。为了验证方法的可靠性，使用该技术对六种硅酸盐岩石标准物质（涵盖从镁铁质至长英质的岩石类型）进行分析，大多数元素的结果与标物推荐值在10%以内一致，大多数元素的分析精度（RSD）也在10%以内，与传统溶液分析法结果类似。

图1 基体匹配和非基体匹配外标对玄武岩GRM GSR-3分析精度的影响

方 法 优 势

(1)直接对XRF制备的硼酸玻璃进行分析，省去了LA-ICP-MS本体分析时的样品前处理过程，大大简化了分析过程，提高了分析效率，减少了样品消耗量；

(2)飞秒激光的优异性能减少基体效应的影响，保证了分析数据的高质量；

(3)虽然样品粉末与熔剂的质量比高达1:35，但6种硅酸盐岩石标准物质中32种微量元素的分析结果与大多数元素的参考值在10%以内一致，大多数元素的分析精度（RSD）也在10%以内。月球玄武岩（NWA14526）和火星陨石（NWA13190）样品验证了该方法的准确性和精确度。

该方法具有简单、快速、准确、样品消耗少等优点，是一种很有前途的地外地质样品体元素分析常规方案。

研究成果发表于国际分析化学期刊JAAS（刘艳红，薛丁帅，李文君，王忠强，梁燕，郭顺，万博. 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.）。研究受先导B专项（XDB0710000）和国家自然科学基金（42073022）共同资助。