研究背景

耳石（otolith）是硬骨鱼类中的钙化组织结构，形成于胚胎时期，具有非细胞性和代谢惰性，同时具有高度的种间形态变异性。耳石作为终生连续生长的生物矿化结构，能够以高时间分辨率记录个体生长过程中所经历的环境信息，其微量元素组成和同位素特征已被广泛应用于鱼类年龄与生长判定、早期生活史重建、洄游路径解析以及栖息地利用研究等领域。尤其是Sr/Ca、Ba/Ca、Mg/Ca等元素比值，常被用作指示不同水团结构、盐度梯度和水深变化，是连接鱼类生态过程与海洋环境变化的重要纽带。

随着鱼类生态学和渔业资源管理研究向精细化和过程化发展，传统耳石微量元素化学分析技术在空间分辨率、时间分辨率和定量准确性方面逐渐暴露出局限性。激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）虽已成为耳石微化学分析的常规手段，但传统的纳秒激光，例如266nm、213nm和193nm激光等，具有较大的热效应和基质效应，在剥蚀过程中易造成边缘熔融、元素迁移以及定量偏差，尤其在分析鱼类早期生活史阶段的微细生长增量时，纳秒激光在高空间分辨率成像和精确定量的局限性越发凸显，这些问题会显著影响数据的可靠性。

 

 

破局利器

 

GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统

上海凯来仪器有限公司全自研生产制造的GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀与质谱联用技术，相较于纳秒激光与质谱联用技术，可更精细的解析鱼类耳石中核心——边缘的元素变化特征，更精细的刻画个体从孵化、仔稚鱼阶段到成鱼阶段的环境履历等。具有显著优势：

 

极低热效应，实现“冷剥蚀”

脉宽＜260fs，脉冲持续时间处于10^-15s量级，剥蚀样品过程为“库伦爆炸”冷剥蚀过程。即能量沉积快于热扩散过程，可够有效抑制耳石剥蚀坑边缘熔融。通过抑制碳酸钙基质的热分解从而达到有效抑制耳石微化学元素迁移的作用，实现高空间分辨率剥蚀，精准分析仔稚鱼阶段关键生活史阶段耳石微化学元素变化。

 

＜1μm耳石轮纹高清晰观察

集成同轴高清彩色观察系统，光学分辨率≤1μm，具有高亮度透射光照明，显著提升耳石截面轮纹的观察及读数，有效提高仔稚鱼耳石鉴龄的准确度。

 

突破空间分辨率极限

具备≤1μm超高空间分辨率剥蚀能力，可实现亚微米尺度精准分析，突破传统激光剥蚀在细微结构识别中的限制，对耳石微区生长结构及元素分布特征实现更精细、更高分辨率的解析，为鱼类生活史重建与环境响应研究提供更可靠的数据支撑。

 

聚焦分析热点

1. 样品采集与前处理

选取目标鱼类样品，采集其矢耳石（sagitta）。耳石取出后，使用超纯水反复冲洗以去除附着软组织，以降低表面污染风险。清洗后的耳石自然风干备用。随后将耳石包埋于环氧树脂中，并沿核心—边缘生长轴方向进行切割和逐级抛光，直至获得表面平整、结构清晰的截面。所有样品在分析前均置于洁净环境中保存。

 

2. 线扫描趋势分析

上海凯来谱实验室采用由上海凯来仪器有限公司全自研生产制造的点阵飞秒激光剥蚀系统GenesisBIO联用三重四级杆完成对南极鱼鱼类耳石核心至边缘方向开展线扫分析，成功获得了连续、稳定的多元素信号及元素比值序列。

 

耳石核心到边缘SrCa-1元素变化趋势

 

从结果稳定性来看，GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统在整个线扫过程中未出现明显的信号突变或异常峰值，Sr/Ca 比值变化与耳石生长结构具有良好的对应关系。这表明飞秒激光剥蚀有效降低了传统纳秒激光中常见的元素分馏问题，尤其减少了由于局部高温引起的轻重元素选择性挥发，从而提升了耳石微化学数据的真实性和可比性。

分析过程中,由于GenesisBIO激光脉冲持续时间极短，激光能量在材料中的沉积过程以非热机制为主，有效抑制了耳石碳酸钙基质在剥蚀过程中的熔融、重结晶及热扩散效应。线扫路径边界清晰，剥蚀宽度和深度高度可控，使得沿生长轴方向的元素信号具有良好的时间连续性和空间一致性。这对于耳石线扫这种强调“时间序列完整性”的分析模式尤为关键。

 

光学显微镜下耳石截面示意图，其中灰色直线为耳石剥蚀路径

 

3. 1μm高空间分辨率耳石面扫描成像分析

耳石成像分析采用GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统逐点剥蚀，将元素信号重建为二维分布图像，可直观展示耳石内部不同区域的微化学差异。将耳石截面完全包含在成像区域内，设置间隔、光斑尺寸及单点剥蚀时间，实验参数如下。系统按照预设网格顺序自动完成逐点剥蚀与多元素信号采集。本实验采用GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统和电感耦合飞行时间质谱联用，使用氦气为载气测定耳石截面的微化学成分。

 

a.显微镜下南极鱼耳石截面示意图；b.耳石Sr/Ca二维成像图（耳石长：978μm，耳石宽：920μm空间分辨率：1μm，像素：899760）；c.耳石核心重要生活史轮

 

结果显示耳石生长环带结构清晰、连续，边界明确，具备良好的可测量性。成像过程中，耳石核心区及各生长环带的空间结构与微化学分布高度一致，实现了“所见即所得”的成像效果，生长环带边界清晰、可测量，显著提升了耳石微结构与微化学信号之间的对应关系，突破了传统耳石微化学分析中“结构与化学信号脱节”的限制。

 

结论

耳石成像分析采用GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统逐点剥蚀，将元素信号重建为二维分布图像，可直观展示耳石内部不同区域的微化学差异。将耳石截面完全包含在成像区域内，设置间隔、光斑尺寸及单点剥蚀时间，实验参数如下。系统按照预设网格顺序自动完成逐点剥蚀与多元素信号采集。本实验采用GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统和电感耦合飞行时间质谱联用，使用氦气为载气测定耳石截面的微化学成分。

 

仪器产品

 

GenesisBIO点阵飞秒激光剥蚀系统

 

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