效率提升20倍！LIBS及LA-ICP-MS高空间分辨率成像在含铀矿物包裹体元素和同位素分析中的进展

近日，美国橡树岭国家实验室研究人员基于激光的分析技术(激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱技术(LA-ICP-MS))确定了含铀矿物的元素和同位素组成。在这项工作中，使用LIBS的全元素高速成像的特征“筛选”样品的元素组成，而后利用LA-ICP-MS的高分辨率(亚微米)能力从铀矿物中提取重要信息，包括从水钒铀锶石中识别出钒钾铀石（两者分别为含Sr和含K的钒酸铀酰)并分析出它们的²³⁵U/²³⁸U同位素组成。与仅使用LA-ICP-MS方法相比，利用LIBS快速扫描后，能节约大约95%的时间。

实验中，LIBS以及激光剥蚀取样均使用ESL的imageGEO^LIBS，该设备配备193nm准分子激光。研究人员首先进行LIBS技术测试，设置条件光斑为50×50 µm（overlap 40µm），激光频率200 Hz，样品台移动速度2000 µm·s⁻¹。实验耗时75分钟，成像区域273 mm²，完成了对已知样品水钒铀锶石的面扫，测试元素包括H、C、O、Ca、Al、Sr、Na、K、Mg、Fe、Mn、Si、Zn、Ba和V等，如图3所示。

虽然运用LIBS在上述条件下已经生成了较清晰的元素平面分布图，但由于实验时间耗时较长，仍有一定改进空间。随后实验室人员在保持恒定的200 Hz激光频率的同时，使用四种不同测试模式（50×50 µm光斑（overlap 40µm），50×50 µm光斑（no overlap），100×100 µm光斑（overlap 80µm），100×100 µm光斑（no overlap））分别对样品进行面扫描，并调整移动台速度以实现所需的测试模式，相应的速度为2000，10000，4000，20000（µm·s⁻¹），获得的Ca393nm信号如图4所示。

显然，overlap的测试模式产生了更多的光谱信号，提高了空间分辨率，但测试时间变长。比如在100×100 μm（no overlap）光斑在200 Hz下产生194个光谱信号，而50×50 μm（overlap 40µm）光斑在200 Hz下产生1940个光谱信号，大光斑所需时间也相对少10倍。值得一提的是，虽然100×100 μm（no overlap）信号强度较50×50 μm（overlap 40µm）的信号强度低，但由于其光斑较大，是同样条件下50×50 μm所产生信号强度的4倍，完全能达到实验效果。

在测试完条件后，实验人员使用100×100 µm光斑，200 Hz，no  overlap 扫描，耗时约15分钟，得到K(766 nm)、V (所有的V波长)、Sr (421 nm)三端元图，明亮的黄绿色像素表示具有高V和Sr的位置，进而快速筛选出水钒铀锶石，确定目标区域。

随后利用LA-ICP-MS，在光斑5×5 µm，overlap 4µm,能量密度13.2J·cm^-2，扫描速度为166µm·s^-1，等离子气体(Ar)0.585mL·min^-1的条件下进行成像扫描。富U的矿物整体与LIBS筛选图中所见的相同（图5），钒钾铀石在图上为黄色(绿色(U)和红色(K)的混合)，水钒铀锶石在图上为青色(绿色(U)和蓝色(Sr)的混合)。很明显，两种矿石高度混杂。如前所述，很难在两者中分辨出水钒铀锶石。而本次实验高分辨率LA-ICP-MS图可以用来区分水钒铀锶石和钒钾铀石，以便进一步采样。

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