美国ASI 激光剥蚀—激光诱导击穿光谱复合系统

一、简介

Russo博士于2004年创建了美国应用光谱（Applied Spectra，ASI）公司， ASI公司是一家专门研究激光剥蚀及光谱分析技术的高科技公司，研发人员均为美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科研人员。美国劳伦斯伯克利国家实验室具有80多年LIBS技术的研究经验，致力于激光诱导等离子体光谱和剥蚀技术在化学分析领域的应用和开发。

ASI独特技术能够将激光剥蚀与激光诱导击穿光谱相结合，实现了LIBS与LA-ICP-MS的同时检测。该系统可与市面上的普通四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪和多接收质谱仪等常见质谱仪联用。

二、技术优势

? Q开关，短脉冲Nd:YAG激光器，拥有各种不同波长、不同能量的飞秒或纳秒激光器，可根据您的实际应用需求进行选购；

? 创新的模块化系统为独立的LA，LIBS，或LA – LIBS复合系统的配置设计；

? 满足不同分析要求的三种LIBS检测器选项，LIBS可配置双检测器；

? 系统传感器，确保激光剥蚀一致性：

u 高度自动调整专利技术

u 激光能量稳定快门

? 双摄像机，一个专用于高倍成像，另一个用于样品表面的广角观察；

? 应用光谱Flex样品室带有可互换镶嵌模块，以优化运输气体流量和颗粒冲刷性能；

? 紧凑型微集气管设计，以消除脱气和记忆效应；

? 双路高精度数字质量流量控制器和电子控制阀门；

? 系统软件：

u 硬件部件的全面控制与测量自动化

u 多功能取样方法：全分析、微区&夹杂物分析，深度分析和元素成像

u 用于LIBS和LA-ICP-MS分析的强大数据分析模块

u 用于判别和分类分析的LIBS化学计量软件

? 维护成本低；

? 升级为LA-LIBS复合系统简单；

? 可升级为飞秒激光剥蚀；

三、硬件特点

针对双重LA/LIBS性能而设计的紧凑、模块化系统

主体包括激光源、激光束传输光学器件、Flex样品室、气体流量控制系统以及LIBS检测器。

自动调整样品高度，保证激光剥蚀的一致性

考虑到样品表面的形态变化，采用自动调高传感器。可保持精确的激光聚焦，在所有采样点上提供相同的激光能量，并在所有采样点上实现一致的激光剥蚀。这一创新的传感器特性是由ASI的科学团队开发的一项专利技术。

具有可互换镶嵌模块的Flex样品室，以优化气流和微粒冲洗性能

根据测量目的(主要成分分析、包裹体分析、高分辨率深度分析、元素成像等)，有必要对样品室的各个性能指标进行优化，指标包括：冲洗时间、颗粒混合、样品室内的流动特性。Flex样品室的设计能够容纳直径为4英寸的样品，使用一组可互换的顶部和底部镶嵌块来调节气流条件（层流和紊流）和微粒冲洗时间。此外，Flex样品室的设计是为等离子体光提供一个好的视角，从而保证在激光剥蚀过程中进行灵敏的LIBS检测。

创新集气管设计

采用先进的集气管设计，该设计正在申请专利。大限度地减少了脱气，防止了任何烧蚀颗粒的堆积，并消除记忆效应。容易组装，便于定期清洁输气管道。

高精度气体流量控制系统

气体控制系统使用两个高精度、数字化质量流量控制器（MFC）和电子控制阀，用于氩气、氦气及补充气体的输送，并精确控制气流，防止等离子体火焰熄灭。预设配置可以选择输送氩气、氦气或补充气体。

通过双摄像头和先进照明实现样品可视化

拥有先进照明系统和高倍光学变焦(高达60X)功能，清晰呈现样品的表面细节。配备双高分辨率CMOS成像摄像机，提供广角视野和高倍成像，以精确地研究精细区域(见下图)。广角视野视图可以保存，并用于定位不同的样品位置，使用高倍镜研究样品。

具有三种独立的照明模式，提高图像质量和对比度：扩散式LED光源，透射光和同轴反射光,光的强度和颜色可控。

清晰、高倍放大的样品表面图像

同轴光线不同颜色和强度下的样本图像对比

三种LIBS检测器可选，扩展了仪器功能

三种不同LIBS检测器可选：(1)带有ICCD摄像机的扫描Czerny Turner光谱仪；(2) 配备ICCD摄像机的中阶梯光栅光谱仪；(3)同步六通道CCD光谱仪。做为独立的LIBS仪器系统，可同时配备任意两种检测器。双检测器开辟了新的LIBS检测功能。

四、软件特点

直观的图形用户界面（GUI）和强大的数据分析技术

Axiom LA具有非常直观、用户友好的界面，可浏览不同的样品区域，并建立灵活的激光采样方案。Axiom LA集成了一个强大的数据分析模块，用于高效分析LIBS光谱和时间分辨ICP-MS信号。

轻松地创建复杂的激光取样模式

Axiom LA有一个大窗口，清晰、详细的显示样品图像。分析人员可以在样品图像上编辑任意的激光采样模式，包括直线、曲线、随机点、网格点和预先编辑的任意图案。即使是复杂形状的采样区域也可以用图案生成工具突出显示，并精确地分析元素或同位素含量。

使用Axiom LA生成采样模式并创建检测自动化的方案

针对复杂LIBS光谱的强大数据分析工具

Clarity分析软件具有强大LIBS数据分析工具。TruLIBS™，是应用光谱公司专有的数据库，是从真实的LIBS等离子体中获得，能够快速、准确地识别复杂LIBS发射峰。特定的搜索标准(波长范围、元素组、等离子体激发状态)可以用来在短时间内缩小搜索范围。TruLIBS™允许用户从软件直接加载实验库LIBS光谱来识别和标记峰值。

基本光谱分析工具（如连续背景扣除、峰面积积分和重叠光谱曲线拟合）有助于分析人员有效地处理LIBS峰值并获得定量结果。分析人员可监测多次激光脉冲采样期间LIBS的强度或不同分析物比例的统计数据。可以同时处理单个LIBS谱图，从而大大缩短数据分析时间。

整个光谱的连续背景扣除

自动峰面积积分

曲线拟合的重叠峰

从时间解析的ICP-MS信号到完整的定量结果

Clarity软件是ICP-MS数据管理和分析工具，分析者可以选择感兴趣的同位素并显示它们的时间分辨ICP-MS信号以进行比较分析，可以轻松地估计集成强度和RSD值。同时，时间分辨ICP-MS信号也可以非常流畅，并且可以轻而易举地获得TRSD（时间相对标准偏差）统计学数值。

上图：在时间分辨ICP-MS信号中选择感兴趣的同位素比较显示和定义时间集成范围

右图：用于TRSD评估的平滑的时间分辨ICP-MS信号

质谱和LIBS光谱的产生

通过计算同位素ICP-MS强度，Clarity复合系统分析软件根据微量元素信息生成代表样品化学指纹的质谱图。LIBS光谱根据主要和次要元素提供特征信息。

Clarity复合系统分析软件可借助LIBS光谱和质谱，提供关于主要、次要和微量元素最全面的化学信息。

玻璃样品的宽LIBS光谱

Clarity复合系统分析软件检测同位素时所产生的质谱

用于定量分析的功能强大的校准模型

使用Clarity复合系统分析软件，分析人员可应用单变量或多变量校准模型进行最准确的定量分析。 另外，它使用完整的或特定范围的LIBS光谱、质谱图，分析人员可创建谱库，构建有效、多元的校准模型，以准确检测未知样品的元素浓度。

玻璃样品的LA-ICP-MS Li元素校准曲线

有效的数据可视化和样品分类

复合系统软件允许分析人员执行主成分分析（PCA），并可观察从样品中收集到的一组LIBS光谱和质谱之间的差异。同时，该软件提供名为“光谱学习”（Spectralearn）的可选软件模块。 基于偏最小二乘法判别分析（PLS-DA），“光谱学习”模块将LIBS光谱和质谱作为样品的特征谱图储存在谱图库中。 获得的任何有疑问的物质谱图都可以与谱图库进行匹配，以获得高度有效的样品ID。

10个BAS钢标样的PCA可视图(401至410)

使用DepthTracker™元素的快速深度剖析

在固定点重复激光采样，Clarity LIBS分析软件中的DepthTracker™能瞬时监测所选元素的LIBS发射峰值强度，揭示不同样品深度处元素组成的变化。DepthTracker™对于确定样品表面的污染物、执行涂层分析、了解薄膜结构以及识别位于其下方的夹杂物是一项非常有价值的功能。

结构薄膜的深度剖面

功能强大的2D/3D元素制图

Clarity复合系统分析软件提供了一个集成制图模块，可将LIBS强度和时间分辨的ICP-MS信号转换为选定元素的非常详细的2D/3D图。能够将整个周期表中的所有元素从ppb到%的浓度范围可视化。

名片上印刷油墨的2D图（LIBS检测C、H，LA-ICP-MS检测Mg, Al, Ti, Sr）