最近一直在安徽省地质调查院的LA-ICP-MS实验室开荒,因为不太满意自带GlassExpansion匀化球的效果,就想能不能攒一个Squid匀化器试试。以下是关于自己攒和测试的过程,简单做个记录和分享。
一、背景
新一代的LA-ICP-MS激光剥蚀系统大多配备双室样品仓(如HelEx),大大提高了激光剥蚀产生的气溶胶的洗出速度,激光面扫描技术因此得到了长足发展,但随之而来的是低剥蚀频率下信号不平稳的问题。
为了解决这样的问题,工程师们设计了形形色色的匀化器。其中很有代表性的当属由澳大利亚国立大学(ANU)开发的Squid,它包含10根长度递增的并行管路,通过不同长度的并行管路使进入的样品在匀化器中产生时差,最终在汇流处将具有前后时差的信号混合,能够大幅提高LA-ICP-MS系统的信号稳定性。Squid匀化器在国内可以通过武汉上谱分析进行代购,具体价格博主并没有找到文件,一些口头的估计在数千元至上万元。
对激光剥蚀系信号统稳定性要求最高的是U-Pb定年,稳定的信号是获得准确同位素比值的必要条件。在U-Pb定年的场景中,Squid匀化器发挥的效果可以参考如下文章:
[1]《Initial performance metrics of a new custom-designed ArF excimer LA-ICPMS system coupled to a two-volume laser-ablation cell》DOI:https://doi.org/10.1039/b805995k
[2]《LA-ICP-MS工作参数优化及在锆石U-Pb定年分析中的应用》DOI:https://dx.doi.org/10.15898/j.cnki.11-2131/td.201701160007
二、制作
关于匀化器的管路选择博主之前进行了简单理想化的计算。1米的6mm管(内径4mm)气容量为12.57mL,而1米的4mm管(内径2mm)只有3.14mL。如果匀化器分路总长按2.5米算,使用6mm管的话管路容积会达到31.6mL。在不考虑加入的氩气雾化气条件下,匀化器进入就流量只有0.6L/min,也就是10mL/s,意味着即使状态理想也要3秒多才能完全洗脱。并且实际情况由于长管路的减速效应会更为复杂,Squid的设计也需要2-3秒才能完全洗出。所以最终敲定还是和Squid一样使用容积更小的4mm管作为支路。
准备材料
配件 | 规格 | 价格 |
气动汇流排 | 1进8出 | 36元/2个 |
PVC软管 | 外径6内径3 | 7.3元/10米 |
FEP硬管 | 外径4内径2 | 26.7元/5米 |
四氟带 | 5mm宽 | 2.5/卷 |
作为嵌套的软管,仪器自带的Tygon管(内径1/8,外径1/4)非常合适,但是价格较为昂贵。以上材料共计62.5元,制作完后还会剩下很多,材料非常宽裕。
气路汇流排
气路汇流排为工业产品,多配合空压机使用,轻微的漏气并不影响效果。但是对LA-ICP-MS而言,管路漏气是不可接受的。我们需要对每个螺纹接口重新缠绕生料带再旋紧。
管路裁剪
将4mm FEP特氟龙硬管裁剪为长度递增的21、24、27、30、33、36、39、42cm的八根。外径6mm内径3mm的PVC软管(或Tygen管)裁剪为8根2cm的小段,作为宝塔头与4mm FEP特氟龙硬管的桥接。
管路连接
管路连接时,从近段向远端管路长度递增,最终形成像“大闸蟹”一样的结构。我们选的气路汇流排是配6mm软管的宝塔头,所以需要使用2cm长的3mm内径PVC软管做桥接,在插管时可适当浸泡热水使插接更容易。这里也可以直接购买M5-4的快接接头,主要是担心快接头过多且有弯折,可能会产生漏气问题。
压力测试
使用约0.4Mpa氮气(因为便宜)进行小流量打压测试。首先打开打压至压力指针表不动,关闭闸阀,等待3分钟再次打开闸阀,若指针完全不动或仅有非常轻微移动,证明密封性足够良好。毕竟激光剥蚀系统工作在常压模式下,这样的密封性已经足够了。
三、安装
效果测试在安徽省地质调查院新建的LA-ICP-MS实验室进行,激光剥蚀系统为Teledyne PhotoMachines Iridia 193nm ArF ,质谱仪为Thermo iCAP RQplus。Iridia为高速成像做了大量设计,Cobalt舱体样品出口使用的是1/16的管路(约0.16mm),能够在10ms内将激光脉冲产生的气溶胶全部送出舱体。分析速度极快的TOF-MS在如此的洗出速度和高剥蚀频率下能够实现高速面扫描成像,但是对于分析速度较慢的ICP-MS而言,在不加匀化器的情况下较低的剥蚀频率会产生严重的锯齿状信号。
工作时的接入位置如图,匀化器需要安装在氦气载气(Iridia为0.6L/min)和氩气雾化气(根据氧化物产率及信号优化设定为0.75L/min)混合后的的气路中。未与氩气混合的样品气流速偏低,在此类型匀化器中会导致较为严重的信号拖尾。
四、效果
以下是近期一些实际测试结果,匀化器总体表现良好,以下是一些条件测试的结果
① NIST SRM 610,50微米激光束斑,7Hz
② NIST SRM 610,35微米激光束斑,7Hz
③ NIST SRM 610,25微米激光束斑,7Hz
④ 91500锆石,30微米激光束斑,10Hz
⑤ 91500锆石,20微米激光束斑,5Hz(低频小束斑)
20微米激光束斑、5Hz低频小束斑下,使用91500锆石校正TanZ、PLE锆石年龄,3-5点快速处理的定年QC结果在误差允许范围内(标准年龄TanZ 566Ma、PLE 336Ma)
为什么不多测一些点呢——因为还没等做完氩气就用完熄火了……最佳的参数当然还要进一步条件测试去摸索。
五、结语
测试的匀化效果还可以接受,同时整个制作过程还有改进的空间。如果和我们一样对仪器厂商提供的匀化器效果不满意,好奇Squid匀化器的匀化效果,不妨自己试试动手做一个类似的装置看看。
既然是实验室,自己动手,丰衣足食!
*本文由合肥工业大学矿物微区分析实验室经验分享,仅供内部测试使用,不涉及商业行为。
我们实验室的匀化器是cetec激光自带的,使用年限长,目前起峰变慢,对信号响应也变慢,想更换合适的匀化器。