【LA-ICP-MS】低成本仿制“Squid八爪鱼” 一“大闸蟹”匀化器

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

作为嵌套的软管，仪器广泛使用的Tygon管非常合适，耐酸碱且不易老化，只是价格较为昂贵（3.2*6.4*1.6，16号，40元/米），计划长期使用建议买1米替换PVC软管。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。