J200-Femto-LA飞秒激光剥蚀进样系统在刑侦领域中的应用

撰稿人: 日期:2014-12-30 点击次数:1285

      激光剥蚀(LA  Laser ablation)是激光能量在样品表面产生爆炸冲击波,并在极短时间内诱导产生含有样品物质的样品颗粒。样品颗粒可通过载气传送至ICP-MS供分析。通过激光剥蚀产生样品颗粒联用ICP-MS的技术被称为激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)。

     在刑侦领域中,经常涉及到证据的元素分析。例如分析犯罪现场证物样品元素,通过对比,判定证物来源;或通过证物样品的元素分析判别证物的真伪。由于激光剥蚀的特点,可对极少量证物样品进行分析,或对样品进行逐层剥蚀分析,实现深度剖析。其逐层剥蚀的分辨率最小可达几个纳米。激光剥蚀在刑侦领域中可对油漆、玻璃、毒品、文件、珠宝、贵重金属等犯罪证据进行无损剥蚀或检测。LA-ICP-MS技术正越来越多地被应用于刑侦领域。


     Isolde(2006)报道了采用LA-ICP-MS方法分析车辆油漆。车辆油漆样品分为四层(图1),采用LA技术对不同层次的油漆进行分层的深度剖析,得到油漆样品的元素特征信息。Shirly(2006)报道了采用LA-ICP-MS方法分析尺寸小于1 mm2的浮法玻璃样品(图2)。通过对比未知玻璃样品和已知玻璃样品中的钾(K)、钛(Ti)、锰(Mn)、铷(Rb)、锶(Sr)、锆(Zr)、钡(Ba)、镧(La)、铈(Ce)、铅(Pb)等元素,判定未知玻璃来源。也有文献报道了采用LA-ICP-MS方法分析墨迹、纸张、大麻、瓷砖、宝石等刑侦证据样品。


     但不是所有LA进样系统都能与ICP-MS完美搭配。普通LA系统多采用纳秒 (ns) 激光对样品进行剥蚀(1ns=10-9s)。纳秒激光脉宽为纳秒级,即一个激光脉冲作用于样品的时间为纳秒级,这个时间级别内,激光的能量会在样品上形成热效应,引起元素分馏;且剥蚀出的样品颗粒大小也不均一,产生基体效应,影响ICP-MS信号的稳定。美国ASI公司的J200-Femto-LA飞秒激光剥蚀进样系统(图3)采用飞秒(fs)激光(1fs=10-15s),能有效降低剥蚀过程中的分馏效应及基体效应。J200-Femto-LA采用的飞秒激光能量高,剥蚀能力强;激光脉冲作用在样品上的时间小于热量在样品分子之间的传导时间,故基本不会产生热效应,避免了样品元素分馏;由于没有热效应,飞秒激光能将样品剥蚀成均匀的纳米级颗粒,减小了基体效应,并能在质谱上形成稳定的信号(图4、表 1)。J200-Femto-LA可与市面上多种质谱仪联用,包括四级杆质谱仪、飞行时间质谱仪、多接收器质谱仪,以及电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等。J200-Femto-LA无需特定运行环境,且维护成本极低。


     J200-Femto-LA是美国ASI公司融汇著名的劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)30年激光基础理论研究成果推出的全球顶级激光剥蚀产品。广泛应用于刑侦、材料、地矿、考古、能源、环境、生态、农业等多个领域。






表1 飞秒激光与纳秒激光的比较
 
  J200-Femto-LA 其它纳秒LA 飞秒激光剥蚀优势
剥蚀热量 样品极少的热效应 样品上产生大量热量 纳秒激光剥蚀过程会在样品上产生大量的热量;而飞秒激光无热量累积
元素分馏 不产生元素分馏 大量元素分馏 纳秒激光导致样品元素分馏,不能真实反映样品元素含量;而飞秒激光不产生分馏效应
剥蚀粒子 产生均匀纳米级颗粒/松散纳米级颗的粒聚合体 产生不均匀颗粒/紧实的颗粒聚合体 纳秒激光产生大小不一的粒子在ICP-MS中会产生极不稳定的信号,降低分析精确性和准确度;飞秒激光产生均为颗粒能形成稳定信号,更灵敏精确
基体影响 不受基体影响 受基体影响显著 纳秒激光受基体影响大,不同的基体组成会剥蚀出大小不一的粒子;飞秒激光对不同的基体均能剥蚀出相同大小的纳米级颗粒,不受基体组成影响
波长影响 不受波长影响 受波长影响显著 对于同一样品,不同的波长的纳秒激光剥蚀出的粒子大小不等,总的来说是波长越短剥蚀出的粒子越小越均匀,故纳秒激光产品追求短波长;但飞秒激光由于本身具有极高能量,波长对其剥蚀的效果没有影响


                       

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