Hyphenation of a high-speed laser ablation system to Quadrupole Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) for imaging applications

Význam tématu

Laserová ablace spojená s ICP-MS představuje klíčovou technologii pro prostorové zobrazení koncentrací stopových prvků v pevných vzorcích. Rychlé mapování pomocí specializovaných laserových ablačních systémů zkracuje dobu analýzy a minimalizuje riziko kontaminace, což je zásadní pro geochemii, forenzní vědy, bioimaging či materiálové studie.

Cíle a přehled studie / článku

Studie se zaměřila na demonstrování schopností a omezení spojení vysokorychlostního laserového ablačního systému Elemental Scientific Lasers imageGEO193 s kvadrupólovým ICP-MS (Thermo Scientific iCAP TQ). Cílem bylo ukázat:

• možnosti rychlého mapování rozsáhlých ploch (řádu centimetrů),
• optimalizaci doby washout a doby měření (dwell time) pro vysoký poměr signál/šum,
• praktické aplikace na vzorcích lidských zubů.

Použitá metodika a instrumentace

Pro získání obrázků prvkového rozložení byla využita kombinace:

• Laserová ablace: imageGEO193 se dvěma objemovými komorami TwoVol3 a Dual Concentric Injector (DCI).
• ICP-MS: Thermo Scientific iCAP TQ s dvojitou kuželeckou dráhou (Ni konusy, skimmer insert 2,8 mm).
• Parametry laseru: spot size 25 µm čtverec, energie ~3,0 J·cm⁻², frekvence 250 Hz, rychlost skenu 1 250 µm/s.
• Softwarové nástroje: Qtegra ISDS, Iolite Laser Ablation Data Reduction, Precognition plugin pro optimalizaci dwell time.

Hlavní výsledky a diskuse

Optimalizace washoutu ukázala šířku pulsu ~27 ms při dwell time 1 ms pro maticový prvek Ca, což definovalo horní mez skenovací rychlosti bez rozostření. Optimalizací rozložení dwell time pomocí Van Malderen metody bylo dosaženo vyrovnaného signál/šum pro více izotopů při zachování krátkého cyklu skenování. Rychlé 2D mapování plochy 12,9×15,5 mm trvalo necelé 2 h a odhalilo lokalizované koncentrace Mg, Ca, P, Mn, Zn a dalších prvků v korunce a dentinu lidských zubů. Ukázalo se, že:

• výhodou nízkodisperzních komoček je minimalizace pohybového rozostření (smear),
• důsledné sladění pulzní frekvence laseru s cyklem kvadrupólu eliminuje aliasingové pruhy,
• optimalizace dwell time maximalizuje kontrast pro analyty s různou intenzitou signálu.

Přínosy a praktické využití metody

Vysokorychlostní LA-ICP-MS imaging umožňuje rychlou a citlivou lokalizaci prvků v biogenních i materiálových vzorcích bez složité přípravy. Získané mapy pomáhají odhalit strukturní a chemické rozdíly v tkáních, geologických vzorcích či funkčních materiálech. Optimalizovaná metoda se hodí pro QA/QC, forenzní analýzy, výzkum minerálů a biologickou spektrometrii.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další zrychlení mapovacích režimů díky pokročilé transportní technologii aerosolů, širší paralelní detekci izotopů a AI-řízené optimalizaci parametrů. Kombinace s dalším zobrazováním (mikroskopie, Raman) umožní multi-modalitní přístup. Další rozvoj triple kvadrupólových systémů povede k lepší redukci rušení a rozšíření počtu sledovaných prvků.

Závěr

Kombinace low-dispersion laserové ablace s kvadrupólovým ICP-MS pro high-speed imaging poskytuje vyvážený kompromis mezi časem analýzy, rozlišením a citlivostí. Díky optimalizaci washoutu a dwell time lze generovat vysoce kontrastní, multi-elementální mapy i rozsáhlých vzorků v časovém rámci vhodném pro rutinní aplikace i výzkumné studie.

Reference

1. S. J. M. Van Malderen et al., Spectrochim. Acta, Part B, 2018, 140, 29–34
2. J. T. van Elteren et al., J. Anal. Atom. Spectrom., 2019, 34, 1919–1931
3. J. T. van Elteren et al., J. Anal. Atom. Spectrom., 2020, 35, 2494–2497
4. M. Šala et al., J. Anal. Atom. Spectrom., 2021, 36, 75–79