推进LA-ICP-TOF-MS多元素成像：双向扫描方法

《Analytica Chimica Acta》：Advancing LA-ICP-TOF-MS multi-elemental mapping: The bidirectional scanning approach

　　

摘要

背景

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）的快速发展，特别是通过引入低色散剥蚀池设计和改进的气溶胶传输系统，大大提高了元素成像应用中可实现的像素采集速率。然而，传统的单向扫描限制了有效像素采集速率，从而限制了整体样品通量，因为从一条扫描线切换到下一条会引入额外的等待时间。一种双向扫描方法，即像素数据在交替的相反扫描方向上收集，可以缓解这一问题并大幅减少分析时间。

结果

本研究系统地评估了双向扫描及其分析影响。一台配备超快管式剥蚀池的 193 纳米 ArF* 准分子 kHz 激光剥蚀单元与一台 ICP 飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）单元耦合，用于研究不同扫描方向的单脉冲响应（SPR）轮廓。在优化所有激光剥蚀参数后，在水平和垂直扫描模式下，正向和反向扫描方向之间均未观察到 SPR 特性的显著差异。此外，还评估了不同方法在减少与非对称 SPR 轮廓相关的峰拖尾方面的有效性。作为概念验证，通过对高度原始球粒陨石和小鼠脾组织切片的多元素成像，展示了用于元素成像的双向扫描。生成的图谱显示，无论是单次剂量还是多次剂量方法，均揭示了精细分辨的图像特征，同时与传统的单向扫描方法相比，有效像素采集速率（635 像素 s^?1）提高了两倍。

意义

引入双向扫描方法被证明是一种提高有效像素采集速率的有效策略，从而大幅减少分析时间并增强通过 LA-ICP-TOF-MS 进行多元素成像时的样品通量。这一成果是在保持高图像质量和保真度的情况下实现的，这一点已通过多个定量图像指标得到证实。

引言

自从激光剥蚀联用电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）作为直接分析固体样品的新方法被引入以来，其持续发展使得非常广泛的应用成为可能 [1]。LA-ICP-MS 已成为一种广泛使用的微分析技术，应用于整体分析、深度剖析、元素成像、纳米颗粒表征和单细胞分析等领域，研究领域涵盖从地球化学到生物医学科学 [2], [3]。在这些应用中，对地质和生物样品进行的多元素成像展示了 LA-ICP-MS 作为一种成像技术的潜力，能够揭示成分中细微的空间变化 [4], [5], [6]。然而，LA-ICP-MS 成像长期以来一直面临样品通量相对较低的问题，这是由于空间分辨率和像素采集速度之间的折衷所致。在过去几年中，LA-ICP-MS 进一步演进，仪器进行了改进以克服这些局限性。随着时间的推移，单脉冲响应（SPR）——描述 LA 系统洗脱速度的参数，通过单个激光脉冲产生的信号持续时间来表征，通常表示为最大峰高的 50%、10% 或 1% 处的全峰宽（分别记为 FW0.5M、FW0.1M 和 FW0.01M），并限制了可实现的最大成像采集速度——有了显著改善，使得更快的 LA-ICP-MS 元素成像成为可能，从而提高了样品通量 [7]。最初的单体积剥蚀池产生的 SPR 轮廓持续数秒，但通过 Tanner 等人设计的专用炬内剥蚀装置，响应时间提高了近 500 倍，使得 SPR 轮廓约为 4 毫秒（FW0.1M）[8]。引入双体积腔室设计的第二代剥蚀池，通过改进的几何结构实现了约 100 毫秒的 SPR 轮廓 [9]，而结合同轴混合球的气溶胶传输系统进一步减少了气溶胶弥散，随后将 FW0.1M 处的 SPR 持续时间缩短至 10–20 毫秒 [10], [11]。主要突破来自于第三代低色散剥蚀池的开发。这种将小型次级体积放置在靠近样品表面处的先进剥蚀池，使得 FW0.1M 处的 SPR 轮廓小于 1 毫秒 [5], [12], [13]。由于 SPR 轮廓缩短而产生的信噪比提高提供了更高的检测能力，从而在成像应用中实现了更高的空间分辨率。这一改进促进了亚细胞成像，并显著减少了在高空间分辨率下对大型样品进行成像所需的时间，这在历史上一直是 LA-ICP-MS 成像的主要瓶颈 [4], [7], [14]。在配备此类超快剥蚀池并通过优化传输线设计连接到 ICP 的 LA 系统中，可以实现亚毫秒级的 SPR 轮廓，这使得多元素成像在很大程度上依赖于配备飞行时间（TOF）分析器的 ICP 质谱仪。ICP-TOF-MS 在 23–254 amu 质量范围内提供准同时检测，并在处理极快的瞬态信号时避免信息丢失 [15], [16]。这些进展共同带来了一个重大里程碑：在原始球粒陨石成像过程中，kHz 剥蚀产生了高达每秒 330 像素的有效像素采集速率，使得在一小时内不到一点钟即可采集 1.1 MPx 的数据 [17]。然而，传统的单向扫描策略限制了有效像素采集速率，进而限制了整体样品通量，直接增加了总分析时间，因为从一条扫描线切换到下一条需要在激光不发射时重新定位样品，从而消耗额外的时间。在此背景下，双向扫描剥蚀（其中第二条扫描线从第一条结束的地方开始）此前曾尝试用于减少生物样品和冰芯杂质成像实验的分析时间 [18], [19]。然而，由于该方法引入了需要系统评估的方法学挑战，双向扫描对超快元素成像的影响仍未得到探索。由于信号不仅由剥蚀质量控制，还由剥蚀羽流动力学控制，超快元素成像中的双向扫描必须确保两种扫描方向具有相同的气溶胶传输条件 [20]。因此，需要最大限度地减少剥蚀羽流的变化，以实现双向相同的气溶胶传输。本工作对 LA-ICP-TOF-MS 中的双向成像进行了基本评估，作为一种进一步提高有效像素采集速率的策略。系统地优化了关键仪器参数以减少峰拖尾。最后，作为概念验证，使用双向扫描方法获取了原始球粒陨石和暴露于上转换纳米粒子（UCNPs）的小鼠脾组织切片的多元素图谱。

章节摘要

仪器

在所有实验中均使用了一台 Iridia 激光剥蚀单元，该单元内置水冷纳秒 ArF* 准分子激光系统（MLI-1000, MLase, Germering, Germany），能够以高达 1 kHz 的重复频率发射 193 纳米激光脉冲，稳定激光脉冲能量为 6 毫焦。激光束路径密封严密，在操作期间始终用惰性气体（N₂ 或 Ar）冲洗，以避免由于 193 纳米激光辐射被环境空气中的 O₂ 部分吸收而导致能量损失并产生

NBS 1952 分辨率测试靶

为了建立实验框架并展示与传统的单向扫描相比，双向扫描过程中遇到的挑战，选择了一个具有直边特征的高度均匀测试样品。NBS 1952 分辨率测试靶（正片，3 英寸×3 英寸，Thorlabs）由图案化在光学玻璃基底上的精确定义低反射率、真空溅射铬线组成，提供边缘清晰度极佳的锐利不透明特征。由于其

结论

旨在提高像素采集速率从而也提高多元素成像实验样品通量的 LA-ICP-MS 近期进展，已使该技术更接近其物理极限。在这方面，双向扫描已被证明在实践上是可行的，因为 SPR 持续时间、峰形和积分信号在不同扫描方向之间均未显示任何差异，表明剥蚀羽流或气溶胶传输均未发生依赖于扫描方向的变化

CRediT 作者贡献声明

Iker Basabe-Mendizabal：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Ana Lores-Padín：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，资源，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Ryoga Maeda：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，资源。Steven Goderis：写作 – 审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明以下竞争性财务利益：I.B.M.、A.L.P.、F.V. 和 T.V.A. 在一个将知识产权许可给 Teledyne Photon Machines 的研究单位进行研究。

致谢

作者感谢 METRINO 联合体（EURAMET, 22HLT04）的 Laurence Poul (Nanobiotix)、Eline Andresen、Ana Matiushkina 和 Ute Resch-Genger (BAM) 制备掺有 UCNPs 的小鼠脾组织切片。我们还想感谢比利时自然科学研究所出借陨石样品。A.L.-P. 感谢佛兰德斯科学基金会（FWO-Vlaanderen，资助号 1276325 N）提供的资金支持。R.M. 感谢日本学士院科研经费资助（JSPS KAKENHI）第 JP23K19080 号项目支持。S.G.

Iker Basabe-Mendizabal|Ana Lores-Padín|Ryoga Maeda|Steven Goderis|Frank Vanhaecke|Thibaut Van Acker