用于固体样品直接元素分析的气体辅助激光电离质谱仪进样和离子传输系统的开发

In the direct element quantitative analysis of solid samples, it is difficult to find a series of matched solid standard samples, especially for unknown samples. With the buffer-gas-assisted laser ionization mass spectrometry (BGA-LI-MS) analysis technique, the sample is sputtered and ionized with high power density laser in helium atmosphere, and the molar concentration of each element can be obtained simply by dividing the measured ion flow of elements with the total ion flow. The main work of this project is to develop a new type sample injection system and ion transport system of BGA-LI-MS to reduce the interference in the ion source and increase the ion transport efficiency, and further to improve the detection accuracy and lower the detection limit of each element, ultimately the semi-quantitative analysis of element composition in solid samples is realized without the need of standard samples. We will also evaluate the analytical performance of the instrument for solid samples with different matrices to explore possible sources of interference in the ion source and their impact on the analytical results. And also, the effect of the matrix on standardless semi-quantitative analysis would be studied.

固体样品直接元素定量分析中寻找匹配的固体标准品不仅耗时耗力，还会消耗大量的资金，尤其是针对未知样品。气体辅助激光电离质谱（BGA-LI-MS）分析技术是在氦气氛围内采用高功率密度激光对样品进行一步溅射和电离，通过待测元素离子流除以总离子流可以简便地获得每种元素的摩尔浓度，可实现无需标准样品直接对固体样品中的元素组成进行半定量分析。本项目旨在研发与BGA-LI-MS配套的新型进样系统和离子传输系统，减小离子源中杂质气体的干扰，提高离子传输效率，从而进一步提高检测准确度，降低各元素检出限至ppb级，实现高准确、高灵敏地对固体样品中元素组成的无标样半定量分析；同时评估该仪器对于不同基体固体样品的分析性能，探索离子源中可能存在的干扰来源及其对分析结果的影响，并研究基体对无标样半定量分析的影响。

固体样品中的元素分析在电子、冶金、地质、环境、国防等领域占有着极其重要的地位。与传统的溶液进样分析方法相比，固体直接分析质谱技术具有众多优势，如不需要样品预处理或仅需要简单的预处理过程、样品消耗量小、分析速度快等。气体辅助激光电离（BGA-LI）源在直接分析固体样品中的元素有独特的优势。我们完成了气体辅助激光电离飞行时间质谱（BGA-LI-TOFMS）离子源部分的升级与改造。通过增加独立的换样腔，使整个换样过程可以保持离子源的密闭性和洁净度，还可以大幅提升换样效率，将换样时间缩短至1分钟不到。此外，为离子源增加液氮冷却系统，可以进一步降低干扰的强度。同时，通过改进传输系统，进而改善了离子束形，提升了传输效率，最终大幅提升仪器的灵敏度和检测动态范围，将仪器灵敏度降低至100 ppb以下。此外，设计与搭建了仪器的反馈与自动化控制系统，实现整个系统的自动化运行，提高各部分的稳定性和适用性，降低了开发及维护难度。开发了高精度的时序发生模块进行精确定时，实现精确可调的触发信号输出。通过不同基质的样品来评估BGA-LI-TOFMS的定量分析性能。实验表明BGA-LI-TOFMS在0.1-10000 ppm浓度范围内各元素的校准曲线线性相关度优异，对大部分元素的检出限低至100 ppb，部分低于100 ppb，可以实现对6N（99.9999%）材料的检测。