LA-ICP-MS 分析技術簡介

傳統上，固態樣本都是先經過消化或萃取處理為溶液，經霧化器後以載體導 入，再以ICP-MS 分析其金屬成分。而 LA-ICP-MS 是利用雷射光剝蝕未經處理的 原固態樣本表面後，再以Ar 氣將樣品載至 ICP 焰炬游離，逕以 ICPM-MS 分析，

近年來逐漸被採用以分析樣本中元素成分。目前已發展多種固態直接分析方法用 於分析地質、環境及材料樣本，有定性、半定量、及定量的，除 LA-ICP-MS 外，

尚有如INAA、ED-XRF、PIXE、TOFMS 及 SIMS 等。該 LA-ICP-MS 方法早在 90 年代初開始被用在地質樣本(Gray, 1985)，尤其是岩石中所包覆之結晶體(Heinrich et al., 2003)，之後迅速應用在其他方面，例如，分析魚耳石來瞭解水質環境及遷移歷 史；分析珊瑚及樹輪中之微量元素，以瞭解過去環境及氣候變遷；Wang et al. (1997;

1998; 1999)及 Tanaka 與其團隊 (Tanaka et al., 1998; Narita et al., 1999；Okuda et al., 2004; 2006; 2007; 2008)成功將其應用於大氣微粒之金屬元素分析，Okuda et al.

(2008)甚至用以長期分析北京大氣微粒中之毒性重金屬，發現燃煤是最主要的污染 來源。此外，該法亦可應用於地質研究上同位素比值分析，做為定年依據，為該 法通常需連接高解析感應耦合電漿質譜儀或多接收器之磁場感應耦合電漿質譜 儀。

Laser 一詞之原意 light amplification by the simulated emission of radiation，即光 輻射的受激發射放大現象。常用的雷射:二氧化碳雷射 CO2 laser， 釹 釔 鋁 石 榴 石 雷 射 （Nd:YAG --Neodymium:Yttrium Aluminum Garnet laser)或釹玻璃雷射

（Nd-glass laser)，以及準分子雷射（Excimer lasers)。本研究中使用的將是 Nd:YAG 213 nm (New Wave Up 213)，ICP-MS 將是四極柱感應耦合電漿質譜儀(Elan 6100, Perkin Elmer)其連接其組裝結構如圖 3. 12 所示。

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圖3. 12 LA-ICP-MS 組裝構造示意圖（Günther and Hattendorf, 2005)。

該 LA-ICP-MS 具有許多分析優點，諸如多元素分析、偵測極限低、線性範圍 廣、直接、快速、免前處理、節省實驗試劑(所以乾淨、環保)、近於非破壞性 (破 壞的相當有限，樣本可以作為其他分析)、可以了解樣本空間上的變化特性。基本 上，該方法可偵測濃度低至 ppm 甚至 ppb 級，但隨測定元素、樣本基質、以及光 束大小仍有差異。不過關於樣本空間上的變化特性，大氣濾紙樣本一般與岩石、

珊瑚、樹輪、魚耳石不同，要求的是濾紙上的顆粒成分需均勻分布。但另一方面，

該方法亦具有一些缺點，包含元素分化(Elemental fractionation)、剝蝕後之不同大小 氣膠顆粒傳輸速度不一、不同材質輸送管之材質影響輸送效率等等，但最重要的 往往是欠缺與樣本基質匹配的標準品提供準確定量之依據(Kroslakova and Gunther 2007; Garcia et al. 2009; Hu et al. 2011; Koch et al. 2011; )。元素分化現象主要可能導因 於大顆粒不完全揮發化、揮發性成分（元素)利於剝蝕、樣本剝蝕後的傳輸效率及 樣本與標準品基質不同等因素。因此，為降低元素分化的影響，首先必須確保樣 本被完全剝蝕，縮短雷射系統至質譜儀距離及以相同基質之標準樣本來進行分 析。

清大王竹方教授團隊(Hsieh, 2011)以電子式低壓衝擊器(Electrical Low Pressure Impactor，ELPI)在新竹地區採樣，利用 LA-ICP-MS 分析濾紙上不同粒徑之大氣顆粒 元素成分，在其研究中採用以標準溶液滴于濾紙上再乾燥的方式，製備校正檢量 線，此法與 Tanaka 團隊使用的方式雷同；不過 Wang et al. (1998)更早之前亦曾以用 自製淘淨器製備 SRM1648 的濾紙標準品。王的研究仍有採樣及分析上之缺點，如

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ELPI 有彈跳及顆粒在濾紙上分佈不均勻的可能性，以及所用校正定量標準品之基 質與真實樣本不盡相同。

Brown et al.(2011)也曾比較了三種 LA-ICP-MS 檢量線的分析結果，一種是將標 準溶液滴在空白濾紙上，乾燥後使用；另外兩種方法是將 NIST 的標準樣本與石墨 粉依不同比例混合均勻後，分別壓成錠狀及沾黏於膠帶上。分析結果顯示以第一 種檢量線方式較為穩定，但是與傳統酸消化感應耦合電漿質譜(MW-ICP-MS)的結果 仍有差異。因此，文中提到以 LA-ICP-MS 分析氣膠樣本時，要如何製作成分均勻 且基質相同的檢量線樣本仍屬不易。

本研究是以雷射剝蝕系統(Laser Ablation System, UP213, New Wave Research, USA)連接於質譜儀的前端，直接以雷射將樣本剝蝕後由載流氣體帶進質譜儀分析，

此方法比MW-ICP-MS 更節省時間且可避免過多前處理所造成的汙染，圖 3. 13 為 本研究實驗所使用的雷射剝蝕感應耦合電漿質譜儀。

圖3. 13 LA-ICP-MS 配置圖，右後方為雷射剝蝕系統、前方為質譜儀。

為了備製與氣膠標本相同基質的檢量線標準品，本研究以粉末分散器(Small Scale Powder Disperser, Model-3433, TSI, USA)將標準參考樣品以均速且穩定的抽 取至擴散室，這些標準參考樣品在擴散室內分散後再以抽氣幫浦將標準參考樣品 過濾、收集於事前準備、乾淨且前秤的鐵氟龍濾紙上。

與傳統質譜儀的分析相同，雷射剝蝕感應耦合電漿質譜儀為了有較好的分析 結果，在進行分析之前會針對儀器的各項參數進行最佳化並確認儀器的狀況。分 析時的各項參數如表3. 8 所示。

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表3. 8 LA-ICP-MS 分析時使用參數。