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user: 4. 应用 4.1. 固体直接分析 固体样品中元素的分析在电子、冶金、地质和半导体工业等领域具有极其重要地位。传统的固体元素分析方法通常采用强酸溶解消化，然后以原子光谱或质谱进行检测。但是固体溶解分析法需要大量的样品制备时间，并且在样品溶解过程中难免会产生样品污染和待测元素损失等问题，从而产生较大的误差。而固体直接分析法在这些方面具有无法比拟的优势，具有样品前处理简单、分析速度快、样品消耗量少、无毒及灵敏度高等优点。因而科研工作者越来越重视固体样品直接分析的研究。李卫峰等 [ 23 ] 用大气压氮气气氛下的脉冲微放电进行直接固体分析。与直流微放电相比，在样品的烧蚀和发射方面具有非常明显的优点。研究了二者的伏安特性、电流密度(j)、电子密度(n e )等实验参数，表明脉冲微放电属于电弧性质而直流微放电属于辉光放电。由于脉冲微放电增强了瞬时能量，因而更有利于直接固体取样。在直流模式下，用光学分光计只能获得常见的N 2 发射线；而主要的原子和离子线只有在脉冲模式下才能获得。计算显示在直流和脉冲微放电之间，其N 2 分子振动温度存在显著差异。结合电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)，对不同基体的固体样品，脉冲微放电比直流放电有更佳的校准曲线的线性度和更低的检测限。为了改善样品的输送效率，用Ar和N 2 的混合气体作为放电气体及载气，在后续实验中，使大部分元素的检测限达到ng/g。 基体效应是固体直接定量分析的主要障碍之一。固体所有的物理性质和激光参数都会影响基体效应。为更好地理解和控制激光烧蚀过程，这些因素如何以及在多大程度上会影响基体效应，张书迪等 [ 24 ] 通过模拟和化学计量学对此进行了深入研究。在这项研究中，对六种金属基体：铝、铜、铁、镍、钨和锌的二十三固体标准进行了分析。所用仪器为缓冲气体辅助电离源和一个正交的飞行时间质谱仪，研究了激光脉冲持续时间为纳秒(ns)和飞秒(fs)时对基体效应的影响。计算不同基体时每个元素的相对灵敏度系数，结合基体的物理属性，形成一个数据集，用正交最小二乘法的化学计量学工具对数据集进行分析。灵敏度系数曲线显示，纳秒激光烧融时，固体的热性质对基体效应起到至关重要的作用；而飞秒激光可以显著减少热效应。此外，构建了一个理论模型并结合激光与固体间的互作用和等离子体膨胀的过程来模拟相对灵敏度系数。该模型预测与实验结果相符，说明该模型可以合理解释基体效应。张伯超等 [ 25 ] 实验证明，当激光辐照强度高于7 × 10 13 W/cm −2 时，直接测定固体中元素组分可靠性更高；当应用飞秒激光时，由于处于几乎无热烧融过程和产生稳定、高密度的离子化状态，导致基体效应降低一半。 余泉等 [ 26 ] 报道了激光电离正交与低压源飞行时间质谱仪和高激光辐照度用于分析9个不同的基体的27固体样品，包括铝、土壤、硫化铜，锌硫化物、铁、镍、铜、锌、钨。研究了激光能量对非化学计量效应的影响，如基体效应和元素分馏。结果表明，高激光辐照度在很大程度上可以缓解基体效应。此外，辐照度为10 10 ~10 11 W/cm 2 ，大部分元素呈现相对稳定的相对灵敏度系数，而钨、铅、和铋具有不同寻常的特征，他们的RSC随激光能量的增加而增加。 何坚等 [ 27 ] 采用小型高辐照激光烧蚀和正交进样电离飞行时间质谱仪，对大多数金属元素获得几乎一致的相对灵敏度系数以及满意的分辨能力(2200)。通过短时间间隔的自动步进样品台的移动使信号稳定性大大提高。利用氦的缓冲气体离子源，几乎消除了多价离子和多原子离子的干扰，导致了一个相对干净的背景。实现了钢样品的无标准半定量分析，对大多数金属元素检测限约10 −6 g/g。 余泉等 [ 28 ] 研发了一种紧凑型高辐照激光电离飞行时间质谱分析系统，用于固体中的多元素分析。作为缓冲气体的氦被引入到离子源，冷却高动能离子和抑制多价离子的干扰。选用特殊的脉冲序列排斥模式被用来获得明晰的光谱。采用两种激光电离质谱的定量方法：一是常规校准曲线定量，要求具备基体匹配的标准；二是基于信号与元素不同浓度之间的相关性。显然后者更方便且能覆盖6个数量级的动态范围。实验结果显示新开发的仪器的性能令人满意并适用于固体样品中多元素的同时分析。 固体样品中非金属元素的同时测定是很困难，因为他们的物理和化学性质与金属大为不同。李灵峰等 [ 29 ] 开发了一个高照度激光电离正交飞行时间质谱系统并应用于固体中非金属元素的测定。氦用作缓冲气体以250 Pa压力充入光源室，激光辐照度约为7 × 10 10 瓦/厘米 2 。配制一系列包含B，C，N，O，F，Si，P，S，Cl，Br，I和Te的人工标准。得到了明晰的光谱，但有一点小气体离子物种和二次基体离子的干扰。用新型的取样方法，以获得不同元素近似一致灵敏度系数，这样就可以实现无标准半定量。对大多数非金属元素检测限(LOD)达μg/g和6个数量级的动态范围。 张伯超等 [ 30 ] 归纳了无机质谱法在固体直接分析中的应用，并详细阐述了辉光放电质谱法、二次离子质谱法、激光溅射电感耦合等离子体质谱法和激光电离质谱法四种可用于固体样品直接检测的无机质谱法的检测原理、应用以及各自的优缺点。 4.2. 古代瓷片中元素的检测及元素成像分析 对古瓷片的胎体和釉面等组成的元素检测能够为考古学、历史学的研究提供丰富而有意义的信息，如古瓷原料分析、制作工艺研究、瓷片的聚类分析等。目前应用于瓷片元素分析常用的方法有电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、激光溅射电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、能量色散X射线荧光(EDXRF)探针技术、质子诱发X射线荧光分析(PIXE)及中子活化分析(INNA)等。与以上这些方法相比，利用激光电离飞行时间质谱法(LI-TOF-MS)对瓷片的分析无需繁琐的样品前处理，具有固体表面直接分析，谱线干扰少，金属元素和非金属元素同时快速检测的优点。邹冬璇等 [ 31 ] 用自己研制的LI-TOF-MS及元素成像分析系统对一块北宋龙泉青瓷瓷片及一块仿古青瓷瓷片的表面进行直接的元素分析，不仅可以实现瓷片胎体和釉面中金属元素及非金属元素的半定量检测，还能够满足表面部分元素非均匀分布的样品如青花瓷瓷片的表面多元素成像分析，并对比出这两种不同瓷片中所含元素种类及含量的差异；对一块明代青花瓷片进行了表面元素成像分析，得到非金属元素在内(钴、锰、铁、镍、钡、钙、镁、钠、铝、硅、磷、钾、铜、锌和铼)的多元素成像图。 4.3. 薄层剖面的快速分析 随着材料科学和表面科学的发展，镀层和涂层的应用已经越来越普遍。大多情况下，薄层材料的性能与镀层的厚度、组成及镀层元素的深度分布密切相关。因此对薄层的深度分析至关重要。高功率激光电离源连接到飞行时间质谱并应用于薄层的深度分析目前是一项极具前景的分析技术。首先，作为溅射和电离源的激光功率密度通常比LA-ICPMS和LIBS高出一个数量级，可以有效地减少基体效应。李彬等 [ 32 ] 利用高功率激光电离垂直飞行时间质谱技术系统分析了单镀层和多镀层薄层样品，与以前相比，改进之处是激光聚焦透镜前面引入了光阑，其目的是切除激光束边缘低能量部分，从而获得均匀的光束。结果证明这是一种快速的薄层深度分析工具，一个样品分析只需数十秒，使大批量样品的快速分析成为一种可能。不过，目前使用的高功率激光电离垂直飞行时间质谱在薄层分析中的深度分辨率仅局限于微米水平，为了进一步提高深度分辨率，有待于超短(皮秒或飞秒)的脉冲激光器的应用。其次，高功率激光电离飞行时间质谱的分析对象可以是导体、半导体及非导体材料，极大地拓宽了分析领域，而且该技术具有较高的灵敏度和较低的检出限。此外，其分析速度非常快，一个样品耗时仅需数十秒。因此，这项分析技术较大程度上克服了其它薄层分析技术的不足(基体效应严重、横向分辨率较差、谱线干扰严重、灵敏度较低和分析耗时等)，同时还提供了丰富的信息，比如，镀层厚度的确定，多元素的同时检测、无标样时也可以对组成进行半定量快速分析。甚至对于组成复杂的薄层样品也可实现很好的分析，这是目前很多其它相关分析技术难以实现的。 何妙洪 [ 33 ] 将高辐照度正交飞秒激光电离飞行时间质谱(fs-LI-O-TOFMS)应用于多层样品深度剖面分析。可以确定固体样品表面深度方向每一层元素的分布，并与纳秒激光的结果做了比较，即比较了两者激光烧蚀和电离的差异、激光照射在样品表面形成的坑的形貌以及分析性能不同。飞秒激光模式在的深度分辨率和微量元素检测方面具有较大优势。作者认为无论样品衬底是导电的还是绝缘的，在几十纳米到几十微米宽广深度范围内，fs-LI-O-TOFMS每次激光照射都能提供完整和明晰的光谱从而为我们提供多元素信息。 4.4. 形态分析 李彬等 [ 34 ] 用不同形态的镉培养液(氯化镉、硝酸镉、镉-EDTA、草酸镉和柠檬酸镉)对不同种类的蕨类植物(狗脊、舌厥、石松、瓦韦和石韦)进行培养。通过实验，得到了有关不同形态镉胁迫培养下的植物体中镉的分布情况和相关的形态信息。1) 镉进入植物体后，在植物体中各个部位的浓度分布大小顺序为：根部 > 茎部 > 叶部；2) 植物体对不同形态镉的富集能力是不同的，大小顺序为：柠檬酸镉 > 草酸镉 > 硝酸镉 > 氯化镉 > EDTA-镉；3) 不同形态的镉诱发植物体合成PCs的能力是不同的，氯化镉、柠檬酸镉和草酸镉能力较强，EDTA-镉的诱发能力最弱。4) 经过外源镉的胁迫培养，蕨类植物(石韦)中自身合成了生物配体与镉配位，从而缓解镉的毒性，发现的配体主要为PC3，iso-PC3(βAla)和iso-PC2(βAla)。 4.5. 矿样分析和残渣分析 黄荣夫等 [ 35 ] 开发了基于高辐照度激光电离飞行时间质谱元素成像系统，可同时和灵敏地分析所有元素，包括金属和非金属。无标准半定量分析了辉锑矿样品，获得了硅、铝、钾、钙、和铁元素的图像，结果表明，能无标准半定量分析的LI-TOF-MS与表面元素成像系统联用，是一个有前途的工具。 黄荣夫等 [ 36 ] 研究了在高辐照激光烧蚀和电离源与正交飞行时间质谱仪上，激光波长、，激光辐照度和缓冲气体压力的影响。高能等离子体离子碰撞引起的降温效应被证明与元素质量数变化有显著影响。碰撞和激光高辐照使离子源中会产生干扰的多原子离子有效分裂离。激光在1064 nm、532 nm、355 nm和266 nm四个波长下的烧融钢标GBW01396，不同元素的相对灵敏度系数分析表明热烧蚀机理可能与前三个波长起着至关重要的作用，而266 nm则主要由非热能的烧蚀诱发。实验结果也表明，在高辐照情况下对于大多数金属元素的rsc和lod，四个波长均没有明显的差异，但高沸点元素像Nb、钼和钨在高辐照度区的1064 nm、532 nm和355三个波长由于热消融相对灵敏度系数较高。地质标准和石榴石石头也被用于随后的实验。金属元素的相对灵敏度系数和lod显示在指定辐照强度下与波长无关。用低气压高辐照激光烧蚀和电离源，结果显示，在适当辐照时，在任何波长下，固体中的金属元素可以实现相对一致的灵敏度。 童庆国等 [ 37 ] 在激光等离子体飞行时间质谱仪上新建碰撞冷却系统，建立一种新方法，它允许直接测量地质样品中的元素组成。这种技术的优点是样品消耗小和快速元素分析。四个地质参考物质被用于实验。系统在解决光谱干扰问题上显示一个满意的能力。对于大多数的金属元素检测限约为10 −6 ~10 −7 g/g。质量大于30原子单位的元素的相对灵敏度系数，元素可用于直接半定量分析。 田晓宇等 [ 38 ] 将自行研制的激光溅射电离飞行时间质谱仪(LAI-TOFMS)用于辉绿岩(GBW07123)、石榴石和硅化木3种矿物样品的直接分析，初步讨论了元素含量和元素相对含量的计算方法，计算过程中选Mn作参考元素，并将LAI-TOFMS与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X射线荧光光谱(XRF)在样品分析过程和分析结果进行比较。LAI-TOFMS中，元素含量是通过相对灵敏系数和Mn的含量计算得到，元素的相对含量与元素的相对原子质量及其质谱峰的强度有关，对于ICP-MS和XRF，元素的相对含量是待测元素和Mn含量的比值。初步研究表明：LAI-TOFMS、ICP-MS和XRF 3种分析方法测得的元素含量和元素相对含量结果相对符合较好。此外，由于具有样品前处理简单、几乎不污染样品、样品消耗量少等优点，LAI-TOFMS能够提高矿物样品的分析检测效率。 余泉等 [ 39 ] 将自己新开发的高辐照度激光电离正交飞行时间质谱仪(LI-O-TOFMS)用于残渣中的元素分析，残渣是由蒸发混合盐溶液而得。首先残渣按形状和元素分布来表征。在TOFMS检测时，残渣中所有的金属元素都可以从光谱中观测到。不同元素相对灵敏度系数在1个数量级范围内，这符合半定量的分析标准。通过测量单次激光照射而蒸发的样品质量可以计算出大多数金属元素绝对检出限为7 × 10 −15 g。结果表明，LI-O-TOFMS能够实现超痕量元素定性和定量分析，绝对检测限达飞克水平。 4.6. 有机化合物的分析 许多卟啉及其金属配合物、有机金属化合物，难溶于一般有机溶剂，阻碍传统质谱技术的广泛应用。环境友好型的高辐照激光电离飞行时间质谱(LI-TOFMS)，已经应用于非金属和有机化合物的分析。其优势包括直接固体取样，易于实现，避免样品预处理。殷志斌等 [ 40 ] [ 41 ] 采取改变LI-TOFMS的离子源中氦气压力的方法，简化了谱线并同时获得元素组成、分子片段和完整的分子的信息，因而加快金属配合物的识别。还比较下列方法对有机金属化合物分析：激光电离(LI)、激光解吸电离(LDI)、基体辅助激光解吸电离(MALDI)和电喷雾电离(ESI)质谱(MS)，发现作者推荐的方法是最好的。 余泉等 [ 42 ] 利用高辐照度激光诱导飞行时间质谱和缓冲气体辅助离子源来获得元素、碎屑和有机金属化合物的分子信息。这种技术允许以最少的样品制备直接和无基体分析固体分析物。此外，它显示的特殊的优势是整合来自单一样品的元素、碎屑和分子信息，并在此基础上简化和加速了有机金属配合物的识别。 4.7. 生物样品分析 在现代生物分析科学中，单个细胞中的元素分析是重要的，但由于生物基体和元素含量复杂因而富有挑战性。高瑶等 [ 43 ] 报道了用高辐照度飞秒激光电离正交飞行时间质谱(fs-LI-O-TOFMS)来测定单个细胞的基本成分。通过加热和干燥细胞，样品制备过程简单、快速。典型的操作条件下，在一个细胞中飞克水平的元素可以清楚地观察到它的光谱及合理的同位素比值。一些ICPMS难以测量的非金属元素，如磷、硫和氯可以很容易地由fs-LI-O-TOFMS来测定。平行测定表明，金属元素的信号波动为15%~35%；非金属元素为25%~50%。实验证明fs-LI-O-TOFMS可简单、快速、实用地测定单个细胞中的大多数元素。 高瑶等 [ 44 ] 建立了血清中元素分析方法，监测38个尿结石患者和38个健康人对照样本。基于优化的平台结合多变量分析，通过9个元素的浓度分析可以获得尿结石病诊断的满意结果。其中Ba、Ga、Sb、Na 4个元素的比较具有统计学意义。通过金属分析，病人可以细分为钙质和无钙结石二种类型，并发现Se在此分类中扮演重要的角色。本研究表明血清中元素分析提供了一个诊断泌尿系统结石病的可能性，并能将结石分类。通过该血清中元素简单的分析方法，它可能成为尿结石病的早期预后和治疗指南。 林琳等 [ 45 ] 从肾脏癌症患者和健康对照组血清样本进行直接注入质谱(DIMS)和高分辨率ESI-Q- TOFMS液相色谱–光谱法(LC-MS)。比较了两种方法分类能力和生物标志物的发现能力，用MS/MS实验来确定潜在的生物标记物。DIMS有与LC-MS可比拟的分类能力和预测功能，但只消耗类似分析时间的5%。对生物标志物的发现，DIMS能发现潜在生物标志物的23变量，而LC-MS能发现48个变量。DIMS被推荐为肾癌的快速诊断方法，而当全面的生物标志物筛选时LC-MS是必要的。 陈丽枝等[ 46 ] 证明了新开发的正交激光电离飞行时间质谱仪(LI-O-TOFMS)对生物样品(茶叶标准、昆布属植物粳稻和猪皮)半定量的多元素分析是可行的。样品简单制备后，由高辐照激光直接烧融和电离。计算了相对灵敏度系数并对灵敏度差异进行评估。由于碰撞冷却装置和TOF的正交几何系统的应用，能达到较高的分辨能力，以至于名义质量基本相同的元素峰和干扰峰可以区分开来。元素测定的检测限一般可达μg/g水平。 糖尿病(Diabetes Mellitus， DM)是全世界流行的一种代谢性疾病，而糖尿病肾病(Diabetic Nephro-pathy， DN)是糖尿病最常见的并发症，其发生可能与糖、脂肪酸、氨基酸和核苷等多个代谢途径有关。由于不同种系和性别均会造成内源性物质的明显差异。然而，由于代谢物本身所具有的复杂性，为了实现较好的分离效果，传统的液相色谱往往需要长达数十分钟的分离时间，分析通量较低。超性能液相色谱(UPLC)与正交加速飞行时间质谱(oaTCF)联用在糖尿病研究中显示了巨大的潜力。邢金春等 [ 47 ] 用UPLC-TOF- MS分析了2型糖尿病患者血清和尿液样本和控制样本，比较了使用正面和负面电离模式下快速和慢速分离梯度。使用最小二乘判别分析(PLS-DA)，建立了能区分患者和对照组的模型。用外部测试组评估了模型分类预测的效果。快速和慢速梯度条件下，按PLS-DA模型，使用血清样品比使用尿液样本更稳妥，正电离模式产生更大的分类差别和分类率高于负面电离模式。此外，发现在快速梯度比缓慢梯度有更好的分化能力。张洁等 [ 48 ] UPLC-oaTOF-MS系统用来区分全球8糖尿病肾病(DN)患者、33个2型糖尿病(2型糖尿病)患者和25名健康的志愿者的血清剖面，并试图找到潜在的生物标记物。UPLC系统能在15分钟内产生典型的峰宽为4 s的225个峰值如此丰富信息的色谱图。此外，主成分分析(PCA)是用于组织分化和标记的选择。分数图所示，患者和控制组聚类差别，和DN和T2D型糖尿病患者也分为两个独立组。基于准确的质量，同位素模式和MS/MS信息，几个化合物获得初步确定。此外，亮氨酸、dihydrosphingosine和phytoshpingosine的血清水平的明显变化，表明在糖尿病疾病中氨基酸代谢和磷脂代谢的扰动，在临床诊断和治疗上有重要意义。 在代谢组学研究中，超性能液相色谱(UPLC)加上正交加速飞行时间质谱(oaTOF)正成为一个有效和高通量分析技术。张洁等 [ 49 ] 用UPLC-oaTOF-Ms系统研究了40糖尿病糖患者(DM)/糖尿病肾病(DN)患者和25名健康的志愿者的血清，以发现潜在的生物标记物。UPLC系统15分钟产生峰宽度为4 s的225个峰信息丰富的色谱图。在UPLC-oaTOF-MS分析后，主成分分析(PCA)用于组分化和标记的选择。在正模式投影中，DM/DN患者和对照组明显分为三组。此外，两个潜在的标记被确定为植物鞘氨醇和鞘氨醇。患者体内植物鞘氨醇和鞘氨醇浓度下降与鞘脂类代谢密切相关。