准确测定地质全岩样品的元素组成是开展地球科学研究的基础。目前岩石样品常规主量元素分析是采用硼酸盐助熔剂与样品粉末混匀，在1000℃条件下制成样品熔融玻璃片，然后采用X射线荧光光谱仪（XRF）进行分析测试，通常测试周期在1-2天。微量元素分析则是采用高温高压钢套酸消解技术来确保样品的全消解，然后采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行样品溶液的分析测试，通常测试周期在7-10天，无法满足现代大量样品的高效测试。如果能够采用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）直接测定主量分析中制备的样品熔融玻璃片中的微量元素，则可以大大提高分析效率，主、微量数据最快可在1天内同时获得（图1）。
图1 XRF和LA-ICP-MS测定全岩主、微量元素示意图
然而，使用激光剥蚀法进行分析的玻璃片，其微量元素能否代表样品全岩值得探讨；此外，由于助熔剂熔融玻璃片高的透射率，当使用纳秒（ns）激光时，需要非常高的能量密度（通常 >10 J cm−2）才能有效剥蚀，而显著的热效应，会导致明显的元素分馏和基体效应，因此激光剥蚀过程是否会影响结果准确性，也需要仔细分析。
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩矿制样与分析实验室刘艳红高级工程师及其合作者，系统研究了代表性岩石样品熔融片中微量元素的均匀性，利用具有更高脉冲功率密度和更短脉冲持续时间的飞秒（fs）激光进行样品助熔剂熔融玻璃片微量元素的分析。
结果显示，硼酸盐样品熔融玻璃片中的32种微量元素的均匀性指数（H）均小于其均匀性指数临界值（Hcrit），表明元素分布均匀。此外，使用飞秒激光降低了基体效应的影响，使得采用非基体匹配的外部标准物质（NIST 612和614）进行校准变得准确（图2）。为了验证方法的可靠性，使用该技术对六种硅酸盐岩石标准物质（涵盖从镁铁质至长英质的岩石类型）进行分析，大多数元素的结果与标物推荐值在10%以内一致，大多数元素的分析精度（RSD）也在10%以内，与传统溶液分析法结果类似。
图2 基体匹配和非基体匹配外标对玄武岩标准物质 GSR-3分析结果准确度的影响
该项新技术在提高激光微量分析数据精确度的同时大大提高了实验室的分析效率，能有效支撑现代地球科学工作者大数据时代的对大量样品测试的精度要求和效率要求。
研究成果发表于国际分析化学期刊JAAS（刘艳红，薛丁帅，李文君，王忠强，梁燕，郭顺，万博. Trace element determination by femtosecond LA-ICP-MS in 10 mg extraterrestrial geological samples prepared as lithium borate glasses[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2024. DOI：10.1039/D4JA00275J.）。研究受先导B专项（XDB0710000）和国家自然科学基金（42073022）共同资助。