摘要

德國(guó)ATL Lasertechnik GmbH擁有超過二十年小型化準(zhǔn)分子激光器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品線以ATLEXI系列為核心，涵蓋ATLEX-LR、ATLEX-FBG系列，支持157?nm至351?nm波段輸出。ATLEX-I系列具有全固態(tài)開關(guān)、全金屬陶瓷管路和5–8?ns短脈沖等特征[1]。本文重點(diǎn)介紹其在LA-ICP-MS取樣、MALDI-MS成像、單顆粒氣溶膠TOFMS、APLI等質(zhì)譜領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.引言

激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）是固體樣品直接進(jìn)行元素與同位素分析的重要手段。德國(guó)ATL公司的ATLEX-193深紫外（DUV）波段193?nm  ArF氟化氬準(zhǔn)分子激光作為紫外激光燒蝕取樣技術(shù)的優(yōu)選光源，其原因來源于多個(gè)方面：

激光波長(zhǎng)： 193nm的激光波長(zhǎng)是大氣環(huán)境工作條件常用激光器的最短波長(zhǎng)，193nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光子能量是6.4eV，超過絕大多數(shù)分子鍵的鍵能，可以輕松的將樣品分子鍵打斷，當(dāng)物質(zhì)吸收了這種高能光子后，化學(xué)鍵瞬間斷裂，斷鍵剩余的光子能量會(huì)使靶部位的分子碎片以超音速噴射出來。這種機(jī)制不同于依靠高溫熔化再汽化物質(zhì)的“熱效應(yīng)解附”，它能實(shí)現(xiàn)高精度高均勻度的“冷剝蝕”。冷剝蝕濺射出的氣溶膠顆粒細(xì)小且由于熱效應(yīng)小就規(guī)避了元素的分餾效應(yīng)。另外對(duì)于絕大多數(shù)材料而言，波長(zhǎng)越短則光子能深入樣品的穿深越淺，這樣每發(fā)深紫外激光脈沖剝離的樣品厚度既均勻且可控，能出色的完成逐層剝離的工作，如此不僅可做到高精度x-y軸二維空間掃描，還可實(shí)現(xiàn)z軸縱深層析掃描。

平頂光斑： 準(zhǔn)分子激光器原始出射光斑就是平頂光斑，意味著作用在剝蝕點(diǎn)上的能量密度高度均勻，避免其他種類高斯光束造成的中央過剝蝕和邊緣欠剝蝕問題。圖1為ATLEX-193準(zhǔn)分子激光器的出射平頂光斑，光斑尺寸為4x6mm,發(fā)散角為1x2 mrad； 圖2為增加外光路小孔光闌后的圓形平頂激光光斑，當(dāng)然也可更換矩形小孔光闌而得到矩形平頂光斑。再于光路中增加聚焦鏡，結(jié)合其193nm短波長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，則極限可做到亞微米級(jí)別的工作光斑大小。對(duì)OEM用戶而言，較常見的選擇是作用到樣品上實(shí)現(xiàn)在2um到400um大小可變的平頂光斑可調(diào)。（之所以一般不選擇聚集到1um或亞微米的衍射極限是因?yàn)椴蓸用娣e越小則可剝離的樣品量就越少，這是一個(gè)采譜信噪比和空間分辨率的平衡）

圖3.ATLEX-193激光剝蝕鋯石靶材后不同尺寸剝蝕坑的電鏡圖，可見坑底和坑邊都保持良好均勻度

高能量穩(wěn)定性 ：ATL所有系列均配備能量穩(wěn)定模式，脈沖脈沖能量波動(dòng)<3%。該模式通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)脈沖的能量并與設(shè)定值進(jìn)行閉環(huán)比較，主動(dòng)調(diào)節(jié)放電電壓以補(bǔ)償波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性輸出。對(duì)于基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜（MALDI-MS）和光解離串聯(lián)質(zhì)譜，穩(wěn)定的激光能量直接轉(zhuǎn)化為碎片離子產(chǎn)額的重現(xiàn)性，確保肽段測(cè)序和生物標(biāo)志物定量的可靠性。

高重復(fù)頻率（最高1000?Hz） ：常規(guī)系統(tǒng)300Hz或500Hz重復(fù)頻率；ATLEX-1000-I型可實(shí)現(xiàn)1000?Hz重復(fù)頻率輸出，搭配快速掃描臺(tái)或電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（ICP-TOF-MS），理論像素采集速率可達(dá)1000像素/秒，極大提升了元素成像和高通量篩選的效率。

全風(fēng)冷設(shè)計(jì)與全固態(tài)高壓開關(guān)，免維護(hù)運(yùn)行：ATL所有系列均標(biāo)配風(fēng)冷（可選液冷），顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜性和長(zhǎng)期運(yùn)行成本。全固態(tài)高壓開關(guān)無磨損部件，結(jié)合全金屬陶瓷管路（TMC）和軟電暈預(yù)電離技術(shù)，氣體壽命長(zhǎng)，維護(hù)間隔可達(dá)數(shù)月，且可培訓(xùn)客戶自主常規(guī)維護(hù)。

緊湊結(jié)構(gòu)與易集成性：ATLEX-I激光頭體積<3?L，整機(jī)尺寸540×470×370?mm（電腦機(jī)箱大小），重量60?kg，配有多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口（RS485、RS232、USB、光纖），可輕松集成到商用質(zhì)譜儀器或定制化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。

圖4.用戶選擇ATLEX-193做為激光剝離設(shè)備核心光源

2. ATL全系列激光器產(chǎn)品概覽

ATL公司以小型化、風(fēng)冷、高重復(fù)頻率準(zhǔn)分子激光器著稱。產(chǎn)品采用軟電暈預(yù)電離、全固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器、激光頭容積<3?L、全金屬-陶瓷管路（TMC）等一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用的嚴(yán)苛需求。ATL激光器提供以下系列^[3]：

（1）ATLEX-I系列 ：標(biāo)準(zhǔn)型，分為ATLEX-300-I（300?Hz）、ATLEX-500-I（500?Hz）和ATLEX-1000-I（1000?Hz）三個(gè)型號(hào)，支持F?（157?nm）、ArF（193?nm）、KrF（248?nm）、XeCl（308?nm）、XeF（351?nm）五種波長(zhǎng)輸出。

（2）ATLEX-LR系列：專為激光剝蝕優(yōu)化的高能量系統(tǒng)，193?nm輸出，脈沖能量高達(dá)12?mJ（穩(wěn)定模式4?mJ），脈沖寬度<5?ns，上升沿極快，專為激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）設(shè)計(jì)。

（3）ATLEX-FBG系列：專為光纖布拉格光柵刻寫設(shè)計(jì)，提供ATLEX300FBG和ATLEX500FBG兩個(gè)型號(hào)。

3.ATL準(zhǔn)分子激光器在質(zhì)譜分析中的主要應(yīng)用

3.1 激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）

激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）是目前固體樣品微區(qū)元素及同位素分析的主流技術(shù)。ATL系列的短脈沖激光已被廣泛應(yīng)用于各類分析工具中，例如連接激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）/電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）光譜分析的高通量準(zhǔn)分子激光燒蝕系統(tǒng)^[3]。ATL公司早在1996年就已將ATLEX激光器集成到Optec的MicroMaster微加工工作站中，時(shí)至今日，ATL緊湊型準(zhǔn)分子激光已成功集成到多家激光系統(tǒng)制造商的主流激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）系統(tǒng)中，確立了在激光燒蝕元素分析領(lǐng)域的地位^[3]。

ATLEX-I系列的193?nm波長(zhǎng)深紫外激光是激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）的理想光源。對(duì)于更高能量要求的剝蝕應(yīng)用，ATLEX-LR系列提供12?mJ脈沖能量（穩(wěn)定模式4?mJ）和<5?ns的脈寬，其極快的脈沖上升沿和高峰值功率有助于提高剝蝕顆粒的氣溶膠化效率，減少元素分餾效應(yīng)^[3]。

圖5：準(zhǔn)分子激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜與光譜聯(lián)用分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 高空間分辨率元素成像

Doble等人2021年發(fā)表于Chemical Reviews的綜述系統(tǒng)回顧了激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）成像技術(shù)在生物學(xué)中的應(yīng)用，涵蓋癌癥分析、元素吸收積累、植物生物成像、環(huán)境納米材料及神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域^[6]。該綜述表明，具有高峰值功率密度的193?nm準(zhǔn)分子激光燒蝕系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)高空間分辨率（典型值5–10?μm，前沿研究可達(dá)亞微米級(jí)）元素成像的關(guān)鍵工具^[6]。ATLEX-I系列以其穩(wěn)定的短脈沖輸出和高重復(fù)頻率（最高1000?Hz），可實(shí)現(xiàn)大面積高分辨率元素分布圖的快速構(gòu)建。

在成像速度方面，2025年Basabe-Mendizabal等人的研究展示了納秒193?nm ArF基kHz激光器與低色散管狀燒蝕池聯(lián)用，配合電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（ICP-TOF-MS）分析儀，單脈沖響應(yīng)持續(xù)時(shí)間低于1?ms，理論像素采集速率可達(dá)1000?像素/秒^[5]。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所王萌研究員團(tuán)隊(duì)引入新一代電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（ICP-TOF-MS）系統(tǒng)（icpTOF 2R），結(jié)合193?nm準(zhǔn)分子激光高速燒蝕系統(tǒng)，將成像速度提升1–2個(gè)數(shù)量級(jí)，空間分辨率可達(dá)1?μm^[7]。

3.1.2 地質(zhì)年代學(xué)與礦物分析

激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）在地球科學(xué)領(lǐng)域有著深厚而廣泛的應(yīng)用，ATL激光器廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域^[3]。準(zhǔn)分子激光燒蝕系統(tǒng)可與主流電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）質(zhì)譜儀配合使用，采用193?nm紫外激光聚焦照射樣品，以高峰值功率進(jìn)行激光燒蝕，形成分析物后由載氣輸送到電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）分析^[8]。激光光斑尺寸可從2?μm至380?μm靈活調(diào)節(jié)，可對(duì)鋯石、獨(dú)居石、斜鋯石、金紅石、楣石、磷釔礦等獨(dú)立礦物或拋光薄片進(jìn)行U-Th-Pb地質(zhì)年代學(xué)原位分析。

3.1.3 單細(xì)胞分析與金屬納米顆粒定量

激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）已發(fā)展成為單個(gè)細(xì)胞元素定量分析的工具。2025年發(fā)表的一項(xiàng)研究提出了一種新穎的顆粒質(zhì)量校準(zhǔn)策略，用于通過激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（LA-ICP-MS）定量分析單個(gè)癌細(xì)胞中的金納米顆粒（AuNPs），該方法在三個(gè)月內(nèi)三個(gè)獨(dú)立工作批次證明了更好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性^[9]。此外，該團(tuán)隊(duì)還利用電感耦合等離子體飛行時(shí)間質(zhì)譜（ICP-TOF-MS）的快速分析優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞內(nèi)金納米顆粒和銀等納米顆粒的絕對(duì)定量，并開發(fā)了元素指紋-源解析模型，通過分析大氣顆粒物中的“元素指紋”辨析大氣顆粒物的工業(yè)污染源與天然來源^[7]。

3.2 能保持90%蛋白質(zhì)完整轉(zhuǎn)移率的微區(qū)激光剝蝕取樣

193nm深紫外激光剝蝕取樣技術(shù)常規(guī)的理解是光子能量高，是很難做到在保持蛋白質(zhì)分子完整的條件下剝蝕樣品的。如圖6. Murray小組將牛血清蛋白質(zhì)樣品以約50um厚度涂敷于熔融石英載玻片后，再底部翻轉(zhuǎn)朝上，193nm激光穿透石英玻璃載玻片，打在50um蛋白質(zhì)樣本的背面，此脈沖激光擊碎了約幾微米的一層蛋白質(zhì)，這些被擊碎的蛋白質(zhì)碎片充當(dāng)了“被犧牲的基質(zhì)”，將貼在上層的>90%的完整蛋白質(zhì)解附出來，可用于后續(xù)的質(zhì)譜檢測(cè)^[2]。為了驗(yàn)證此深紫外激光背向剝蝕法可保持多數(shù)蛋白質(zhì)的完整，Murray小組收集這些解附掉落的蛋白質(zhì)重新溶解，接入LC-MS/MS液相質(zhì)譜與質(zhì)譜聯(lián)用系統(tǒng)分析,驗(yàn)證了保持完整轉(zhuǎn)移的牛血清蛋白。

圖6：準(zhǔn)分子激光背向剝蝕采樣法

另外演示了使用193?nm ArF準(zhǔn)分子激光對(duì)腦組織切片進(jìn)行微區(qū)燒蝕，獲得了空間定位明確的蛋白質(zhì)表達(dá)圖譜^[2]。

核心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

完整蛋白質(zhì)捕獲率：1）對(duì)50um厚牛血清白蛋白（BSA）標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行193?nm激光燒蝕，在0.3?J/cm2激光通量下，蛋白質(zhì)完整轉(zhuǎn)移率達(dá)到約90%。

2）對(duì)50?μm厚度大鼠腦組織燒蝕取樣，獲得每平方毫米約2?μg蛋白的收率。

高空間分辨鑒定：0.06?mm2極小組織區(qū)域中鑒定出約85種蛋白質(zhì)；1?mm2區(qū)域中掃描鑒定出約2400種蛋白質(zhì)。

圖7.經(jīng)193 nm 激光剝蝕后的仍保持完整的牛血清蛋白

3.3 真空紫外激光電離157nm與大氣環(huán)境激光電離193nm

193?nm ArF準(zhǔn)分子激光因很高的單光子能量，可從硬組織、不溶性聚合物等特殊樣品中直接電離分析物。

193?nm波長(zhǎng)還被廣泛用于串聯(lián)質(zhì)譜中肽段離子的光解離測(cè)序。193?nm準(zhǔn)分子激光光解離與基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間/飛行時(shí)間質(zhì)譜（MALDI-TOF/TOF-MS）聯(lián)用可實(shí)現(xiàn)小到中等大小肽段的靈敏測(cè)序^[10]。在激光解吸后電離（LDPI）方向，ATLEXI的157?nm F?準(zhǔn)分子激光（7.87?eV）可進(jìn)行真空紫外單光子電離（VUV-SPI），在高鹽環(huán)境樣品分析中可避免基質(zhì)干擾。在大氣壓激光電離（APLI）技術(shù)中，Bruker Daltonics開發(fā)的大氣壓激光電離（APLI）源采用ATLEXI系列激光器進(jìn)行兩步吸收電離，對(duì)多環(huán)芳烴（PAH）檢測(cè)在1?ppb濃度下信噪比>100:1。

3.4 單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜（LAAPTOF）

ATLEXI系列已被集成到激光燒蝕氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜（LAAPTOF）系統(tǒng)中，對(duì)每個(gè)氣溶膠顆粒記錄粒徑及正負(fù)離子飛行時(shí)間質(zhì)譜（TOF-MS）。系統(tǒng)可有效傳輸粒徑達(dá)2.5?μm的顆粒物，最高分析頻率300?Hz，可區(qū)分氣溶膠顆粒的內(nèi)部混合和外部混合狀態(tài)，應(yīng)用于環(huán)境氣溶膠分析、實(shí)驗(yàn)室氣溶膠表征、工業(yè)過程控制以及基礎(chǔ)科學(xué)研究^[3]。

圖8：LAAPTOF結(jié)構(gòu)示意圖

4.先鋒科技——ATL中國(guó)代理與專業(yè)技術(shù)服務(wù)體系

先鋒科技股份有限公司是德國(guó)ATL Lasertechnik GmbH在中國(guó)區(qū)域的代理。先鋒科技擁有一支經(jīng)ATL原廠培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，可提供現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、操作培訓(xùn)；國(guó)內(nèi)設(shè)有核心備件庫存，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)（緊急故障48小時(shí)內(nèi)上門），并提供遠(yuǎn)程與現(xiàn)場(chǎng)維修為國(guó)內(nèi)用戶從選型咨詢到售后維護(hù)提供全面保障。

5.總結(jié)與展望

ATL公司產(chǎn)品線覆蓋標(biāo)準(zhǔn)型ATLEX-I、激光剝蝕專用ATLEX-LR及光纖光柵刻寫專用ATLEX-FBG，支持157?nm至351?nm多波長(zhǎng)輸出。其中ATLEX-I系列以超短脈沖寬度（5–8?ns）、優(yōu)異能量穩(wěn)定性（<3%）、全風(fēng)冷緊湊結(jié)構(gòu)及平頂光束，為L(zhǎng)A-ICP-MS元素成像、MALDI-MS組織定位、生物分子微區(qū)取樣及單顆粒氣溶膠分析等質(zhì)譜應(yīng)用提供了高品質(zhì)紫外光源。最新研究證明193?nm準(zhǔn)分子激光燒蝕系統(tǒng)正推動(dòng)元素成像向高通量（1000像素/秒）和高分辨率（≤1?μm）邁進(jìn)。

隨著空間蛋白質(zhì)組學(xué)、單細(xì)胞分析和原位元素成像等前沿領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)緊湊型、高重頻深紫外準(zhǔn)分子激光器的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。ATL全系列產(chǎn)品依托德國(guó)技術(shù)，結(jié)合先鋒科技的專業(yè)技術(shù)服務(wù)與快速響應(yīng)保障，將為國(guó)內(nèi)用戶提供從選型到維護(hù)的全面支持。

參考文獻(xiàn)

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