时间分辨率系统

4D前沿技术原位动态听客户说 CUSTOMER唯一一款适合实验室的动态显微CT揭秘革命性X射线显微CT显微CT，是现有的唯一一种能够对样品的内部结构和成分进行成像的显微镜方法。如今，显微 CT 的无损成像技术可以随着时间的变化跟踪记录样品的动态行为，时间就是第四维，这是最新的时间分辨显微CT（4D CT）。尽管4D CT向科学界展示了一种全新的研究方法，能够以微米级分辨率从内到外跟踪样品的变化过程，但该方法仍有一些局限性：实验室中的传统显微CT 是一种相对较慢的成像方法。在CT 360度旋转扫描过程中，采集的时间需要快于样品内部发生变化的时间，否则重建出的三维结果会有运动伪影，这意味着传统实验室中的时间分辨 CT 只能用于跟踪监测非常缓慢的过程，例如金属腐蚀，蠕变过程或缓慢结晶现象。在破坏性实验情况下，例如压缩实验，这类实验需要在不同阶段停止，以便进行准静态成像，传统时间分辨CT无法跟踪快速和不间断的变化过程。如今，最快速的解决方案是用同步加速器显微CT，它的时间分辨率远小于每秒一圈。然而，它们的可用范围相当有限、运行成本也十分昂贵。相对以上2种方案，动态显微 CT 解决方案DynaTOM，适用范围更广，性价比更高，目前，是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT 和同步加速器显微 CT 之间的桥梁。DynaTOM动态显微CT不仅具有高读取速度且高功率的 X 射线源和探测器，能够在几秒钟内采集完整的 3D 断层图像。更重要的是可实现样品或射线源-探测器的连续、无限旋转。解决哪些痛点FEATURES终于可实现不间断的3D原位实验的CT系统达到低至0.6微米的空间分辨率能构建出完整的层析图像，以秒为单位终于将实验室的显微CT时间分辨率极限降低到几秒钟应用场景 APPLICATION已经被成功应用于：一、作为验证计算模型的工具动态 CT 被用作数值模型的验证工具，预测和模拟泡沫金属的机械性能。这些泡沫金属是我们日常生活中存在的许多物体和材料的关键材料。它们在轻型车辆中使用但不会影响强度（航空航天、汽车），也可用于减振（作汽车的车前防撞缓冲区）。然而，表征这些泡沫金属并非易事，因为它们是不透明的、复杂的3D 结构。传统的机械测试只能从宏观角度测试材料性能，无法完全了解微观细节。因此，通常将数值建模作为一种新的工具来模拟实验和预测泡沫金属的应力应变行为。但到目前为止，还没有真正的方法可以验证这些数值模型的结果，因此引入了动态显微CT 来评估泡沫金属压缩模拟结果的有效性。（泡沫支柱的屈曲在实验（左）和模拟（右）中展现）二、作为量化药片快速结构变化的工具动态 CT 用于更好地了解药物固体剂型（片剂或胶囊）的溶解过程。剂型是控制患者的活性药物成分的主要形式，通常由压实的粉末和添加的赋形剂组成。为了将活性药物成分输送给患者，压实的片剂需要机械破碎成更小的颗粒。而辅料的混合是必不可少的，因为它可以控制药物在体内的释放过程并确保产品的品质。因此，固体剂型是在不同长度尺度上具有高度异质性的复杂结构。大多数了解片剂溶解行为的定量研究都是基于测量整个片剂或单个颗粒的体积增加。通常，体积增加是由于产品与水接触时的溶胀机制。可以通过液滴方法或直接通过毛细管吸收来添加水，并且通常可以直观地记录体积变化。然而，为了同时研究水在片剂内部的渗透、崩解和溶胀，需要以非破坏性和全 3D 方式可视化该过程。（动态实验在时间轴上的三个不同阶段。水锋在平板电脑上移动得非常快；吸水后，样品中存在大的裂缝和空隙，并且观察到体积增加。）三、更多应用实例，请搜索bilibili视频号：TESCAN中国实验室中的动态显微 CT 是时间分辨、无损成像的新前沿。在实验室显微 CT 系统上快速、不间断地成像的能力为先进材料开辟了新的评估方法，并使工程师能够通过原位实验验证或纠正材料行为。结合使用专业解决方案的数值模型，这种新的分析方法将显着提高新材料和设备的开发速度，同时降低其开发成本。(以上文章已被科技界4大杂志巨头之一Wiley旗下的Wiley Analytical Science收录。具体应用内容请关注下一期“前沿分享”） 敬请期待下一期...

作者：张行勇 严涛 来源：中国科学报近日，由中国科学院超快诊断技术重点实验室分幅成像团队缑永胜副研究员负责的时间放大分幅相机，成功在中国工程物理研究院激光聚变研究中心神光-III原型装置上完成激光打靶实验，在国内首次获得了时间分辨率优于10ps（1皮秒=1-12秒）的激光内爆图像，为激光聚变过程精细化测量奠定了基础。时间放大分幅相机系统。 激光内爆图像。 图片均由西安光机所条纹相机工程中心提供该团队持续聚焦超快分幅成像技术，历经10年的的不懈攻关，终于攻克宽束电子光学调制、电子脉冲时间放大和宽谱电子聚焦等多项关键技术，研制成功时间放大分幅相机。他们将分幅相机时间分辨极限从60ps提高至5ps，空间分辨率优于20lp/mm（lp/mm是line-pairs/mm即每毫米线对，常用于表示镜头分辨率的单位，指成像平面1mm间距内能分辨开的黑白相间的线条对数）。据了解，这也是我国目前已实现工程化应用的最高时间分辨率分幅相机，对推动分幅成像技术发展和超快诊断技术发展具有重要意义。 该项研究获得中国科学院超快诊断技术重点实验室基金、中国科学院科研仪器设备研制项目、西安光机所自主部署项目和西部青年学者等项目的大力支持。

ICP-MS技术漫谈系列前篇回顾ICP-MS技术漫谈I: CeO+/Ce+ 和 BaO+/Ba+分不清楚？ICP-MS技术漫谈II icpTOF飞行时间质谱仪“免疫系统” – Notch Filter陷波技术ICP-MS技术漫谈III ICP-MS 谱图多原子离子干扰区分所需质量分辨率ICP-MS技术漫谈IV 无海平面，何来山峰海拔高度：论icpTOF全谱原始数据（包含基线信号）记录之重要性ICP-MS技术漫谈V 本文CCT模式TOFWERK ICPTOF 自1980年首次推出以来，电感耦合等离子体质谱ICP-MS技术已在多个领域（如地质学、环境科学、材料科学、法医学、考古学、生物学及医学等），成为一种成熟且广泛应用的多元素及同位素分析方法。ICP-MS以其卓越的灵敏度、低检出限、宽线性动态范围和多同位素检测能力而著称，同时还能与多种样品处理/进样技术（如色谱、电热蒸发、(单)微液滴生成和激光剥蚀等）耦合使用。同有机质谱类似，质谱干扰也是影响ICP-MS准确测量多种元素的主要挑战。这些干扰主要来源于单价或双价的原子及分子离子，其产生与等离子体、样品组成、ICP操作条件及相关样品的物理化学特性有关。目前，处理这些干扰的策略包括利用多极离子导引器与上游质量分析器内通入气体进行的离子-分子反应或产生动能差异，以及采用超高分辨率磁扇区ICP-MS技术以区分多原子干扰物。 使用有选择性的化学反应来减少对目标元素的干扰并将产生的附加干扰物的离子转移到未被占用的质荷比（m/z）通道，是一种有效的解决质谱干扰问题的方法。例如，引入氢气H₂ 作为反应气体能显著减弱由氩离子（Ar⁺ ）及基于氩的多原子离子所引起的背景干扰，使得能够在其丰度最高的同位素峰上检测到钙（Ca）、铁（Fe）或硒（Se）。此过程中主要的反应产物为H₃ ⁺ ，不会引入额外的干扰信号，从而提高了分析的准确性和灵敏度。这种方法通过改变干扰物质的质荷比来“清理”分析信号，使得原本由于干扰而无法检测的元素或同位素得以准确测定。 本文中，研究人员探讨了电感耦合等离子体-飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）结合碰撞/反应池技术（CCT）在高时间分辨率分析中的应用优势，特别是在使用多样的样品引入技术，包括高速激光剥蚀和微液滴生成。通过在CCT中采用氢气（H₂ ）作为反应气和氦气（He）作为碰撞气，研究着重于多元素测定的能力，特别是在抑制基于氩的背景离子、提高多同位素灵敏度和优化激光剥蚀定量分析方面。这些CCT中的气体分子和离子束发生化学反应或者物理碰撞，从而实现清除某些特定的同位素，或者将多原子离子解离。 使用H₂ 作为反应气体时，能够显著降低氩离子（Ar⁺ ）和氩分子离子（Ar₂ ⁺ ）的信号，使得钙（Ca）和硒（Se）的丰度最高的同位素得以检测。此外，降低Ar⁺ 信号时还允许在进行飞行时间分析前，无需陷波技术（notch filter）来选择性减弱特定质荷比（m/z）信号值，从而改善了质荷比40和80附近同位素的传输效率。 研究发现，以不超过4mL/min的流量引入氢气、氦气或两者混合气体，可以通过碰撞诱导聚焦机制将离子检测灵敏度提升1.5至2倍，并且质量分辨率也提高了16%。使用CCT后，钙（40Ca）的检出限（LOD）提高了超过三个数量级，硒（80Se）的检出限（LOD）提高了一个数量级。对于NIST SRM610标准中的多种元素，检出限均提高了2到4倍，同时在大多数元素上保持了定量准确性（小编注：如果应用偏重于轻质量数元素分析，可以通过关闭CCT模式来达到最优效果）。 实验还表明，当采用微液滴样品引入技术时，碰撞池中的He缓冲气体量会导致单个微液滴信号的宽度增加至数十至数百微秒。但是，高速激光剥蚀产生的单气溶胶羽流事件的持续时间未受碰撞效应影响，表明在100 Hz的激光剥蚀频率下，即使开启CCT，也不会对成像效果产生显著影响。这些发现强调了CCT在提高ICP-TOF-MS性能和分析精度方面的潜力，尤其是对于高时间分辨率的多元素分析。01实验参数和设置 实验是在瑞士TOFWERK AG公司生产的icpTOF仪器上进行的，该仪器与多种样品引入系统相结合使用。icpTOF装备有陷波滤波器，位于碰撞/反应单元（CCT）下游，用于精确调控飞行时间（TOF）谱图中多达四个特定质荷比（m/z）的高信号强度。通过调整频率和振幅，可以选择性地衰减特定m/z离子信号，同时这也会影响到相邻的m/z。在进行激光剥蚀（LA）实验时，通常只需衰减氩离子（Ar+）的信号，以避免信号饱和导致探测器损坏。表1：在不同实验设置的情况下，ICP-TOFMS的运行参数和碰撞/反应池的设置。碰撞/反应单元操作：碰撞/反应单元使用的氦气（99.999%纯度，由瑞士Dagmersellen的PanGas AG提供）和氢气（99.9999%纯度，同样由PanGas AG提供）或这些气体的混合物进行加压。气体的流量通过质量流量控制器进行精确控制，使用Micro Torr气体净化器（由加利福尼亚的SAES Pure Gas, Inc.提供）来去除气体中的杂质。在需要进行离子束衰减的实验中，调整陷波滤波器的操作参数以确保背景信号的总强度维持在500 kcps以下。激光剥蚀导入：激光剥蚀实验在NIST SRM610、NIST SRM612和USGS BCR-2G标准样品上进行。使用的是193nm ArF准分子激光剥蚀系统（GeoLasC，由德国哥廷根的Lambda Physik提供）。高分散LA实验在一个充满氦气的单体积圆柱形剥蚀室中进行，使用44μm直径的圆形激光光斑和10Hz的激光剥蚀频率，单脉冲信号的持续清洗时间为1.5-2秒（FW0.01M）。低分散LA实验在一个双体积管状样品池中进行，使用5μm直径的圆形光斑和100Hz的激光频率，单脉冲信号的持续清洗时间小于10毫秒（FW0.01M）。所有实验都采用线扫描模式，扫描速度分别为5μm/s（高分散）和50μm/s（低分散）。通过调节操作参数，实验每天都能在保持相近的铀（238U）和钍（232Th）的灵敏度以及低氧化物生成率的同时，获得最高的238U+灵敏度。高分散LA-ICP-TOFMS数据的采集时间分辨率为1秒，而低分散LA-ICP-TOFMS数据的采集时间分辨率为1毫秒。在后处理中，对TOF质谱进行了重新校准和基线去除。微液滴导入：微液滴导入实验使用的是德国Microdrop Technologies GmbH公司的商用微滴生成器（MD-K-150-020和MDE-3001，配备30微米直径喷头）。在50Hz的条件下产生直径为25到30微米不等的液滴，并通过氦气和氩气传输到ICP。多元素标准溶液由单元素标准溶液制备而成（由德国达姆施塔特的Merck AG和美国弗吉尼亚克里斯琴斯堡的Inorganic Ventures提供），每个元素的最终浓度通常为100 ng/g。02实验结果使用氢气作为反应气体以衰减背景信号：本研究的激光剥蚀NIST SRM610实验是在仪器参数优化后进行的。实验使用高色散LA-ICPTOFMS装置，并在反应池中通入不同流量的氢气。除了氢气流量和陷波滤波器的设置外，三个实验中的ICP-TOFMS操作参数和碰撞/反应池设置保持恒定。图1报告了气体背景信号强度的平均值。当通入氢气流量大于1.5mL/min以上，m/z=40的信号是无需使用陷波滤波器进行衰减的。气体背景信号分析虽然仅反映了仪器在不引入样品时的背景信号情况，但这种分析并不完全代表分析特定样品时的背景信号水平，因为样品基质可能会提升基线信号。尽管存在这一局限性，此类测量对于估计激光剥蚀实验中的背景信号强度仍然非常有用，特别是低背景信号对于实现更佳的检出限（LOD）至关重要。在不引入氢气的条件下，背景信号主要由Ar+离子及其相关的氩基分子离子（例如Ar2+、ArN+和ArO+）贡献，同时H2O+、N2+和O2+也展现出显著的峰值。ICP-TOFMS的丰度灵敏度特性导致这些背景离子增加了质谱的基线水平。通过向CCT中增加氢气流量，Ar+信号可以显著衰减至每秒几百次的强度水平。特别是当氢气流量达到5 mL/min时，Ar2+的信号可以降低超过四个数量级，达到每秒几个的强度水平。这一衰减效果涉及到的反应主要是氢原子的转移，例如Ar+转变为ArH+，使得在质谱中m/z=37和m/z=41位置的信号变得占主导地位。在更高的氢气流量下，ArH+通过质子转移的方式进一步减少。图1：分析m/z小于100的范围内的平均背景信号强度与通入氢气流量的关系。左右两图为同样的数据但被绘制在线性y轴(a)和对数y轴(b)上。当没有氢气流过反应池时，使用陷波滤波器来衰减m/z=40处的信号强度。当H2气体以2.5mL/min和5mL/min则不需要信号衰减。 图2a和c展现了在高色散LA-ICP-TOFMS条件下，特定同位素（27Al、55Mn、89Y、141Pr、238U）的灵敏度与氢气和氦气流量之间的关系。这些同位素覆盖了广泛的m/z范围。对于氢气和氦气，灵敏度随气体流量增加先升高后降低，显示出相似的趋势。特别是，对于55Mn，在气体流量为1 mL/min时，其灵敏度达到最大值，与不通气的标准条件相比，分别增加了28%（氢气）和84%（氦气）。对于27Al，在氢气流量为0.5 mL/min时灵敏度最高，而对于238U，在氢气流量为1.5 mL/min时灵敏度最高，相较于不通气的标准条件，它们的灵敏度分别提高了11%（27Al）和2%（238U）。在通入氦气时，27Al和238U的灵敏度分别在氦气流量为0.5 mL/min和3.5 mL/min时达到峰值，相比不通气的标准条件，它们分别提高了3%（27Al）和73%（238U）。灵敏度的提升主要归因于碰撞聚焦效应。随着m/z增大，较高的气体浓度下灵敏度的下降趋势减缓，这与低质量离子的速度减慢和散射过程加快有关。 同位素238U+/232Th+的信号强度比随气体流量的增加而稳步上升，在通入氢气和氦气时分别从1.25增加到1.36和从1.31增加到1.47。这表明在通入气体时，Th+的减少速度超过U+。这可能是由于Th+与气体中的杂质反应或散射过程。然而，鉴于U和Th的碰撞截面和动能相似，散射过程的影响可能较小。Th+相对于U+更快的减少可能与其与气体中水分子的反应有关。 同时，137Ba++/137Ba+的信号强度比随着气体流量的增加先上升后下降，这一趋势在通入氢气和氦气时均被观察到。这表明Ba++的透射率最初随气体流量的增加而提高，可能是由于双电荷离子在进入碰撞/反应池前在静电离子光学器件中获得较高的动能。然而，随着气体流量的进一步增加，Ba++离子的反应速率可能超过了Ba+，导致其离子信号强度的连续下降。图2：灵敏度和选定的离子强度比与通入反应池的氢气H2流量的关系(a)。钙的同位素的检出限与通入反应池的氢气流量的关系(b)。在低于1.5mL/min的氢气流量设置时，每种氢气流量设置都会相应调整陷波滤波器上的设置，以保持尽可能高的灵敏度，同时防止检测器饱和。对于H2气体流量大于1.5mL/min，则未启用陷波滤波器。灵敏度和选定的离子强度比与通过碰撞池的氦气He流量的关系(c)。质量分辨率和灵敏度与通过碰撞池的氦气流量的函数关系(d)。在此实验期间，陷波滤波器设置保持不变，m/z=40处的信号强度必须始终衰减。所有实验均在NIST SRM610上进行，使用直径44微米的圆形光斑和10Hz的激光频率。实验采用线扫描模式进行，扫描速度为5µ m/s。03检出限和氢气气体流量的关系及同位素的选择 图2b展示了多个Ca同位素（40Ca, 42Ca, 43Ca和44Ca）的检出限随着通过反应池的氢气流量变化的情况。在氢气流量为3mL/min时，40Ca的检出限数值最佳，达到0.33mg/kg，这一检出限比CCT模式下其他Ca同位素的检出限好一个数量级以上。与无氢气流的标准条件相比，检出限提升超过了三个数量级，这主要归因于氢气对Ar+信号的选择性衰减，从而显著提升了检出限。随着氢气流量的进一步增加，检出限的上升归结于灵敏度降低。 此外，研究中还观察到Se同位素（特别是80Se）在氢气流量为3.5mL/min时达到了最佳检出限0.95mg/kg，相比于标准条件下可获得的检出限（针对77Se为4.1mg/kg）提高了约四倍。对于238U和89Y，当氢气流量分别达到5mL/min和3.5mL/min时，观察到检出限降低了四倍，这表明通过调整氢气流量，可以显著改善某些特定元素的检出限。 对于27Al，在无氢气通入的条件下其检出限数值最低，但即使在低氢气流量下，27Al的信号也可能因碰撞而衰减。当通入3.5mL/min的氢气时，27Al的检出限恶化了两倍，这表明氢气流量的增加对某些元素的检测性能有负面影响。 这些观察结果说明，在通过反应池的氢气流量对检出限有着显著的影响，不同元素和同位素受氢气流量影响的程度各不相同。通过优化氢气流量，可以在不牺牲其他性能的前提下，针对特定元素达到更低的检出限。对于更多细节和氢气流量与灵敏度及背景信号之间的相关性分析，建议参考原始研究的辅助材料。04质量分辨率和丰度灵敏度与He气体流量的函数关系 图2d的结果表明，通过向碰撞池中添加氦气（He）作为碰撞气体，可以略微提高特定同位素的质量分辨率。这一发现对于改善质谱分析的准确性和分辨能力具有重要意义。质量分辨率的提高允许更好地区分质量相近的同位素，从而降低了分析中的误差和不确定性。例如，141Pr和238U的质量分辨率分别在氦气流量为5mL/min和6mL/min时提高了16%和13%。这种效果是由于碰撞导致离子动能的离散度减小，从而使得同位素峰更加尖锐。 与使用氦气相似，实验中也观察到使用氢气（H2）作为反应气体时，同样可以提高质量分辨率。例如，在氢气流量为2.5mL/min时，238U的质量分辨率提高了4%。这进一步证明了通过调整碰撞/反应池中的气体种类和流量，可以有效地优化质谱分析的性能。 在进行了ICP-TOFMS操作参数和碰撞/反应池设置的优化后，特别是在优先考虑峰形而非灵敏度的情况下，238U的质量分辨率可以超过4000。尽管这种优化导致238U的灵敏度降低了7%，但显著提高的质量分辨率对于解决复杂样品分析中的同位素重叠问题至关重要。 此外，通过监测209Bi+在m/z=209和m/z=210处的强度，研究人员还探讨了丰度灵敏度的变化。发现通过将氦气流量提高至3mL/min，可以提高丰度灵敏度。这是因为增加的氦气流量导致重质量侧的质谱峰底部变宽，尽管这种效果在质量分辨率的测定中未能得到充分体现。这一发现强调了在实际应用中，对碰撞/反应池中气体流量和种类的精细调节对于优化质谱分析性能的重要性。 钙的定量与氢气气体流量和同位素选择的关系：图3a和b的研究报告通过使用高色散LA-ICP-TOFMS技术在NIST SRM612和USGS BCR-2G样品中测定钙(Ca)元素含量，并探讨了通过反应池的氢气(H2)流量对测定结果的影响。这项研究选择NIST SRM610和29Si+作为参考样品和内标，因为NIST SRM610与NIST SRM612成分相似，适用于校准，而对于USGS BCR-2G的定量，使用NIST SRM610进行校准则被视为非基质匹配的方法。 研究发现，在没有氢气流的标准条件下，能够测定的Ca浓度主要基于44Ca+的强度，而40Ca+、42Ca+和43Ca+的信号未能检测到高于背景水平。当在NIST SRM612中测定Ca时，发现无论选择哪种同位素，准确度和精确度都遵循相似的趋势，并且在氢气流量低于2.5mL/min时得到提升。这表明低氢气流量有助于提高钙定量的准确度和精确度，而较高的氢气流量则因碰撞引起的信号损失而导致逆向趋势。 此外，2.5mL/min的氢气流量被发现能够实现最准确的Ca测量，基于40Ca强度测得的Ca浓度与GeoReM数据库中的参考值相比，偏差仅为1.3%。在USGS BCR-2G标准样品中，较小的氢气流量同样能够提高Ca定量的准确度和精确度。 然而，Ca离子的强度可能会受到MgO+、MgOH+、AlO+和AlOH+等多原子离子的干扰，尤其是在USGS BCR-2G样品中钙浓度高的情况下。这些干扰主要影响低丰度同位素42Ca+、43Ca+和44Ca+，并且随着H2气体流量增加，其影响也随之增大。研究指出，在NIST SRM和USGS BCR-2G样品中，较高的氢气流量可能有助于减少Ca+/Ar+比率的差异和K+信号的拖尾现象， 但为何在较高H2气体流量下基于40Ca+的定量结果更为准确仍然不明确， 这项研究不仅展示了LA-ICP-TOFMS技术在测定特定元素含量时的应用潜力，也强调了优化氢气流量在提高测定准确度和精确度中的重要性。通过调整反应池中的氢气流量，可以有效地减少多原子离子的干扰，从而实现更准确和精确的元素定量分析。 在2.5mL/min的氢气流量下，研究对NIST SRM612和USGS BCR-2G样品中多种元素的定量能力进行了测试。选择这一氢气流量是基于它能够有效平衡背景信号的衰减和由于碰撞引起的信号损失。结果表明，在没有氢气流量的标准条件下与2.5mL/min氢气流量条件下，大多数元素的定量结果之间没有显著差异。实验数据显示，在无氢气和2.5mL/min氢气条件下，分别有43%和36%的测试元素的浓度落在NIST SRM612的首选值不确定度范围内。同时，大约70%的元素在两种条件下与NIST SRM612的首选值相对偏差小于5%。对于USGS BCR-2G样品，62%（无氢气流）和69%（2.5mL/min氢气流）的元素浓度落在首选值的不确定度范围内，且在这两种实验条件下，大约62%的元素与USGS BCR-2G首选值的相对偏差小于5%。 然而，对于磷（P）、钾（K）和钪（Sc）等某些元素，随着氢气流量的增加，其定量准确性有所降低。这一趋势在两种标准参考材料中均被观察到。分析光谱数据时发现，31P、39K和