ATL准分子激光器在激光剥蚀与质谱分析中的应用

摘要

德国ATL Lasertechnik GmbH拥有超过二十年小型化准分子激光器研发经验，产品线以ATLEXI系列为核心，涵盖ATLEX-LR、ATLEX-FBG系列，支持157 nm至351 nm波段输出。ATLEX-I系列具有全固态开关、全金属陶瓷管路和5–8 ns短脉冲等特征[1]。本文重点介绍其在LA-ICP-MS取样、MALDI-MS成像、单颗粒气溶胶TOFMS、APLI等质谱领域的应用。

1.引言

激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）是固体样品直接进行元素与同位素分析的重要手段。德国ATL公司的ATLEX-193深紫外（DUV）波段193 nm  ArF氟化氩准分子激光作为紫外激光烧蚀取样技术的优选光源，其原因来源于多个方面：

激光波长： 193nm的激光波长是大气环境工作条件常用激光器的最短波长，193nm波长对应的光子能量是6.4eV，超过绝大多数分子键的键能，可以轻松的将样品分子键打断，当物质吸收了这种高能光子后，化学键瞬间断裂，断键剩余的光子能量会使靶部位的分子碎片以超音速喷射出来。这种机制不同于依靠高温熔化再汽化物质的“热效应解附”，它能实现高精度高均匀度的“冷剥蚀”。冷剥蚀溅射出的气溶胶颗粒细小且由于热效应小就规避了元素的分馏效应。另外对于绝大多数材料而言，波长越短则光子能深入样品的穿深越浅，这样每发深紫外激光脉冲剥离的样品厚度既均匀且可控，能出色的完成逐层剥离的工作，如此不仅可做到高精度x-y轴二维空间扫描，还可实现z轴纵深层析扫描。

平顶光斑： 准分子激光器原始出射光斑就是平顶光斑，意味着作用在剥蚀点上的能量密度高度均匀，避免其他种类高斯光束造成的中央过剥蚀和边缘欠剥蚀问题。图1为ATLEX-193准分子激光器的出射平顶光斑，光斑尺寸为4x6mm,发散角为1x2 mrad； 图2为增加外光路小孔光阑后的圆形平顶激光光斑，当然也可更换矩形小孔光阑而得到矩形平顶光斑。再于光路中增加聚焦镜，结合其193nm短波长的优势，则极限可做到亚微米级别的工作光斑大小。对OEM用户而言，较常见的选择是作用到样品上实现在2um到400um大小可变的平顶光斑可调。（之所以一般不选择聚集到1um或亚微米的衍射极限是因为采样面积越小则可剥离的样品量就越少，这是一个采谱信噪比和空间分辨率的平衡）

图3.ATLEX-193激光剥蚀锆石靶材后不同尺寸剥蚀坑的电镜图，可见坑底和坑边都保持良好均匀度

高能量稳定性 ：ATL所有系列均配备能量稳定模式，脉冲脉冲能量波动<3%。该模式通过实时监测每个脉冲的能量并与设定值进行闭环比较，主动调节放电电压以补偿波动，从而实现高稳定性输出。对于基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）和光解离串联质谱，稳定的激光能量直接转化为碎片离子产额的重现性，确保肽段测序和生物标志物定量的可靠性。

高重复频率（最高1000 Hz） ：常规系统300Hz或500Hz重复频率；ATLEX-1000-I型可实现1000 Hz重复频率输出，搭配快速扫描台或电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS），理论像素采集速率可达1000像素/秒，极大提升了元素成像和高通量筛选的效率。

全风冷设计与全固态高压开关，免维护运行：ATL所有系列均标配风冷（可选液冷），显著降低系统复杂性和长期运行成本。全固态高压开关无磨损部件，结合全金属陶瓷管路（TMC）和软电晕预电离技术，气体寿命长，维护间隔可达数月，且可培训客户自主常规维护。

紧凑结构与易集成性：ATLEX-I激光头体积<3 L，整机尺寸540×470×370 mm（电脑机箱大小），重量60 kg，配有多种标准通信接口（RS485、RS232、USB、光纤），可轻松集成到商用质谱仪器或定制化实验平台中。

图4.用户选择ATLEX-193做为激光剥离设备核心光源

2. ATL全系列激光器产品概览

ATL公司以小型化、风冷、高重复频率准分子激光器著称。产品采用软电晕预电离、全固态高压脉冲发生器、激光头容积<3 L、全金属-陶瓷管路（TMC）等一系列创新设计，以满足工业级应用的严苛需求。ATL激光器提供以下系列^[3]：

（1）ATLEX-I系列 ：标准型，分为ATLEX-300-I（300 Hz）、ATLEX-500-I（500 Hz）和ATLEX-1000-I（1000 Hz）三个型号，支持F₂（157 nm）、ArF（193 nm）、KrF（248 nm）、XeCl（308 nm）、XeF（351 nm）五种波长输出。

（2）ATLEX-LR系列：专为激光剥蚀优化的高能量系统，193 nm输出，脉冲能量高达12 mJ（稳定模式4 mJ），脉冲宽度<5 ns，上升沿极快，专为激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）设计。

（3）ATLEX-FBG系列：专为光纤布拉格光栅刻写设计，提供ATLEX300FBG和ATLEX500FBG两个型号。

3.ATL准分子激光器在质谱分析中的主要应用

3.1 激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）

激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）是目前固体样品微区元素及同位素分析的主流技术。ATL系列的短脉冲激光已被广泛应用于各类分析工具中，例如连接激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）/电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）光谱分析的高通量准分子激光烧蚀系统^[3]。ATL公司早在1996年就已将ATLEX激光器集成到Optec的MicroMaster微加工工作站中，时至今日，ATL紧凑型准分子激光已成功集成到多家激光系统制造商的主流激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）系统中，确立了在激光烧蚀元素分析领域的标杆地位^[3]。

ATLEX-I系列的193 nm波长深紫外激光是激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）的理想光源。对于更高能量要求的剥蚀应用，ATLEX-LR系列提供12 mJ脉冲能量（稳定模式4 mJ）和<5 ns的脉宽，其极快的脉冲上升沿和高峰值功率有助于提高剥蚀颗粒的气溶胶化效率，减少元素分馏效应^[3]。

图5：准分子激光剥蚀电感耦合等离子体质谱与光谱联用分析仪结构示意图

3.1.1 高空间分辨率元素成像

Doble等人2021年发表于Chemical Reviews的综述系统回顾了激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）成像技术在生物学中的应用，涵盖癌症分析、元素吸收积累、植物生物成像、环境纳米材料及神经科学等领域^[6]。该综述表明，具有高峰值功率密度的193 nm准分子激光烧蚀系统是目前实现高空间分辨率（典型值5–10 μm，前沿研究可达亚微米级）元素成像的关键工具^[6]。ATLEX-I系列以其稳定的短脉冲输出和高重复频率（最高1000 Hz），可实现大面积高分辨率元素分布图的快速构建。

在成像速度方面，2025年Basabe-Mendizabal等人的研究展示了纳秒193 nm ArF基kHz激光器与低色散管状烧蚀池联用，配合电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）分析仪，单脉冲响应持续时间低于1 ms，理论像素采集速率可达1000 像素/秒^[5]。中国科学院高能物理研究所王萌研究员团队引入新一代电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）系统（icpTOF 2R），结合193 nm准分子激光高速烧蚀系统，将成像速度提升1–2个数量级，空间分辨率可达1 μm^[7]。

3.1.2 地质年代学与矿物分析

激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）在地球科学领域有着深厚而广泛的应用，ATL激光器广泛应用于材料科学、地质学、岩石学和生命科学领域^[3]。准分子激光烧蚀系统可与主流电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）质谱仪配合使用，采用193 nm紫外激光聚焦照射样品，以高峰值功率进行激光烧蚀，形成分析物后由载气输送到电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析^[8]。激光光斑尺寸可从2 μm至380 μm灵活调节，可对锆石、独居石、斜锆石、金红石、楣石、磷钇矿等独立矿物或抛光薄片进行U-Th-Pb地质年代学原位分析。

3.1.3 单细胞分析与金属纳米颗粒定量

激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）已发展成为单个细胞元素定量分析的强大工具。2025年发表的一项研究提出了一种新颖的颗粒质量校准策略，用于通过激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）定量分析单个癌细胞中的金纳米颗粒（AuNPs），该方法在三个月内三个独立工作批次证明了更好的准确性和重复性^[9]。此外，该团队还利用电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）的快速分析优势，实现了单个细胞内金纳米颗粒和银等纳米颗粒的绝对定量，并开发了元素指纹-源解析模型，通过分析大气颗粒物中的“元素指纹”辨析大气颗粒物的工业污染源与天然来源^[7]。

3.2 能保持90%蛋白质完整转移率的微区激光剥蚀取样

193nm深紫外激光剥蚀取样技术常规的理解是光子能量高，是很难做到在保持蛋白质分子完整的条件下剥蚀样品的。如图6. Murray小组将牛血清蛋白质样品以约50um厚度涂敷于熔融石英载玻片后，再底部翻转朝上，193nm激光穿透石英玻璃载玻片，打在50um蛋白质样本的背面，此脉冲激光击碎了约几微米的一层蛋白质，这些被击碎的蛋白质碎片充当了“被牺牲的基质”，将贴在上层的>90%的完整蛋白质解附出来，可用于后续的质谱检测^[2]。为了验证此深紫外激光背向剥蚀法可保持多数蛋白质的完整，Murray小组收集这些解附掉落的蛋白质重新溶解，接入LC-MS/MS液相质谱与质谱联用系统分析,验证了保持完整转移的牛血清蛋白。

图6：准分子激光背向剥蚀采样法

另外演示了使用193 nm ArF准分子激光对脑组织切片进行微区烧蚀，获得了空间定位明确的蛋白质表达图谱^[2]。

核心实验数据：

完整蛋白质捕获率：1）对50um厚牛血清白蛋白（BSA）标准品进行193 nm激光烧蚀，在0.3 J/cm²激光通量下，蛋白质完整转移率达到约90%。

2）对50 μm厚度大鼠脑组织烧蚀取样，获得每平方毫米约2 μg蛋白的收率。

高空间分辨鉴定：0.06 mm²极小组织区域中鉴定出约85种蛋白质；1 mm²区域中扫描鉴定出约2400种蛋白质。

图7.经193 nm 激光剥蚀后的仍保持完整的牛血清蛋白

3.3 真空紫外激光电离157nm与大气环境激光电离193nm

193 nm ArF准分子激光因极高的单光子能量，可从硬组织、不溶性聚合物等特殊样品中直接电离分析物。

193 nm波长还被广泛用于串联质谱中肽段离子的光解离测序。193 nm准分子激光光解离与基质辅助激光解吸电离飞行时间/飞行时间质谱（MALDI-TOF/TOF-MS）联用可实现小到中等大小肽段的灵敏测序^[10]。在激光解吸后电离（LDPI）方向，ATLEXI的157 nm F₂准分子激光（7.87 eV）可进行真空紫外单光子电离（VUV-SPI），在高盐环境样品分析中可避免基质干扰。在大气压激光电离（APLI）技术中，Bruker Daltonics开发的大气压激光电离（APLI）源采用ATLEXI系列激光器进行两步吸收电离，对多环芳烃（PAH）检测在1 ppb浓度下信噪比>100:1。

3.4 单颗粒气溶胶飞行时间质谱（LAAPTOF）

ATLEXI系列已被集成到激光烧蚀气溶胶飞行时间质谱（LAAPTOF）系统中，对每个气溶胶颗粒记录粒径及正负离子飞行时间质谱（TOF-MS）。系统可有效传输粒径达2.5 μm的颗粒物，最高分析频率300 Hz，可区分气溶胶颗粒的内部混合和外部混合状态，应用于环境气溶胶分析、实验室气溶胶表征、工业过程控制以及基础科学研究^[3]。

图8：LAAPTOF结构示意图

4.先锋科技——ATL中国唯一官方独家代理与专业技术服务体系

先锋科技股份有限公司是德国ATL Lasertechnik GmbH在中国区域的官方独家代理。先锋科技拥有一支经ATL原厂培训的专业技术服务团队，可提供现场安装调试、操作培训；国内设有核心备件库存，实现快速响应（紧急故障48小时内上门），并提供远程与现场维修为国内用户从选型咨询到售后维护提供全方位保障。

5.总结与展望

ATL公司产品线覆盖标准型ATLEX-I、激光剥蚀专用ATLEX-LR及光纤光栅刻写专用ATLEX-FBG，支持157 nm至351 nm多波长输出。其中ATLEX-I系列以超短脉冲宽度（5–8 ns）、优异能量稳定性（<3%）、全风冷紧凑结构及平顶光束，为LA-ICP-MS元素成像、MALDI-MS组织定位、生物分子微区取样及单颗粒气溶胶分析等质谱应用提供了高品质紫外光源。最新研究证明193 nm准分子激光烧蚀系统正推动元素成像向高通量（1000像素/秒）和高分辨率（≤1 μm）迈进。

随着空间蛋白质组学、单细胞分析和原位元素成像等前沿领域的发展，对紧凑型、高重频深紫外准分子激光器的需求将持续增长。ATL全系列产品依托德国尖端技术，结合先锋科技（中国独家代理）的专业技术服务与快速响应保障，将为国内用户提供从选型到维护的全方位支持。

参考文献

[1] ATL Lasertechnik GmbH. ATLEXI：新一代紧凑型风冷高重复频率准分子激光器（产品规格书）.

[2] Lawal RO, Richardson LT, Dong C, et al. Deepultraviolet laser ablation sampling for proteomic analysis of tissue. Analytica Chimica Acta, 2021, 1184: 339021.

[3] ATL Lasertechnik GmbH. Analytical Applications：High Resolution LAICPMS Systems. https://atl-laser.de/analytical.html

[4] 先锋科技股份有限公司. 德国ATL Lasertech准分子激光器ATLEXI. https://teo.com.cn/show/278/827.html

[5] Basabe-Mendizabal I, Maeda R, Goderis S, Vanhaecke F, Van Acker T. Boosting the Pixel Acquisition Rate of Elemental Mapping with Laser Ablation-ICP-Mass Spectrometry to 1000 Hz. Analytical Chemistry, 2025, 97(12): 6481–6488.

[6] Doble PA, Gonzalez de Vega R, Bishop DP, et al. Laser Ablation–Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry Imaging in Biology. Chemical Reviews, 2021, 121(19): 11769–11822.

[7] 金属组学为空间多组学注入元素成像新维度. 中国光谱学会, 2025.

[8] Resolution准分子激光烧蚀系统用于ICP-MS电感耦合等离子体-质谱. 2022.

[9] Bazo A, Bolea-Fernandez E, Billimoria K, et al. A Novel Particle Mass Calibration Strategy for the Quantification of AuNPs in Single Cancer Cells via Laser Ablation ICP-Mass Spectrometry. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2025.

[10] Hettick JM. Optimization and utilization of MALDI 193nm photofragment timeofflight mass spectrometry for peptide sequencing. Doctoral Dissertation, Texas A&M University, 2004.