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      一種用于質譜儀器的改進接口的制作方法

      文檔序號:6213679閱讀:231來源:國知局
      一種用于質譜儀器的改進接口的制作方法
      【專利摘要】本發(fā)明提供一種供質譜儀采樣離子使用的接口,布置該接口使之能夠接受來自離子源的大量離子,并由此形成超過1個離子束,每一離子束的方向沿著各自所需通路。
      【專利說明】一種用于質譜儀器的改進接口

      【技術領域】
      [0001]本發(fā)明涉及質譜分析中或與之相關的改進。特別地,本發(fā)明涉及用于質譜儀器的采樣接口的改進。一方面,本發(fā)明涉及用于一種電感耦合等離子體質譜儀的采樣接口。

      【背景技術】
      [0002]在本說明書中,在提及或論述到文檔、知識條例或項目時,所述提及或論述并非承認所述文檔、知識條例或項目或者其任意組合在 優(yōu)先權日:已是公眾已知信息的一部分;或者,已知是與嘗試解決與本說明書所涉及任何問題的努力相關。
      [0003]質譜儀是用于測量或分析帶電粒子的質荷比的設備,可確定樣本或分子的元素組成。
      [0004]有多種不同技術可用來滿足此類測量目的。一種質譜形式涉及使用一種生成等離子體的電感耦合等離子體(ICP)。等離子體使得樣品蒸發(fā)并且發(fā)生離子化,樣品產生的離子被引入質譜進行測定/分析。
      [0005]由于質譜儀需要在真空環(huán)境下運行,從等離子體中提取和轉移離子是讓等離子體形成的一小部分離子穿過取樣器上尺寸約Imm的孔,然后穿過截取器上尺寸約0.5mm的孔(通常分別稱為取樣器和截取錐)。
      [0006]現(xiàn)有技術中質譜儀器配置存在一些問題,其會降低測定靈敏度。目前已提出許多解決這些問題的方案。Houk 等(“Simultaneous Measurement of 1n Rat1sby Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry with a Twin-QuadrupoleInstrument”,Applied Spectroscopy, Vol.48, Issue 11,pp.1360-1366 (1994))提出一個解決辦法,即將離子光學裝置內的單一離子束分為2個獨立和分離的離子束流。但這一布置的潛在缺陷是在“分割”機制中很容易發(fā)生離子丟失,這樣低能量的離子會偏離其預定飛行軌跡,而高能量的離子會影響這一機制周圍的壁。出于這些和其它原因,基于這一方法獲得的質譜分析不太可能用于商品化的質譜裝置。


      【發(fā)明內容】

      [0007]根據(jù)本發(fā)明的第一個主要方面,本發(fā)明提供一種供質譜儀采樣離子使用的接口用于后續(xù)質譜分析,該接口能夠接受來自離子源的大量離子,并由此形成超過I個離子束,每一離子束的方向沿著各自所需通路。
      [0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面的一個實施例,該接口可適宜布置用于將位于離子源處或其附近的離子分為獨立的離子束,其各自可沿質譜儀內所需通路傳輸。每一通路基本用一個離子檢測裝置終結。在離子源處或其附近形成多個離子束的一個顯著優(yōu)勢是,形成的離子束會更為穩(wěn)定,可提升測量的靈敏度。因此本發(fā)明的布置與現(xiàn)有裝置相反,即離子束分離發(fā)生在離子光學裝置中,這經(jīng)常會導致質譜測量質量差且不穩(wěn)定。
      [0009]在一個實施例中,該接口具有多孔,每一個孔對應于所形成的一個光束。
      [0010]還可布置該接口使兩個或更多的所需通路基本彼此平行。
      [0011]該接口還可基本平坦或呈曲線形。在一些實施例中,該接口可以呈內凹或外凸形。
      [0012]還可布置該接口使其接收偏置電壓。
      [0013]該接口可包含一個或多個可充電元件,這樣能夠施加偏置電壓。依照一個實施例,單個可充電兀件可包含一根電極。
      [0014]在接口或一個或每一可充電元件上施加的偏置電壓可以與離子源處電壓相反。
      [0015]一個或每一可充電元件可以基本平坦,或可以是曲線形(例如,內凹或外凸形)。
      [0016]一個或每一可充電元件可具有多孔,每一個孔對應于所形成的一個光束。
      [0017]兩個或更多的所需通路可能會被衰減(例如,使用合適配置的離子光學裝置)這樣離子可被導向或穿過一個質譜分析儀裝置(這會包括一個質量分析器裝置和一個相關的離子檢測器裝置)。
      [0018]質量分析器裝置的布置可基本彼此平行,這樣可以將裝置/設備的總足跡和/或分布最小化。在這種布置中,離子檢測器裝置通常也配置為彼此平行。
      [0019]質量分析器的布置可能包括具有一個或多個靜電極的質量分析器裝置。優(yōu)選質量分析器的布置包括系列多極質量分析器裝置,其配置有,例如,單極桿、雙極桿、四極桿裝置。這種布置相對經(jīng)濟且體積較小。但需要說明的是,本發(fā)明原理可采用其它類型的質量分析器裝置,例如同步(如多重采集器磁質譜儀(MC-1CP-MS))或飛行時間(例如,電感耦合質譜儀(TOF-1CP-MS))裝置,盡管這種裝置會昂貴且體積較大。一方面,多重采集器質量分析器裝置通常僅具有少數(shù)采集器(檢測器),并在某些同位素質量范圍內操作(在商品化可接受程度的可靠度)。
      [0020]使用本發(fā)明的各個實施例,可適宜布置質譜儀器使一個或多個所選質量分析器裝置(通常包括離子檢測器裝置)可測量獨立于和/或平行于其它質量分析器裝置的次級離子流。
      [0021]因此本發(fā)明的實施例還可提供一個包含質量分析器陣列,其包含多個質量分析器裝置(通常帶有其相關的離子檢測器裝置)。優(yōu)選,質量分析器裝置呈彼此基本平行的布局方式。此種布置方式的一個優(yōu)點在于能夠降低質譜測定時間和/或提高同位素比例測定精確度和準確度。
      [0022]每一獨立的離子束可由接口在近似大氣壓下生成。但需要說明的是,獨立的離子源也可由接口在較高或較低壓力下生成。
      [0023]需要說明的是,在本發(fā)明的多個實施例中,以及本文件中所述的任何布置,離子束分離可在從離子源至質量檢測器通路的任何階段實現(xiàn),包括但不限于示例:
      [0024].在質量分析器前;和/或
      [0025].在離子光學裝置前(如有);和/或
      [0026]?在接口處;和/或
      [0027].在離子束操作腔室內,例如離子冷卻或離子熱化裝置,和/或靜電碰撞池裝置。
      [0028]因此,對于等離子體質譜儀,本發(fā)明的布置是有幫戰(zhàn)的,其可輔助生成穩(wěn)定的多離子束,并避免,至少部分,對等離子體條件的依賴性,后者可能會在操作中改變(例如在電感耦合質譜儀裝置內)。在大多數(shù)情況下,向質量分析器裝置注射時,離子束流穩(wěn)定性提高有助于提高所分析元素的質譜測定精確度。
      [0029]根據(jù)本發(fā)明的另一個主要方面,本發(fā)明提供一種供質譜儀采樣離子使用的接口用于后續(xù)質譜分析,該接口能夠接受來自離子源的大量離子,并形成超過I個離子束,每一離子束的方向沿著各自所需通路。
      [0030]采樣接口可能包括一個依據(jù)本發(fā)明第一個主要方面的任何實施例布置的接口。
      [0031]在另一個實施例中,一個或多個通路被衰減從而通過至少一個碰撞池或反應池。
      [0032]一個或多個通路可能會衰減從而通過各自的質量分析器裝置。
      [0033]在一個實施例中,采樣接口包含一個形成多個離子束的接口裝置,每一離子束具有通過各自的質量分析器裝置的通路。
      [0034]質量分析器裝置的布置可基本彼此平行,這樣可以將裝置/設備的總足跡和/或分布最小化。
      [0035]可使用一個離子光學設備來衰減一個或多個通路。
      [0036]兩個或多個通路可布置為基本彼此平行。
      [0037]在另一實施例中,一個或多個質量分析器裝置包含多級桿質量分析器裝置。
      [0038]一個或多個離子束可通過接口下游區(qū)域,這一布置可使離子碰撞散射降至最低。
      [0039]在一個實施例中,采樣接口可能包含一個供離子通過的載氣接口下游的區(qū)域。
      [0040]在另一個實施例中,在至少一部分離子通過的下游區(qū)域中提供一個所選偏置電壓場。
      [0041]具有所選偏置電壓的電場可以位于離子束分離為多個分開的離子束之處的上游或下游。在一些實施例中,電場可位于離子束被分離之處上游,而且另一大體類似的電場可位于分離之處下游。
      [0042]電場的偏置電壓可以為正偏置電壓。
      [0043]通常離子的能量成分可隨其以這種方式通過電場而增加。
      [0044]可以選擇電場的偏置電壓從而減少離子通過下游區(qū)域電場時離子與其他粒子碰撞產生的碰撞散射。
      [0045]可依據(jù)當離子通過下游區(qū)域時因氣體粒子碰撞所致離子動量改變的相關性選擇電場的偏置電壓,從而減少碰撞散射。
      [0046]可選擇電場的偏置電壓,從而使抵達質譜儀器檢測器的離子的信號強度(或靈敏度)盡可能地強。相應地,當信號強度達到最大值時,碰撞散射程度應為最低。
      [0047]在一個實施例中,施加至電場的偏置電壓為下游區(qū)域中發(fā)生的離子碰撞所致離子能量丟失的函數(shù)。
      [0048]在另一實施例中,可依據(jù)下游區(qū)域中氣壓相關性來選擇電場的偏置電壓,從而減少碰撞散射。因此,可設置電場的偏置電壓,從而使其能夠隨下游區(qū)域中氣壓變化而變化。
      [0049]下游區(qū)域中氣壓改變,例如壓力增大,可能導致發(fā)生的例子碰撞數(shù)量呈可度量程度地增加。因此,在一個實施例中,可以選擇改變施加在電場上的偏置電壓,從而使下游區(qū)域中氣壓的任何改變(例如增加)能夠被度量。但由于下游區(qū)域中氣壓增加所致離子碰撞數(shù)量發(fā)生可度量地增加可能不能直接計算為離子碰撞散射的同等程度的增加。這是因為碰撞散射通常是離子能量和/或離子發(fā)生碰撞前速度的函數(shù)。
      [0050]相應地,在電場上施加的偏置電壓通常為因離子碰撞所致離子碰撞散射的函數(shù),而且,至少在一個實施例中,可以選擇偏置電壓從而確定產生最大數(shù)量的抵達質譜儀器檢測器的離子(即使碰撞散射降至最低)的偏置電壓量級。
      [0051]值得注意的是,可在電場上施加任何量級的偏置電壓。
      [0052]雖然設計了其它布置,但下游區(qū)域將通常為,至少部分,由一個密封的腔室界定,這樣該腔室內的密封氣體可處于加壓狀態(tài)。
      [0053]在一個典型的實施例中,下游區(qū)域為,或形成部分,一個碰撞反應接口(CRT)。
      [0054]本發(fā)明第一和第二主要方面的實施例可能包含以下任何一項或多項特征:
      [0055]離子源可處于大氣壓下。
      [0056]通常離子源為電離耦合等離子體(ICP)生成的等離子體,雖然其它離子源設計包含在本發(fā)明范圍內。
      [0057]在本發(fā)明上述方面的一個實施例中,可布置采樣接口從而使其與一個電壓源通電,從而可以向該電場施加偏置電壓。電壓源可與接口分開,或其可裝在接口上。
      [0058]在本發(fā)明上述方面的另一個實施例中,可通過配置一個可充電元件來提高電場的偏置電壓,從而使其與電壓源通電。在本實施例中,可充電元件位于該區(qū)域內,這樣電場可根據(jù)離子所需通路定位,從而使通過的離子從電場獲得能量電勢。
      [0059]在一個此類的實施例中,可充電元件可能具有一個小孔,離子可從中通過。
      [0060]在另一實施例中,布置可充電元件從而將通過的離子分為多數(shù)單獨的離子束。在這類布置中,采用根據(jù)本發(fā)明第一主要方面接口的實施例基本類似的方式布置可充電元件。
      [0061 ] 在另一實施例中,布置可充電元件使其與地線絕緣。
      [0062]可用接口支撐可充電元件。在一種配置中,可充電元件用接口下游側支撐。
      [0063]下游區(qū)域將通常為,至少部分,由一個密封的腔室界定,這樣該腔室內的密封氣體可處于加壓狀態(tài)。
      [0064]在另一典型的實施例中,可充電元件與界定下游區(qū)域的腔室壁絕緣。
      [0065]當下游區(qū)域由一個腔室界定時,通常由一個或多個腔室壁來支撐可充電元件。
      [0066]下游區(qū)域中填充的氣體可以是通常已知的氦氣或氫氣中的至少一種或其混合物。可按需要在下游區(qū)域中填充另一適宜氣體或兩種或多種其它適宜氣體的混合物。
      [0067]在另一實施例中,采樣接口包含一個用于從離子源提取離子的入口組成。
      [0068]在另一實施例中,該入口的布置可以使提取的離子被分為各自分開的離子束。
      [0069]在一個實施例中,該入口的形狀可以呈近似錐形,在錐頂處或附近有一個孔??沙潆娫男螤钜部沙式棋F形,在錐頂處或附近有一個孔。在這一布置中,入口和可充電元件上的孔基本上彼此同心。
      [0070]在其它實施例中,無論形狀如何,入口可包含多孔,這樣提取的離子可分為各自分開的離子束。因此可布置下游組件以滿足入口處分開的離子束數(shù)量需求。對于入口僅供提取單束離子的情況,無論形狀如何,入口可包含多孔,這樣提取的離子可分為各自分開的離子束。對于每一上述實施例入口或可充電元件可基本平坦或呈曲線形(即內凹或外凸形)。
      [0071]根據(jù)一個實施例,該入口為一個具有采樣錐的采樣器,可充電元件為具有截取錐的截取器。
      [0072]在另一實施例中,該腔室包含一個進氣口,氣體或混合氣體可注入該腔室。在此布置的一個實施例中,可充電元件具有一個進氣口,可將氣體注入該腔室。
      [0073]根據(jù)其它實施例,該腔室可包括一個通常位于入口下游處以及接口上游(或基本在入口和接口中間)的離子光學裝置。合適的離子光學裝置可包括但不限于一個“彎角”或“鏡像”類型的離子光學裝置。
      [0074]本文件中所述米樣接口的任何布置可以包括一個或多個碰撞池??刹贾迷撆鲎渤鼗蚱渌鲎渤厥蛊淠軌蛉菁{一種或多種反應或碰撞氣體,諸如氨氣、甲烷、氧氣、氮氣、氬氣、氖氣、氪氣、氙氣、氦氣或氫氣或其中任何兩種或多種的混合氣體,用來與從等離子體中提取的離子進行反應。應當認識到,這里不能列舉所有示例,但還有許多其它氣體或者其組合可為在此碰撞池中使用。
      [0075]在這類碰撞池裝置中可能會將離子分離為分開的離子束。在一些實施例中,可能在碰撞池入口處發(fā)生尚子分尚。
      [0076]因此,可設置電場的偏置電壓,從而使其能夠隨每一碰撞池中氣壓變化而變化。
      [0077]每一碰撞池可能包含一個或多個四級桿裝置。
      [0078]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,在本發(fā)明中提供一種根據(jù)上述本發(fā)明主要方面中任一實施例的接口或采樣接口,其中可布置采樣接口使其兼容下列質譜分析儀器中的至少一種:氣壓等離子體離子源(可使用低壓或高壓等離子體離子源)質譜分析,諸如ICP-MS、微波等離子質譜分析(MP-MS)或輝光放電質譜分析(GD-MS)或光學等離子質譜分析(如激光感應等離子體)、氣相色譜質譜分析(GC-MS)、液相色譜質譜分析(LC-MS)和離子色譜質譜分析(IC-MS)。而且,其它離子源可能包括但不限于,電子轟擊(EI),實時直接分析(DART),解吸附電噴霧(DESI),流動大氣壓輝光(FAPA),低溫等離子體(LTP),介質阻擋放電(DBD),氦等離子體(HPIS),解吸附大氣壓光子(DAPPI),大氣壓或者常壓解吸附(ADI)。有經(jīng)驗的讀者可能會意識到后面的清單并未打算詳盡列明,因為質譜分析的其他開發(fā)領域也可能會從本發(fā)明的原理中獲益。
      [0079]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種根據(jù)上述任一實施例的具有一種采樣接口的質譜儀。
      [0080]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種根據(jù)上述任一實施例的具有一種采樣接口的電感耦合等離子體質譜儀。
      [0081]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種用于等離子體質譜儀器的等離子體采樣接口,布置該等離子體采樣接口使其能夠對來自等離子體的離子進行采樣,并將離子引入質譜儀用于后續(xù)質譜分析,從樣本中采樣的離子已轉換為等離子體中的離子,布置等離子體采樣接口用于接收從離子源中提取的大量離子并形成多個離子束,每一離子束沿各自所需通路傳輸。
      [0082]本方面的采樣接口可整合上述任一特征。
      [0083]采樣接口可配置一個根據(jù)本發(fā)明第一主要方面實施例的接口,該接口能夠形成多個離子束,每一離子束沿各自所需通路傳輸。
      [0084]可布置等離子體采樣接口具有一個下游區(qū)域,該區(qū)域能夠填充氣體,從等離子體中接收的離子可通過該氣體。
      [0085]等離子體采樣接口還可包含一個位于采樣器和接口之間的電場,在至少部分離子通過區(qū)域中提供一個所需偏置電壓。
      [0086]在一個實施例中,提供一個截取器并布置在采樣器下游??刹贾貌蓸悠骱徒厝∑鲗碜缘入x子體的離子進行采樣,用于引入質譜儀。
      [0087]還可布置米樣接口從而使其與一個電壓源通電,從而可以向該電場施加偏置電壓。電壓源可與接口分開,或者可與接口布置在一起。
      [0088]在一個實施例中,通過可充電元件,例如截取器或截取錐來提供電場的電壓。
      [0089]通過布置至少一個可充電元件、截取器或采樣器可將離子分為多個分開的離子束,布置方式與上述接口基本相同。
      [0090]可以選擇電場的偏置電壓從而減少離子通過下游區(qū)域時離子與其他粒子碰撞產生的碰撞散射。
      [0091]在一個實施例中,可依據(jù)當離子通過下游區(qū)域時因氣體粒子碰撞所致離子動量改變的相關性選擇施加在截取器上的偏置電壓。
      [0092]在另一個實施例中,可以選擇施加在截取器上的偏置電壓從而減少離子通過下游區(qū)域電場時尚子與其他粒子碰撞產生的碰撞散射。
      [0093]在另一實施例中,可依據(jù)區(qū)域中氣壓相關性來選擇施加在截取器上的偏置電壓,從而減少碰撞散射。
      [0094]在一個典型的實施例中,布置電壓源從而使施加在截取器上的偏置電壓可隨區(qū)域內氣壓改變而改變。
      [0095]在另一實施例中,布置截取器使其與地線絕緣。施加在截取器上的偏置電壓可以為正偏置電壓。
      [0096]可從入口支撐截取器。在一種配置中,可充電元件用入口下游側支撐。
      [0097]在一個實施例中,下游區(qū)域將通常為,至少部分,由一個密封的腔室界定,這樣該腔室內的密封氣體可處于加壓狀態(tài)。
      [0098]截取器的形狀可以呈近似錐形,在錐頂處或附近有一個孔。采樣器(如有)的形狀也可呈近似錐形,在錐頂處或附近有一個孔。在這一實施例中,入口和可充電元件上的孔可布置為基本上彼此同心。
      [0099]在其它實施例中,無論形狀如何,入口可包含多孔,這樣提取的離子可分為各自分開的離子束。因此可布置下游組件以滿足入口處分開的離子束數(shù)量需求。對于入口僅供提取單束離子的情況,無論形狀如何,入口可包含多孔,這樣提取的離子可分為各自分開的離子束。對于每一上述實施例入口或可充電元件可基本平坦或呈曲線形(即內凹或外凸形)。
      [0100]在另一實施例中,該腔室鄰近截取器下游面。
      [0101]在另一實施例中,該腔室包含一個進氣口,氣體或混合氣體可注入該腔室。截取器可提供一個用于將氣體注入該腔室的進氣口。
      [0102]根據(jù)其它實施例,該腔室可能包含通常位于截取器下游的一個離子光學裝置。合適的離子光學裝置可包括但不限于一個“彎角”或“鏡像”類型的離子光學裝置。
      [0103]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種根據(jù)上述任一實施例的具有一種采樣接口的質譜儀。
      [0104]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種根據(jù)上述任一實施例的具有一種等離子體采樣接口的電感耦合等離子體質譜儀。
      [0105]根據(jù)本發(fā)明的另一主要方面,本發(fā)明提供一種測量從樣品中提取大量離子的方法,該方法包括形成多個離子束,將所述多個離子束沿各自預定通路方向傳輸?shù)街辽僖粋€離子檢測器。
      [0106]該方法還包括導向一個或多個所述離子束從而使其通過具有離子可能通過的氣體的區(qū)域。在至少一部分離子通過的下游區(qū)域中通常提供一個所選偏置電壓場。
      [0107]還可布置該區(qū)域使其填充離子束可從中通過的氣體??蛇x擇具有使碰撞散射降低或最小化的氣體。
      [0108]該方法還包括操作或使用任一上述特征的相關步驟。

      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0109]現(xiàn)在將僅通過示例的方式,參照一個或多個附圖進一步解釋和說明本發(fā)明的實施例:
      [0110]圖1示電感耦合等離子體質譜儀器的一種布置的示意圖;
      [0111]圖2示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0112]圖3示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0113]圖4A示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0114]圖4B示圖4A所示質量分析器中A1-A2的橫截面;
      [0115]圖5A示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0116]圖5B示圖5A所示質量分析器中B1-B2的橫截面;
      [0117]圖6A至6C均顯示可與質譜儀器聯(lián)用的各個提取透鏡的各種布置方式;
      [0118]圖7示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0119]圖8示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0120]圖9A示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0121]圖9B示供根據(jù)本發(fā)明布置的質譜儀器所使用的另一種質量分析器布置實施例的示意圖;
      [0122]圖10示電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)儀器的一種實施例布置的示意圖,其可與本發(fā)明聯(lián)用。
      [0123]圖11示ICP-MS儀器的另一種實施例的示意圖,其可與本發(fā)明聯(lián)用。
      [0124]圖12示圖11所示ICP-MS儀器實施例的一種變化形式;
      [0125]圖13示ICP-MS儀器的另一種實施例的示意圖,其可與本發(fā)明聯(lián)用。
      [0126]圖14示圖13所示ICP-MS儀器實施例的一種變化形式;以及,
      [0127]圖15示圖14所示ICP-MS儀器實施例的另一種變化形式;

      【具體實施方式】
      [0128]為簡便起見,將具體針對電感耦合質譜分析(ICP-MS)設備描述本發(fā)明的多個實施例。然而,應當認識到,上述實施例的內容可直接應用到任何質譜分析儀器,包括具有任何碰撞環(huán)境布置的類型(包括但不限于多級碰撞或反應池),可用于選擇性離子顆粒物破碎、稀釋、反應、碰撞散射、操縱以及為了修改質譜而進行的重新分配。
      [0129]因此,以下質譜分析設備可從本發(fā)明的原理中獲益:氣壓等離子體離子源(可使用低壓或高壓等離子體離子源)質譜分析,諸如ICP-MS、微波等離子質譜分析(MP-MS)或輝光放電質譜分析(GD-MS)或光學等離子質譜分析(如激光感應等離子體)、氣相色譜質譜分析(GC-MS)、液相色譜質譜分析(LC-MS)和離子色譜質譜分析(IC-MS)。而且,其它離子源可能包括但不限于,電子轟擊(EI),實時直接分析(DART),解吸附電噴霧(DESI),流動大氣壓輝光(FAPA),低溫等離子體(LTP),介質阻擋放電(DBD),氦等離子體(HPIS),解吸附大氣壓光子(DAPPI),大氣壓或者常壓解吸附(ADI)。有經(jīng)驗的讀者可能會意識到后面的清單并未打算詳盡列明,因為質譜分析的其他開發(fā)領域也可能會從本發(fā)明的原理中獲益。
      [0130]以ICP-MS設備為例做簡要說明,通常使用“Campargue”類型配置的等離子采樣接口來生產離子并將其從測試樣本轉移到質譜儀。這種配置的接口通常包括兩個電氣接地組件:第一個組件通常被稱為取樣器(或取樣錐),將其置于等離子體附近,充當接收等離子體所產生離子的入口 ;第二個組件通常被稱為截取器(或截取錐),位于取樣器下游,使離子穿過其進入質譜儀。截取器通常包含供離子穿過的孔。布置取樣器和截取錐之目的是讓離子進入(通過相應的孔)質譜儀運行所需的真空環(huán)境。一般通過布置多級泵可產生和維持真空,其中的第一級嘗試去除與等離子體有關的大多數(shù)氣體。一個或多個后續(xù)真空級可用于在離子到達質譜儀之前,進一步凈化氣體。在大多數(shù)系統(tǒng)中具有離子光學系統(tǒng)或提取透鏡裝置,這布置在截取器的下游,用于將離子與UV光子、高能中性粒子和任何其他可能被從等離子體帶入儀器的固體粒子分離。
      [0131]一般的ICP質譜儀從離子源提取離子束,該離子束沿預期路徑作為單一離子束運動,并相繼穿過所有質譜儀隔間。樣本引入系統(tǒng)為離子源供應要進行材料。離子源是質譜儀設備的一部分,它將產生離子,然后再通過提取器或接口將離子提取到離子光學隔間。離子可在等離子體中形成或通過其他已知方式生成,可采用的技術諸如,通過其他粒子(電子、中性粒子、離子、光子、化學離子等)的感應或通過場(電場和/或磁場)。離子源可在多種不同壓力條件下運行,如大氣壓或其他具有較高或較低壓力條件的環(huán)境。
      [0132]大多數(shù)質譜儀器通常包括一個或多個離子光學裝置,該裝置經(jīng)過配置,會將離子聚焦并使其移動到離子束操縱器(如果使用)中,諸如任何已知的碰撞或反應池。離子光學裝置的用途是通過物理和/或化學方式修改離子束以滿足特定的光譜需要。例如,在ICP-MS場中,提供“干涉”環(huán)境(包含特定氣體或通過不需要的粒子或已知在離子束中存在的粒子故意干涉的環(huán)境)能夠改善特定種類離子的測量效果。
      [0133]通常,使用多個依次排列的質量分析器裝置和不同類型的離子束操縱器將有助于質譜分析。
      [0134]可系列操作四級桿質量過濾器。將依次獲得光譜,但一次僅能測量一項質荷比(m/z),因此當需要測量多種質量時,可能花費大量時間。此外,當離子源和/或樣本引入系統(tǒng)振蕩或閃爍時,產生的離子束對于后續(xù)測量不穩(wěn)定(時間),使用這種序列方法測量精確的同位素比可能存在問題。
      [0135]閃爍通常是大氣壓離子源(例如電感耦合等離子體、微波等離子體或激光誘導等離子體)相關的一種不穩(wěn)定性測量問題,但接口內充電電極和離子光學裝置可能會導致短期和長期的漂移問題,這可能會影響同位素和元素測定的精確度。
      [0136]目前有一些其它類型的質量分析器——同步的,例如多重采集器磁質譜儀(MC-1CP-MS)或飛行時間質譜儀(TOF ICP-MS)。一般而言,這類質量分析器通常會更昂貴,而且在有些情況下,體積龐大。多重采集器不能覆蓋所有質量范圍,一般僅含有限的采集器(質量檢測器),并在某些同位素質量范圍內操作。
      [0137]許多本發(fā)明預期的實施例中整合了系列多級桿質量分析器(單極桿、雙極桿、四級桿等),這些一般較為經(jīng)濟,且體積較小。因此,多款(N)這類儀器聯(lián)合“平行”布置(成質量分析器陣列)可減少測定時間,并改善同位素比例精確度和準確度。
      [0138]因此,按上述情況,圖1示一種典型質譜儀器的常規(guī)布置2。廣而言之,并如同前述,布置2首先涉及提供采樣器10中一種材料物質的樣品6,用于離子檢測裝置50檢測。樣品6被傳輸至一個布置的后續(xù)腔室來轉換樣品6至離子源15,其中大量離子通過采樣接口 20從中被提取出來。采樣接口 20基本用于從離子源I中提取大量離子,并產生具有所需通路的離子束18。
      [0139]之后離子束18通過一個離子光學裝置25,其用于聚焦或導向至離子束18。在一些情況下,在這一階段的離子束18的通路可能為線性。但是,在多數(shù)布置中,離子束18可能被特定導向或操作從而改變通路方向以去除光束中的其它粒子。需要指出的是,熟悉現(xiàn)有技術的人士了解許多過濾布置。
      [0140]離子束18可被導向以通過一個碰撞或反應池30,其可通過離子/中性反應來去除感染離子從而提高額外的過濾機制。碰撞或反應池30可包含一種本發(fā)明中所述特別加壓反應氣體,其可過濾離子束18中已知的粒子。
      [0141]離子束18還可被導向以通過第一個質量濾器35裝置,其用于根據(jù)質荷比來分離離子。一般采用四級桿質量過濾器裝置,其使用振蕩電場來穩(wěn)定或解除穩(wěn)定離子通路,其通過一個四根平行桿之間產生的射頻(RF)場。僅有某一質量電荷比范圍內的離子可以在任何時間穿過系統(tǒng),而改變極桿上的電勢可以讓多種m/z值快速擺動,以持續(xù)的方式或連續(xù)的離散級方式。
      [0142]對于所不布置,離開第一質量過濾器35后,離子束18通過另一碰撞或反應池30,進入第二質量過濾器45。
      [0143]布置第二質量過濾器45靠近離子檢測裝置50,這樣離子束18離開第二質量過濾器45后,可導向離子檢測裝置50進行分析。熟悉本領域人士將理解圖1中的布置通常指示的是傳統(tǒng)電感耦合等離子體質譜儀布置。
      [0144]圖2示一個與電感耦合等離子體質譜儀聯(lián)用的離子采樣裝置52的簡化實施例。所示布置中具有一個接口 54,其可接收來自離子源的大量離子(通過離子束90),在質量分析器陣列60入口處形成2個離子束110和111。布置接口 54從而使每一離子束110和111沿各自所需通路方向傳輸。在所示實施例中,離子束110和111通路通過可充電部件(例如入口透鏡115)入口 75進入質量分析器陣列60,并通過質量分析器陣列60中位置彼此平行的各自質量分析器65。
      [0145]對于所示實施例,入口透鏡115位于質量分析器陣列60的入口壁上。但需要指出的是入口透鏡115由一個單獨部件組成(參見下圖)。在每一個實施例中,根據(jù)需要入口透鏡115可能基本呈平坦或任何曲線形狀(例如內凹或外凸形)。
      [0146]質量分析器陣列60還包括一個檢測器陣列85,其包含2個檢測器裝置86,每一個都位于各自質量分析器裝置65下游末端處。質量分析器陣列60的質量分析器裝置65均為四級桿質量分析器,其各自具有金屬緣桿70。應當認識到,布置離子束110和111使其攜帶各自的離子束至各自檢測器裝置86用于測定所攜帶的離子。
      [0147]圖2所示實施例示如何降低感興趣粒子流(直徑大)以進入質量分析器陣列60。
      [0148]圖3不另一布置56,其中質量分析器陣列60上游末端包含一個入口前透鏡120,其位于入口透鏡115外側和一個入口后透鏡125,其位于入口透鏡115的內側。所示布置顯示多透鏡配置,其可用于將單離子束分離并聚焦至各自的四級桿質量分析器裝置(65)。在這種布置中,分離器105與質量分析器陣列60 —同布置,這樣可在入口透鏡115上施加一個偏置電壓從而給通過的離子束中的離子增加能量。
      [0149]一般而言,入口透鏡115上施加的偏置電壓與離子源電荷相反。但是,需要指出的是,偏置電壓可能是負電壓,這至少部分取決于所使用透鏡的所需聚焦特征和/或幾何或布置(例如數(shù)量)(可能使用多個透鏡115——查看圖9A和9B中顯示的布局)。
      [0150]圖4A和4B均顯示質量分析器陣列60的另一實施例的布置,其具有4個彼此平行的質量分析器裝置65,呈2x2配置,各離子束110a,110b, 11 Ia和Illb可從中通過。質量分析器陣列60包括位于上游末端入口透鏡115處的4個入口 75,每一離子束可通過其各自的質量分析器裝置65。質量分析器陣列60還包括另一離子檢測器陣列85的實施例,其具有4個離子檢測器裝置86,均位于各自質量分析器裝置65的下游末端。在所示布置中,質量分析器陣列60為四級桿質量分析器,其具有金屬緣桿70。
      [0151]因此,如圖2和3所示,每一離子束在質量分析器陣列60入口處形成。因此,在圖2和3所示的布置52和56中,在入口 75處分離離子束18至每一各自的質量分析器裝置65。
      [0152]圖5示圖4所示布置的另一種形式,質量分析器裝置65均包含金屬緣桿70,其呈曲線形并用于引導每一離子束中的離子至其各自的質量分析器裝置65。圖5所示實施例包含圖4所示2 X 2平行配置的質量分析器陣列60,但允許入口 75在空間上彼此靠得更近。應當認識到,此布置的一個優(yōu)勢為,當入口 75在空間上彼此靠得更近時,能夠相對容易地控制離子束(實際上,當入口在空間上分隔開時控制離子束可增加此布置的復雜性)。在這方面,僅使用單一離子光學裝置時,這種布置具有可操作性。
      [0153]應當認識到,入口透鏡115的入口 75可按圖6A至6C布置多個配置。而且,如上述內容預示,可布置入口透鏡115使其呈曲線形(例如內凹或外凸形)從而按所需方式導向或聚焦離子束。
      [0154]圖7不另一種布置,該尚子束在碰撞或反應池30(有時為尚子冷卻器)中被分為2束。離子束90通過一個離子提取器或離子光學裝置25,飛行(通過小孔135和140)進入碰撞或反應池30。在碰撞或反應池30內,離子束90的分離(100)受靜電場或動態(tài)(時間)電場影響(其它實施例可通過磁場方式提供一種類似的影響)。但是,需要指出的是,使用靜電/動態(tài)電場和/或磁場進行分離可在質譜儀的任何其它腔室(單一離子束90從中通過)內發(fā)生。
      [0155]一旦離子束被分離(可能進入N>1個分開的離子束),每一獨立離子束通過小孔100離開碰撞或反應池30。然后離子束(110,111)進入質量分析器陣列60,并飛行通過各自的質量分析器裝置65。
      [0156]圖8示一個類似的布置。實施例包括許多Campargue布置的典型特征,因為其與ICP-MS相關。值得注意的,通過離子源15來提供等離子體,通過采樣錐155中的小孔被引入儀器。等離子體在第一腔室165內擴散(160)(通常配置為真空室),其通過截取錐175的孔195。當?shù)入x子體通過孔195,等離子體擴散(180)進入第二腔室185 (通常配置為真空室),并抵達提取透鏡190處,后者提供直流偏置電壓,可輔助從等離子體中提取離子之后獲得的離子束(單束)90進入離子光學裝置205。
      [0157]如前所述,典型的等離子體質譜儀包含一個接口、一個提取透鏡以及離子光學裝置,這些布置僅傳輸單束離子束。離子束(90)的分離(215)可能在穿過第一腔室165和離子光學裝置205后在靜電碰撞或反應池210內發(fā)生。之所以會發(fā)生時因為單束離子束會在池內擴散,丟失能力,這樣會容易受來自靜電池自身或來自一個外部離子光學部件的靜電場的提取(或推動)力影響。在這方面,所示實施例可獲益于包含一個離子光學部件230,其可輔助從靜電碰撞或反應池210 (與透鏡115類似)提取離子——通常在向碰撞或反應池施加電壓從而有效地排斥尚子時會發(fā)生。從靜電碰撞或反應池210尚開后,分尚的尚子束(每一 200)可通過各自的四級桿質量分析器裝置(未示)進入質量檢測器陣列(同樣未不)O
      [0158]因此在從離子源至質量檢測器陣列的通路中任一階段都可能發(fā)生離子束裂散。對于ICP-MS,最實用的辦法是在任何指定壓力下操作時考慮離子源。例如,ICP-MS儀器在大氣壓下進行ICP操作,但較低或較高的壓力可能也對該儀器的性能有益,即在控制壓力下在獨立的密封腔室中生成等離子體。還可布置用于微波等離子體、輝光放電等離子體、激光誘導等離子體源質譜儀,這些都不局限于大氣壓。
      [0159]圖9示另一優(yōu)選實施例的布置,其保留了圖7和圖8中的許多特征。在所示布置中,等離子體射流碰到曲線形透鏡115,后者提供可聚焦至一個靜電碰撞或反應池210(或者有時稱作離子冷卻器)的多離子束。雙離子束從靜電碰撞或反應池210離開,通過入口75進入各自的質量分析器裝置65,并在金屬緣桿70 (圖9A和9B所示布置中基本配置為曲線形)之間傳導朝向離子檢測器陣列85的離子檢測器裝置86 (所示均包含在第3真空室內)。
      [0160]因此,使用一個涉及一個或多個透鏡115的提取程序使(2個曲線透鏡115包含在圖9A和圖9B所示的布置中)進來的單離子束在截取錐175后被分開。離子束可彼此平行地(圖9B所示)或以一種可導致單束離子束穿過其軌道的方式(圖9A所示)飛入碰撞或反應池。當離子進入碰撞或反應池210時,其可能與另一物質(分子、離子、電子、光子)發(fā)生化學/物理反應從而修改起初的譜形。對于ICP-MS,可能需要這樣來降低干擾,但在例如分子質譜中,可能需要這樣來完成離子碎裂或離子-分子締合反應。
      [0161]可配置圖9B所示布置,用一個包含離子光學裝置(例如一個或多個鐵鏡偏轉器/反射器)的腔室所替代碰撞或反應池210,離子束在通過時基本彼此平行。
      [0162]熟悉本領域的技術人員能夠很好地理解,圖9A和9B所示布置的其它實施例可以通過用數(shù)個不同的部件來替代碰撞或反應池210來實現(xiàn),達到減少雜質粒子使每一離子束的信號強度最大化的目的。
      [0163]鑒于上述內容,應當認識到,離子束或含有興趣粒子流的分離可在離子源至質量檢測器通路中任一階段實現(xiàn),例如但不限于示例:
      [0164].在質量分析器裝置前;和/或
      [0165].在離子光學裝置前(如有);和/或
      [0166]?在接口或樣品裝置處;和/或
      [0167].在離子束操作腔室內,例如離子冷卻或離子熱化裝置,和/或靜電碰撞池裝置。
      [0168]本專利中所示和所述本發(fā)明的實施例可增強離子束,從而增加離子檢測器裝置處離子測量靈敏度。但是,應當認識到可布置本發(fā)明的其它實施例從而進一步降低碰撞散射程度。在這一方面,可布置上述本發(fā)明實施例從而利用所述各種以及澳大利亞臨時專利申請編號2010905248所示布置,這些內容在本文件中已引述。因此,應當認識到,將單離子束分為多離子束的概念可與提供以下區(qū)域的概念合并,離子束可通過該區(qū)域(即單離子束或離子流或任一或多個分開的離子束或離子流),布置有一個選擇的偏置電壓來為通過的每一離子束中的離子增加能量,從而提高離子檢測器裝置的離子測量靈敏度性能。
      [0169]以下討論描述了一些采樣接口布置的實施例,其中在離子束(單束或多束)可能通過的至少部分下游區(qū)域提供一個具有所選偏置電壓的電場。
      [0170]圖10示與ICP-MS設備聯(lián)用的使用雙孔ICP-MS “Campargue”接口布置的采樣接口 402的一個實施例。其提供一個電感耦合等離子體(ICP)焰炬用于生成等離子體區(qū)414。在操作過程中,將測試樣品418引入等離子體區(qū)域414,在該區(qū)域中樣品氣化并轉化為用于質譜儀檢測器406分析用的離子。應當認識到,生成離子的方法將取決于考慮使用的質譜儀器的類型,但是對于目前的用途,離子會從等離子體中散發(fā)出去。應當認識到,目前已有各種生成測試樣品418的現(xiàn)有技術,在此不做詳述。
      [0171]通過采樣接口 402從等離子體區(qū)域414采集來自測試樣品418的離子。對于圖10中所示實施例,采樣接口 402包括一個入口(對于ICP-MS布置),一個位置鄰近等離子體烙炬410的用于收集來自等離子體區(qū)域414離子的采樣器422 (或有時現(xiàn)行技術中稱為采樣錐)。布置采樣器422用于接收來自等離子體區(qū)域414的大量離子。在采樣接口 402內的預定階段,可將等離子體區(qū)域或進來的單束離子束分離為多個獨立的離子束。從分離點開始,每一離子束會沿各自所需通路方向傳輸,從而傳輸各自的離子束至各自的檢測器裝置。如上述內容預示,在沿預定通路至質譜儀檢測器406 (或離子檢測器)的任何階段可發(fā)生離子分離。
      [0172]為了方便,在圖10-15中僅顯示單束離子束,但應當認識到,所示布置的實施例可通過以下方式實現(xiàn),在平行配置中可形成一束或多束離子束,各離子束的軌道可能會交叉。圖10-15中實施例旨在說明離子源下游一個或多個區(qū)域中的概念,每一區(qū)域具有一個所選電壓的電場,其中離子可以通過。應當認識到,一個或多個被分離的離子束可能會通過一個或多個此類區(qū)域,無論是一同或分開通過。
      [0173]等離子體區(qū)域414,最初是在大氣壓下,隨著第一真空室432 (通常壓力順序為1-10 Torr)內的等離子體擴散射流433擴散。
      [0174]采樣器422下游的第二腔室435內的一個區(qū)域(以下稱為碰撞區(qū)430)填充有離子通過的氣體(以下稱為碰撞氣體434)。至少布置一部分的碰撞區(qū)域430,從而提供一個離子可通過的具有所選偏置電壓的電場。該布置可使離子通過該區(qū)域時的能量增加。對于圖10所示實施例,通過一個可充電部件,例如截取器426 (對于ICP-MS布置),來提供該區(qū)域的偏置電壓,其與電壓源438通電。
      [0175]截取器426 (或有時在現(xiàn)有技術中稱為截取錐)通常位于采樣器422下游。相應地布置采樣器422和截取器426從而能夠來自等離子體區(qū)域414中的離子進行采樣用于引入質譜儀檢測器406。采樣器422上相應小孔243,427和截取器426之間的距離為5_30mm。布置截取器426,與采樣接口 402分離,可通過使用分離器446的分離裝置428來使之“漂浮”。
      [0176]根據(jù)離子通過碰撞區(qū)430時因碰撞散射效應所致離子動能丟失相關情況,選擇施加在截取錐426上的電壓。根據(jù)從離子束中去除雜質粒子(例如通過等離子體區(qū)域448內的多原子離子)的適宜性來選擇碰撞氣體434。使用這一布置,通過向截取錐426施加偏置電壓從而增加離子能量,用以彌補離子的動能丟失(與氣體粒子碰撞所致)。在一個實施例中,碰撞區(qū)430內的氣壓越高,則施加在截取錐426上的偏置電壓越高,從而使離子有足夠能量,使因與氣體粒子碰撞所致碰撞散射降至最低。目前已發(fā)現(xiàn)這種布置與常規(guī)的ICP-MS采樣器接口布置相比,可使質譜儀信噪比提高超過10倍。因此,使用本發(fā)明的布置,可在較高壓力下將適宜的碰撞氣體引入并保留在碰撞區(qū)430內(從而增加雜質粒子的去除率),同時減少進來和現(xiàn)有離子的散射率。剩余的離子經(jīng)提取透鏡442提取,導向至質譜儀檢測器406進行分析。
      [0177]在典型ICP-MS配置的質譜儀中使用的截取器426 —般由金屬構成,其布置與金屬真空室通電。這確保截取器426 —直接地,電壓基本為OV。但根據(jù)本發(fā)明,向截取器426施加偏置電壓可為從等離子體提取的離子提供額外的電壓。例如,如果碰撞區(qū)430內的動能丟失為25電子伏(eV),則可通過向截取器426施加約+25伏(V)電壓來彌補該丟失。在截取器426下游整合四級桿質量分析器時,除了可降低碰撞散射外,還可獲得更多益處。在這種情況下,四級桿質量分析器無需設置補償(在這種情況下為電壓-25伏(V))來輔助離子傳輸(動能降低)。相反,質量分析器的電壓可維持在正常(O)電壓下,從而簡化了儀器操作。因此,無需調整四級桿偏置電壓(在一般情況下會需要)從而輔助離子的四級桿質量分析器內的傳輸。
      [0178]如果使用傳統(tǒng)的ICP-MS配置,當在CRI環(huán)境中使用碰撞或反應氣體時,將由于碰撞性散射導致靈敏性降低,在運行期間能觀察到這種碰撞性散射次數(shù)的范圍是10-100次。但是,如同本發(fā)明中布置,向截取器施加偏置電壓被認為可能會降低離子束能力丟失,這樣會提高信號靈敏度約10-50倍。應當認識到,可在截取器426上施加任何量級的電壓。
      [0179]目前已發(fā)現(xiàn)在常規(guī)ICP-MS設備上使用碰撞池與不用該布置相比,可增加離子束信噪比超過10倍。對于整合了碰撞池的質譜儀器,目前已發(fā)現(xiàn)向截取器上施加偏置電壓具有優(yōu)勢,因為碰撞池通常是在相對高壓的環(huán)境中操作,其中離子動能丟失基本達到每個離子200eV。這種碰撞池通常包括四級桿質量分析器或類似的布置。因此,這意味著,需要使用碰撞池后安裝的負電離子提取透鏡來提取通過此類碰撞池布置的離子,同時向四級桿質量分析器上施加一個較高的負偏置電壓。但是,根據(jù)本發(fā)明,如果向截取器上施加類似的偏置電壓(按碰撞池消耗的比例),可增加離子束內離子最初的能力狀態(tài)(例如,可高達每一離子+200eV),這樣就可以彌補或控制離子的動能丟失至一個合理程度。目前已發(fā)現(xiàn)這樣可提高信號靈敏度10-100倍。
      [0180]鑒于上述內容且不被最初的結果所限制,應當認識到在碰撞區(qū)430 (或碰撞池)內的碰撞氣體434的壓力與施加在截取器426上的偏置電壓存在一定的相關性。在這方面,應當認識到,碰撞區(qū)430壓力越低(提示碰撞散射越少),則施加在截取器426上的偏置電壓越低。而且,碰撞區(qū)430壓力越高(提示碰撞散射越多),則施加在截取器426上的偏置電壓越高。例如,下游區(qū)域中氣壓增高可能導致發(fā)生的例子碰撞數(shù)量呈可度量程度地增加。因此,在一個實施例中,增加施加在截取器426上的偏置電壓,從而使下游區(qū)域中氣壓的增加能夠被度量。但由于下游區(qū)域中氣壓增加所致離子碰撞數(shù)量可度量地增加可能不能直接計算為離子碰撞散射的同等程度的增加。這是因為碰撞散射通常是離子能量和/或離子發(fā)生碰撞前速度的函數(shù)。相應地,在截取器426上施加的偏置電壓通常為因離子碰撞所致離子碰撞散射的函數(shù),而且,可實驗性地選擇(詳見下述)偏置電壓從而確定產生最大數(shù)量的抵達質譜儀器檢測器406的離子的偏置電壓量級。
      [0181]施加在截取器426 (或如下所述及如圖15中實施例所示的多個截取器)上的偏置電壓量級通常是通過實驗性地參考第二腔室435(或該布置中包含碰撞池時的碰撞池內的碰撞壓力)中記錄的碰撞壓力以及質譜儀接收離子束的所得信號靈敏度或強度來測定。一種確定施加在截取器426上最佳偏置電壓水平的方法是,首先,在未向截取器426施加偏置電壓時,將離子束通路中的任何碰撞氣體去除,并觀察儀器的信號靈敏度。這可提供第一個參考點。然后,通過將所需碰撞氣體434引入碰撞區(qū)430中,通過緩慢增加施加在截取器426上的偏置電壓來監(jiān)測信號靈敏度。隨著施加在截取器426上的偏置電壓升高,可顯示信號靈敏度增強。但是,目前已發(fā)現(xiàn),再增加偏置電壓則會降低信號靈敏度,即將會到達拐點,離子能量增加過多會導致離子束無法聚焦。因此,與“拐點”相稱的偏置電壓可能是施加在截取器426上的最佳偏置電壓。而且,在一定范圍內的電壓水平中選擇偏置電壓水平可能會獲得最佳效果,這取決于所使用的特定采樣接口布置。同時應當認識到,不同樣品離子的最佳電壓水平(或電壓水平范圍)不同,因此,可能是某種元素的特征。
      [0182]取決于樣品離子的性質,碰撞區(qū)430內的氣壓以及施加在截取器426上的偏置電壓可以是線性或非線性,而且其還取決于其它因素,例如離子和碰撞氣體性質,以及任何相關化學特性,例如離子能量、碰撞和振動性質。應當認識到,并未完全列舉這些因素,還有其它因素會使得碰撞區(qū)430內的氣壓以及施加的偏置電壓之間的關系性質更復雜化。
      [0183]還可采用其它方法來測定最佳水平的偏置電壓??稍谂鲎矃^(qū)430位置安裝和布置壓力傳感器(例如任何合適的壓力傳感器,其具有足夠的靈敏度,可以識別因碰撞離子產生的壓力),從而將壓力數(shù)據(jù)傳輸至一個處理裝置(未顯示),該裝置具有處理數(shù)據(jù)和根據(jù)需要自動調整施加的偏置電壓的程序。還可布置處理裝置來接收儀器信號靈敏度相關數(shù)據(jù)。因此,當提供這些數(shù)據(jù)輸入時,可自動開始測定最佳偏置電壓的程序。應當認識到,可在碰撞池內提供類似的壓力傳感器和數(shù)據(jù)處理裝置用于監(jiān)測和/或估算碰撞活動。
      [0184]根據(jù)本發(fā)明的等離子體采樣接口布置可與多種ICP-MS配置聯(lián)用,如圖11-15所示實施例中示例,詳見下述。
      [0185]圖11示一個根據(jù)本發(fā)明布置的采樣接口 440。對于所示布置,采樣接口 440配置有一個雙孔ICP-MS’Campargue’接口,其布置方式與圖10中所示類似。從圖11可清楚看至IJ,采樣接口 440與圖10所示采樣接口 402的實施例都具有一個類似的部件布置。
      [0186]當離子通過截取器426內的小孔427時,其進入填充有碰撞氣體434的第二真空室435界定的碰撞區(qū)430。不受因與氣體粒子碰撞所致散射影響的離子穿過進入第一泵室510內的一個離子光學腔室465。離子光學腔室465幫助離子與任何從ICP攜帶入儀器的紫外光子、能量中性或任何實體粒子分離,這無意間避免了與碰撞氣體434粒子碰撞。對于所示實施例,布置離子光學腔室465作為一個離軸配置,其以“彎角”的方式使離子束“彎曲”。采用的此類透鏡布置可包含Omega透鏡(Agilent 7700ICP-MS或彎角透鏡(ThermoICP-MS)離子光學布置)。這種特點的離子光學布置可確保無電荷粒子與帶電荷離子分開,從而從離子束中去除(例如通過與離子光學腔室465內表面碰撞)。
      [0187]離子束從離子光學腔室465出發(fā),穿過門閥470至第二泵室515內碰撞池485 (通常在現(xiàn)有技術中稱為碰撞池、離子碎裂池或離子操作池)內的碰撞氣體處。碰撞池通常含有一種或者多加壓氣體,例如氨氣、甲燒、氧氣、氮氣、気氣、氖氣、氪氣、氣氣、氦氣或者氫氣,這些氣體與離子發(fā)生反應,可以幫助消除無用的干擾物質。氣體通過入口 480進入碰撞池485。碰撞池485可以米用一種碰撞氣體,也可以米用兩種或者多種碰撞氣體的混合氣。應當認識到,這里不能列舉所有示例,但還有許多其它氣體或者其組合可為在此碰撞池中使用。
      [0188]離子束從碰撞池485出發(fā),穿過第三泵室520內的差壓抽氣孔490,朝質量分析器裝置492(在這種情況下為四級桿質量分析器裝置)飛去。四級桿質量分析器裝置492包含第一組極桿(四級桿邊緣桿495)和位于四級桿邊緣桿495下游的第二組極桿(四級桿主桿500)。在這種情況下,四級桿邊緣桿495和主桿500均包含彼此平行且各自軸向與離子束飛行方向平行的4根極桿。四級桿質量分析器裝置492的功能為根據(jù)質荷比(m/z)過濾離子束中的離子。對于所示四級桿質量分析器裝置492,根據(jù)施加在極桿上的振蕩電場中離子軌跡的穩(wěn)定性來分離樣品離子。剩余的離子(帶電荷的離子)將朝用于分析的質譜儀檢測器裝置505飛去。
      [0189]圖12示一個根據(jù)本發(fā)明布置的采樣接口 443的實施例。從圖12可清楚看到,采樣接口 443是圖8所示實施例的一種變化形式,其中在碰撞池485下游(目前在第一泵室510內)的第二泵室515內布置了離子光學腔室465。
      [0190]圖13示一個根據(jù)本發(fā)明布置的采樣接口 472的實施例。類似地,所示許多部件與圖13至15所示實施例類似,但提供的一個改進的截取器426具有一個入口 444,其可將碰撞氣體(例如氦氣或氫氣)注入截取器426在或接近小孔427附近的等離子體區(qū)域433。應當認識到,可將這類碰撞氣體注入接口內任何適宜和所需位置處的腔室氣體中。
      [0191]與圖14所示等離子體采樣接口 474實施例相比,另一不同之處在于整合了一個離子“鏡像”透鏡525,其用于將離子束重新導向至四級桿質量分析器492,后者與離子束從截取器426飛出的飛行方向呈離軸關系。由于離子束向截取器426下游飛行,布置配置有一組電極的離子鏡像透鏡525使離子束中帶電荷的粒子朝向與伴隨的不帶電的粒子不同的另一路徑??刹贾秒x子鏡像透鏡525中的電極使離子束轉過(反射)一個大角度,例如90度(如圖13所示)。這樣任何從截取器426出來的最初伴隨離子束的光子或能量中性粒子會繼續(xù)其最初的方向,并從離子束中被去除。應當認識到,這種布置具有一定有點,可配置電極從而一定程度上控制離子束飛行方向。例如,可向離子鏡像透鏡525上的相反電極施加差壓,這樣離子束可從一側轉向至另一側(即飛入或飛出圖示平面)。這方面的其它內容可參考美國專利申請6,614,021,在此已引述。目前已表明,使用離子鏡像透鏡525可增加質譜儀器的信號靈敏度。
      [0192]圖14示一個根據(jù)本發(fā)明布置的采樣接口 474的一個實施例。如圖14清楚可見,此布置與圖13所示基本類似,但需要注意的是,采樣接口 474包括布置于提取透鏡442和離子鏡像透鏡525之間的碰撞池485。另一不同之處在于提高了一個第二碰撞池478,其位于離子鏡像透鏡525和四級桿質量分析器492之間。應當認識到,第二碰撞池478提高了另一種過濾任何剩余干擾粒子的方法,其已在無意間被離子鏡像透鏡525從離子束中分離開。布置第二碰撞池478通過入口 479來接收碰撞氣體。雖然提高了第二碰撞池478進行進一步純化離子束,但應當認識到,該布置可以實現(xiàn)的情況是,這是唯一的碰撞池,即碰撞池485被省略掉了,只留下第二碰撞池478。熟悉本領域的技術人員還可認識到,碰撞池485和478內的氣體可以是同種氣體、不同氣體或包含一種或多種適宜氣體的混合物。
      [0193]圖15示一個根據(jù)本發(fā)明布置的采樣接口 476的一個實施例。在這一實施例中,已包含了第二截取器540,其位于截取器426與提取透鏡442中間。還提供了一個電壓源550從而可以向第二截取器540施加合適的偏置電壓。
      [0194]增加第二截取器540可提供另一階段,可通過去除任何雜質粒子來純化離子束??梢钥闯觯?shù)入x子體通過另一碰撞區(qū)430’時,另一等離子體擴展區(qū)545會在第二截取器540下游立即形成。此外,還可布置在第二截取器540 “漂浮”從而向其施加偏置電壓,給從截取器426飛出的樣品離子重新增加能量。應當認識到,可以一種合適的系列配置來提供和布置額外的截取器,從而進一步按需純化離子束。而且,參考如圖13和14所示截取器426,應當認識到,還可修改截取器426和540,從而從相應小孔外周注入適宜氣體進入穿過的離子束。
      [0195]在本說明書和權利要求中所使用的詞語“包括”及其各種形式不會限制所要求的本發(fā)明使用任何變體或擴充。本領域技術人員將非常容易判斷對于本發(fā)明的改良與改進。這些對于本發(fā)明的改良與改進也在包含本發(fā)明的范疇之內。
      【權利要求】
      1.一種供質譜儀采樣離子使用的接口用于后續(xù)質譜分析,該接口能夠接受來自離子源的大量離子,并形成超過I個離子束,每一離子束的方向沿著各自所需通路。
      2.根據(jù)權利要求1的接口,該接口可適宜布置用于將位于離子源處或其附近的離子分為獨立的離子束,其各自可沿質譜儀內所需通路傳輸。
      3.根據(jù)權利要求1或2的接口,其中該接口具有多孔,每一個孔對應于所形成的一個光束。
      4.根據(jù)前述任一權利要求的接口,其中布置該接口從而使兩個或多個所需通路基本彼此平行。
      5.根據(jù)前述任一權利要求的接口,其中接口基本呈平坦或曲線形。
      6.根據(jù)前述任一權利要求的接口,其中布置接口以接收偏置電壓。
      7.根據(jù)前述任一權利要求的接口,其中接口包含一個或多個可充電部件,從而能夠施加偏置電壓。
      8.根據(jù)權利要求7的一種接口,其中向接口或一個或每一可充電元件上施加的偏置電壓與離子源處電壓相反。
      9.根據(jù)權利要求7或權利要求8的接口,其中一個或每一可充電元件基本為平坦或曲線形。
      10.根據(jù)權利要求7至9中任一權利要求的接口,其中一個或每一可充電兀件包含多個小孔,每一小孔對應于所形成的離子束。
      11.根據(jù)前述任一權利要求的接口,其中兩個或多個所需通路變細,從而將離子導向或通過各自的質量分析器裝置。
      12.—種供質譜儀器使用的采樣接口,布置該采樣接口從而對質譜儀中的離子采樣用于后續(xù)質譜分析,布置該采樣接口接受來自離子源提取的大量離子,并由此形成超過I個離子束,每一離子束的方向沿著各自所需通路。
      13.根據(jù)權利要求12的接口,其中可衰減一個或多個通路從而通過: (i)至少一個碰撞池或反應池;和/或 (?)另一質量分析器裝置。
      14.根據(jù)權利要求12或13的采樣接口,其中采樣接口包含一個形成多個離子束的接口裝置,每一離子束具有通過各自的質量分析器裝置的通路。
      15.根據(jù)權利要求1至11的任一要求的接口,或根據(jù)權利要求12至14的任一要求的采樣接口,其中一個或多個離子束可通過布置接口的下游區(qū)域,從而使離子碰撞散射降至最低,布置該區(qū)域用于填充離子可通過的氣體。
      16.根據(jù)權利要求15的接口或采樣接口,其中在至少一部分離子通過的下游區(qū)域中提供一個所選偏置電壓場。
      17.根據(jù)權利要求16的接口或采樣接口,具有所選偏置電壓的電場可以位于離子束分離為多個分開的離子束之處的上游或下游。
      18.根據(jù)權利要求16或權利要求17的一個接口或采樣接口,其中選擇電場的偏置電壓從而減少尚子通過下游區(qū)域電場時尚子與其他粒子碰撞產生的碰撞散射。
      19.一個根據(jù)權利要求16至18的任一權利要求的接口或采樣接口,其中依據(jù)當離子通過下游區(qū)域時因氣體粒子碰撞所致離子動量改變的相關性選擇電場的偏置電壓,從而減少碰撞散射。
      20.根據(jù)權利要求16至19的任一權利要求的接口或采樣接口,其中由布置的可充電部件提供電場的偏置電壓,從而與電壓源通電,在該區(qū)域內布置可充電部件從而使該電場位于離子所需通路上,從而使通過的離子能夠從該電場獲得能量。
      21.根據(jù)權利要求20的接口或采樣接口,其中布置可充電部件從而將通過的離子分為多個離子束。
      22.一種用于等離子體質譜儀器的等離子體采樣接口,布置該等離子體采樣接口使其能夠對來自等離子體的離子進行采樣,并將離子引入質譜儀用于后續(xù)質譜分析,從樣本中采樣的離子已轉換為等離子體中的離子,布置等離子體采樣接口用于接收從離子源中提取的大量離子并形成多個離子束,每一離子束沿各自所需通路傳輸。
      23.一種測量從樣品中提取大量離子的方法,該方法包括形成多個離子束,將所述多個離子束沿各自預定通路方向傳輸?shù)街辽僖粋€離子檢測器。
      24.根據(jù)權利要求23的方法,該方法還包括引導所述一個或多個離子束從而使其通過一個具有氣體的離子可通過的區(qū)域,該區(qū)域在至少部分的離子可通過的區(qū)域具有所選偏置電壓。
      【文檔編號】G01N27/00GK104380089SQ201380010397
      【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年3月18日 優(yōu)先權日:2012年3月16日
      【發(fā)明者】羅瑞·卡利尼切科 申請人:布魯克化學分析有限公司
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