具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）制造技术

本发明专利技术涉及具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)。在电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)系统中，离子被传输到碰撞/反应单元中。在所述单元的出口处施加第一量值的DC电势以产生有效阻止离子离开单元的DC势垒。在限制期期间维持DC势垒以执行相互作用。在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为脉冲通过单元出口的第二量值，被分析物离子或产物离子被传输到质谱仪。然后在测量期期间对被分析物离子或产物离子进行计数。相互作用可以是离子‑分子反应或离子‑分子碰撞。

Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) with improved signal-to-noise ratio and signal-to-background ratio

【技术实现步骤摘要】
具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)相关申请根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2018年3月19日提交的题为“具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)”美国临时专利申请序列号62/644,896的权益，该申请内容通过引用全部并入本文中。
本专利技术总体涉及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，并且具体地涉及利用碰撞/反应单元的ICP-MS。
技术介绍
电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)通常用于样品的元素分析，诸如测量样品中痕量金属的浓度。ICP-MS系统包括基于等离子体的离子源，其用于产生等离子体以将样品的分子分解为原子，然后使原子离子化，为元素分析做准备。在典型的操作中，液体样品通过喷雾器(通常为气动辅助型)被雾化，即被转化成气溶胶(细雾或喷雾)，并且气凝胶化的样品被导入到等离子体源产生的等离子体羽流(plasmaplume)中。等离子体源通常被配置成具有两个或更多个同心管的流通式等离子炬。通常，等离子体形成气体(诸如氩气)流过炬的外管并通过适当的能量源(通常是射频(RF)供电的负载线圈)被活化成等离子体。气溶胶化的样品流过等离子炬的同轴中心管(或毛细管)，并被发射到原始生成的等离子体中。暴露于等离子体使样品分子分解成原子，或者将样品分子部分地分解成分子片段，并使原子或分子片段离子化。从等离子体源提取通常带正电荷的所得被分析物离子并作为离子束将其引导到质量分析器中。质量分析器应用时变电场或电场和磁场的组合以根据它们质荷比(m/z)以光谱方式分辨不同质量的离子，使离子检测器随后能够对从质量分析器到达离子检测器的给定m/z比的每种类型的离子进行计数。可替代地，质量分析器可以是飞行时间(TOF)分析器，该飞行时间分析器测量漂移通过飞行管的离子的飞行时间，然后可以从中导出m/z比。然后，ICP-MS系统将所获得的数据呈现为质谱(m/z比)峰的谱。每个峰的强度表示样品的相应元素的浓度(丰度)。除了寻求分析的被分析物离子之外，等离子体还产生背景(非被分析物)离子。某些类型的非被分析物离子(称为干扰离子)会干扰某些类型的被分析物的分析。干扰离子可以由等离子体形成气体(例如氩气)、样品的基质组分、样品中包含的溶剂/酸或被夹带到系统中的空气(氧气和氮气)产生。例如，干扰离子可以是具有与被分析物离子相同的标称质量的同量异序干扰物。在检测某种被分析物离子的同时检测到这种干扰离子会导致分析数据中的谱线重叠，从而降低分析的质量。干扰离子的实例包括多原子离子，诸如干扰铁同位素56Fe+的氧化氩(40Ar16O+)(因为两种离子在质谱中都显示为m/z＝56)以及干扰钙同位素40Ca+的氩40Ar+(因为两种离子都显示为m/z＝40)。解决光谱干扰问题以及改善ICP-MS系统性能的已知方法涉及改进基质分离、使用冷等离子技术并且在分析数据的处理中使用数学校正方程。这些方法具有已知的局限性。为了进一步解决该问题，还已知在ICP-MS系统中在离子源与质量分析器之间提供碰撞/反应单元。该单元包括离子导向器，该离子导向器沿着单元的中心轴聚焦离子束。该单元充满碰撞气体或反应气体。碰撞气体(例如氦气，He)的使用依赖于动能辨别(KED)，通过该动能辨别可以抑制多原子离子干扰。该单元中的被分析物离子和多原子干扰离子都与碰撞气体分子发生多次碰撞，并且失去动能(KE)，因此减速。然而，因为多原子离子具有比被分析物离子大的横截面，所以多原子干扰离子经历更多数量的碰撞并因此失去比被分析物离子更多的动能。诸如通过将碰撞/反应单元外部的质量分析器的四极电极比单元的离子导向器向更正偏置几伏来产生正量值的直流(DC)势垒。DC势垒的量值被设定得足够高以防止低能量干扰离子进入质量分析器，但足够低以允许较高能量的被分析物离子进入没有干扰离子的质量分析器。以这种方式，抑制了干扰离子对质谱数据的贡献。可替代地，该单元充满反应气体。根据反应气体的化学性质，选择使用的反应气体与干扰离子或被分析物离子反应。在与干扰离子反应的情况下，反应将干扰离子转化成非干扰离子(通过将干扰离子的质量改变为不干扰被分析物离子质量的质量)或中和干扰离子。在与被分析物离子反应的情况下，该反应实际上通过形成原始干扰离子无法干扰的产物离子而将被分析物离子的质量转移到更高的质量。在所有这些情况下，该单元充满一定压力的反应气体，以获得与干扰离子或被分析物离子足够的反应效率。然而，从一个元素到另一个元素，最佳压力(或气体密度)通常变化。因此，当测量不同元素时，必须改变反应气体的流速，以便获得每种元素的良好信号/背景(S/B)比。因此，仍然需要改进的ICP-MS系统以及操作它的方法来解决干扰问题。
技术实现思路
为了全部或部分地解决上述问题和/或本领域技术人员可能已经观察到的其他问题，本公开提供了如以下阐述的实施方式中的示例所描述的方法、过程、系统、装置、仪器和/或设备。根据一个实施方案，用于操作碰撞/反应单元以抑制电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的干扰的方法包括：使碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元中，该碰撞/反应单元包括入口、出口和位于入口与出口之间的多极离子导向器；将离子传输通过入口并进入碰撞/反应单元；在出口处施加出口DC电势位于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值；在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，将被分析物离子或从被分析物离子产生的产物离子传输到质谱仪；并且在持续时间大约等于脉冲持续时间的测量期内测量被分析物离子或产物离子。在实施方案中，该方法包括在限制期期间执行碰撞/反应气体与离子之间的相互作用。该相互作用可以是有效抑制干扰离子信号强度(可以通过质谱仪测量)的相互作用。相互作用可以是离子-分子反应和/或离子-分子碰撞。因此，在一个实施方案中，相互作用涉及根据有效将干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使干扰离子与碰撞/反应气体反应，以及使被分析物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的被分析物离子。在另一个实施方案中，相互作用涉及根据有效产生产物离子的反应使被分析物离子与碰撞/反应气体反应，以及使产物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的产物离子。根据另一个实施方案，用于操作电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的碰撞/反应单元的方法包括：使碰撞/反应气体流入到根据本文公开的任何实施方案配置的碰撞/反应单元中；将离子传输通过入口并进入到碰撞/反应单元中；在出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值；在限制期期间，使离子与碰撞/反应气体碰撞，其中离子经历多次碰撞以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的离子；在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，将受限离子的至少被分析物离子或从被分析物离子产生的产物离子传输到质谱仪；并且在持续时间大约等于脉冲持续时间的测量期内测量被分析物离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中，所述碰撞/反应单元包括入口、出口以及位于所述入口与所述出口之间的多极离子导向器；传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括被分析物离子和干扰离子；在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于所述第一量值以执行有效抑制由质谱仪测量的干扰离子信号强度的相互作用，所述相互作用选自由以下各项组成的组：根据有效将所述干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使所述干扰离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的被分析物离子；并且根据有效产生产物离子的反应使所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述产物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的产物离子；在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子或所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值，将所述被分析物离子或产物离子传输到所述质谱仪；并且在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内测量所述被分析物离子或产物离子。...

【技术特征摘要】
2018.03.19 US 62/644,8961.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中，所述碰撞/反应单元包括入口、出口以及位于所述入口与所述出口之间的多极离子导向器；传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括被分析物离子和干扰离子；在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于所述第一量值以执行有效抑制由质谱仪测量的干扰离子信号强度的相互作用，所述相互作用选自由以下各项组成的组：根据有效将所述干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使所述干扰离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的被分析物离子；并且根据有效产生产物离子的反应使所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述产物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的产物离子；在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子或所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值，将所述被分析物离子或产物离子传输到所述质谱仪；并且在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内测量所述被分析物离子或产物离子。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一量值和所述第二量值选自由以下各项组成的组：所述第二量值比所述第一量值更负；所述第一量值为正或零量值，并且所述第二量值为负或零量值；所述第一量值在0V至+100V的范围内；所述第二量值在-200V至0V的范围内；以及前述两种或更多种的组合。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述切换的持续时间在0.01ms至0.1ms的范围内。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述限制期的持续时间在0ms至1000ms的范围内。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量期的持续时间在从所述脉冲的峰值的FWHM至所述FWHM的五倍的范围内。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲持续时间在0.01ms到1ms的范围内。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述出口处施加所述出口DC电势包括在所述碰撞/反应单元的出口透镜处施加所述出口DC电势。8.根据权利要求1所述的方法，包括在所述限制期期间继续将所述离子传输通过所述入口并进入所述碰撞/反应单元。9.根据权利要求1所述的方法，包括沿着所述多极离子导向器施加轴向DC电势梯度，其中，在所述限制期期间防止所述受限离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元。10.根据权利要求1所述的方法，包括执行选自由以下各项组成的组的步骤：在所述限制期的至少后期期间在所述入口处施加入口DC电势以有效防止所述受限的被分析物离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元并防止干扰离子通过所述入口进入到所述碰撞/反应单元中；在所述测量期期间在所述入口处施加入口DC电势以有效防止干扰离子通过所述入口进入所述碰撞/反应单元；并且前述的两者。11.根据权利要求1所述的方法，在将所述离子传输通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元之前，执行选自由以下各项组成的组的步骤：通过使所述样品暴露于电感耦合等离子体来产生所述离子；通过使所述样品暴露于电感耦合等离子体来产生所述离子，其中使所述样品暴露包括操作等离子体炬；并...

【专利技术属性】
技术研发人员：山田宪幸，清水恵理奈，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US