用于将样品引入分析系统的取样装置的制作方法

专利名称：用于将样品引入分析系统的取样装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及样品的分析，并且更具体地，但不是排他地， 涉及引入固体或液体样品以分析其化学组成。本发明例如在将漂浮
在环境(大气)中的小颗粒(粒子，particle)才羊品引入到分析4义器 的分析室中是4艮有用的。
背景技术：
在很多情况下可能需要分析气态环境中的颗粒的组成。例如， 已经知晓，地球环境中的各种颗粒对气候具有主要的影响。除了给 出关于颗粒对气候的影响外，恰当的分析可用来监控例如空气质 量、化学和生物武器、药物(毒品，drug)、排》t物(例如来自工业 和车辆的排放物)、以及诸如病毒、细菌等的其他颗粒型材料的存 在。
颗粒的分析可基于各种4支术来进行。例如，质i普分析在颗粒的 化学分一斤中广泛采用。用于分4斤的样品可以例如是液体样品、气体 样品、气体中的颗粒、液体中的颗粒、固体样品、生物材津+如分子、 细菌和病毒等的样品。
尽管不是必需的，但颗粒的化学组成的分析通常是通过特定分 析仪器来完成的。为了能够通过仪器来分析颗粒，通常必需分散固 体、大体积的颗粒以将这些颗粒从它们漂浮(悬浮)的介质中分离 出来，然后收集这些颗粒为后续的分析过程做准备。在一种已知的布置(装置，arrangement)中，通过手动地推动其另 一端具有才羊品 的杆穿过密封元件(真空锁)而将样品引入到真空分析室。将样品 从该室外部的气体中收集到该杆上，然后将该杆推入到分析室中。
一种可能是使气体或其他流动性物质流过分析室并尝试通过 激光束撞击其内的颗粒。可通过脉沖方式打开和关闭在分析室进口 中的'除当的阀装置(valve arrangement)而4空制进入该分才斤室的;充 动。
利用现有技术的一个问题是在将样品引入到真空分析室中缺 乏自动化。相反，样品需要手动引入。 一个问题涉及缺乏基本上以 实时和/或连续方式收集样品并分析它们的可能性。更具体地，如果 提前(预先)收集样品，如借助于上述收集杆(collecting rod )，并 且由于在样品可被分析之前所花费的时间，样品的化学组成可能发 生改变，这可能影响到分析的结果。此外，考虑到样品收集的效率、 性能和可控性，对于样品收集过程的总体改进存在需求。

发明内容
根据一个实施方式，提供了 一种用于将样品与I入到分析系统的 取样装置(采样装置，sampling device )。该取样装置包括提供有取 才羊区的專争动元4牛(4争向元4牛，turning element)，所述取才羊区#1构建 为保持待分析的样品。该转动元件被布置为在其中取样区暴露于待 取样的材料以收集样品的第 一位置和其中样品释放以被分析系统 4吏用的第二位置之间活动(移动，move)。
根据另 一实施方式，提供了 一种用于提供样品以进行分析的方 法。该方法包括在样品收集位置(其中耳又样区暴露于待取样的材 料)将样品收集到取样元件的取样区上；转动该取样元件以将该取 样区移动到另一位置；以及从该取样区释放样品以在分析中使用。才艮据一个更具体的实施方式，转动元件包括:旋转元件。转动元件可以包4舌阀J求型元件。取样区可以包括凹冲曹，例如在转动元件的
5求面中的间断(不连续，discontinuity )或转动元4牛中的空月空(cavity )。可以才是供多个耳又才羊区。
转动元件可以布置成连续收集样品和/或连续旋转。转动可以是步进式的。
取样装置可以,皮构建为在样品收集侧和分析侧之间提供密封元件。该密封可以布置成在才羊品收集侧和分4斤侧之间<呆持压力差。
样品的收集可以基于通过电荷吸引、吸收、吸附、冷捕集、排除(排斥，exclusion)、物理过滤、粘附力和分子相互作用中的至少一种来进行。
样品的释》文可以基于解吸、加热、电磁辐射、溶剂、电荷、离子或原子束、聚焦气体流(focused gas flow)、声4展动、对耳又才羊区表面或其环境产生的震动或突然变化中的至少 一种来进行。
可以以受控方式在取样区的表面上提供收集电压。在取样区的表面和样品收集室的 一部分之间可以选择性地施加电势差以提供选择性的颗粒大小控制。
根据又 一 个实施方式，提供了 一种用于将样品引入到分析系统的取样装置。该取样装置包括可活动取样区，所述取样区被构建为借助于对其施加的收集电压而保持样品。通过控制收集电压而提供选择性的颗粒大小控制。
本发明的这些实施方式可以提供一种分析系统，其中漂浮颗粒可以基本上实时地，并且在任何情况下以最小程度的延迟而进行取样。在某些实施方式中，可以^是供4羊品的同时收集和分析。该收集 和分一斤可以形成为连续过程。该分4斤过程可以形成为基本上自动化 的。可以以有效方式提供该系统的收集侧和分析侧之间的分离。可 以改善样品收集的性能和可控性。


为了更好地理解本发明以及本发明是如何实现的，将仅以举例
方式参照附图进^S兌明，在附图中
图1示出了一种可能的分析系统的简化示意图;
图2示出了才艮据一个实施方式的取样装置的部分截面示意图； 图3示出了^^据另一个实施方式的取样装置的部分截面示意
图4A和4B示出了取样装置的转动元件的示例性构造的部分 截面示意图；以及
图5示出了才艮据一个实施方式的流程图。
具体实施例方式
;七
取样装置的内容，首先参照图1描述一种分析系统。该分析系统可 以才是供例如用于分析颗冲立的化学组成。这才羊的分坤斤例如在试图理解 新颗粒是如何形成以及在形成过程中涉及到哪些物质时是有利的。 该分析装置可以被构建为提供任何大小的气溶胶颗粒(悬浮颗粒， aerosol particle )的化学组成的实时信息。气溶胶通常理解为气体中 的固体或液体颗粒。更具体地，图1示出了作为分冲斤系统的一个实例的质i普分一斤装 置IO。在所示的装置中，分析是基于由颗粒中的化合物形成的离子 的飞行时间进行的。在所示的装置中，样品流中的气溶胶颗粒在进 口 11 ^皮引入到该装置中。然后这些颗粒可以引入到单4及充电器 (unipolar charger )中以进行单极充电(unipolar charging )。待分析 的所选大小的颗粒然后可以与带电气溶胶流分离，例如借助于孩t分 迁移率分冲斤^f义(DMA)。
在微分迁移率分析仪之后，所选大小的单电荷颗粒被引入特定 样品收集装置16(其用于收集并引入取样装置10的实际分析侧中)。 更具体地，在图1中，颗粒乂人样品流收集到取样阀16的耳又样区。 该JJ欠集可通过惰'1"生气体例3。氮气鞘气(sheath gas)来进4亍。
取样阀16被设计成能够将颗粒收集到其在仪器10的微分迁移 率分析仪侧上的取样区，然后基本上同时地，并且在任何情况下在 收集后相对迅速地，将所收集的颗粒引入该仪器的质谱仪侧中进行 分析。所述引入优选包括这些颗粒从取样区的释放。样品收集元件 16的可能结构特4正的更具体描述在下面参照图2至图4给出。
在图1的示例性质谱仪中，在取样阀16的质i普4义侧，颗粒中 的化合物可在电离室18中从取样阀16的取样表面解吸。这可借助 于恰当的解吸激光束20来提供。激光束20可以直接或以恰当角度 引入到耳又样表面。例如，在1064nm操作的脉沖红外Nd:YAG激光 20可以用于这个目的。
第二激光21,例如在UV范围(193 nm )的短受激准分子激光 器脉冲可以用于在距离解吸表面短距离的电离区域中电离气体羽 流(气体烟流，gas plume )。应注意的是，对第二激光的描述<又<叉 为了图1装置的完备性。第二激光不必需对取样阀16的操作具有 任何直接影响。然后离子从电离室18供应到质谱仪的飞行管(flight tube) 22中。该供应经由一组带有与离子相反电荷的力o速透4竟(accelerationlenses)来进行。然后这些离子由于它们的不同飞4亍时间而可以才艮
如利用计算单元的多个事件时间数字转换器PC卡进行记录。
涡轮泵可以连接至质谱仪真空室23的底部以提供恰当的真空。预真空泵可以连4妄至该涡4仑泵并且另 一个泵可以用作用于取^羊阀的4妻口泵(interface pump )。可以连4妾满量禾呈真空计用于压力测量。该质i普4义真空系纟充、高电压供纟合(high voltage supplies) ,W敫光的启动老卩可4昔助于'除当计算才几加以4空制。
下面，将更详细解释举例-说明这些实施方式的可能取才羊装置的实例。
图2示出了根据一个实施方式的可能取样装置的横截面。更具体地，图2示出了球阀型元件30的剖碎见图。要注意的是，类似功能寸生系纟克(similarly functioning system)可冲勾建在适于專争动的4壬4可元件例如圆柱形阀元件上。
图2的取样阀被构建为在其转动球(turning ball) 31上提供的取样区32的取样表面上保持和收集固体样品颗粒。取样表面33优选提供为低于球31的球面(sphere) 34,从而4吏该球能够与取样表面上的样品在容纳该J^的空间内转动。取样表面可以^U是供在通过切割该球的一部分而提供的区域中，如图2所示，或者在其他情况下以任何恰当的凹槽提供在转向球31的表面上。 一些可能的替换方式的实例示于图4A和4B中。
在取样区上收集颗粒可以通过电荷吸引来实现。在这样的布置中，带电颗粒被收集在带有相反电荷的取样表面上。其他的机制，例如吸收、吸附、粘附力、冷捕集或排除(过滤到多孔表面的孔隙 中)也可以用来将颗粒吸引到取样表面上。在其中使用冷捕集，即 冷却取样表面的应用中，冷却流体可以通过阀的轴杆一皮导入到耳又样 表面附近。冷却也可以用于防止样品乂人取才羊表面蒸发(4军发)。
如果需要，取样表面33可与球31的其他部分分离。例如这在 施加电压以提供电荷吸引或施加热以释放样品时可能是需要的。恰 当的密封可借助于聚合物基材料例如聚四氟乙烯(PTFE )或聚醚醚 酮(PEEK)来提供。也可以使用其他非电和/或热传导材料，如陶 瓷材料。该非传导材料可以插入到提供在该球中且包围取样表面的 空腔内。取样表面的电压可布置成通过球的轴杆进行传导，因此也 可能需要它的电和真空绝缘装置。
如果该球是由导电材料如金属(例如不锈钢)或导电聚合物制 成，则可能需要进行密封。根据一种可能，该球由非导电材料制成， 因而可能不需要进4亍密封。例如，该球由硬聚合物例如聚醚醚酮 (PEEK)制成。
取样阀30被构建为，通过在图2所示的收集位置(在该位置 中，取样区暴露于待取样的颗粒36)和释放位置(在该位置中，取 样区暴露于该仪器的真空和/或分析侧37)之间转动阀球31将所收 集的样品引入到分析仪器的分析侧。
在真空侧，即分析侧37，收集的化合物可通过任何恰当机制例 ^口通过解吸而乂人取才羊表面33释》文。该释》文可以通过力口热、电》兹辐 射(使用例如激光)、溶剂、电荷、离子或原子束、聚焦气体流、 声振动、对取样区表面或其环境产生的任何震动或突然改变等来产 生。取样装置也可在分析系统的取样侧上的大气压和分析侧37中 的真空之间提供密封。恰当的密封35优选提供在旋转部件(rotating part )，即图2的3求31禾口阀体38之间，以在耳又才羊吾卩36禾口分坤斤吾卩37 之间保持压力差。球周围的密封可以以非连续方式布置以使该密封 分成两个或多个部分，在这些部分之间留有空间或间隙35，。该密 封也可借助于整体式密封组件(其中密封表面的面积小于该球的表 面积)来布置。至少一个凹槽或类似结构可以才是供在该密封中以增 强该球周围的密封(材料)的合适配置(proper fitting )。不管该密 封配置的安排方式如何，有利的是允许该密封(或多个密封)在压 力下扩展(膨胀)，因为在其他情况下该密封(或多个密封)可能 不会一皮充分有效地压靠在该^求的表面。这尤其是在其中对表面区i或 的力较小、为确保良好真空密封的应用中可能是重要的。
球型转动元件是有利的，因为它相对地易于提供其三维密封。 相比于小样品区，球提供相对较大的用于密封的表面区域。任何真 空将推动该球紧靠包围它的密封(密封材料，seal )。因此该球4吏得 能够一夸^:集区以例如通过平面布置而不可实王见的方式在所有方向 上进行密封。
然而，应当理解，^/办^求体，阀的转动部分(部件)可以具有 任何恰当的形状，例如圆柱形、圆锥形、椭圓形等。重要的是该转 动元件可以在第一位置(其中可收集样品)和第二位置(其中可释 放样品以用于分析)之间，以可将传递所收集样品的时间减至最少 的方式进4于活动。
置可以是例如气动的或电动的。在一个优选实施方式中，提供步进 电机用于所述制动。制动装置可以布置成提供连续操作，以使旋转 元件以恰当速度连续转动或者以步进方式转动。根据图3所示的一个实施方式，在旋转组件31上可以才是供多个耳又才羊区33a和33b。这可以是有利的，因为新才羊品可以在前一才羊品萍皮分析的同时而^皮收集。应当理解，可以4是供多于两个的取才羊区。多个取样区有利于样品的连续收集。所述收集可以从不同分离系统或乂人连续样品流中进4亍。
图3还示出了球的轴杆39。该轴杆可以与转向球具有相同的材料，或者不同的材料。例如，可以提供塑料驱动轴。密封环40可以4是供在轴杆39上。要注意的是，用于转动阀元件的轴杆可以通过任何恰当的密封布置进行密封。例如，代替或除了密封环之外，轴杆和导向装置(导杆，guide)之间的空间可以用环氧等密封剂进行填充。
图3还示出了延伸通过轴杆且连4妻至取样表面元件33a和33b的高电压导体41和42。
才羊品^)欠集区的一些可能构造的实例示于图4A和4B中。图4A示出了圆形空腔或钻孔43。该空腔可以是任何其他恰当的形状，例如椭圓形空腔(参见图4B)，或者在该^求表面上例如通过钻孔或磨制(drilling and milling )而^是供的有角空月空。
图5示出了根据一个实施方式的流程图。在步骤100中，样品在第一位置中在取样元件的取样区上被收集。在该位置中，取样区暴露于待取样的材料，如暴露于来自图1的DMA 14的材料。 一旦收集了样品，则在步骤102通过电机驱动取样元件以便将取样区转动到第二位置(在该位置中，使得取样装置能够释放样品以在分析中使用)。之后，在步骤104中从取样区释放样品，并在步骤104之后对其进行分析。该操作可以是连续的。可以提供多个取样区以使至少 一 个样品 在另 一个样品被释放和/或分析的同时被收集。如果多个取样点或取
样区一起使用连续样品供应并且以小步幅(small step )旋转转动元 件，则该方法可用来例如从来自层析的连续样品流中供应样品。
混合基质物质和才羊品，该方法也可以用于MALDI (基质4it助 的激光解吸/电离)，尽管这可能需要样品斑点的单独清洗。
所述耳又样可在大气压力下完成。可^,换i也，可在阀的取才羊侧上 施加真空。此外，尽管空气样品通过真空被吸入到室内使得不产生 过压(超压，overpressure)这在空气分析中是常见的，然而过压可 以在某些类型的应用中4吏用。例如，在工业生产液流中或在来自汽 车排气管的气体排放中可以利用过压。阀的分析侧也可处于真空或 大气压下。不管什么应用，如果在该两侧之间存在压力差，则取样 装置可以用作在所述系统的取样侧和分析侧之间的密封。
如果样品是通过在收集室的取样表面和其它部分之间施加电 势差而进行收集，则大小选择性收集可以通过改变该电势差而提 供。颗粒大小可以通过由恰当电压控制元件如手动才喿作的电位计或 软件控制单元控制样品收集表面上的收集电压来进行调节。基于软 件对颗粒大小的控制可以通过恰当控制器如中央控制器单元、或通 过单独的颗粒大小控制器单元加以提供。以这种方式，可抛弃现有 分析系统中的DMA部分。大小选择性收集的原理可在具有样品收 集区的任何取j羊装置中4吏用。
可布置另外的惰性气体流以保护活动取样元件的取样表面不 会被气相化合物污染。这在例如收集和分析空气颗粒时可能是需要的。
取样元件可以是分析装置的集成部件。除了颗粒，上述取样机制可以应用于液体和气体样品。 才羊品可以/人气体或液体流进4亍收集。
取样表面可以是钢、不锈钢、金、铂或任何其他化学惰性的传 导性金属或聚合物。金和铂金受激光解吸影响更小。多孔材料如陶 瓷和硅被认为对于生物样品是特别良好的，并且可以有利地用于， 特别是非电荷吸？ I的其他类型的收集中。
在上文中，参照质谱分析给出了实例。然而，上述的取样装置
也可以用于其^f也类型的分对斤和事件(matter)中，如电子显樣i冲支术 和其他表面分析才支术(X-射线、4我歇能i普(Auger spectroscopy ))。
上述阀尤其可用来收集和分析固体、气体和液体中的颗粒、或 气体和流体本身。
所述装置可以布置成佳J寻才羊品可以以多种不同方式,皮引入到 分析室中。
出于安全原因，为了解决系统中的可能的高电压，可以对真空 提供较小延迟(例如约10-20 s)使其稳定并处于恰当水平，因而电 压可^皮接通。也可以向高电压供给提供压力每文感性安全开关。然而， 这些安全措施绝不会影响所述分析。
实验
球型取样阀的原型已在实验室条件下进行了试验。该原型取样 岡表现出良好的真空和收集性能。在该阀转动过程中4又检测到非常 小且短时间的压力增加。这些实验已证实，这不会对质谱分析造成任何问题。利用短IR激光束对样品的解吸证明是有效的。对于细
颗粒获得的收集效率已证实为特別良好。类似地，构建了第二阀原型并在质谱仪电离室内集成。该第二原型表现出与第一原型一样好的性能或甚至更好的性能。
在本文中应当注意的是，尽管以上描述了本发明的示例性实施方式，但是在不背离如所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，对所披露的技术方案可以进行许多变形和更改。
权利要求
1. 一种用于将样品引入分析系统中的取样装置，所述取样装置包括提供有取样区的转动元件，所述取样区被构建为保持待分析的样品，所述转动元件被布置为可以在其中所述取样区暴露于待取样的材料以收集样品的第一位置和其中释放样品以被所述分析系统使用的第二位置之间活动。
2. 根据权利要求1所述的取样装置，其中，所述转动元件包括旋转元件。
3. 根据权利要求1或2所述的取样装置，其中，所述转动元件包 括阀3求型元件。
4. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样区包 括凹槽。
5. 根据权利要求4所述的取样装置，其中，所述凹槽由所述转动 元4牛的J求面中的间断而才是供。
6. 根据权利要求4或5所述的取样装置，其中，所述凹槽由所述 转动元件中的空腔而提供。
7. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，包括多个取样区。
8. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述转动元件 被布置为连续收集样品。
9. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述转动元件 -陂布置为连续旋转。
10. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述转动元件被布置为步进式旋转。
11. 才艮据任一前述4又利要求所述的取样装置，所述耳又样装置^皮构建 为在样品收集侧和分析侧之间提供密封元件。
12. 根据权利要求11所述的取样装置，其中，所述密封被布置为 在所述样品收集侧和所述分析侧之间保持压力差。
13. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样区被 构建为通过电荷吸引、吸收、吸附、冷捕集、排除、粘附力、 物理过滤和分子相互作用中的至少一种来收集样品。
14. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样区被 构建为基于解吸而释》文才羊品。
15. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样区被 构建为通过使所述样品经受加热、电》兹辐射、溶剂、电荷、离 子或原子束、聚焦气体流、声振动、对所述取样区的表面或对 其环境产生的震动或突然改变中的至少一种而释》丈才羊品。
16. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样装置 被构建为提供惰性气体流的流动，用于保护所述活动元件的所 述取样区不会受气体化合物污染。
17. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样装置 被构建为控制所述取样区的表面上的收集电压。
18. 根据权利要求17所述的取样装置，所述取样装置被构建为在 所述取样区的表面和样品收集室的一部分之间选择性地施加 电势差以提供选择性的颗粒大小控制。
19. 根据任一前述权利要求所述的取样装置，其中，所述取样区的 取样表面包括钢、不锈钢、金、铂、另一种金属、硅、陶瓷材 料、聚合物材料、和玻璃中的至少一种。
20. 根据权利要求19所述的取样装置，其中，所述取样表面的材 料是多孔性的。
21. —种包括用于将样品？ 1入分析系统的耳又样装置的分析系统，所 述取样装置包括提供有取样区的转动元件，所述取样区被构建 为保持待分析的样品，所述转动元件被布置为在其中所述取样 区暴露于待取样的材料以收集样品的第 一位置和其中释放样 品以被所述分析系统使用的第二位置之间活动。
22. 根据权利要求21所述的分析系统，包括质谱仪。
23. 根据权利要求21或22所述的分析系统，被构建为适于便携式 操作。
24. —种用于提供样品以进行分析的方法，所述方法包括在处于第一位置的取样元件的取样区上收集样品，其中 所述取样区暴露于待取样的材料；转动所述取样元件以将所述取样区移动到第二位置；以及从所述取样区释放所述样品以在所述分析中使用。
25. 根据权利要求24所述的方法，包括以步进方式旋转所述取样 元件。
26. 根据权利要求24或25所述的方法，包括在至少一个其他样品 被释放的同时而收集至少 一个样品。
27. 根据权利要求24至26中任一项所述的方法，包括借助于所述 取样元件在样品收集侧和分析侧之间保持压力差。
28. 根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中，所述收集 步骤包括通过电荷吸引、吸收、吸附、冷捕集、排除、粘附力、 物理过滤和分子相互作用中的至少一种进4亍收集。
29. 才艮据片又利要求24至28中任一项所述的方法，其中所述释》丈步 骤包括基于解吸、加热、电磁辐射、溶剂、电荷、离子或原子 束、聚焦气体流、声振动以及对所述取样区的表面或对其环境 产生的震动或突然改变中的至少一种而释》文所述才羊品。
30. 根据权利要求24至29中任一项所述的方法，包括控制在所述 取样区的表面上的收集电压。
31. 根据权利要求30所述的方法，包括通过在所述取样区的表面 和样品收集室的 一部分之间选才奪性施加电势差而4是供选才奪性 颗粒大小控制。
32. —种用于将样品？ 1入分析系统中的取样装置，所述取样装置包 括活动的取样区，所述:f又样区蜂皮构建为借助于对其施加的收集 电压而保持样品，其中，通过控制所述收集电压而提供选择性 颗粒大小控制。
33. 根据权利要求32所述的取样装置，所述取样装置被构建为在 所述取样区的表面和样品收集室的 一部分之间选4奪性地施加 电势差。
全文摘要
本文披露了一种用于将样品引入分析系统的取样装置，例如取样阀。该取样装置包括提供有取样区的转动元件。该取样区被构建为保持待分析的样品。该转动元件被布置为在其中取样区暴露于待取样的材料以收集样品的第一位置和其中释放样品以被该分析系统使用的第二位置之间活动。
文档编号H01J49/04GK101461033SQ200780018681
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月18日 优先权日2006年5月23日
发明者于尔约·维萨宁, 卡里·哈尔托宁, 卡里·库斯帕洛, 帕西·阿尔托, 海基·利哈瓦伊宁, 玛丽亚-莉萨·列科拉, 马库·库尔马拉, 马库·拉西莱宁 申请人:赫尔辛基大学;芬兰气象局