向质谱仪中的ICP源添加反应性物质的制作方法

本发明的研究工作在欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)/ERC拨款协议n°FP7-GA-2013-321209下受到欧洲研究理事会的资助。

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，具体来说涉及一种电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS)。此外，本发明涉及质谱分析方法。

背景技术：

质谱分析是用于基于气态离子的质荷比和丰度定性和定量地确定存在于样本中的分子物质的分析方法。

在电感耦合等离子体质谱分析(ICP-MS)中，可以高灵敏度和精度(浓度相对于非干扰背景低至10¹⁵分之1)检测原子物质。在ICP-MS中，有待分析的样本利用电感耦合等离子体电离，随后分离且在质量分析仪中量化。

精确且准确的同位素比测量通常提供对于通过任何其它分析技术无法解决的科学问题的更深入理解的唯一方式。多集电极ICP-MS是用于高精度且准确的同位素比分析的一种成熟的方法。ICP-MS应用于地质年龄测探(geochronology)、地球化学(geochemistry)、宇宙化学(cosmochemistry)、生物地球化学(biogeochemistry)、环境科学以及生命科学领域中。然而，质谱仪中的元素和分子干扰可能会限制分析可达到的精度和准确性。

这些干扰可存在于样本材料自身中，或由于从污染源(例如所使用的化学品、样本容器)制备样本而产生，或通过样本纯化期间的分馏而产生。污染物质还可产生于离子源或质谱仪中。

为了实现高精度且准确的同位素比测量，应用延长的物理和化学样本制备以获得不含可干扰质谱的可能干扰和污染的清洁样本。分析物在同位素比ICP-MS中所使用的样本材料中的典型浓度处于每10亿若干份的范围内。所关注的分析物还可能集中在异质样本材料(例如岩石样本)内的小夹杂物或晶体中。

延长质检步骤集成到样本制备中以确保样本制备自身不会导致样本材料的同位素比的改变。每一样本制备步骤都可能将污染物添加到样本和/或引起将从原始样本材料提取的分析物的同位素分离，所述样本材料可为例如岩石、晶体、土壤、尘粒、液态和/或有机物质。即使所有这些步骤都极为谨慎地进行，仍有可能在质谱中存在污染以及不完整分离和干扰。

理想情况下，我们将想要完全避免化学样本制备步骤。此外，如果使用激光器来直接消融样本且将经消融材料冲入ICP源中，那么化学样本制备是不可能的。在这些情况下，不存在所需分析物从样本基质的化学分离，且所有特异性必然是来自质量分析仪和质量分析仪中的样本引入系统。特异性描述分析仪明确地确定和识别样本中的特定物质的能力。实现质谱仪中的特异性的一种方式是确保质量分析仪的质量分辨力M/(ΔM)足够大以清楚地分离一种物质与另一种物质，其中ΔM希望是两种物质的质量差，且M是所关注物质的质量。在具有相同标称质量的物质存在同量异位干扰的情况下，这需要非常高的质量分辨率。对于扇形场质谱仪来说，高质量分辨率的出现伴随着使用到质量分析仪的非常窄的入口狭缝，且小入口狭缝显著减少透射，且因此降低质量分析仪的灵敏度。因此，在需要极高质量分辨力的情况下，这变为不切实际的方法。这对于当前技术解决方案受限的质谱分析仪表来说是特殊挑战。

电感耦合等离子体(ICP)离子源是使用质谱分析进行元素和同位素分析的极高效离子源。这是一种能够在非干扰低背景同位素上检测低至一份/1015(份/千万亿，ppq)的极低浓度下的元素的分析方法。所述方法涉及利用电感耦合等离子体来使待分析的样本电离，且接着使用质谱仪来分离并量化因此产生的离子。

在电磁线圈中电离通常为氩气的气体以产生氩原子、游离电子与氩离子的高度激励混合物产生等离子体，其中温度足够高以引起样本的原子化和电离。所产生的离子经由一或多个减压阶段引入到质量分析仪中，所述质量分析仪最常为四极分析仪、磁性扇形分析仪或飞行时间分析仪。

高精度质量分析仪允许从分子物质分离元素离子的高质量分辨率，所述分子物质在某一程度上不可避免地形成于ICP源(例如，OH⁺、NO⁺、CO⁺、CO₂⁺、ArO⁺、ArN⁺、ArAr⁺等)内且干扰元素离子。因此，已知某些元素具有通过ICP-MS的相对差的检测极限。这些元素主要是遭受因来源于等离子气体、基质组分或用于溶解样本的溶剂的离子产生的假象或质谱干扰的那些元素。实例包含用于测定⁵⁶Fe的⁴⁰Ar¹⁶O、用于测定³⁹K的³⁸ArH、用于测定⁴⁰Ca的⁴⁰Ar、用于测定⁸⁰Se的⁴⁰Ar⁴⁰Ar、用于测定⁷⁵As的⁴⁰Ar³⁵Cl、用于测定⁵²Cr的⁴⁰Ar¹²C以及用于测定⁵¹V的³⁵Cl¹⁶O。

利用高质量分辨率磁性扇形多集电极质谱仪，分子物质可沿着质谱仪的焦平面分离，以使得可仅检测元素离子，而在检测器狭缝处辨认分子干扰物(见Weyer与Schwieters，《国际质谱分析学报》，第226卷，第3期，2003年5月，以引用的方式并入本文中)。这一程序对于分析物与干扰物之间的相对质量偏差处于范围(M/ΔM)<2,000-10,000(M：分析物的质量，ΔM：分析物与干扰物之间的质量差)内的干扰物非常适用。

利用扇形质谱仪，高质量分辨率的出现通常伴随着到质量分析仪中的离子光学透射的减少，因为高质量分辨率需要较窄的入口狭缝和较小孔径以最小化进一步沿着从入口狭缝到检测器的离子束路径的二阶或三阶角度偏差。在样本量受到限制或样本中的分析物浓度低的特定情况下，高质量分辨率模式下的灵敏度降低是一个重要问题。这直接导致分析精度降低，因为在穿过扇形场分析仪的有效透射降低的情况下计数统计较差。因此，高质量分辨率通常并非消除干扰和获得特异性的可行解决方案，即使在质谱仪的质量分辨力足以区分干扰物的情况下也是如此。

存在其它应用，其中元素离子的同量异位干扰无法通过样本制备来避免，且将需要>>10,000的质量分辨力来分离干扰物质。一个实例是利用基于氩气的等离子体来分析⁴⁰Ca。元素⁴⁰Ar⁺对于⁴⁰Ca⁺存在强干扰。分离两种物质所需的质量分辨率将>193,000，其远大于通过磁性扇形场分析仪可实现的分辨率。

碰撞池技术(ICP-CCT)提供了针对此问题的一个解决方案，其包含定位在分析仪前面的碰撞/反应池。这一碰撞池添加了实现分析特异性的另一可能性。替代质量分辨力，其使用化学反应来区分干扰物质。例如氦气或氢气等碰撞气体被引入到此池中，此池典型地包括以射频模式操作从而使离子集中的多极。碰撞气体在所述池中碰撞且与离子反应，将干扰离子转化为无害的非干扰物质。

碰撞池可用以从元素质谱移除不合需要的假象离子。碰撞池的使用描述于例如EP 6 813 228 A1、WO 97/25737或US 5 049 739 B中，其全部以引用的方式并入本文中。碰撞池是离子透射穿过的大体上气密罩壳。其定位在离子源与主要质量分析仪之间。目标气体(分子和/或原子)进入到碰撞池中，目的是促进离子与惰性气体分子或原子之间的碰撞。碰撞池可为如US 5 049 739 B中所公开的无源池，或离子可借助于例如多极(multipole)的离子光学器件约束在所述池中，所述离子光学器件利用交流电压或交流电压与直流电压的组合驱动，如在EP 0 813 228中。通过这一方式，碰撞池可配置成便在损失最小的情况下透射离子，即使在所述池以足以高以保证离子与气体分子之间的碰撞的压力下操作时也是这样。

举例来说，约2％H₂添加到碰撞池内的He气的碰撞池的使用通过⁴⁰Ar⁺与H₂气的低能量碰撞而选择性地中和⁴⁰Ar⁺离子，且电子的谐振电荷从H₂气转移以中和⁴⁰Ar⁺离子(见Tanner、Baranov与Bandura，2002，光谱化学学报，B辑录：原子光谱学，57：1361到1452，以引用的方式并入本文中)。这一电荷转移机制极具选择性且有效地中和氩气离子，且因此将⁴⁰Ar⁺离子与⁴⁰Ca⁺区分开来。与质谱仪情况下的质量分辨率相比，这些类型的效果有时称为化学分辨率(Tanner与Holland，2001，等离子体源质谱分析：新纪元，出版方：Royal Soc of Chem)。

除了电荷转移反应之外，还可应用使用其它碰撞气体或碰撞气体混合物的碰撞池内的其它机制来减少干扰物。这些机制包含：归因于碰撞池内的碰撞的动能区分(例如，Hattendorf与Guenther，2004，原子光谱分析学报，19:600，以引用的方式并入本文中)、碰撞池内的分子物质碎裂(见Koppenaal,D.,W.、Eiden,G.,C.与Barinaga,C.,J.，(2004)，原子质谱分析中的碰撞和反应池：发展、现状和应用(Collision and reaction cells in atomic mass spectrometry:development,status,and applications)，原子光谱分析学报，第19期，第561到570页，以引用的方式并入本文中)，和/或碰撞池内的质量偏移反应。ICP-CCT的这一工具箱可使用直接样本分析而以显著减少的样本制备较接近于特异性检测目标，但仍存在不可通过将碰撞池介接到质谱仪来解决的分析问题和干扰。

通过谨慎地控制碰撞池中的条件，有可能有效地透射所需离子。这是可能的，因为一般来说，形成待分析的质谱部分的那些所需离子是单原子，且携带单个正电荷，即，其已丢失电子。如果此类离子与惰性气体原子或分子碰撞，那么所述离子将保持其正电荷，除非气体的第一电离电势足够低以使得电子转移到离子且中和所述离子。因此，具有高电离电势的气体是理想的目标气体。相反，有可能移除假象离子，同时继续有效地透射所需离子。举例来说，假象离子可为例如ArO⁺或Ar₂⁺等分子态离子，其比原子态离子要不稳定得多。在与惰性气体原子或分子碰撞时，分子态离子可分解，从而形成具有较低质量和一或多个中性碎片的新离子。此外，用于涉及分子态离子的碰撞的碰撞横截面往往会大于用于原子态离子的碰撞横截面。以引入的方式并入本文中的Douglas(《加拿大光谱分析学报》(Canadian Journal Spectroscopy)，1989，第34(2)卷，第36到49页)阐明了这一点。另一可能性是利用反应性碰撞。Eiden等人(《原子光谱分析学报》(Journal of Analytical Atomic Spectrometry)，第11卷，第317到322页(1996))使用氢来消除许多分子态离子以及Ar⁺，而单原子分析物离子在很大程度上不受影响。

技术实现要素：

本发明通过诱发ICP源内的质量偏移反应以生成经过质量偏移的离子态分子物质，借此解决方便受到同量异位物质的干扰的分子和/或元素物质的质谱分析的方法。通过对这种经过质量偏移的分子物质或它的碎片或另外的分子加成物的质量分析，本发明提供了在无干扰背景下测定所关注的分析物质的质谱的方式。

在一个方面中，本发明提供

一种电感耦合等离子体质谱分析(ICP-MS)方法，包括：

a.提供至少一个电感耦合等离子体源；

b.将包括至少一种样本物质和至少一种反应性物质的至少一个样本引入到等离子体源中，从而形成至少一种反应性物质和至少一种样本物质的至少一个分子加成物离子；

c.将至少一个分子加成物离子转移到布置在电感耦合等离子体源与至少一个质量分析仪之间的碰撞池中，

d.将至少一个分子加成物离子或其产物转移到至少一个质量分析仪中，以及

在至少一个质量分析仪中分析至少一个分子加成物离子或其产物的质量。

所述方法可进一步包括：通过至少一个滤质器转移在电感耦合等离子体源中形成的至少一个分子加成物离子，所述至少一个滤质器设置在电感耦合等离子体源与碰撞池之间，并且配置成仅仅透射质荷比在包括反应性物质和样本物质的分子加成物离子的质荷比的范围内的离子。

本发明另外涉及一种电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)，包括：

a.至少一个样本引入装置；

b.电感耦合等离子体源；

c.至少一个滤质器，

d.至少一个碰撞池，以及

e.至少一个质量分析仪；

其中至少一个滤质器布置在电感耦合等离子体源与碰撞池之间，并且

其中质谱仪进一步包括至少一个样本引入系统，用于将至少一种反应性物质传递到电感耦合等离子体源中，借此反应性物质与在电感耦合等离子体源中从样本产生的至少一个离子形成至少一个分子加成物离子。

所述样本引入装置可以包括本领域已知的用于将样本提供到ICP源中的一或多个装置。所述装置可以被调适用于将液体、固体或气体样本提供到ICP源中。所述装置可以例如包括一或多个气动同心或错流喷洒器、超声波喷洒器和/或激光消融源。

所述样本引入系统可以包括一或多个适合于将反应性物质传递到ICP源中的组件。在一些实施例中，所述系统可以包括一或多个气密连接，用于将反应气体传递到ICP源中。所述系统可以被调适用于将反应气体直接传递到ICP源中。替代地，或另外，所述系统可以被调适用于将反应性物质传递到样本引入装置中。

形成于ICP源中的分子加成物离子的产物离子(形成于碰撞池中)一般可以是分子加成物离子的碎片，或者所述产物可以是通过在碰撞池中与另一反应性物质的化学反应产生的另一分子加成物离子。

因此，在某些实施例中，根据本发明的方法可以包括下面的更多步骤：

d.将至少一种气体引入到碰撞池中；

e.在碰撞池中从至少一个分子加成物离子和至少一种气体形成至少一个产物离子；

f.将至少一个产物离子转移到至少一个质量分析仪中；以及

g.在至少一个质量分析仪中分析至少一个产物离子的质量。

所述至少一种气体可以包括一或多种碰撞气体。所述至少一种气体还可以是包括一或多种反应性物质的反应气体。在一个实施例中，所述反应气体包括单个反应性物质。在另一实施例中，所述反应气体包括混合物，该混合物包括两种或更多种反应性物质。

电感耦合等离子体(ICP)源是这样的等离子体源，其中通过电磁感应(也就是说，通过时变磁场产生的电流)供应能量。电感耦合等离子体(ICP)源可以是技术人员已知的任何这样的源。举例来说，ICP源包括等离子吹管，其包括三个同心管件，这些管件可以例如由石英制成。ICP源可进一步包括电极，该电极具有螺旋形状，并且当向其施加时变电流时将产生时变磁场。ICP源可以被调适成能用任何用于等离子体生成的合适气体(例如氩气)工作。

质谱分析中的一个常见分析难题涉及质量与正在接受分析的离子(样本离子)相同或非常相似的干扰离子的存在。本发明提供一种消除对所关注的样本物质的质谱的这样的干扰效应的方法。举例来说，质量与分子加成物离子相同的至少一个干扰离子可以在电感耦合等离子体源中形成。干扰样本离子可以例如是形成于ICP源中的另一分子加成物离子。干扰离子还可以是来源于等离子气体或设备本身并且在等离子气体中释放的离子。根据本发明的方法提供一种用于通过一个顺序过程使这样的干扰离子的效应最小化的设备和方法，该顺序过程可以包括例如下面的一或多个步骤：形成一或多个分子加成物离子，质量过滤和碎裂和/或反应。

举例来说，所述方法可以包括进一步在碰撞池中使至少一个干扰样本离子而非形成于ICP源中的分子加成物离子碎裂。其结果是，在质谱仪中分析分子加成物离子的质量而非碎裂干扰离子的质量。优选地，使用滤质器仅仅将来自ICP源的包括分子加成物离子的质荷比的有限范围的质荷比透射到碰撞池。

在另一个实例中，所述方法可以包括在碰撞池中使形成于ICP源中的分子加成物离子而非至少一个干扰离子碎裂。以此方式，可以使分子加成物离子碎裂，从而产生样本物质(以较低质量)，分子加成物离子是由该样本物质在ICP源中形成的。其结果是，在质谱仪中分析样本物质离子的质量，该质量不再受到干扰离子的质量的干扰。优选地，使用滤质器仅仅将来自ICP源的包括分子加成物离子的质荷比的有限范围的质荷比透射到碰撞池。因此，在碰撞池中产生的样本物质(以较低质量)在不受干扰的背景上出现在质量分析仪测量到的质谱中。

分子加成物离子可以通过出现于电感耦合等离子体源中或加入电感耦合等离子体源的反应性物质的反应形成。反应性物质可以是任何能够形成具有至少一种样本物质(可以是原子物质或分子物质)的分子加成物离子的原子物质或分子物质。在一些实施例中，反应性物质选自由以下各项组成的群组：H₂、N₂、O₂、NH₃、SO₂、CS₂、N₂O、SF₆、Ne、Kr和CO₂。举例来说，O₂可以形成金属氧化物，例如FeO、VO、CaO、TiO、CrO、BaO、ScO，并且N₂可以形成含有金属的氮化物，例如FeN、CrN、ArN、VN、NbN、ZrN。通过这样的加成物的不同形成速率和/或通过其在碰撞池中的特异性碎裂，有可能移除同量异位干扰并且由此增加质量分析的灵敏度。

在某些实施例中，样本物质是元素物质。

还可能有利的是使用反应物质的混合物，这些反应物质可以对于ICP源中存在的样本离子和干扰离子具有不同的反应亲和力。举例来说，一种反应性物质可以与样本离子反应并且至少部分地与干扰离子反应。通过引入与干扰离子更快地反应但是不与样本离子反应(或者与样本离子反应非常慢)的第二反应性物质，有可能将样本离子选择性地变换成质量更高的分子物质。

在一些实施例中，将反应性物质引入到电感耦合等离子体源中。因而，质谱仪的样本引入系统可以包括至少一个反应气体入口，其流体地连接到电感耦合等离子体源。质谱仪还可以另外包括至少一个反应气体源。样本引入系统可进一步包括至少一个样本入口，其流体地连接到电感耦合等离子体源，所述样本入口可以是与反应气体入口相同或不同的入口。

反应性物质因而可以例如在被引入到ICP源中的例如氩之类的等离子体产生气体中引入。举例来说，反应性物质可以包括混合到被引入到ICP源中的等离子体产生气体中的反应气体，或者由被引入到ICP源中的等离子体产生气体中的反应气体组成。反应气体还可以单独引入到ICP源中，即借助于单独的气体连接引入。反应气体可以引入到同心管状等离子吹管(“三轴吹管“)的样本注射管、中间管件或外部管件中。优选地，反应气体引入到样本注射管中。反应气体可以与引入到注射管中的样本一起引入。替代地，反应气体经由单独的气密连接引入，该气密连接可以用于将气体传递到注射管中。反应气体还可以在引入到等离子吹管的中间(辅助气体)管件和/或外部(冷却气体)管件的气体中引入，或者可以借助于单独的气密连接引入，该单独的气密连接将气体提供到中间管件和/或外部管件中。

本领域已知仪表相依性参数(包含ICP源的调谐)可能影响吹管中的分子物质的形成速率。这样的调谐可以例如包含吹管的位置和等离子气体(例如Ar)进入ICP源中的流动速率。因此，可以进一步通过一或多种这样的已知方法来控制在根据本发明的ICP源中形成分子加成物。

举例来说，吹管中的氧化物物质的形成速率可能受到例如这样的参数的影响：喷洒器流速(当存在时)、施加于吹管的RF功率、取样器孔径、ICP中的取样锥的位置、等离子体中的氧含量和水性溶剂的移除效率(当存在时)。总的来说，喷洒器气流速率增加往往有利于相对于M⁺离子(其中M表示原子或分子)增加MO⁺和MOH⁺物质的量。应了解，这些先前已知的影响吹管中的分子物质形成速率的因素可能在本发明的各种实施例中能用于最大化吹管中的对于所进行的特定分析期望的分子物质的形成。优选地，在本发明中，安排基本上全部或者全部至少一种样本物质与等离子体源中的至少一种反应性物质形成至少一个分子加成物离子。

反应性物质还可以存在于含有有待分析的样本物质的样本中。举例来说，样本可能含有当引入到ICP源中时与样本物质反应以形成分子加成物离子的反应性物质。总的来说，因而可以从产生反应气体的离子、或者从等离子体中的来源于样本本身的离子、消融样本矩阵(在通过激光消融获得样本的情况下)或从样本气体中的杂质产生分子加成物离子。与现有技术相反，本发明最大化从至少一种样本物质形成至少一个分子加成物离子。

引入到ICP源中的反应性物质也可以作为喷雾剂引入。喷雾剂可以在例如等离子气体之类的气体中引入。气体可以例如是氩气。反应性物质还可以引入到含有有待分析的样本中并且将被传递到ICP源中的喷雾剂中。喷雾剂可以通过所属领域中已知的任何方式产生。举例来说，喷雾剂可以通过喷洒器产生。在一些实施例中，反应性物质引入到喷洒器中。反应性物质可以例如作为在载气中传递或传递到载气中的反应气体传递。在一些实施例中，有待分析的样本通过激光消融引入到等离子体源中。反应性物质可以作为反应气体引入到这样产生的样本中。

还可能由用于引入样本的反应混合物中的杂质形成分子加成物，所述反应混合物例如是样本在其中引入的稀酸溶液。举例来说，经常在例如HNO₃的稀酸溶液中引入样本。这样的溶液中的杂质或微量分量可以与有待分析的样本物质形成分子加成物，以便在等离子体中形成分子加成物离子。

在某些实施例中，其可用于引入反应气体以与载气和/或等离子体中不充足的分子物质反应。因此，可能有利的是将反应气体引入至ICP源中，以便促成在引入的反应气体与等离子体中的样本物质之间形成分子加成物离子。

碰撞池通常包括优选地在射频模式下操作以聚焦离子的多极。例如氦或氢的碰撞气体或例如氧或氨的反应气体引入到池中。碰撞气体可以与引入到池的离子碰撞以将分子态离子(例如在本发明中是分子加成物离子)转换成更小的分子态离子或元素离子，其被质量偏移成更小的质量，因而可以避免任何可能在碎裂之前干扰分子态离子的干扰物。反应气体可以与元素离子或分子态离子反应，以将其质量偏移成更高的质量，因此减少对其它离子的干扰。

在本发明的某些实施例中，滤质器布置在ICP源与碰撞池之间。此配置的一个优点是，滤质器可以设置成透射不包括在质量分析仪中接受质量分析的离子物质(例如产物离子)的质量的质量范围中的离子，由此促成在下游质量分析仪中生成没有干扰的质谱。因此，在一些实施例中，滤质器设置成透射质荷比包括形成于ICP源中的分子加成物离子(即从有待质量分析的样本物质形成的分子加成物离子)的质荷比的离子。

滤质器可为所包括的电极配备有呈质荷比(m/z)过滤模式的RF与DC电压的组合且配备有呈非过滤模式的大体上仅RF电压的滤质器。换句话说，非过滤模式优选地为仅RF模式。在这种模式中，所有质荷比的离子都在滤质器内稳定，其结果是将通过滤质器透射。在透射模式期间，有可能除了RF电压之外，还将小DC电压施加到电极。优选地，非过滤模式中的DC/RF电压比率是0.0(即，仅RF，无DC电压)，或不大于0.001，或不大于0.01，或不大于0.05，或不大于0.1。优选地，DC/RF比率是0.0。

优选地，滤质器是多极过滤器。过滤器的电极因此优选地为多极滤质器的杆。多极可为四极、六极或八极。优选地，多极是四极。四极可为三维四极，或其可为二维(即，线性)四极。优选地，四极是线性四极滤质器。多极的杆可为圆形杆，或其可为双曲线杆。

分子加成物离子随后可以在碰撞池中反应，以生成形成于ICP源中的分子加成物离子的碎片和/或另外的分子加成物离子。这样的碎片离子和/或另外的分子加成物离子在本文中被称作产物离子。因此，在一些实施例中，通过将碰撞气体引入到碰撞池中而在碰撞池中使分子加成物离子碎裂。因而产生的产物离子的质量低于分子加成物离子，该产物离子随后被转移到质量分析仪中，在质量分析仪中在无干扰的背景下对该产物离子进行质量分析。举例来说，He是常用的碰撞气体，并且He引入到碰撞池中可能使得引入到池中的分子物质碎裂。举例来说，形成于ICP源中的FeN离子可以通过与He分子碰撞而碎裂，从而引起Fe⁺离子和不带电的N原子的形成。随后可以在质量分析仪中对因而产生的Fe⁺离子进行质量分析。

在一种类型的实施例中，样本含有期望分析的至少一种第一元素物质，并且任选地含有干扰第一元素物质(因为具有基本上相同的质量/电荷)的至少第二物质。金属元素物质通常是期望分析的物质。反应性物质优选地与ICP源中的至少一种第一元素物质形成分子加成物离子。优选地，最大化分子加成物离子的形成，从而使得期望分析的基本上全部或全部第一元素物质转换成分子加成物离子。反应性物质可以是氧，因而使得分子加成物离子是氧化物离子，通常是金属氧化物离子。反应性物质可以是氮，从而使得分子加成物离子是氮离子，通常是金属氮离子。滤质器优选地操作或者配置成使得它设置成仅仅透射包括形成于ICP源中的分子加成物离子(例如前述氧化物离子或氮离子)的质量的质量范围(而不是包括不反应的第一元素物质的质量的质量范围)。透射的质量范围的宽度可为24amu、或16amu、或12amu、或8amu、或4amu、或2amu、或1amu或更小，优选地在分子加成物离子的质量上的中间位置。碰撞池优选地配置成含有碰撞气体，使得从滤质器接收的分子加成物离子碎裂以生成第一元素物质的离子。这样的第一元素离子的质量不被滤质器透射，然后在质量分析仪中在干净的无干扰的质谱背景下对第一元素离子进行质量分析。举例来说，在一些实施例中，第二物质(元素或分子)可能会干扰质谱中的第一元素物质。然而，第二物质不与ICP源中的反应性物质反应，或者与ICP源中的反应性物质的反应效率低很多，从而使得其基本上保持为第二物质的不反应离子。因此，第二物质不被滤质器透射(滤质器透射包括从第一元素物质形成的分子加成物离子的不同的有限的质量范围)，并且因此不会干扰质量分析仪中对第一元素物质的后续检测(在碰撞池中再次产生第一元素物质之后)。

在一些其它实施例中，透射的分子态离子可以通过在碰撞池中与反应气体的分子碰撞而形成另外的分子加成物离子，随后在质量分析仪中很大程度上没有干扰地接受质量分析，尤其是在碰撞池上游利用的滤质器不透射另外的分子加成物离子的质荷比的离子的时候。在此情境下，产生具有增加的质荷比的另一分子加成物离子，其同样可以在没有干扰的背景下在下游质量分析仪中接受质量分析。

通过滤质器选择性透射质荷比不包括随后转移到质量分析仪中的产物离子的离子质量的离子，因而最小化ICP源中形成或存在的同量异位物质(即与产物离子同量异位)的干扰效应，借此得到这些应用的根本益处。

因此，滤质器可配置成透射质荷比在包括形成于电感耦合等离子体源中的分子加成物离子的质荷比但是不包括形成于碰撞池中的产物离子的质荷比的范围内的离子物质。

总的来说，滤质器可配置成仅仅透射具有任何期望质荷比的离子。在一些实施例中，滤质器透射的质荷比的范围的宽度不超过24amu、或16amu、或12amu、或8amu、或4amu、或2amu、或1amu。在一些配置中，滤质器配置成仅仅透射基本上具有形成于电感耦合等离子体源中的分子加成物离子的质荷比的离子物质。

还可以存在布置在质谱仪中的至少一个静电透镜，例如同在申请中的英国专利申请案No.1514479.3中描述的，该申请的整个内容特此以引用的方式并入。所述透镜优选地是双模静电透镜，用于选择性地并且交替地透射或反射离子束。静电透镜可以布置在碰撞池的上游，在ICP源与碰撞池之间。静电透镜还可以布置在碰撞池的下游，在碰撞池与质量分析仪之间。优选地，静电透镜布置在碰撞池与滤质器之间。

静电透镜可以配置成使得透镜具有两种功能模式，其中在第一模式期间，透镜透射沿着透镜的第一轴线进入透镜的离子束。当布置在碰撞池的上游时，透镜将在这种模式下透射进入碰撞池的离子束。在第二模式中，透镜可以相对于传入波束的方向和运动向后并且朝向侧面反射传入离子束，并且将其反射到离轴检测器中。当上游滤质器在扫描而非静态的质量过滤模式中(例如在滤质器扫描小于1amu的质量窗口以获得一系列质量(即质荷比)上的质谱的质量过滤模式中)操作时，滤质器透射的离子将在静电透镜中反射并且反射到离轴检测器中。以此方式可以获得完整质谱。

除了在静电透镜中透射或反射之外，离子束当向后朝向组合件的侧面透射和/或导向到碰撞池中或检测器中时还会聚焦。

所述离轴检测器可为通常用于质谱分析的任何类型的检测器，例如电子倍增管(连续或离散的)(也称为SEM(次级电子倍增管)检测器)、阵列检测器、法拉第杯、光子计数器、闪烁检测器，或可用于检测离子(尤其在质谱仪的上下文中)的任何其它检测器。优选地，所述检测器能够进行快速时间响应。所述检测器因此可优选地为电子倍增管，例如连续倍增极倍增管或离散倍增极倍增管。

静电透镜的正常(透射)模式与反射模式之间的切换时间优选地短。切换时间可以小于5ms、小于4ms、小于3ms、小于2ms、小于1ms、小于0.5ms、小于0.2ms或小于0.1ms。优选地，切换时间小于1ms。

检测器可以放置在透镜组合件的上游，邻近于上游滤质器，即与离碰撞池相比离滤质器更近。此布置受益于与下游布置(例如碰撞池附近，其中真空条件相对不佳)相比在滤质器附近的优良的真空。因此，无论下游碰撞池是否用碰撞气体加压，都将提供优良的检测条件。

所述设置的另一个优点是，可以使用第一滤质器(例如在扫描模式中操作的四极)快速测定传入离子束的质谱，其中在反射模式期间，静电透镜设置成将传入离子束向后反射到检测器中。在这个时间期间，可以测定传入波束的完整质谱或预定质量区域内的质谱。此扫描可以提供关于正在分析的样本的组合物的重要信息，例如用于形成于ICP源中的分子加成物离子的质量分析，或用于反应气体引入到ICP源之前的样本离子的质量分析。在质量扫描(当第一滤质器是多极时质量扫描非常快)之后，可以执行切换成下游滤质器的第二模式，例如用于测定分子加成物离子或产物离子(例如碎片离子或另外的分子加成物离子)的质量，例如同位素比。这种设置具有优于当前方案的突出的优点，在当前方案中，样本必须分裂(例如)到两个分开的仪表中，用于在这两个仪表中进行不同类型的质量分析。

碰撞池可进一步包括至少一个气体入口，用于容许至少一种气体进入碰撞池中。所述气体可以是反应和/或碰撞气体。举例来说，气体可选自He、H₂、O₂、NH₃和SO₂或任何其中两种或更多种气体的混合物。

根据本发明的方法及设备可以在包括碰撞池下游的任何类型的质量分析仪的质谱仪上实施。举例来说，质量分析仪可以是扇形分析仪。质量分析仪还可以是或者可以包括四极质量分析仪、或飞行时间质量分析仪、或离子阱分析仪、或傅里叶变换质谱仪、或轨道俘获分析仪。扇形分析仪当存在时可以包括多集电极，并且此扇形分析仪可以优选地配置成分析被透射到分析仪中的产物离子的同位素组合物。

质谱仪优选地包括至少一个电力供应器和至少一个电子控制器，用于调节施加于仪表的各种组件的电势，所述组件包括ICP源、离子引导器，包括碰撞池、滤质器、质量分析仪和检测器，以及碰撞池多极的伸长杆。

在一些实施例中，控制器配置成操作质谱仪，使得形成于电感耦合等离子体源中的至少一个分子加成物离子被滤质器透射到碰撞池。在一个此实施例中，在碰撞池中从至少一个分子加成物离子形成产物离子，其中产物离子具有不被滤质器透射的质荷比，并且其中产物离子在质量分析仪中接受质量分析。控制器可以另外控制静电透镜(当存在时)的操作。

控制器可进一步包括至少一处理器和用于通过处理器执行的至少一个计算机程序，其中计算机程序当执行时使处理器操作本文所述的质谱仪。

在以下实例中进一步描述以上特性以及本发明的额外细节，以下实例意图进一步说明本发明但并不意图以任何方式限制本发明的范围。

附图说明

技术人员将理解下文所述的图式仅出于说明的目的。这些图式并不意图以任何方式限制本教导的范围。

图1示出了根据本发明的电感耦合等离子体(ICP)源，其中指示了用于将反应气体引入到ICP源中的两种替代配置。

图2示出了由喷洒器和喷雾腔室组成的用于将喷雾剂引入到ICP源中的样本引入系统。指示了用于将反应性物质引入到样本引入系统中的两种替代配置。

图3示出了根据本发明的质谱仪，所述质谱仪由样本引入系统、ICP源、滤质器、碰撞池和质量分析仪组成。如图所示，样本引入系统和/或ICP源可以具有用于引入反应气体的连接，如图1和图2进一步示出的。

具体实施方式

在下文中，将参考各图描述本发明的示例性实施例。提供这些实例以提供对本发明的进一步理解而不是限制其范围。

下面的描述中，描述一系列步骤。技术人员将了解，除非上下文要求，否则步骤次序对于所得配置和其作用并非至关重要。另外，技术人员将显而易知的是无论步骤次序如何，所述步骤中的一些或全部之间可存在或不存在步骤之间的时间延迟。

应了解，本发明总体上适用于例如气体、液体、固体、颗粒和喷雾剂之类的材料的质量分析。因此，一般来说，在所述系统中分析的样本将是可变的。

图1中示出了根据本发明的电感耦合等离子体(ICP)源10。举例说明的ICP源包括三个同心管11、12、13，其通常由石英制成，并且包括一个负载线圈21。等离子气体可以通过样本入口14、经由辅助气体管线20通过辅助气体入口15和/或经由冷却气体管线17通过冷却气体入口18引入。

样本通过样本入口14通常在例如氩之类的等离子气体中引入。样本可以是通过喷洒器和喷雾腔室产生的喷雾剂，如图2中进一步示出。反应性物质气体可以连同样本一起，或者在与等离子气体的混合物中以气体形式，或者在样本喷雾剂中(当存在时)以液体形式，通过样本入口14引入到ICP源中。替代地，或另外，反应性物质可以作为反应气体分别经由辅助气体入口管线17和/或冷却气体入口管线20上的入口16、19引入。

反应性物质还可以引入到例如喷雾腔室组合件30的样本引入系统中，如图2中所示。组合件包括喷洒器31，喷洒器具有样本入口32和喷洒器气体入口34，其通常将与等离子气体(例如氩)相同。入口33可以提供在喷洒器气体入口上，并且可以用于在与喷洒器气体的混合物中将反应气体提供到喷洒器中。

喷洒器将样本喷雾传递到喷雾腔室37中，喷雾腔室37具有排放口36和出口38，出口38馈往ICP源10的样本入口14中。喷雾腔室可以另外具有气体入口35，其可以用于将反应气体传递到喷雾腔室中，其中反应气体将与样本喷雾剂形成混合物并且通过出口38被传递到ICP源中。

因此，用于将样本气体传递到喷雾腔室组合件中的替代实施例是可能的。这些实施例可以替代使用，或者可以组合使用。

预期包括温度、喷洒器流速、施加于吹管的RF功率和反应性物质的浓度在内的多种因素会影响样本物质与反应性物质之间的反应所引起的分子加成物离子的形成的速率。因此，根据反应性物质和样本物质的性质以及期望的加成物离子，可以选择用于引入反应性物质的适当配置，即通过喷雾腔室组合件或ICP源上的一或多个这样的入口。可以优化包括反应性物质的引入速率在内的额外参数以便最大化ICP源中的分子加成物离子的产量。

应了解，使用多于一个入口同时将反应性物质传递到ICP源中可能是有利的。可同时使用多于一个入口，或者用于传递相同的反应性物质，或者替代地用于传递不同的反应性物质，这些反应性物质随后可以在ICP源中形成相异的分子态离子加成物。

转向图3，示出了根据本发明的质谱仪。质谱仪包括样本引入系统25和ICP源10。反应性物质可以通过一或多个入口16、19、33、35引入，如上文相对于图1和图2所述。质谱仪进一步包括滤质器40。滤质器可配置成选择性地透射形成于电感耦合等离子体源中的分子加成物离子(和任选地在大约加成物离子的质荷比的有限质量范围中的离子)，而非具有小于或大于所选透射范围的质荷比的离子。其结果是，可以在没有同量异位干扰的情况下，(例如)在碰撞池中的质量偏移反应或碎裂(如下文中进一步描述)之后，执行在下游质量分析仪中对分子加成物离子或其碎片的质量分析。

在质量分析仪下游布置碰撞池50。通过将碰撞气体引入到碰撞池中，可以使形成于ICP源中并且传送到碰撞池中的分子加成物离子碎裂，以便生成样本或产物离子(例如这样的样本离子：在源中通过样本离子与反应性物质的反应而从其形成分子加成物离子)。替代地，可以通过与提供于碰撞池中的反应气体反应而产生被透射到碰撞池中的分子加成物离子的另外的分子加成离子。随后可以在下游的质量分析仪60中在没有因使用滤质器导致干扰的情况下测定因而产生的样本离子或另外的分子态离子的质量。

这个设置的一个突出的优点是有可能移除同量异位干扰。因此，滤质器选择性透射质荷比不包括ICP源中可能存在或者产生的样本离子的同量异位干扰的质荷比的分子加成物离子，可以在不存在这样的干扰的情况下，执行样本离子(在碰撞池中通过分子加成物离子的碎裂形成)或分子加成物离子的质量分析。结果是具有改进的特异性的质谱。

分子加成物离子可以在不同速率下在ICP源内形成。举例来说，氧化物形成速率是高度可变的，从而有可能选择性地形成金属氧化物以消除同量异位干扰。举例来说，Ti氧化物的形成速率比Ca氧化物快大约100倍。因此，本发明将普遍应用于移除不同分子和/或元素背景下的干扰，其中干扰离子和样本离子具有不同的反应概率。

以下非限制性实例提供本发明的某些分析益处的示例性描述。

实例1。将O₂引入到ICP源中，会相对于TiO优先引起CaO的形成。在碰撞池中使形成于ICP源中的金属氧化物碎裂，从而引起在下游质量分析仪中接受质量分析的元素离子的形成。当在具有碰撞池上游的滤质器的质谱分析仪上分析时，滤质器优选地设置成仅仅透射包括TiO的质量范围中的氧化物。这表示Ti同位素分析上的潜在的干扰不会被滤质器透射，从而使得质谱上的干扰减少。

滤质器可以设置成仅仅透射形成于ICP源中的加成物离子(例如氧化物质、氮加成物等)，而非在碰撞池中产生的产物离子的质量。加成物离子可以在碰撞池中分裂成更小质量的产物离子，从而使得产品以不被第一滤质器透射的更小质量出现。通过这样做，有可能在下游的质量分析仪中在干净的背景下对较小质量(例如元素)的离子进行质量分析。举例来说，前述透射的TiO氧化物可以在碰撞池中碎裂成Ti离子，随后在质量分析仪中在无干扰的背景下测量。

实例2。在Cr物质干扰背景下的Fe的同位素比分析中，将N₂添加到ICP源，例如添加到喷洒器，会得到FeN和CrN的形成。然而，FeN的形成速率比CrN快很多，这意味着形成于ICP源中的分子加成物离子将主要是FeN物质。其它干扰可包括⁴⁰Ar¹⁶O对⁵⁶Fe和⁴⁰Ar¹⁴N对⁵⁴Fe。滤质器可以设置成仅仅透射质量63到73，即滤质器不透射干扰⁴⁰Ar¹⁶O和⁴⁰Ar¹⁴N物质以及未反应的Cr同位素。通过将例如He之类的碰撞气体添加到碰撞池，借此使透射的FeN物质碎裂，从而引起元素Fe同位素的形成，元素Fe同位素在下游质量分析仪中接受质量分析。

滤质器透射的加成物离子还可以在碰撞池中转换成另外的分子加成物。因此，有可能在下游质量分析仪中在干净的背景下对较大质量的离子进行质量分析。

实例3。滤质器受到控制以仅仅透射质荷比在包括形成于ICP源中的分子加成物离子的质荷比范围(例如围绕质量为64的⁴⁸Ti¹⁶O为中心的16amu的质量窗口)内的离子。透射的加成物离子在碰撞池中进一步反应形成较大质量的产物离子。随后将更多的分子加成物物质(即较大质量的产物离子)透射到质量分析仪中，在质量分析仪中在干净的背景下对其质量进行分析。举例来说，Ca、V和/或Cr物质的背景干扰在⁴⁸Ti¹⁶O分析期间可能成问题。为了解决这样的干扰，可以在碰撞池中进行⁴⁸Ti¹⁶O与CO₂的另外的反应，从而产生可以在无干扰的情况下接受质量分析的较高分子量的物质。

实例4。这里，通过碰撞池透射形成于ICP源中的样本衍生的分子加成物离子，同时在碰撞池中使干扰分子加成物离子碎裂，从而使得可以在下游的质量分析仪中在干净的背景下对分子加成物进行质量分析。这种操作模式在具有碰撞池上游的滤质器的仪表中也是可能的，以便移除其它潜在地干扰物质(例如可以在碰撞池中碎裂的较高分子量的物质)，从而形成可能在样本分子加成物离子的质谱上干扰的碎片。

综上所述，本发明提供大量优点，包括：

a.由于消除了同量异位干扰物质，所以质量分析的灵敏度得到改进；

b.电感耦合等离子体源内的选择性质量偏移，从而容许移除同量异位物质；

c.提供碰撞池上游的滤质器，以便仅仅透射质荷比不包括质量分析(产物离子)物质的质荷比的离子；

d.使滤质器透射到碰撞池中的分子物质选择性碎裂，从而引起对质量低于滤质器透射的质量的经过质量偏移的物质的质量分析；

e.在碰撞池中选择性形成分子加成物，从而引起对质量高于滤质器透射的质量的经过质量偏移的物质的质量分析。

如本文所用，包括在权利要求书中，除非上下文另外指示，否则术语的单数形式应理解为也包括复数形式，且反之亦然。因此，应注意，除非上下文另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一(a/an)”和“所述”包括多个参考物。

在整个说明书和权利要求书中，术语“包含”、“包括”、“具有”和“含有”以及其变化形式应理解为意指“包括(但不限于)”，且并不打算排除其它组件。

本发明还涵盖确切的术语、特征、值和范围等，倘若这些术语、特征、值和范围等结合例如大约、大概、总体上、大体上、基本上、至少等术语使用(即，“大约3”还将确切地涵盖3，或者“大体上恒定”还将确切地涵盖恒定)。

术语“至少一个”应理解为意指“一或多个”，并且因此包含具有一或多个组件的两个实施例。此外，参考用“至少一个”描述特征的独立权利要求的从属权利要求在所述特征被提及为“所述”以及“所述至少一个”时均具有相同含义。

应了解，可对本发明的前述实施例作出改变而仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则说明书中所公开的特征可被用于相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征表示一系列通用等效或类似特征的一个实例。

使用例如“举例来说”、“比如”、“例如”等的示例性语言仅意图更好地说明本发明而不指示对本发明的范围的限制，除非如此要求。除非上下文另外明确指示，否则说明书中描述的任何步骤可按任何次序或同时进行。

说明书中所公开的所有特征和/或步骤可按任何组合来组合，至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合除外。具体来说，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面并且可以任何组合形式使用。