[0002] 导致本
发明的工作已在欧盟第七
框架计划(FP7/2007-2013)/ERC拨款协议n°FP7-GA-2013-321209下收到来自欧洲研究理事会(European Research Council)的资助。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种质谱仪，具体来说一种具有具牵引场的碰撞池的质谱仪。本发明此外涉及使用具有牵引场的碰撞池的质谱分析方法。
背景技术
[0004] 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品中的分子物质的分析方法。
[0005] 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
原子物种。在ICP-MS中，有待分析的样品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。
[0006] 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是用于高精度和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。
[0007] 这些干扰可存在于样品材料自身中，或通过从污染源(例如所使用的化学品、样品容器)制备样品而产生，或通过样品纯化期间的
分馏而产生。污染物种还可产生于离子源或质谱仪中。
[0008] 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品制备以获得不含可干扰质谱的可能干扰和污染的清洁样品。分析物在同位素比ICP-MS中所使用的样品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品材料，例如
岩石样品内的小夹杂物或晶体中。
[0009] 延长质检步骤集成到样品制备中以确保样品制备自身不会导致样品材料同位素比的改变。每一样品制备步骤都可能将污染物添加到样品和/或引起将从原始样品材料提取的分析物的同位素分离，所述样品材料可为例如岩石、晶体、
土壤、尘粒、液体和/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。
[0010] 理想情况下，我们将想要完全避免化学样品制备步骤。此外，如果使用
激光器来直接
消融样品并且将经消融材料冲入ICP源中，那么化学样品制备是不可能的。在这些情况下，不存在所需分析物从样品基质的化学分离，并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品引入系统。特异性描述分析仪明确地确定和识别样品中的特定物种的能
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种与另一种物种，其中ΔM希望是两种物种的质量差，且M是所关注物种的质量。在具有相同标称质量的物种存在同量异位干扰的情况下，这需要非常高的质量
分辨率。对于扇形场质谱仪而言，高质量分辨率的出现伴随使用到质量分析仪的极窄入射狭缝并且小入射狭缝显著减少透射并因此降低质量分析仪的灵敏度，并且变为其中需要极高质量分辨力的不切实际的方法。这对于当前技术解决方案受限的质谱分析仪器来说是特殊挑战。
[0011] 电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，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。
[0012] 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品的原子化和电离。所产生的离子经由一个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。
[0013] ICP质谱仪的说明可见于Robert Thomas的文章《ICP-MS的新
手指南(A Beginner's Guide to ICP-MS)》(《
光谱学(SPECTROSCOPY)》16(4)-18(2),2001年4月-2003年2月)，所述文章的公开内容以全文引用的方式并入本文中(然而，当并入的参考文献中的任何内容与本
申请中陈述的任何内容矛盾时，以本申请为准)。
[0014] 多接收器(multi-collector，MC)ICPMS仪器的已知设计是NEPTUNETM或NEPTUNE PlusTM，如赛默科技(Thermo Scientific)的手册和操作手册中所描述，其公开内容以全文引用的方式并入本文中(然而，当并入的参考文献中的任何内容与本申请中陈述的任何内容矛盾时，以本申请为准)。
[0015] 高精度质量分析仪允许从分子物种分离元素离子的高质量分辨率，所述分子物种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品的
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。
[0016] 利用高质量分辨率磁性扇形多集电极质谱仪，分子物种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(International Journal of Mass Spectrometry)》,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。
[0017] 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。在样品量受到限制或样品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。
[0018] 存在其它应用，其中元素离子的同量异位干扰无法通过样品制备来避免，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。
[0019] 碰撞池技术(ICP-CCT)提供了针对此问题的一个解决方案，所述技术包括
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。将如氦气或氢气等碰撞气体引入到此池中，此池通常包含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并与离子反应，将干扰离子转化为无害的非干扰物种。
[0020] 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，碰撞池可经配置以便在损失最小的情况下透射离子，即使在所述池以足够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。
[0021] 举例来说，将约2％H2添加到池内的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，并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》,57:1361-1452，其以引用的方式併入本文中)。这一电荷转移机制极具选择性并有效中和氩气离子，并且因此将氩离子与40Ca+区分开来。在质谱仪情况下相较于质量分辨率，这些类型的作用有时称为化学分辨率(Tanner与Holland，2001在《等离子体源质谱分析：新千年(Plasma Source Mass Spectrometry:The New Millennium)》中，出版商：Royal Soc of Chem)。
[0022] 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。这些机制包括：由于碰撞池内的碰撞来进行的
动能区分(例如Hattendorf与Guenther,2004《, 分析原子光谱学杂志(J.Anal Atom Spectroscopy)》19:600，以引用的方式并入本文中)；分子物种在碰撞池内的碎裂(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、状况以及应用(Collision and reaction cells in atomic mass spectrometry:development,status,and applications)》《, 分析原子光谱学杂志》,第19卷,第561-570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品分析而以显著减少的样品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。
[0023] 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。如果这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个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。
[0024] 为了分析具有未知元素组成的样品，并且明确地说具有未知和/或奇异同位素组成的样品，其可用于首先获得样品的完全质谱，评估其元素组成，并且由此获得关于可能干扰物的信息并随后作出所选质量的同位素比确定。举例来说，具有极端或不寻常同位素比的样品通常可见于地外样品(如陨石)或已人为富集的核样品中。用于此操作的此项技术中已知的方法需要使用两个质量分析仪，一个确定全谱，并且另一个确定预定范围内的同位素比。
[0025] 一般来说，ICP-MS是用于测定遍及大质量范围的一系列元素的方法。当前的质谱仪通常使用碰撞池通过动能区分、碎裂和/或谐振电荷转移去除或减弱干扰。在称为碰撞聚焦的方法中，气体与离子之间的碰撞引起离子速度的降低。此继而引起离子变得在轴线附近聚焦。理想的是能够使用单一仪器配置分析所有已知元素。
[0026] 当前元素分析中经常出现的一个问题是对于较轻元素，如Li和B而言，仅少数碰撞池内的碰撞可以引起完全能量损失，这导致离子截留在碰撞池内。结果，当较轻元素以碰撞气体填充时，较轻元素的灵敏度严重受到碰撞池的妨碍。当前，避开此问题的唯一方式是分析轻元素时抽空碰撞池，这费时并降低样品处理量。
[0027] 期望的是维持高透射，即使对于轻元素在所关注离子具有与碰撞气体类似的质量时也是如此(例如，在具有与常用作碰撞气体的He的类似质量的Li的情况下)。然而，问题在较重碰撞气体，如O2或NH3或甚至较大分子的情况下变得甚至更加明显。以下事实：具有与碰撞气体类似的质量或低于碰撞气体的质量的离子的透射遭受透射损失是使用碰撞池进行多元素分析的严重阻碍。目前，仅可能在损害较轻元素的灵敏度的情况下进行完全元素分析，或另外以顺序模式，即在测量较轻元素之前需要
泵送掉碰撞气体。此减缓处理量并使得分析工作流程更加复杂。
发明内容
[0028] 本发明解决促进离子丰度的检测和分析的方式，其通过使用采用轴向牵引场，即对池内的离子施加
牵引力的轴向
电场的碰撞池尤其用于元素离子分析，和在特定
实施例中用于同位素比分析。
[0029] 借助于本发明，在Li情况下牵引场允许透射从若干百分比提高到几乎100％。牵引场通过电场来生成并可以在微秒(μs)时间尺度内接通和断开，并且因此显著提高较轻元素的灵敏度。本发明允许在高处理量和无损害透射下将碰撞池用于简单和快速工作流程中的元素离子分析。
[0030] 本发明在一个方面中提供一种用于质量分析样品中元素的质谱仪，其包含：
[0031] a.至少一个离子源，用于从样品中产生离子束，所述离子束包含元素离子和任选地在质谱中干扰元素离子的分子态离子；
[0032] b.至少一个布置在所述离子源下游的碰撞池，所述碰撞池具有内部容积，沿轴线方向行进的离子从离子源透射穿过所述内部容积；
[0033] c.至少一个质量分析仪，其布置在所述碰撞池的下游，
[0034] d.至少一个检测器，其用于检测在质量分析仪中分析的离子，
[0035] 其中所述碰撞池经配置以在容积中提供轴向电场。
[0036] 还提供一种质谱分析的方法，所述方法包含以下步骤：
[0037] i.将来自离子源的元素离子传输到包含至少一个离子导向器的碰撞池中，其中所述碰撞池含有至少一种反应或碰撞气体；
[0038] ii.在碰撞池中施加轴向电场梯度以用于提高离子穿过碰撞池的透射率；和[0039] iii.将来自碰撞池的离子传输到质量分析仪中以用于质量分析。
[0040] 本发明也延伸到一种传输元素离子穿过质谱仪中的碰撞池的方法，所述方法包含：
[0041] i.在碰撞池内提供至少一个多极离子导向器；
[0042] ii.在碰撞池多极中施加轴向电场梯度以用于提高离子穿过碰撞池的透射率；和[0043] iii.沿轴线方向传输离子穿过多极离子导向器，其中所述轴向电场沿透射方向对离子施加力。
[0044] 还提供一种提高元素质量分析的灵敏度的方法，所述方法包含：
[0045] i.将包含至少一种元素离子的离子束提供到多极碰撞池中；
[0046] ii.在碰撞池中施加轴向电场梯度；和
[0047] 分析传输穿过多极碰撞池的至少一种元素离子的离子丰度或同位素比。
[0048] 质量分析仪可以是双聚焦扇形场质量分析仪。质量分析仪还可以是单一扇形场质量分析仪。双聚焦扇形场质量分析仪可以包含至少一个
磁场扇区和至少一个电场扇区。单聚焦扇形场质量分析仪可以是磁性扇形场质量分析仪。质量分析仪还可以是四极质量分析仪或其可以是飞行时间(time of flight，TOF)质量分析仪、离子回旋(ion cyclotron，ICR)质量分析仪或静电阱质量分析仪。
[0049] 检测器可选自所属领域中已知的检测器。在一些实施例中，如具有扇形场分析仪的那些实施例，检测器是或包含多集电极阵列。法拉第杯(Faraday cups)与离子计数器的组合可以安装于检测器中。举例来说，除了高达8个离子计数器之外，还可安装9个法拉弟杯。轴向通道可在检测器狭缝后方配备有可切换收集器通道，其中离子束可在法拉第杯与离子计数检测器之间切换。在这一固定轴向通道的每一侧上，可存在四个可移动检测器平台，其中的每一个可携带一个法拉第杯并附接有一个或多个小型化离子计数通道。可使用计算机操作的
控制器电动化并调整每一第二平台。两个电动化平台之间的检测器平台可以通过两个相邻平台推动就位，允许对所有可移动平台的全
位置控制。在其它实施例中，如具有四极分析仪的那些实施例，检测器可包含次级电子倍增管(例如离散
倍增极或连续倍增极类型)。
[0050] 碰撞池可以包含至少一个可选自四极、六极或八极的多极离子导向器。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。多极的杆可为圆形杆，或其可为双曲线杆。在一些实施例中，多极是扁平极，其中所述杆扁平，即所述杆具有扁平表面。
[0051] 在典型的碰撞池中，可以布置至少一个多极，最常四极。所述多极包含多个(通常四个、六个或八个)杆，所述杆沿着中
心轴布置成并联方式，并且略微隔开使得杆总成限定内部容积。所得多极通常封闭于腔室中以维持充足的气体压力(例如，约10-3mbar)。在使用期间，仅将RF电压施加到杆组，使得不存在通过杆进行质量区分，并且从而充当离子导向器。还可以施加杆失调电压，其沿着杆为均匀的并且用于控制池中的碰撞能量。
[0052] 在ICP-MS的常规设置中，碰撞池沿池的轴线方向具有均匀场。在碰撞池的出口处仅存在小场梯度，其通过施加到提取缝隙的电势测定。
[0053] 然而，有可能具有轴向牵引场，其沿着池的轴线具有电势梯度。具有轴向场的四极为所属领域中已知并且公开于其全部内容以引用的方式并入本文中的例如US 5,847,386和US 7,675,031中。
[0054] 各种牵引池因此为已知并且可以用于本发明的情形中。这些牵引池包括但不限于(1)具有沿着其轴线方向逐渐变细的杆的四极杆，使得杆的较宽末端处于碰撞池的入口并且较窄末端处于碰撞池的出口；(2)具有倾斜但具有均匀直径的杆的四极，即一对杆定位更接近于池的一端的中心轴处，并且另一对杆的末端定位更接近于池的另一端的中心轴处。施加到(1)和(2)中的杆配置中的DC电势将在两种情况下产生沿着中心轴的轴向电势；(3)具有被圆筒形壳体包围的杆的四极，所述圆筒形壳体分成由绝缘环分离的区段，并且其
中轴向场通过将不同电压施加到不同区段来生成；(4)具有布置在四极杆之间的四个辅助杆的四极组件，并且其中轴向场通过沿着呈并联方式的辅助电极的长度施加电压梯度来生成；(5)向四极中的杆施加非均匀
电阻性涂层，使得在施加DC电压时沿着杆产生轴向场；(6)具有沿着其长度呈不对称方式的由电阻性材料制成的杆，以便在将电压施加到杆时产生场；(7)利用绝缘环将杆分为区段，并且将不同电压施加到区段；(8)具有在其末端具有导电金属带的来自绝缘材料的杆，其通过电阻性材料连接；(9)利用低
电阻率材料涂布杆并将不同电压施加到杆的两个末端。
[0055] 示例性辅助电极包括US 7,675,031中所公开的那些电极，其中公开电极提供为布置在薄衬底上并且安置在四极杆之间的指状电极。通过沿着辅助电极组件的长度施加进行性范围的电压，沿着杆组件产生轴向场。
[0056] 轴向场经布置以在其进入池中时沿其运动方向(向前方向)对离子施加力。以此方式，沿向前方向进入池的离子沿着碰撞池以同一向前方向
加速。离子通常是带正电离子。可以沿着整个杆组施加轴向场。或者，例如通过沿着一部分杆放置辅助电极将轴向场沿着其轴线方向施加到一部分杆组。然而优选地，轴向场遍及整个四极杆组延伸。
[0057] 在一些优选实施例中，存在约0.02V/cm到约4V/cm，如约0.1V/cm到约1V/cm、或约0.2V/cm到约0.5V/cm的遍及四极杆或一部分四极杆的电势梯度。此优选地为碰撞池或四极杆组的中心轴上的值。施加到碰撞池或四极，例如到其轴向场杆以实现此梯度的电势将取决于碰撞池的几何形状而变化。在一些实施例中，所施加的电势处于约50V到约120V范围内。
[0058] 轴向场可以进一步均一地并以进行性方式变化，即电场沿着四极长度单调变化。轴向场还可以为逐步的和进行性的，即场单向但以离散步骤变化。然而，优选地，轴向场具有单调进行性场梯度。
[0059] 碰撞池可以是线性的，并且离子束穿过所述池的轴也可以是线性的。然而，碰撞池还可以是非线性的，例如当作为曲形多极组件提供时。因此，碰撞池的轴线可以是线性的或其可以是曲形或非线性的。所述轴还可以是部分线性和部分非线性的。
[0060] 这些和其它用于在多极中产生牵引场的构件为技术人员已知，并且考虑用于本发明。
[0061] 在一些实施例中，多极包含多个经配置以供应有RF电压的杆电极，其中根据至少一种以下布置布置杆以提供轴向电场梯度：(i)至少一些(优选地所有)杆沿着轴线方向倾斜；(ii)每一根杆以沿着轴线方向隔开的多个区段形式提供，其中步进电压优选地通过电阻
分压器施加到区段；(iii)杆具有电阻性涂层或包含电阻性材料；(iv)至少一个和优选地所有杆沿着轴线方向逐渐变细；以及(v)至少一个和优选地所有杆具有包含低电阻材料的涂层。
[0062] 杆可以沿着轴线方向的多个区段形式提供，其中将相同RF电势施加到不同区段，但不同DC电势施加到不同区段以便产生轴向电场梯度。
[0063] 碰撞池可以包含至少一个安置以在碰撞池的容积内产生轴向场的辅助电极。碰撞池可以优选地经配置以沿着全部或一部分内部容积提供轴向场。优选地，碰撞池经配置以沿着全部内部容积提供轴向场。
[0064] 提供元素离子的离子源可以是电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，ICP)离子源、次级离子质谱分析(secondary ion mass spectrometry，SIMS)离子源。优选地，离子源是ICP源。通常，离子源和样品的性质使得所述源不仅产生元素离子而且其也产生分子态离子。因此，高度期望消除或减少分子态离子，其中所述分子态离子干扰所关注的元素离子并且这一过程在某一程度上在碰撞池中进行。高质量分辨率还可以用于确定所关注的元素离子与分子态离子干扰之间的关系，然而，高质量分辨率通常以牺牲透射率为代价出现并且这就是常常优选地使用碰撞池碎裂分子干扰和/或在所述池的情况下产生质量偏移的原因。
[0065] 通过在碰撞池中施加牵引场，有机会维持甚至轻离子的高透射率，所述轻离子由于碰撞能量损失将损失其动能并且甚至截留在碰撞池中。牵引场相比于不具有牵引场提高较轻离子的透射率，因为其加速碰撞池中的离子，所述离子另外由于与碰撞池中的气体碰撞将损失其动量。这一问题在分析具有与碰撞气体相当的质量的离子时尤其严重。因此，尽管对于如Li+和B+的最轻离子而言在碰撞池中使用如He的轻气体时问题最严重，但在使用如O2或NH3的较重碰撞气体时问题变得更加严重。
[0066] 因此，在碰撞池中使用动能区分是ICP-MS中去除或减弱干扰的常规方法，但引入碰撞气体产生分析问题，尤其对于轻质量
块而言。在实际应用中，在例如通过ICP-MS进行的元素分析期间轻元素的透射率损失是严重妨碍这类物种分析的问题。当前仪器仅允许损害较轻元素的灵敏度或需要耗费时间的连续操作模式的完全元素分析，在此期间在测量较轻元素之前将碰撞气体泵送远离碰撞池。此降低样品处理量并使得分析工作流程更加复杂。此外，由于样品
信号仅为短暂的，可能不可能泵送掉碰撞气体，例如当时使用激光消融或对于快速GC和LC耦合设置而言。
[0067] 通过在如本文所述的碰撞池中施加牵引场，可以显著提高所述池中的透射率。举例来说，在Li+的情况下，当He用作碰撞气体时，透射率可以从无牵引下的仅若干百分比提高到施加牵引场时几乎100％。此外，牵引场可以快速接通和断开或在仅数微秒的时间标度内接通和断开。牵引场可以在扫描期间经进一步调节，使得每一元素可以在经优化的牵引场下测量，所述牵引场使其在碰撞池内的滞留时间最大化。因此，第一元素离子物种可以在具有第一设置，即沿着池中的轴向容积的不同电压梯度的碰撞池中的牵引场下测量。在测量第一元素离子之后，第二元素离子可以在可以不同于第一设置的牵引场的第二设置下测量。
[0068] 质谱仪可以包含一个或多个离子导向器，所述离子导向器接受离子束并提供引导束沿着路径的电场。至少一个离子导向器可以接受来自离子源的离子束并引导其朝向仪器的下游区段。可以将多个离子导向器提供于如所属领域中已知的仪器中。离子导向器可以是多极，如四极、六极或八极。
[0069] 质谱仪还可以包含布置在碰撞池上游的至少一个滤质器。滤质器可以是所包含的电极配备有呈质荷比(m/z)过滤模式的RF与DC电压的组合并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，并且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。
[0070] 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。多极的杆可为圆形杆，或其可为双曲线杆。
[0071] 还可以存在至少一个布置于质谱仪中的静电透镜。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。静电透镜可以经配置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中的池的离子束。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。当上游滤质器以质量过滤模式，例如以其中滤质器扫描低于1amu的质量窗用于获得质谱的质量过滤模式操作时，通过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。以此方式可以获得完整质谱。
[0072] 除了在静电透镜中透射或反射之外，离子束当向后朝向组件的侧面透射和/或导向到碰撞池中或检测器中时还会聚焦。
[0073] 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，如电子倍增管(连续或离散的)(也称为次级电子倍增管(Secondary Electron Multiplier，SEM)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，如连续倍增极倍增管或离散倍增极倍增管。
[0074] 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。
[0075] 检测器可以放置在透镜组件的上游，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。
[0076] 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，静电透镜经设置以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。此类扫描可提供关于所分析样品的元素组成的重要信息，所述样品可例如为具有未知组成的样品(例如，陨石样品)和/或具有未知同位素组成的样品。在质量扫描之后，所述质量扫描在第一滤质器是多极时极快，可以进行向下游滤质器的第二模式的转换，例如用于测定样品中特异性元素或分子物种的同位素比。这种设置具有优于当前方案的突出的优点，在当前方案中，样品必须分裂(例如)到两个分开的仪器中，用于在这两个仪器中进行不同类型的质量分析。
[0077] 质谱仪优选地包含用于调控施加到不同仪器组件的电势的至少一个电源和至少一个电子控制器，其包括离子源、离子导向器，包括碰撞池、滤质器、质量分析仪和检测器、碰撞池多极的延长杆和/或至少一个辅助电极以便在反应室中产生轴向电场梯度。
[0078] 碰撞池可进一步包含至少一个气体入口，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。
[0079] 在根据本发明的方法中，产生于离子源的元素离子透射到碰撞池中。将轴向电场梯度施加到池中，以便防止由于池内的碰撞而引起的离子动能的完全损失并且从而提高其透射率。轴向场允许显著提高较轻元素的透射率。举例来说，Li的透射率从若干百分比提高到几乎100％。牵引场通过电场来生成并可以在微秒时间尺度内接通和断开并且因此提高灵敏度。轴向场可以通过以下各项中的至少一个来生成：(i)沿轴线方向将一系列步进式电压施加到沿轴线方向延长的碰撞池的至少一个电极；(ii)向沿轴线方向延长的碰撞池的至少一个电极提供电阻性涂层并将DC电压电源连接到至少一个电极的一端；(iii)提供至少一个沿着轴线方向倾斜的沿轴线方向延长的电极；其中所述至少一个电极是多极的至少一个延长杆和/或至少一个辅助电极。所属领域中已知的在多极碰撞池中产生轴向场的其它方法也为可能的，例如如US 5,847,386和US 7,675,031中所公开。优选地，步进式电压的范围单调变化并且在碰撞池中产生加速离子沿轴线方向通过多极的进行性轴向电场梯度。从碰撞池中透射的离子可以透射到下游质量分析仪中，在质量分析仪中分析和检测离子。
[0080] 在某些实施例中，方法适于具有相对较低质量(尤其那些质量与碰撞气体的质量类似或低于碰撞气体质量的那些元素离子)并因此更加容易发生由与池中的气体(例如，He、H2、O2、NH3和/或SO2)碰撞引起的能量损失的元素离子，所述能量损失可以导致离子截留在碰撞池和/或艰难或缓慢透射穿过碰撞池，从而引起针对这类离子的检测灵敏度的损失。相对较低质量的元素离子因此优选地包含具有类似于、相同于或低于碰撞池中的反应或碰撞气体的原子质量或分子质量的原子质量的元素离子。可以0.5到10mL/min、优选地1到
8mLn/min、更优选地2到6mLn/min的流动速率将气体引入到池中。在此情形下，mLn/min是指在1
大气压的常压下以mL/min为单位的流动速率。在某些实施例中，元素离子具有低于
50amu、低于40amu、低于30amu、低于25amu、低于20amu或低于15amu的原子质量。在一些优选实施例中，元素离子具有低于30amu、低于20amu或低于15amu或低于10amu的原子质量。元素离子可以包括锂、铍和
硼离子中的至少一种。
[0081] 相对于具有大于轻元素离子的原子质量的较重元素离子，本发明的轴向电场梯度基本上提高轻元素离子穿过碰撞池的透射率。
[0082] 碰撞池在离子透射穿过碰撞池之前可以填充有至少一种反应或碰撞气体。所述池因此在离子透射穿过所述池期间含有气体。碰撞气体可以优选地选自He、H2、O2、NH3和SO2，并且碰撞池可以0.5到10mLn/min、优选地1到8mLn/min、更优选地2到6mLn/min的流动速率填充气体。
[0083] 碰撞池可以实现碎裂、电荷转移反应和动能区分中的一种或多种以便减弱干扰。
[0084] 本发明的另一方面针对可以使定量分析复杂和不精确的基质影响。在碰撞池的上游无滤质器的ICP-MS中，样品的所有离子都进入碰撞池。碰撞减缓离子束并且导致碰撞池内部的离子的滞留时间延长。因此，主要基质离子束与痕量浓度的一些元素的相互作用时间可以影响穿过池的透射率并引起基质影响。在根据本发明的碰撞池中施加的轴向电场可以减少碰撞池内部的滞留时间并且因此降低基质影响，同时仍允许碎裂和电荷转移反应以及动能区分发生。因此，可以选择轴向牵引场以减少碰撞池中的滞留时间从而用于降低基质影响。甚至可以在一个扫描期间调节牵引场，使得在碰撞池内经优化的牵引场和经优化的滞留时间下测量每一元素。
[0085] 作为在碰撞池内碰撞的结果，池内离子的能量扩展度降低。在无牵引场存在下，通常观测到大量传输损耗，尤其对于轻元素而言。此外，传输损耗在碰撞池内的较高气体压力下通常较大。通过在池内施加牵引场，可以施加比另外可能的增加的气体压力，因为牵引场提高穿过池的透射率。然而，一般来说，在从碰撞池中透射的离子的质量分析中，将存在增加的分辨率。在透射穿过碰撞池之后元素离子的能量扩展度可以低于5eV、低于3eV、低于2eV或低于1eV。在一些情况下，进入碰撞池的离子具有约3eV的能量扩展度，但当离开所述池时能量扩展度低于1eV。因此，在透射穿过碰撞池之后元素离子的能量扩展度相比于通过离子源来生成的离子的能量扩展度可降低至少约50％、至少约60％、至少约70％并且优选地至少约80％。
[0086] 可以在质量分析期间调节轴向电场，使得在碰撞池内经优化的轴向电场和从而经优化的滞留时间下测量每一元素。举例来说，离子可呈扫描模式透射到碰撞池中，并且池中的轴向场经调节以使滞留时间和穿过碰撞池的透射率最优化。
[0087] 随后可以将离子转移到质量分析仪，所述质量分析仪布置在碰撞池的下游并且可以是以下中的任一种：双聚焦多集电极质量分析仪、单聚焦扇形场质量分析仪、尤其磁性扇形场质量分析仪、四极质量分析仪、飞行时间(TOF)质量分析仪、
离子回旋共振(ICR)质量分析仪、RF
离子阱质量分析仪或静电阱质量分析仪。还可以存在在碰撞池下游连续布置的质量分析仪的组合。
[0088] 在一些实施例中，透射穿过多极碰撞池的至少一种元素离子的离子丰度或同位素比在质量分析仪中测定。在这类实施例中，质量分析仪可以优选地是多集电极扇形质量分析仪，如双聚焦多集电极质量分析仪或单聚焦扇形场质量分析仪，尤其磁性扇形场质量分析仪。
[0089] 在以下实例中进一步描述以上特征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
[0090] 技术人员将理解下文所述的图式仅出于说明的目的。这些图式不打算以任何方式限制本传授内容的范围。
[0091] 图1展示根据本发明的采用经配置以产生牵引场的碰撞池的质谱仪的示意性概述。
[0092] 图2展示通过在Li的元素分析期间采用牵引池的Li检测的提高的灵敏度的实例。
具体实施方式
[0093] 在下文中，将参考图式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限制其范围。
[0094] 在以下描述中，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效应并非至关重要。另外，技术人员将显而易见的是无关于步骤次序，步骤之间的时间延迟的存在或不存在可存在于描述的步骤中的一些或全部之间。
[0095] 应了解，本发明可适用于一般利用质量光谱测定技术的固体、液体或气体样品的元素和同位素分析。因此，一般来说，在所述系统中分析的样品将是可变的。另外，在跟随有用于测定同位素比的质谱仪的优选实施例的实施例中说明根据本发明的系统和方法。
[0096] 参考图1，示意性地展示包括根据本发明的碰撞池的质谱仪的实例。此处，展示双重聚焦多集电极电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。所述仪器具有ICP源10和布置在四极滤质器30上游的偏转透镜20和双模反射透镜40，所述反射透镜40为任选的但当存在时优选地布置在滤质器与碰撞池50之间。任选的反射透镜可用于将传入离子束短暂转向到仪器的补充分析区段，其可以为例如电子倍增检测器。通过纳入透镜和这类检测器，第一滤质器可用于获得离子束的完全质谱，并且在这类分析期间，透镜经设置以反射通过滤质器透射到检测器中的离子束。
[0097] 反射透镜的优势是放置用于检测在透镜40中反射的离子的检测器45，与四极邻接。仪器的这一区域中的压力显著低于下游碰撞池周围或上游ICP源附近的腔室内的压力(即，较高真空)。因此，可以将离轴检测器45处的噪音保持到最低，使得当滤质器经设置以获得完全质谱并且反射透镜经配置以反射透射到检测器中的离子时
信噪比提高。
[0098] 碰撞池50包含经配置以产生牵引场的四极组件。举例来说，碰撞池可以包括在池中产生轴向场的辅助电极。四极碰撞池还可以包括如本文所述的用于产生轴向场的调节杆。
[0099] 元素离子产生于样品中的ICP源，所述元素离子包括例如如Li+离子的低质量离子。离子透射穿过滤质器，所述滤质器经设置以传输在经过选择的质量范围内的离子，所述质量范围包括所分析的元素。滤质器可以优选地经设置以传输在不包括等离子体Ar+同位素的质量的质量范围内的离子，其中氩气用于产生等离子体。预期此导致碰撞池中的干扰减少并因此提高灵敏度。当存在时，离子透射穿过静电透镜40并且进入碰撞池50，所述碰撞池50充满如He的碰撞气体。碰撞池中的轴向场提高传入离子透射的速度，尤其使得在池中否则将会显著损失动量的较轻元素离子(如Li+)能够在能量损失降低的情况下行进穿过碰撞池。从碰撞池中，离子透射到下游双扇形多集电极仪器中，在所述双扇形多集电极仪器中测定其同位素组成，如就锂而言的6Li+和7Li+，以及就硼而言的10B+和11B+。
[0100] 碰撞池下游为质量分析仪，所述质量分析仪包含扇形电场60和扇形磁场70，继之以多集电极检测器组件80。
[0101] 当前质谱仪中的碰撞池用于通过动能区分、碎裂、谐振电荷转移或通过离子-分子反应的质量偏移去除或减弱干扰。理想地，我们期望利用用于周期表的所有元素的一种仪器配置工作。分析较轻元素，如Li和B时出现的一个问题在于与碰撞气体(其在多数情况下是He)的仅少量碰撞就可以导致元素离子的完全能量损失。因此，这些较轻离子基本上停止移动，并截留在碰撞池内部并且因此无法检测到。这就是轻元素检测的灵敏度在碰撞池填充有气体时受到严重妨碍的原因。
[0102] 在当前仪器中，对于轻元素分析而言，只有在泵送掉碰撞池中的气体时才可以规避这一问题。然而，这很费时并且降低仪器的处理量。本发明提供这一问题的解决方案，因为较轻元素的灵敏度损失可以通过使用具有轴向牵引场的碰撞池显著降低。
[0103] 说明在Li分析中使用具有牵引场的碰撞池的优势的示例性数据展示于图2中。对此分析，将如Q Exactive质谱仪(赛默科技公司(Thermo Scientific))上所使用的牵引场高能量碰撞解离(high energy collision dissociation，HCD)池安装在如图1中示出的仪器中。He用作碰撞气体。
[0104] 浅色斑点(底部曲线)展示在无任何轴向牵引场下穿过碰撞池的Li离子透射率随He流动速率而降低。随着He流动速率提高，透射率显著降低，并在9ml/min He流动时低到10％。这一流动速率约为对于中质量和高质量元素而言需要实现碰撞聚焦的平均He流动速率。在池中施加牵引场显著提高Li灵敏度，并且灵敏度的提高与所施加的场成比例。因此，随着施加提高的场，在使用提高的He流动速率所获得的透射曲线中存在波峰，并且随着牵引场提高，曲线波峰朝向较高的He流动速率向右偏移。我们可以发现，当在9ml/min He流速下施加在100V范围内的牵引电压时，Li的透射率大于60％。这意味着Li检测的灵敏度相比于无牵引场提高超过6倍。对于其它较轻元素，如硼而言可以获得检测的类似改善。
[0105] 尽管元素分析的透射和检测改善已通过特定仪器配置说明并且已针对如通过图2中的数据所示的Li分析说明，但是应了解，使用牵引碰撞池用于元素分析的优势可以各种仪器设置实现。因此，在碰撞池内使用加速牵引场用于改善元素离子、尤其轻元素离子的透射和检测的构思可以在适合于这类分析的质谱仪中实施。
[0106] 使用牵引池的另一优势在于，由于池中的多次碰撞，离子的能量扩展度比无轴向牵引场下降低地有效地多。由于更多碰撞而引起的较小能量扩展度预期导致质谱，尤其锕236
系元素的质量范围的丰度灵敏度提高。在例如核应用中， U峰值的精确检测至关重要，因为其充当核材料是否已经在反应器中处理的指标。然而，在常规同位素分析期间，主要238U同位素的峰尾在某一程度上干扰236U峰值。238U峰值的长峰尾由具有孔隙或
残气粒子的238U离子束在扇形分析仪中的散射引起，所述散射导致少量能量损失和方向变化。为检测较小痕量的236U，离子束因此通常穿过RPQ能量过滤器透镜，以便对分散的238U离子区分。RPQ能量过滤器透镜位于多集电极检测器的轴向检测器缝隙的后方并排斥所有低于某一能级的离子并且因此使高通
滤波器起作用以对已遭受一些能量损失的分散的238U离子区分。预期在碰撞池中施加轴向牵引场消除对这类分析的需要，得到简化的仪器配置和同位素分析期间提高的灵敏度。
[0107] 在无冷却下，使用平衡线圈或屏蔽炬在ICP源中产生的离子的能量分布处于若干eV的范围内。在碰撞冷却和尤其在使用允许甚至更多碰撞的牵引池下，离子的能量分布可显著降低并且因此离子的能量分布变得更陡，并且能量过滤器的过滤作用可以更具特异性。对于热电离离子源而言，所产生的离子的能量扩展度低于1eV并且利用能量过滤器透镜实现的丰度灵敏度比ICP仪器高约10倍。在使用牵引池提高碰撞冷却下，ICP源的丰度灵敏度同样可以提高。
[0108] 牵引池允许碰撞池内部的更多碰撞。更多碰撞也意味着在反应池内部与气体的更多相互作用。因此牵引池允许碰撞池在显著较大的气压下操作，如可以从图2中所示的数据所了解。对于具有相对较低反应速率的反应而言，总反应产率可以通过使用牵引池显著提高，这归因于较大的气体压力和因此传入离子与反应气体之间更多的相互作用。一般来说，如果气体压力提高，那么预期反应产率伴随提高。因此，牵引池还可以用于碰撞池内的化学物质，例如用于池内的质量偏移，其中反应产率提高。
[0109] 综上所述，本发明提供大量优点，包括：
[0110] a.在碰撞模式中针对较轻元素的灵敏度提高；
[0111] b.在不损害针对较轻元素的灵敏度降低下所有元素的通用操作模式；这对于四极质量分析仪仪器而言至关重要；
[0112] c.离子的能量扩展度降低并且因此大动态范围同位素比分析的丰度灵敏度提高；
[0113] d.能量扩展度提高从而促进较高的质量分辨率；
[0114] e.在较高气压下操作一允许碰撞池内部气相反应的较高产率。
[0115] 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，并且反之亦然。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。
[0116] 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”，并且并不意图排除其它组分。
[0117] 在这些术语、特征、值和范围等结合如约、大约、一般来说、基本上、实质上、至少等的术语使用的情况下，本发明也涵盖准确术语、特征、值和范围等。(即，“约3”也应涵盖确切3或“基本上恒定”也应涵盖确切恒定)。
[0118] 术语“至少一个”应理解为意指“一个或多个”，并且因此包括两个实施例，所述实施例包括一个或多个组件。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。
[0119] 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经用于相同、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。
[0120] 使用如“举例来说”、“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。
[0121] 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。确切地说，本发明的优选的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。
