CN104576289B - 一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：第一真空室、第二真空室、第三真空室、第四真空室；所述电感耦合等离子体质谱仪进一步包括：第一调谐部件，所述第一调谐部件为泵，与各级真空室相连，调节所述各级真空室的压力；第二调谐部件，所述第二调谐部件使各级真空室相互连通，调节所述各级真空室之间的压力。本发明还提供一种电感耦合等离子体质谱仪各级真空室压力的调节方法。本发明具有优化降低空间电荷效应，改善抗质谱干扰和非质谱干扰效果，优化离子传输等优点。

Description

一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱分析领域，特别涉及一种各级真空系统压力可调节的电感耦合等离子体质谱仪。

背景技术

电感耦合等离子体质谱仪(简称：ICP-MS)，离子源为电感耦合等离子体，样品在等离子体火焰中转化为离子，工作气体、样品、基质以及溶剂形成的等离子体经差分真空双锥或三锥提取进入真空系统。双锥或三锥实现从大气压到真空、从高温到常温的过度。双锥的前一个锥为采样锥，后一个锥为截取锥；三锥的前一个锥为采样锥，中间的是截取锥，后一个为超截取锥。

ICP-MS的真空系统可分成3级腔室，分别是：锥间真空室、传输杆真空室和质量分析器真空室。另外，在截取锥与传输杆真空室之间，通过结构设计可以形成相对封闭的空间，构成一级真空室。这时ICP-MS的真空系统可分为4级腔室，分别是：锥间真空室、锥后真空室、传输杆真空室和质量分析器真空室。目前，ICP-MS中真空系统采用固定设计，不能进行调节和优化，因此造成以下缺陷：

1、采样锥超声分子束提取最佳位置无法调节和优化，无法满足各种形状和口径的截取锥的使用要求；

2、在截取锥后，等离子体离子束在非电中性之前呈现电中性，加之截取锥的通道内电场不容易渗入，电场的作用无法显著改善传输；

3、截取锥后存在离子空间电荷效应导致离子传输效率很低；

4、在碰撞反应模式下，会影响原先真空系统各级压力，无法实现条件优化，同时影响碰撞反应模式的使用范围和使用效果。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种结构简单、真空压力可调节、可优化的电感耦合等离子体质谱仪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：

第一真空室，所述第一真空室为接口装置真空室，即采样锥与截取锥的锥间真空室；

第二真空室，所述第二真空室连接所述第一真空室和第三真空室；

第三真空室，所述第三真空室为传输杆真空室；

第四真空室，所述第四真空室为质量分析器真空室；

所述电感耦合等离子体质谱仪进一步包括：

第一调谐部件，所述第一调谐部件为泵，与各级真空室相连，调节所述各级真空室的压力；

第二调谐部件，所述第二调谐部件使各级真空室相互连通，调节所述各级真空室之间的压力。

进一步，所述第一调谐部件可以是机械泵、涡轮分子泵或油扩散泵。

作为优选，所述第二调谐部件为比例阀。

进一步，所述电感耦合等离子体质谱仪还包括：

第三调谐部件，所述第三调谐部件连通气瓶，引入压力调节气体。

进一步，所述调节气体可以是但不局限于氦气或氩气。

本发明还提供一种电感耦合等离子体质谱仪的真空压力调节方法，包含以下步骤：

(A1)仪器开机、点火，进入调谐阶段；

(A2)通过测试标准样品获得目标参量的最佳值：在标准样品下，对真空压力进行调节，观察质谱仪响应值，得到目标参量最佳状态下的真空压力大小，将真空压力调节在所述目标参量响应值最佳的位置。

作为优选，所述步骤(A2)中，对真空压力的调节采用先粗调后细调的方式进行调节。

进一步，通过第一调谐部件、第二调谐部件、第三调谐部件任一所述的调谐部件进行真空压力的调节或组合各调谐部件进行调节。

进一步，采用前述任一所述的电感耦合等离子体质谱仪对各级真空室进行真空压力的调节。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、优化超分子束提取位置，提高离子传输，降低非质谱干扰的影响：

超分子束的最佳提取位置跟等离子体源、接口装置设计及第一真空室、第二真空室的真空压力等因素有关，若采样锥在提取超分子束时没有位于最佳位置会造成以下问题。首先，会导致截取锥工作在非理想的温度条件下，降低截取锥的使用寿命，增加样品与基质在截取锥的沉积，造成非质谱干扰。其次，会降低离子的提取效率以及提取离子的空间和能量分布。故，在不改变接口装置、采样位置的情况下，通过对各级真空室真空压力的调节，改变超分子束的最佳提取位置。

2、优化解决质谱干扰：

通过改变各级真空的压力，在各级真空腔中针对性引入碰撞或者反应机制，消除多原子离子、氧化物离子以及双电荷离子形成的质谱干扰。3、扩大碰撞反应模式的使用范围、改善使用效果：

在碰撞反应模式下，各级真空室的真空压力会受到影响，限制了碰撞反应模式的使用范围。故通过对各级真空室真空压力的调节，维持稳定，扩大了现有碰撞反应模式的使用范围，改善了使用效果。

4、改善低质量离子传输、降低空间电荷效应的影响

在等离子体和超声射流中,该离子电流被一个相等的电子流所平衡。因此,整个离子束基本上呈现出电中性。然而,当离子束离开截取锥后,由透镜建立起的电场将收集离子而排斥电子。以使离子被束缚在一个很窄的离子束中,这个离子束在瞬间内不是准中性的,但离子密度仍然非常高。同电荷离子间的相互排斥,离子束明显膨胀,限制了能被压缩在一个给定尺寸的离子束中的离子总数。因此,高密度离子流将产生空间电荷效应。若同样的空间电荷力作用在所有离子上,则轻离子受影响最大,被偏转最严重。

改变截取锥前后的真空压力，通过压力差影响离子在该部分传输的气动力特性，从而为降低空间电荷效应的影响提供可能。

附图说明

图1是实施例2对应的电感耦合等离子体质谱仪结构示意图；

图2是实施例3对应的电感耦合等离子体质谱仪结构示意图；

图3是实施例4对应的电感耦合等离子体质谱仪结构示意图；

图4是电感耦合等离子体质谱仪各级真空压力调节流程示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：

第一真空室，所述第一真空室为接口装置真空室，即采样锥与截取锥的锥间真空室；

第二真空室，所述第二真空室连接所述第一真空室和第三真空室；

第三真空室，所述第三真空室为传输杆真空室；

第四真空室，所述第四真空室为质量分析器真空室；

所述电感耦合等离子体质谱仪进一步包括：

第一调谐部件，所述第一调谐部件为泵，与各级真空室相连，调节所述各级真空室的压力；

第二调谐部件，所述第二调谐部件使各级真空室相互连通，调节所述各级真空室之间的压力。

作为优选，所述第一调谐部件包括：与第一真空室相连的机械泵，与第三真空室相连的涡轮分子泵和与第四真空室相连的涡轮分子泵。

对各级真空室进行真空压力调节，可增加压力或降低压力。故，通过与第一真空室、第三真空室、第四真空室相连的泵，调节所述泵的转速或抽速来实现对各级真空室压力的控制。

此外，对各级真空室进行真空压力的调节，还可通过调节各真空室之间的压力来实现。故，可在两个真空室之间增加第二调谐部件控制各真空室之间的压力，以改变各级真空室之间的流导实现各级真空压力的控制。

作为优选，所述第二调谐部件为比例阀。

进一步，增加第三调谐部件进行真空压力的调节，所述第三调谐部件连通气瓶，引入压力调节气体，且通过调节各级引入气体的流量来实现各级真空压力的控制。

作为优选，所述调节气体可以是但不局限于氦气或氩气。

本实施例还提供一种电感耦合等离子体质谱仪的真空压力调节方法，包含以下步骤：

(A1)仪器开机、点火，进入调谐阶段；

(A2)通过测试标准样品获得目标参量的最佳值：在标准样品下，对真空压力进行调节，观察质谱仪响应值，得到目标参量最佳状态下的真空压力大小，将真空压力调节在所述目标参量响应值最佳的位置。

作为优选，所述步骤(A2)中，对真空压力的调节采用先粗调后细调的方式进行调节。

进一步，通过前述第一调谐部件、第二调谐部件、第三调谐部件任一所述调谐部件进行真空压力的调节，或选择任意两种调谐部件进行真空压力的调节，或同时采用三种调谐部件进行真空压力的调节。

调谐过程可以包括多个调谐阶段，每个阶段只能有一个目标参量，每个调谐阶段可以包括若干调谐参量(其中包括真空压力的调节)。

进一步，采用前述任一所述的电感耦合等离子体质谱仪对各级真空室进行真空压力的调节。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、调节、优化离子传输，降低空间电荷效应的影响；

2、优化解决了质谱干扰和非质谱干扰；

3、扩大了碰撞反应模式的使用范围、改善使用效果。

实施例2

请参阅图1，本实施例提供一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：第一真空室1，第二真空室2，第三真空室3，第四真空室4，机械泵11，涡轮分子泵12，涡轮分子泵13。

所述机械泵11通过转速大小调节第一真空室1的真空压力；

所述涡轮分子泵12通过转速大小调节第三真空室3的真空压力；

所述涡轮分子泵13通过转速大小调节第四真空室4的真空压力。

本实施例还提供一种电感耦合等离子体质谱仪的真空压力调节方法，包括以下步骤：

(A1)仪器开机、点火，进入调谐阶段；

(A2)以Li，Co，In和U的标准液作为标准样品进行测试，选取Li的响应值作为目标参量，分别调节第一真空室、第三真空室、第四真空室的真空压力：

调节第一真空室的真空压力：调节机械泵11的转速，选择从小到大遍历转速，先粗调后细调，观察质谱仪；Li的响应值最大，此状态为目标参量的最佳值，将所述机械泵11的转速调节至目标参量最佳值状态的转速；

调节第三真空室的真空压力：调节涡轮分子泵12的转速，选择从小到大遍历转速，先粗调后细调，观察质谱仪；Li的响应值最大，此状态为目标参量的最佳值，将所述涡轮分子泵12的转速调节至目标参量最佳值状态的转速。

实施例3

请参阅图2，本实施例提供一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：第一真空室1，第二真空室2，第三真空室3，第四真空室4，机械泵11，涡轮分子泵12，涡轮分子泵13，比例阀21，比例阀22。

所述比例阀21通过开度来调节所述第一真空室1与第二真空室2之间的真空压力；

所述比例阀22通过开度来调节所述第一真空室1与第三真空室3之间的真空压力。

请参阅图4，本实施例还提供一种电感耦合等离子体质谱仪的真空压力调节方法，包括以下步骤：

(A1)仪器开机、点火，进入调谐阶段；

(A2)对第一目标参量进行调节：以Li含量分别为10ppm的标准液作为标准样品进行测试，选取Li的响应值作为目标参量，调节比例阀21、比例阀22，实现第一真空室、第二真空室、第三真空室之间真空压力的调节：

比例阀21的调节：比例阀关闭时的开度为0，比例阀全开时的开度为100％，从0,10％，20％，30％，40％，50％，60％，70％，80％，90％，100％遍历比例阀21的开度，观察质谱仪上Li的响应值，判断是否已得到最佳响应值，遍历结束将比例阀21的开度设置为最佳响应值下的开度；

比例阀22的调节：比例阀22的遍历调节同比例阀21，在此不再赘述；通过对比例阀22的调节，实现第一真空室和第三真空室之间的真空压力调节；

通过对第一目标参量的调节、优化，有效降低空间电荷效应。

对第二目标参量进行调节：以10ppbCo，0.5％HCl的标准液作为标准样品进行测试，ClO为质谱干扰离子，质量数为51，选取Co的响应值衡量对附近质量数离子响应值的影响，其中Co的质量数为59，选取Co/ClO的比值作为目标参量，调节比例阀21、比例阀22，比例阀调节方式同调节第一目标参量时比例阀的调节，在此不再赘述。

通过对第二目标参量的调节、优化，保证质谱干扰响应尽量小的同时，附近质量数离子的响应值足够高。

关于第一调谐部件泵的调节，可与比例阀同时组合调节或者迭代的方式调节来共同对各级真空室的真空压力进行调节。

实施例4

请参阅图3，本实施例提供一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，与实施例3不同的是，本实施例增加压力调节气31，通过引入调节气体，并对引入气体的流量进行控制，实现各级真空室的真空压力的控制。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：对各级真空室真空压力进行调节，优化离子提取位置，降低空间电荷响应。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调真空压力的电感耦合等离子体质谱仪，包括：

第一真空室，所述第一真空室为接口装置真空室，即采样锥与截取锥的锥间真空室；

第二真空室，所述第二真空室连接所述第一真空室和第三真空室；

第三真空室，所述第三真空室为传输杆真空室；

第四真空室，所述第四真空室为质量分析器真空室；

其特征在于：所述电感耦合等离子体质谱仪进一步包括：

第一调谐部件，所述第一调谐部件为泵，与各级真空室相连，调节所述各级真空室的压力；

第二调谐部件，所述第二调谐部件为比例阀，使各级真空室相互连通，通过遍历所述比例阀的开度调节所述各级真空室之间的压力。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体质谱仪，其特征在于：所述第一调谐部件可以是机械泵、涡轮分子泵或油扩散泵。

3.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体质谱仪，其特征在于：所述电感耦合等离子体质谱仪进一步包括：

第三调谐部件，所述第三调谐部件连通气瓶，引入压力调节气体。

4.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体质谱仪，其特征在于：所述调节气体是氦气或氩气。

5.一种电感耦合等离子体质谱仪的真空压力调节方法，包含以下步骤：

(A1)提供权利要求1-4任一所述的电感耦合等离子体质谱仪，仪器开机、点火，进入调谐阶段；

(A2)通过测试标准样品获得目标参量的最佳值：将标准样品的响应值作为目标参量，遍历第一调谐部件的转速和/或第二调谐部件的开度，观察质谱仪响应值；响应值最大时为目标参量的最佳值，将所述第一调谐部件的转速和/或第二调谐部件的开度控制在目标参量最佳值的位置。

6.根据权利要求5所述的真空压力调节方法，其特征在于：所述步骤(A2)中，对第一调谐部件转速的调节采用先粗调后细调的方式进行调节。

7.根据权利要求5所述的真空压力调节方法，其特征在于：通过第一调谐部件、第二调谐部件、第三调谐部件任一调谐部件进行真空压力的调节，或选择任意两种调谐部件进行真空压力的调节，或同时采用三种调谐部件进行真空压力的调节。