CN108469464A

CN108469464A - 在质谱分析中使用碰撞气体作为离子源的方法

Info

Publication number: CN108469464A
Application number: CN201810155439.XA
Authority: CN
Inventors: J·施韦特斯; H·韦尔斯; J·刘易斯
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2018-08-31
Also published as: DE102018010478B3; US20200251322A1; US20180240662A1; US11328915B2; DE102018104134A1; GB2560160A; US10651023B2; GB201702953D0; GB2560160B

Abstract

一种质谱分析方法，包括以下步骤：从离子源产生离子束；将所述离子束导入到碰撞池中；通过所述碰撞池上的气体入口将电中性的分析物气体或反应气体引入到所述碰撞池中；借助于所述分析物气体或反应气体与所述离子束之间的碰撞来使所述分析物气体或反应气体在所述碰撞池中电离；将来自所述电离的分析物气体或反应气体的离子从所述碰撞池发射到质量分析仪中；以及对所发射的所述电离的分析物或反应气体的离子进行质量分析。所述方法能够应用在同位素比质谱分析中以测定在所述气体与样本离子之间的质量偏移反应中所使用的反应气体的同位素丰度或同位素比，从而测定所述样本离子的校正同位素丰度或比。

Description

在质谱分析中使用碰撞气体作为离子源的方法

资助相关声明

本发明的研究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下受到欧洲研究理事会的资助。

技术领域

本发明涉及质谱仪，具体来说电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupledplasma mass spectrometer；ICP-MS)及其用于测定存在于样本中的原子或分子物质的用途。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来定性和定量地测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(inductively coupled plasma massspectrometry；ICP-MS)中，可在相对于非干扰背景低到1/10¹⁵的浓度下以高灵敏度和精度检测原子物质。在ICP-MS中，有待分析的样本用电感耦合等离子体(ICP)来电离，且随后分离并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获得对不可通过任何其它分析技术解决的科学问题的较深入理解的唯一方式。多集电极ICP-MS是一种用于高精度且准确的同位素比分析的现有方法。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，或通过从污染源(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中或质谱仪中。

为了实现高精度且准确的同位素比测量，通常应用延长的物理和化学样本制备以得到不含可干扰质谱的可能干扰和污染的清洁样本。分析物在用于同位素比ICP-MS的样本材料中的典型浓度是在几份/十亿分的范围内。所关注的分析物还可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。

延长质检步骤常常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/或引起待从原始样本材料提取的分析物的同位素分馏，所述样本材料可以是例如岩石、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消融的材料冲入ICP源中，那么化学样本制备是不可能的。在这类情况下，不存在将所需分析物与样本基质的化学分离，并且所有特异性必须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测定和识别样本中的某一物质的能力。一种实现质谱仪中的特异性的方式是确保质量分析仪的质量分辨力M/(ΔM)大到足以清楚地分离一种物质与另一种物质，其中ΔM指示物质之间的质量差，且M是所关注物质的质量。在具有相同标称质量的物质同量异位干扰的情况下，这需要极高的质量分辨率。对于扇形场质谱仪来说，高质量分辨率伴随着使用极窄的质量分析仪入口狭缝，且小入口狭缝显著减少了发射，并因此降低了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，这变成一种不切实际的方法。这对于当前技术解决方案受限的质谱分析仪器来说是一种特殊挑战。

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是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来产生等离子体，其中温度高到足以引起样本的原子化和电离。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是四极分析仪、磁性扇形分析仪或飞行时间分析仪。

ICP质谱仪的描述可见于Robert Thomas的论文《ICP-MS入门指南(A Beginner'sGuide to ICP-MS)》(SPECTROSCOPY 16(4)-18(2)，2001年4月-2003年2月)中，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)。

多集电极(multi-collector；MC)ICPMS仪器的已知设计是NEPTUNE^TM或NEPTUNEPlus^TM，如Thermo Scientific^TM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)。

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，已知某些元素通过ICP-MS具有相对差的检测极限。这些元素主要是遭受由来源于等离子气体、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和用于测定⁵¹V的³⁵Cl¹⁶O。

利用高质量分辨率磁性扇形多集电极质谱仪，分子物质可沿质谱仪的焦平面分离，以使得仅可检测到元素离子，而在检测器狭缝处区分分子干扰物(参见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。

利用扇形质谱仪，高质量分辨率通常伴随着到质量分析仪中的离子光发射的减少，这是因为高质量分辨率需要较窄入口狭缝和较小孔径以使从入口狭缝到检测器的离子束路径进一步往下的二级或三级角像差最小化。在其中样本的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显著问题。其直接导致分析精度降低，这是因为在穿过扇形场分析仪的发射有效降低的情况下计数统计较差。因此，高质量分辨率一般并非消除干扰和获得特异性的实际解决方案，即使在质谱仪的质量分辨力足以区分干扰的情况下也是如此。

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。一个实例是用基于氩气的等离子体来分析⁴⁰Ca。元素⁴⁰Ar⁺对⁴⁰Ca⁺存在强干扰。分离这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。

通过碰撞池技术(ICP-CCT)提供对这个问题的一种解决方案，所述碰撞池技术包含定位在离子源与分析仪之间但在所述分析仪之前的碰撞/反应池。这一碰撞池增添了实现分析特异性的另一可能性。其使用化学反应而非质量分辨力来区分干扰物质。将例如氦气或氢气的碰撞气体引入到这种池中，所述池通常包括以射频模式操作从而使离子集中的多极(multipole)。碰撞气体在所述池中碰撞且与离子反应，以将干扰离子转化为非干扰物质。

碰撞池可用于从元素质谱中去除非所需的假象离子。碰撞池的用途描述于例如EP6813 228A1、WO 97/25737或US 5 049 739B中，所述文献全部以引用的方式并入本文中。碰撞池是离子发射穿过的大致气密的罩壳。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。碰撞池可以是如US 5 049 739B中所公开的无源池，或离子可借助于例如多极的离子光学器件约束在所述池中，所述离子光学器件用交流电压或交流电压与直流电压的组合来驱动，如在EP 0 813 228中。通过这一方式，碰撞池可配置成在损失最小的情况下发射离子，即使在所述池以足够保证离子与气体分子之间的许多碰撞的高压力下操作时也是这样。

举例来说，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，且电子的谐振电荷从H₂气转移以中和⁴⁰Ar⁺离子(参见Tanner、Baranov与Bandura，2002，《光谱化学学报B辑录：原子光谱学(Spectrochimica Acta PartB:Atomic Spectroscopy)》，57:1361-1452，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。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)。

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。这些机制包含：由于碰撞池内的碰撞来进行的动能区分(例如Hattendorf与Guenther，2004，《原子光谱学分析学报(J.Anal Atom Spectroscopy)》，19:600，以引用的方式并入本文中)；分子物质在碰撞池内的碎裂(参见Koppenaal D.W.，EidenG.C.和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)》，《原子光谱学分析学报(Journal of Analytical AtomicSpectroscopy)》，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具有显著减少的样本制备的直接样本分析而更接近于特异性检测目标，但是仍存在无法通过将碰撞池介接到质谱仪来解决的分析问题和干扰。

通过谨慎控制碰撞池中的条件，有可能有效地发射所需离子。这是可能的，因为一般来说，形成待分析的质谱的部分的那些所需离子是单原子，且携带单个正电荷，即，它们已丢失电子。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低到足以使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，有可能去除假象离子，同时继续有效地发射所需离子。举例来说，假象离子可以是例如ArO⁺或Ar₂ ⁺的分子态离子，所述分子态离子比原子态离子更加不稳定。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。以引用的方式并入本文中的Douglas(《加拿大光谱学学报(Canadian Journal Spectroscopy)》，1989，第34(2)卷，第36-49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 AnalyticalAtomic 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。

发明内容

本发明引入新的质谱分析方法，通过所述方法使分析物气体在碰撞池内通过与离子束碰撞而电离，所述离子束优选的是强离子束，且接着将电离的分析物气体的离子发射到质量分析仪中以用于质量分析。用于这种目的的离子束可通过使用如本文中进一步描述的滤质器来进行质量选择。本文中呈现的新方法提供具有用于例如结构阐明、定点同位素分析等等的各种应用的新质谱仪运作机制。

本发明提供用于同位素比质谱分析的修改后的方法，其中样本离子在碰撞池中与引入其中的电中性反应气体反应从而产生进行质量分析的加合离子物质，且将质谱与用离子束电离的反应气体的同位素质谱单独进行比较。因此，样本离子的同位素丰度和/或同位素比可通过测量反应气体的同位素比来测定和校正。

本发明提供一种质谱分析的方法，其中所述方法包括以下步骤：

a.从离子源产生离子束，所述离子源适合是ICP离子源；

b.将所述离子束导入到碰撞池中；

c.通过所述碰撞池上的气体入口将电中性的分析物气体引入到所述碰撞池中；

d.在所述碰撞池中借助于所述分析物气体与所述离子束之间的碰撞从所述分析物气体产生离子；

e.将产生的离子从所述碰撞池发射到质谱分析仪中；以及

f.对所发射的所述电离的分析物气体的离子进行质量分析，其包含在质量分析仪中测定所述离子的同位素丰度或同位素比。

如下文更详细地描述，分析物气体可以是在分离同位素比实验中用于与样本离子进行质量偏移反应以在质谱中分辨样本离子且测定样本离子的同位素比的反应气体。通过对反应气体进行质量分析，且优选地测定其同位素丰度和/或同位素比，可从质量偏移实验获得样本离子的校正同位素比。

因此离子束优选且适当地由电感耦合等离子体(ICP)离子源通过使等离子体产生气体流入等离子体炬中，在所述炬中产生等离子体并从等离子体提取离子以形成离子束产生。在一些实施例中，离子束大致包括等离子体产生气体的离子，而在其它实施例中，离子束包括除等离子体产生气体的离子外替代或另外的其它离子，将所述其它离子引入穿过等离子体。

等离子体产生气体适当地选自在ICP中常规地用于产生等离子体的一或多种气体，例如但不限于氩气、氖气、氦气、氮气和氧气。离子束可包括等离子体产生气体的离子。在某些实施例中，离子束包括选自³⁶Ar⁺、³⁸Ar⁺、⁴⁰Ar⁺和⁴⁰Ar₂ ⁺的至少一种离子物质。在一优选实施例中，离子束包括⁴⁰Ar⁺离子。

在其中离子束包括除等离子体产生气体的离子外的其它离子的那些实施例中，方法可适当地包括将包括目标物质的溶液或气体引入到等离子体中，由此产生目标物质的离子。在这些实施例中的一些中，离子束可大致包括目标物质的离子。这可通过对所选择的目标物质离子进行质量过滤来便利地实现。目标物质可优选地是元素，且目标物质离子可以是元素离子。

因此，在一些实施例中，离子束大致包括元素离子。在这类实施例和其它实施例中的一些中，离子束包括质量过滤的单一元素物质的元素离子。

接纳于碰撞池中的离子束优选地配置并控制成所需和适用的强度，例如10pA与100nA之间的射束强度，其中这一范围的上端更优选为(10-100nA)。这类电流可用等离子体离子源，例如氩气等离子体离子源来实现。离子束的能量优选地是在约0eV到约250eV范围内，且更优选地在约5ev或约10eV到约250eV或到约200eV或到约100eV范围内，例如约50eV的能量。因此在一些适用实施例中，离子束的能量可通过例如使用碰撞池上游的加速电极控制。

如上文所提及，可在进入到碰撞池之前对离子束的离子进行质量选择。这适合使用定位于离子源与碰撞池之间的滤质器进行。

碰撞池，有时又称为反应池，可包括具有至少一个气体入口的腔室。所述腔室进一步可具有准许离子进入到腔室中的离子入口，和离子朝向下游质量分析仪发射穿过的离子出口。碰撞池可以是任何适当的形状和尺寸。在某些实施例中，碰撞池包括至少一个腔室，所述腔室包括至少一个离子导向器。

大体来说，碰撞池优选地含有用于将电中性的分析物气体、碰撞气体或反应气体供应到所述池中的至少一个气体入口。可通过气体入口将一种或两种或更多种气体供应到所述池。或者，所述池可包括用于分别将两种或大于两种气体供应到所述池中的两个或大于两个气体入口。在一些实施例中，引入的气体可用于使碰撞池中的离子束冷却下来。通过冷却离子束，碰撞气体可优选地减少离子束中的离子的绝对动能同时也减少离子所具有的动能的扩散。气体入口可进一步包括用于控制进入碰撞池中的气流的气体流量控制器，或是与所述气体流量控制器流体连通。气体流量控制器可以是例如质量流量控制器。

碰撞池可以是无源池，例如公开于US 5 049 739B中，所述文献的全部内容以引用的方式并入本文中，或离子可借助于例如多极的离子光学器件约束在所述池中，所述离子光学器件用交流电压或交流电压与直流电压的组合来驱动，如在EP 0 813 228中，所述文献的全部内容也以引用的方式并入本文中。通过这一方式，碰撞池可配置成在损失最小的情况下发射离子，即使在所述池以足够保证离子与气体分子之间的许多碰撞的高压力下操作时也是这样。碰撞池可包括至少一个四极、至少一个六极或至少一个八极。优选地，多极以仅射频(RF)模式操作，即在碰撞池中不存在质量选择，但相反多极具有使离子集中在所述池内的作用。

碰撞池可以是线性的，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合件提供时。因此，碰撞池的轴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。碰撞池可包括平行、直线形的多极，或碰撞池可包括曲形多极。曲形多极可作为例如四极的多极提供，其中杆之间的距离从碰撞池的入口和出口向所述池的中间减小。

四极可以是三维四极，或其可以是二维(即线性)四极。多极的杆可以是圆形杆，或其可以是双曲线杆。在一些实施例中，多极是扁平极，其中所述杆扁平，即所述杆具有至少一个扁平表面。

优选地，碰撞池配置在质谱仪的质量分析仪的上游。碰撞池可配置在上游的滤质器与下游的质量分析仪之间。

滤质器可以是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致仅RF电压的滤质器。换句话说，非过滤模式优选地是仅RF模式。在这种模式中，所有质荷比的离子在滤质器内都是稳定的，其结果是将通过滤质器发射。在发射模式期间，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比是0.0。

优选地，滤质器是多极过滤器。滤质器的电极因此优选地是多极滤质器的杆。多极可以是四极、六极或八极。优选地，多极是四极。四极可以是三维四极，或其可以是二维(即线性)四极。优选地，四极是线性四极滤质器。多极的杆可以是圆形杆，或其可以是双曲线杆。在通过滤质器进行的质量选择中，质量窗口可设定为约2amu或更小，例如优选地约1amu或更小，且更优选约0.7amu的宽度。

在某些实施例中，四极滤质器将仅RF前置过滤器和后置过滤器部分并入到四极组合件，以实现四极入口处的高发射且更好地控制四极出口处的离子束相体积。

通过调节离子束的能量，可以选择离子束的能量水平以使得分析物气体的至少一部分碎裂，以形成分析物气体的至少一种电离的原子或分子碎片物质。接着将形成的电离碎片物质适当地发射到质量分析仪并进行质量分析。因此可适当地调节离子束的能量以促成分析物气体的所需电离碎片的形成。

以上特征使得有可能对引入作为分析物气体且用以上方法进行了质量分析的一种或多种有机化合物进行特定分析。所述方法可用于同位素测量，例如同位素比测量，例如定点同位素比测量，且待分析的有机化合物除碳和氢以外可包括元素氧、氮、硫、卤素和磷中的一个或多个。在一些实施例中，一种或多种有机化合物选自但不限于由以下组成的群：烃、被取代的烃、蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸。

应了解，方法适用于实施例，其中分析物气体包括用于在分离同位素比实验中填充碰撞池以与从离子源引入到碰撞池中的样本离子反应的反应气体。举例来说，反应气体可用于与样本离子反应以形成加合离子物质，且这些加合离子的同位素丰度和/或同位素比可接着在质量分析仪中测定。举例来说，样本离子可具有妨碍其离子的准确同位素比测定的同量异位干扰。反应气体的使用可通过使反应气体与样本离子反应但几乎不或根本不与同量异位干扰离子反应来避免干扰。由此加合离子不受干扰。当与滤质器一起使用以使得质量窗口通过滤质器进行选择时这尤其适用，所述滤质器允许发射具有样本离子的质荷比而不具有加合离子的质荷比的离子(即不允许发射可干扰形成于碰撞池中的加合离子的质谱的干扰离子)。在一分离实验(测量)中，反应气体自身的同位素丰度可测定，即涉及使用离子束使反应气体在碰撞池中电离，且由此可从这些获得的数据的比较以提高的准确性来测定样本离子的同位素丰度或同位素比。当样本离子的直接同位素丰度受干扰物质混淆时这尤其适用。

从以上看，本文中所公开的方法中的分析物气体基本上可以是可以气态形式引入到碰撞池中的任何物质或物质的混合物。这包含但不限于例如氦气、氢气、氧气、氮气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、二氧化碳、氧化氮、二氧化氮、氧化亚氮、二硼烷和/或二氧化硫的物质，或这类物质中的任何两种或更多种的混合物。可例如通过可变泄漏阀或通过技术人员已知的其它方式来引入物质。在又其它实施例中，在常规条件下不是气态的物质可例如通过使用耦合到例如具有适合的输送管的入口阀的气相色谱仪来进行气化以便引入到碰撞池中。因此，广泛范围的物质和化合物可作为分析物气体/反应气体引入并使用，且通过技术人员熟知的各种方式进入到碰撞池中，且这类物质或化合物可(i)用质量分析仪直接及准确地分析以用于例如获得同位素比和同位素分布，以及(ii)与样本离子反应以形成例如但不限于加合物质的产物物质。

如上文提到，电离的分析物气体的同位素丰度或同位素比可在质量分析仪中测定，这适用于许多应用。本发明的方法适用于各种不同的质量分析仪，包含但不限于包含单集电极和多集电极扇形质量分析仪的磁性扇形质量分析仪、四极质量分析仪、飞行时间(TOF)质量分析仪、离子阱质量分析仪和包含轨道静电阱的静电阱质量分析仪，例如Orbitrap(TM)。

在基于上文已描述的另一方面中，本发明提供一种同位素比质谱分析的方法，所述方法包括以下步骤：

a.通过以下来测定样本离子的同位素丰度和/或比：

-将样本离子引入到碰撞池中；

-在碰撞池中提供至少一种反应气体以与样本离子反应；

-使样本离子与反应气体在碰撞池中反应以产生至少一种化学加合离子物质，所述化学加合离子物质由样本离子与反应气体反应产生；以及

-通过对化学加合离子物质进行质量分析来测定样本离子的同位素丰度和/或同位素比；

b.通过以下来测定反应气体的同位素丰度和/或同位素比：

-借助于离子束使反应气体在碰撞池中电离，从而在碰撞池中产生至少一种反应气体离子物质；以及

-通过对至少一种反应气体离子物质进行质量分析来测定至少一种反应气体的同位素丰度和/或同位素比；以及

c.基于在步骤b中测定的反应气体的同位素丰度和/或比来调节/校正从步骤a测定的样本离子的同位素丰度和/或比。

在这种方法中所指的反应气体优选地选自上文所提及的指代分析物气体的气体中的一个或多个，例如但不限于氦气、氢气、氧气、氮气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、二氧化碳、氧化氮、二氧化氮、氧化亚氮、二硼烷和二氧化硫。所述方法在碰撞池中优选地产生不含样本离子的至少一种反应气体离子物质(即当离子束用于使反应气体电离时，所述离子束不含有样本离子)。反应气体的同位素丰度和/或比的测定(以上‘步骤b’)可在测定样本离子的同位素丰度和/或比之前或之后进行。也就是说，步骤a和b可按任何次序进行，即步骤a后为步骤b，或步骤b后为步骤a。

可理解，以以上方法在ICP中产生样本离子是有利的，如上文所描述。在一些实施例中，用于使反应气体电离的离子束由与样本离子相同的ICP源产生是尤其有利的。因此，在一些实施例中，离子束通过使等离子体产生气体流入等离子体炬中来产生，且离子束大致包括等离子体产生气体的离子。在某些实施例中，等离子体产生气体是氩气。

前述方法可进一步包括在将样本离子和/或离子束发射到碰撞池中之前，对包括样本离子的离子束和/或不含样本离子的离子束进行质量过滤。方法可包括在将样本离子和/或离子束发射到碰撞池中之前，对包括样本离子的离子束和/或不含样本离子的离子束的能量进行选择。举例来说，样本离子可具有妨碍其离子的准确同位素比测定的同量异位干扰(例如所述干扰的程度可能未知)。反应气体的使用可通过使反应气体与样本离子反应但几乎不或根本不与同量异位干扰离子反应来避免干扰。由此加合离子不受干扰。当与质量过滤步骤一起使用以使得质量窗口通过滤质器进行选择时这尤其适用，所述滤质器允许发射具有样本离子的质荷比而不具有加合离子的质荷比的离子(即不允许发射可干扰形成于碰撞池中的加合离子的质谱的干扰离子)。当离子束用于使反应气体电离时所述离子束的质量过滤可选择包涵等离子体产生气体的离子，例如氩气离子，尤其其最丰富的同位素⁴⁰Ar⁺的质荷比或范围。质量过滤可选择约2amu或更小，例如优选地约1amu或更小，且更优选约0.7amu的质量窗口宽度。通过这种方式，可选择强离子束并将其导入到碰撞池中以使反应气体电离。

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类源。举例来说，ICP源包括等离子体炬，其包括三个同心管件，所述管件可例如由石英制成。ICP源可进一步包括电极，所述电极具有螺旋形状且当向其施加时变电流时将产生时变磁场。ICP源可调适成能用任何用于等离子体产生的适合气体，例如氩气来操作。

附图说明

技术人员将理解下文所描述的附图仅出于说明的目的。这些附图并不意欲以任何方式限制本教示的范围。

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

图2示出由喷洒器和喷雾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示出可用于本发明的质谱仪的示意性说明，突出显示碰撞池和上游滤质器。

具体实施方式

在下文中，将参看图式描述本发明的示范性实施例。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。

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作用来说并非至关重要。另外，技术人员将显而易知的是无论步骤次序如何，所描述的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，本发明一般适用于例如气体、液体、固体、颗粒和喷雾剂的材料的质量分析。因此，一般来说，在系统中分析的样本将是可变的。

图1中示出根据本发明的电感耦合等离子体(ICP)源10。例示的ICP源含有通常由石英制成的三个同心管11、12、13以及负载线圈21。如此项技术中已知，等离子气体可通过样本入口14引入到内部管11中，通过辅助气体入口17经由辅助气体管线15引入到中间管12中，和/或通过冷却气体入口20经由冷却气体管线18引入到外部导管13中。负载线圈21将极强RF场耦合到氩气流(辅助气体和冷却气体)中。由于大量的能量(和撒布电子的初始火花)，等离子体产生并保持在通常>8000℃范围内的温度。

通过样本入口14将样本引入通常例如氩气的等离子气体中。样本可以是通过喷洒器和喷雾室产生的喷雾剂，如图2中进一步示出。任选地，可通过样本入口14，或替代地，或此外，分别经由辅助气体入口管线15和/或冷却气体入口管线18上的任选入口16、19，将待电离的任何其它气体物质以及样本引入到ICP源中。

可将样本引入到样本引入系统，例如喷雾室组合件30中，如图2中所示。组合件包含喷洒器31，所述喷洒器具有样本入口32，以及喷洒器气体入口34，其通常将与等离子气体(例如氩气)相同。入口33可提供在喷洒器气体入口上，并且可用于在与喷洒器气体的混合中将任何额外气体提供到喷洒器中。

喷洒器将样本喷雾传递到喷雾室37中，所述喷雾室具有排放口36和出口38，所述出口进料到ICP源10的样本入口14中。喷雾室可任选地进一步具有气体入口35，所述气体入口可用于将另一气体传递到喷雾室中，其中另一气体将与样本喷雾剂形成混合物并且通过出口38传递到ICP源中。

因此，用于将样本气体传递到喷雾室组合件中的替代实施例是可能的。这些实施例可替代使用，或其可组合使用。

产生于等离子体中的离子经由包括一个或多个锥体22的界面进入质谱仪。

在图3中，示出可用于实践本发明的质谱仪。ICP源10的下游存在四极滤质器60。滤质器可用于选择性地发射所关注的离子，或所关注的质量范围内的离子，以用于传递到碰撞池中以及下游质量分析仪中的后续质量分析。替代地，滤质器可用于从ICP源选择性地发射强离子束，以用于使气体在碰撞池内电离。

碰撞池40接纳由上游滤质器60发射的离子。碰撞池进一步具有气体入口41，以用于接纳与碰撞池内的离子反应的电中性的碰撞/反应气体。举例来说，入射离子可以是来自产生于ICP源中的Ar⁺离子束，且已由上游滤质器60选择性地发射的离子。离子束可使电中性的碰撞气体(例如氧气)电离，且由此产生可在下游质量分析仪中进行质量分析的碰撞/反应气体的离子。

替代地，气体入口41可用于将分析物气体传递到碰撞池中，所述分析物气体可在碰撞池内通过入射离子束(例如Ar⁺离子束)电离和/或碎裂。由此产生的分析物的离子和/或电离碎片可在下游质量分析仪50中进行质量分析。由此，入射离子束用于使电中性的分析物电离，以用于后续质量分析。

随后将碰撞池内产生的离子导入到下游质量分析仪50，其中对离子进行质量分析。质量分析仪大体上可以是任何适合的质量分析仪，例如单个或双重扇形质量分析仪(single or dual sector mass analyser)(例如双重扇形多集电极(dual sectormulticollector))、四极质量分析仪、离子阱质量分析仪、飞行时间质量分析器或包含轨道阱质量分析仪的静电阱质量分析仪。

以下非限制性实例提供本发明的某些分析益处的示范性描述。

实例1

这一实验设计成测定含有钛和铬(Cr)的样本中的钛(Ti)同位素丰度。特定关注的是⁵⁰Ti同位素的丰度。在这个实例中，通过激光切除直接将样本引入到ICP离子源中，如此在分析之前不存在将Ti从Cr分离的机会，且分析的全部特异性必须在质谱仪中实现。这由于⁵⁰Ti同位素与⁵⁰Cr具有同量异位干扰而存在问题，所述干扰必须解决或校正以便实现⁵⁰Ti的准确测定。

实验包括两部分，首先使用滤质器来准许到碰撞池中的指定质量范围，将氧气引入到碰撞池中以便在质量偏移反应中形成TiO加合离子，且接着对加合离子进行质量分析以测定⁵⁰Ti的同位素丰度和/或⁵⁰Ti与另一Ti同位素的比。在第二部分中，滤质器设置成仅准许来自等离子体离子源的强⁴⁰Ar离子束进入碰撞池。在与实验的第一部分相同的条件下，将氧气引入到碰撞池中。强⁴⁰Ar束与中性O₂气体进行电荷交换反应，从而引起O₂气体的电离和解离。所得氧离子接着离开碰撞池且可进行质量分析以用于其同位素比。氧气的已知同位素比可接着用于更准确地校正将存在于首次实验中的少量同位素氧化物的存在。

实验细节

对于第一部分，经由激光切除将样本引入到仪器的Ar等离子体离子源以产生Ti⁺和Cr⁺离子。由于Cr同位素具有对目标⁵⁰Ti同位素的同量异位干扰，这些物质必须在质谱仪中分离。接着利用化学分辨率，其可用碰撞池实现，且将氧气引入到碰撞池中。通过从样本Ti⁺和O₂气体形成TiO⁺来利用不同元素优先促成Ti⁺远离对Cr⁺的干扰的选择性反应性。由于相比于CrO⁺这一反应的数量级对TiO⁺更有效，Ti物质可成功地在质谱中与Cr分离开。形成于碰撞池中的所得物TiO物质现以质量62到66存在于铜和锌频谱中，且这可在下游质量分析仪中测量到。为了避免需要对在样本中潜在存在的铜和锌进行复杂校正，定位在碰撞池前的滤质器适当地用于发射仅所选范围的质量。在这个实例中，我们设想具有以⁵⁰Ti为中心±10的质量窗口。这允许发射Ti和Cr的全部同位素，但关键并不允许将铜或锌发射到碰撞池中。由此在池中产生的加合TiO⁺离子可在铜和锌质量范围内测量，而由于这一样本并不穿过前面的滤质器所以不存在来自样本的铜和锌。由此⁵⁰Ti丰度和Ti同位素比可在样本中测定而无Cr的干扰。

考虑少量氧化同位素的存在，第二部分允许通过测定反应气体(氧气)的同位素组合物来在样本中进行对⁵⁰Ti丰度的更准确评估。尽管碰撞池中Ti⁺离子到TiO⁺离子的促进可在样本中将Ti从Cr有效分离，但氧化促进方案从已由少量氧气同位素¹⁷O和¹⁸O形成的TiO⁺物质，例如⁴⁸Ti¹⁸O的存在产生进一步同量异位干扰，⁴⁸Ti¹⁸O是目标⁵⁰Ti¹⁶O的同量异位素。这些干扰可能仅以少量存在，例如¹⁸O仅是全部氧气的约0.2％，但在其中主要Ti同位素/少量氧气配对干扰少量Ti同位素/主要氧气配对的情况下，这一作用可足够显著以导致Ti同位素测量的不准确性。举例来说，⁴⁸Ti¹⁸O将占在质量66下测量⁵⁰Ti¹⁶O的束的约3％。

这些干扰的校正可通过监测在质量68下未受干扰的少量同位素氧化物，例如⁵⁰Ti¹⁸O，且基于参考氧气的同位素比作出校正来进行。然而，为了测定Ti同位素丰度和比的最高准确性，表征供应到碰撞池的氧气的同位素组合物将合乎需要。这可通过对气体的分离直线分析来实现，但如果引入到碰撞池和从碰撞池离开引起气体的同位素分馏，那么也应了解。为了测量这个，在与Ti同位素比分析相同的条件下首先将氧气引入到碰撞池中。定位在碰撞池之前的滤质器接着设置成仅将主要⁴⁰Ar离子从等离子体引入到碰撞池中。⁴⁰Ar离子具有比O₂分子更高的电离电势，且与使O₂解离和电离成O⁺的分子进行电荷交换。氧离子接着离开碰撞池，且可在主质量分析仪中分析氧气的同位素组合物。氧气反应气体的同位素比的测定可接着用于校正少量氧化物质对实验部分1中进行的Ti同位素比测量的作用。由于其允许对同位素组合物中在将反应气体引入到池中或当分子加成离子离开反应池时可出现的任何分馏的校正，这一方法具有优于使用反应气体同位素比的参考比的优势。

下表1中示出这一实例所考虑的原子和分子物质。

表1.实例1.中所考虑的原子和分子物质

质量

46

47

48

49

50

51

52

物质

⁴⁶Ti

⁴⁷Ti

⁴⁸Ti

⁴⁹Ti

⁵⁰Ti

⁵⁰V

⁵¹V

⁵⁰Cr

⁵²Cr

质量

62

63

64

65

66

67

68

物质

¹⁶O

⁴⁶Ti¹⁶O

⁴⁷Ti¹⁶O

⁴⁸Ti¹⁶O

⁴⁹Ti¹⁶O

⁵⁰Ti¹⁶O

¹⁷O

⁴⁶Ti¹⁷O

⁴⁷Ti¹⁷O

⁴⁸Ti¹⁷O

⁴⁹Ti¹⁷O

⁵⁰Ti¹⁷O

¹⁸O

⁴⁶Ti¹⁸O

⁴⁷Ti¹⁸O

⁴⁸Ti¹⁸O

⁴⁹Ti¹⁸O

⁵⁰Ti¹⁸O

对于实例，可以看出⁴⁶Ti¹⁶O物质可不受干扰在质量62下测量。然而，在质量63下的测量丰度(强度)主要由具有少量⁴⁶Ti¹⁷O的⁴⁷Ti¹⁶O组成。根据氧气反应气体的同位素测量，¹⁶O:¹⁷O的比已知，且因此⁴⁶Ti¹⁷O的丰度可根据未受干扰⁴⁶Ti¹⁶O的测量丰度来测定。由于现测定了⁴⁶Ti¹⁷O的丰度，⁴⁷Ti¹⁶O的校正丰度可根据质量63测量来测定，且因此可获得校正同位素比⁴⁷Ti:⁴⁶Ti。这一方法可应用于其它质量测量以得到其它Ti同位素的校正同位素比。

实例2

这一实验设计成测定丙烷分子中的碳同位素的定点同位素组合物。在这个实验中，离子产生于ICP离子源且从等离子体提取。前面的滤质器用于选择为强离子束的仅⁴⁰Ar⁺离子，且将这种离子发射到碰撞池中。通过碰撞池的气体入口引入丙烷分析物气体。丙烷是具有三-碳链的饱和烷烃分子。使用定位在碰撞池前的加速电极，与丙烷分子相互作用引起分子沿C₁到C₂键的碎裂和电离的入射⁴⁰Ar⁺离子控制离子能量。由此具有三个碳和8个氢的电中性的丙烷分子分裂成两种碎片，一种具有1个碳和3个氢且第二种具有2个碳和5个氢。

这些分子态离子碎片接着离开碰撞池且可通过第二质量分析仪来进行质量分析。这种技术的能力在于，通过监测质量15(¹²CH₃)和16(¹³CH₃)以及24(¹²C₂H₃)和25(¹³C¹³CH₃)，可测定丙烷分子中位置特定碳的同位素组合物，即可测定C₁碳和C_2-3碳簇的碳同位素组合物。如果入射⁴⁰Ar⁺可用于诱发丙烷分子在碰撞池中的进一步碎裂，且足够的质量分辨率可在第二质量分析仪(m/Δm约3500)中实现，接着甚至可选择在与C₁的同位素组合物的15(¹²CH₃)和16(¹³CH₃)相同的时间监测C₂碳的同位素组合物的质量14(¹²CH₂)和15(¹³CH₂)。

如本文中所使用，包含在权利要求书中，除非上下文另外指示，否则术语的单数形式应理解为也包含复数形式，并且反之亦然。因此，应注意，除非上下文另外明确规定，否则如本文中所使用，单数形式“一(a/an)”和“所述”包含多个参考物。

在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”和其变化形式应理解为意指“包含但不限于”，并且不意欲排除其它部件。

在术语、特征、值和范围等结合例如约、大约、一般来说、大体上、基本上、至少等的术语使用的情况下，本发明也涵盖这些准确术语、特征、值和范围等。(即，“约3”也应涵盖确切3或“大体上恒定”也应涵盖确切恒定)。

术语“至少一个”应理解为意指“一个或多个”，并且因此包含具有一个或多个组分的两个实施例。此外，参考用“至少一个”描述特征的独立权利要求的附属权利要求项在所述特征称为“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，同时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由用于相同、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”、“例如(such as、for example)”和类似物的示范性语言仅意欲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，但其中至少一些特征和/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且可以任何组合形式使用。

Claims

1.一种质谱分析的方法，所述方法包括以下步骤：

a.从ICP离子源产生离子束；

b.将所述离子束导入到碰撞池中；

e.将产生的离子从所述碰撞池发射到质谱分析仪中；以及

2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述离子束大致包括等离子体产生气体的离子。

3.根据前一权利要求所述的方法，其中所述等离子体产生气体包括选自氩气、氖气、氦气、氮气以及氧气的物质。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将包括目标元素的溶液或气体引入到所述等离子体中，由此产生所述目标元素的离子，其中所述离子束大致包括所述目标元素的离子。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述离子束大致包括元素离子。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述离子束大致包括质量过滤的单一元素物质的元素离子。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括使用定位在所述离子源与所述碰撞池之间的滤质器对进入所述碰撞池的所述离子束(m/z)的离子进行质量选择。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述滤质器是四极滤质器。

9.根据权利要求7所述的方法，其中质量选择步骤包括设置约2amu或更小，且优选地约1amu或更小，且更优选约0.7amu的质量窗口。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中接纳到所述碰撞池中的所述离子束的能量在0eV到250eV范围内，且优选地在10eV到200eV范围内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述离子束的所述能量可控制。

12.根据至少一项前述权利要求所述的方法，包括调节所述离子束的所述能量以便使所述分析物气体的至少一部分碎裂以形成所述分析物气体的至少一种电离原子或分子碎片，将所述形成的电离原子或分子碎片发射到所述质量分析仪且对所述碎片进行质量分析。

13.根据前一权利要求所述的方法，包括调节所述离子束的所述能量以促成所述分析物气体的所需电离碎片的形成。

14.根据至少一项前述权利要求所述的方法，其中至少一种分析物气体包括待进行质量分析的至少一种有机化合物。

15.根据前一权利要求所述的方法，其中所述至少一种有机化合物包括元素碳、氢以及氧、氮、硫、卤素和磷中的任选地至少一个。

16.根据前一权利要求所述的方法，其中所述至少一种有机化合物选自由以下组成的群：烃、被取代的烃、蛋白质、碳水化合物、脂类以及核酸。

17.根据至少一项前述权利要求所述的方法，其中所述至少一种分析物气体包括在分离同位素比实验中用于填充所述碰撞池以与从所述离子源引入到所述碰撞池中的样本离子反应的反应气体。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一种分析物气体包括选自氦气、氢气、氧气、氮气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、二氧化碳、氧化氮、二氧化氮、氧化亚氮、二硼烷以及二氧化硫的物质。

19.根据至少一项前述权利要求所述的方法，进一步包括在所述质量分析仪中测定所述电离的分析物气体的同位素丰度或比。

20.根据至少一项前述权利要求所述的方法，其中所述质量分析仪选自扇形质量分析仪和四极质量分析仪。

21.根据至少一项前述权利要求所述的方法，其中所述质量分析仪是多集电极扇形质量分析仪。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碰撞池包括至少一个腔室，所述腔室包括至少一个离子导向器。

23.一种同位素比质谱分析的方法，包括以下步骤：

a.通过以下来测定样本离子的同位素丰度和/或比：

将所述样本离子引入到碰撞池中；

在所述碰撞池中提供至少一种反应气体以与所述样本离子反应；

使所述样本离子与所述反应气体在所述碰撞池中反应以产生至少一种化学加合离子物质，所述化学加合离子物质由所述样本离子与所述反应气体反应产生；以及

通过对所述化学加合离子物质进行质量分析来测定所述样本离子的同位素丰度和/或同位素比；

b.通过以下来测定所述反应气体的同位素丰度和/或同位素比：

借助于离子束使所述反应气体在所述碰撞池中电离，从而在所述碰撞池中产生不含样本离子的至少一种反应气体离子物质；以及

通过对所述至少一种反应气体离子物质进行质量分析来测定所述至少一种反应气体的所述同位素丰度和/或同位素比；以及

c.基于在步骤(b)中测定的所述反应气体的所述同位素丰度和/或比来调节/校正从步骤(a)测定的所述样本离子的所述同位素丰度和/或比。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述反应气体的所述同位素丰度和/或比的所述测定是在测定所述样本离子的所述同位素丰度之前进行的。

25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其中所述样本离子产生于电感耦合等离子体(ICP)源中。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述离子束产生于与所述样本离子相同的电感耦合等离子体(ICP)源中。

27.根据权利要求23到29中任一项所述的方法，其中所述离子束通过使等离子体产生气体流入等离子体炬中来产生，以使得所述离子束大致包括所述等离子体产生气体的离子。

28.根据权利要求24到27中任一项所述的方法，进一步包括在将所述样本离子和/或所述离子束发射到所述碰撞池中之前，对包括所述样本离子的离子束和/或不含样本离子的离子束进行质量过滤。

29.根据权利要求24到28中任一项所述的方法，进一步包括在将所述样本离子和/或所述离子束发射到所述碰撞池中之前，对包括所述样本离子的离子束和/或不含样本离子的所述离子束的所述能量进行选择。