CN110289201A - 具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱（icp-ms） - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)。在电感耦合等离子体质谱(ICP‑MS)系统中，离子被传输到碰撞/反应单元中。在所述单元的出口处施加第一量值的DC电势以产生有效阻止离子离开单元的DC势垒。在限制期期间维持DC势垒以执行相互作用。在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为脉冲通过单元出口的第二量值，被分析物离子或产物离子被传输到质谱仪。然后在测量期期间对被分析物离子或产物离子进行计数。相互作用可以是离子‑分子反应或离子‑分子碰撞。

Description

具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS)

相关申请

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2018年3月19日提交的题为“具有改善的信噪比和信号背景比的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)”美国临时专利申请序列号62/644,896的权益，该申请内容通过引用全部并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，并且具体地涉及利用碰撞/反应单元的ICP-MS。

背景技术

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)通常用于样品的元素分析，诸如测量样品中痕量金属的浓度。ICP-MS系统包括基于等离子体的离子源，其用于产生等离子体以将样品的分子分解为原子，然后使原子离子化，为元素分析做准备。在典型的操作中，液体样品通过喷雾器(通常为气动辅助型)被雾化，即被转化成气溶胶(细雾或喷雾)，并且气凝胶化的样品被导入到等离子体源产生的等离子体羽流(plasma plume)中。等离子体源通常被配置成具有两个或更多个同心管的流通式等离子炬。通常，等离子体形成气体(诸如氩气)流过炬的外管并通过适当的能量源(通常是射频(RF)供电的负载线圈)被活化成等离子体。气溶胶化的样品流过等离子炬的同轴中心管(或毛细管)，并被发射到原始生成的等离子体中。暴露于等离子体使样品分子分解成原子，或者将样品分子部分地分解成分子片段，并使原子或分子片段离子化。

从等离子体源提取通常带正电荷的所得被分析物离子并作为离子束将其引导到质量分析器中。质量分析器应用时变电场或电场和磁场的组合以根据它们质荷比(m/z)以光谱方式分辨不同质量的离子，使离子检测器随后能够对从质量分析器到达离子检测器的给定m/z比的每种类型的离子进行计数。可替代地，质量分析器可以是飞行时间(TOF)分析器，该飞行时间分析器测量漂移通过飞行管的离子的飞行时间，然后可以从中导出m/z比。然后，ICP-MS系统将所获得的数据呈现为质谱(m/z比)峰的谱。每个峰的强度表示样品的相应元素的浓度(丰度)。

除了寻求分析的被分析物离子之外，等离子体还产生背景(非被分析物)离子。某些类型的非被分析物离子(称为干扰离子)会干扰某些类型的被分析物的分析。干扰离子可以由等离子体形成气体(例如氩气)、样品的基质组分、样品中包含的溶剂/酸或被夹带到系统中的空气(氧气和氮气)产生。例如，干扰离子可以是具有与被分析物离子相同的标称质量的同量异序干扰物。在检测某种被分析物离子的同时检测到这种干扰离子会导致分析数据中的谱线重叠，从而降低分析的质量。干扰离子的实例包括多原子离子，诸如干扰铁同位素⁵⁶Fe⁺的氧化氩(⁴⁰Ar¹⁶O⁺)(因为两种离子在质谱中都显示为m/z＝56)以及干扰钙同位素⁴⁰Ca⁺的氩⁴⁰Ar⁺(因为两种离子都显示为m/z＝40)。

解决光谱干扰问题以及改善ICP-MS系统性能的已知方法涉及改进基质分离、使用冷等离子技术并且在分析数据的处理中使用数学校正方程。这些方法具有已知的局限性。为了进一步解决该问题，还已知在ICP-MS系统中在离子源与质量分析器之间提供碰撞/反应单元。该单元包括离子导向器，该离子导向器沿着单元的中心轴聚焦离子束。该单元充满碰撞气体或反应气体。碰撞气体(例如氦气，He)的使用依赖于动能辨别(KED)，通过该动能辨别可以抑制多原子离子干扰。该单元中的被分析物离子和多原子干扰离子都与碰撞气体分子发生多次碰撞，并且失去动能(KE)，因此减速。然而，因为多原子离子具有比被分析物离子大的横截面，所以多原子干扰离子经历更多数量的碰撞并因此失去比被分析物离子更多的动能。诸如通过将碰撞/反应单元外部的质量分析器的四极电极比单元的离子导向器向更正偏置几伏来产生正量值的直流(DC)势垒。DC势垒的量值被设定得足够高以防止低能量干扰离子进入质量分析器，但足够低以允许较高能量的被分析物离子进入没有干扰离子的质量分析器。以这种方式，抑制了干扰离子对质谱数据的贡献。

可替代地，该单元充满反应气体。根据反应气体的化学性质，选择使用的反应气体与干扰离子或被分析物离子反应。在与干扰离子反应的情况下，反应将干扰离子转化成非干扰离子(通过将干扰离子的质量改变为不干扰被分析物离子质量的质量)或中和干扰离子。在与被分析物离子反应的情况下，该反应实际上通过形成原始干扰离子无法干扰的产物离子而将被分析物离子的质量转移到更高的质量。在所有这些情况下，该单元充满一定压力的反应气体，以获得与干扰离子或被分析物离子足够的反应效率。然而，从一个元素到另一个元素，最佳压力(或气体密度)通常变化。因此，当测量不同元素时，必须改变反应气体的流速，以便获得每种元素的良好信号/背景(S/B)比。

因此，仍然需要改进的ICP-MS系统以及操作它的方法来解决干扰问题。

发明内容

为了全部或部分地解决上述问题和/或本领域技术人员可能已经观察到的其他问题，本公开提供了如以下阐述的实施方式中的示例所描述的方法、过程、系统、装置、仪器和/或设备。

根据一个实施方案，用于操作碰撞/反应单元以抑制电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的干扰的方法包括：使碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元中，该碰撞/反应单元包括入口、出口和位于入口与出口之间的多极离子导向器；将离子传输通过入口并进入碰撞/反应单元；在出口处施加出口DC电势位于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值；在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，将被分析物离子或从被分析物离子产生的产物离子传输到质谱仪；并且在持续时间大约等于脉冲持续时间的测量期内测量被分析物离子或产物离子。

在实施方案中，该方法包括在限制期期间执行碰撞/反应气体与离子之间的相互作用。该相互作用可以是有效抑制干扰离子信号强度(可以通过质谱仪测量)的相互作用。相互作用可以是离子-分子反应和/或离子-分子碰撞。因此，在一个实施方案中，相互作用涉及根据有效将干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使干扰离子与碰撞/反应气体反应，以及使被分析物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的被分析物离子。在另一个实施方案中，相互作用涉及根据有效产生产物离子的反应使被分析物离子与碰撞/反应气体反应，以及使产物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的产物离子。

根据另一个实施方案，用于操作电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的碰撞/反应单元的方法包括：使碰撞/反应气体流入到根据本文公开的任何实施方案配置的碰撞/反应单元中；将离子传输通过入口并进入到碰撞/反应单元中；在出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值；在限制期期间，使离子与碰撞/反应气体碰撞，其中离子经历多次碰撞以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的离子；在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，将受限离子的至少被分析物离子或从被分析物离子产生的产物离子传输到质谱仪；并且在持续时间大约等于脉冲持续时间的测量期内测量被分析物离子或产物离子。

根据另一个实施方案，用于分析样品的方法包括：从样品中产生被分析物离子；将被分析物离子传输到根据本文公开的任何实施方案配置的碰撞/反应单元中；根据本文公开的任何方法操作碰撞/反应单元；并且将被分析物离子传输到质谱仪的质量分析器中。

根据另一实施方案，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统包括：离子源，离子源被配置为产生等离子体并在该等离子体中产生被分析物离子；碰撞/反应单元，碰撞/反应单元包括被配置成从离子源接收被分析物离子的入口、沿着碰撞反应单元的纵向轴线与入口间隔开的出口以及位于入口与出口之间并且被配置成在与纵向轴线垂直的径向方向上限制离子的多极离子导向器；与出口连通的质谱仪；以及控制器，控制器包括电子处理器和存储器并且被配置成控制包括以下各项的操作：使碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元中；将离子传输通过入口并进入到碰撞/反应单元中；在出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值；在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，将被分析物离子或从被分析物离子产生的产物离子传输到质谱仪；并且在持续时间大约等于脉冲持续时间的测量期内测量被分析物离子或产物离子。

在实施方案中，ICP-MS系统的控制器被配置成在限制期期间控制相互作用。在一个实施方案中，相互作用涉及根据有效将干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使干扰离子与碰撞/反应气体反应，以及使被分析物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的被分析物离子。在另一个实施方案中，相互作用涉及根据有效产生产物离子的反应使被分析物离子与碰撞/反应气体反应，以及使产物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的产物离子。

根据另一实施方案，电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统包括：离子源，离子源被配置为产生等离子体并在该等离子体中产生被分析物离子；根据本文公开的任何实施方案的碰撞/反应单元；以及控制器，控制器包括电子处理器和存储器并且被配置成控制本文公开的任何方法的步骤。

通过研究以下附图和详细描述，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得明显。需要注意的是：所有这些附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，在本发明的范围内，并受所附权利要求书的保护。

附图说明

通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。在附图中，相同的附图标记在不同视图中表示相应的部件。

图1是根据本公开的实施方案的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统的实例的示意图。

图2是根据本公开的实施方案的用于碰撞/反应单元的离子导向器的实例的示意性透视图。

图3是图2中所示的离子导向器的示意性侧向(纵向)视图。

图4示出了如质谱仪可以测量的，脉冲峰值，该脉冲峰值被定义为离子强度(以每秒计数，或cps计)I作为测量时间(以ms计)t的函数。

图5A示出了根据本公开的实施方案的在限制期期间碰撞/反应单元的离子导向器和单元出口透镜以及沿离子导向器的轴向长度并且达到单元出口透镜的DC电势的示意图。

图5B示出了根据本公开的实施方案的图5A中所示的相同碰撞/反应单元和测量期期间的DC电势的示意图。

图6A是表示从充满氧气的如本文所述的碰撞/反应单元产生的离子脉冲的一组曲线，在根据本公开的限制期和随后的测量期期间注入Co⁺、Y⁺和Tl⁺离子到该碰撞/反应单元中。

图6B是表示图6A中所示的离子脉冲的后缘(trailing edge)的一组曲线。

图7是表示如下的一组曲线：在碰撞/反应单元中来自0.1ppb钙溶液的m/z＝40的⁴⁰Ca⁺离子信号强度(以cps计)作为离子限制持续时间(或存储时间或反应时间，以ms计)的函数、来自去离子水(DIW)或空白的干扰背景离子(⁴⁰Ar⁺离子)强度作为离子限制持续时间的函数以及计算的背景等效浓度或BEC(以ppt计)作为离子限制持续时间的函数。

图8示出了根据本公开的实施方案的用于操作电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的碰撞/反应单元的方法的实例的流程图。

图9是系统控制器(或控制器或计算设备)的实例的示意图，该系统控制器可以是光谱测定系统(诸如图1中所示的ICP-MS系统)的一部分或与之通信。

图10是根据本公开的另一个实施方案的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，特别是具有三重四极(QQQ)配置的系统的实例的示意图。

图11是当未净化或净化的环境空气被引入到诸如图10所示的ICP-MS系统的反应单元中时，⁴⁰Ar⁺分别与未净化的环境空气和净化的环境空气的组分反应所产生的产物离子(m/z)的离子强度(以cps计)的两个谱线的图。

图12示出了根据本公开的另一个实施方案的用于操作电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的碰撞/反应单元的方法的实例的流程图。

具体实施方式

如本文所用，术语“流体”在一般意义上用于指代可流过导管的任何材料。因此，除非另有说明或上下文另有规定，否则术语“流体”通常可指代液体或气体。

如本文所用，术语“液体”通常可以指溶液、悬浮液或乳液。固体颗粒和/或气泡可以存在于液体中。

如本文所用，术语“气溶胶(aerosol)”通常指悬浮在气态介质中的液滴和/或固体颗粒的组装体。气溶胶小滴或颗粒的尺寸通常为微米(μm)量级。参见Kulkarni等人，Aerosol Measurement,第三版,JohnWiley&Sons,Inc.(2011),p.821。因此，气溶胶可以被认为包括液滴和/或固体颗粒以及夹带或携带液滴和/或固体颗粒的气体。

如本文所用，术语“原子化(atomization)”是指将分子分解成原子的过程。原子化可以例如在等离子体增强环境中进行。在液体样品的情况下，“原子化”可能需要使液体样品雾化以形成气溶胶，然后将气溶胶暴露于等离子体或来自等离子体的热量。

如本文所用，“液体样品”包括液体基质中溶解或以其他方式携带的一种或多种不同类型的目标被分析物。液体基质包括基质组分。“基质组分”的实例包括但不限于水和/或其他溶剂、酸、可溶性物质(诸如盐)和/或溶解的固体、不溶解的固体或颗粒以及任何其他不具有分析意义的化合物。

在本公开中为方便起见，除非另有说明或上下文另有规定，“碰撞/反应单元”是指碰撞单元、反应单元或碰撞/反应单元，该碰撞/反应单元被配置成例如通过可在碰撞模式与反应模式之间切换而作为碰撞单元和反应单元两者起作用。

在本公开中为方便起见，除非另有说明或上下文另有规定，“碰撞/反应气体”是指用于与碰撞/反应单元中的离子碰撞而不与这些离子反应的惰性碰撞气体，或用于与碰撞/反应单元中的被分析物离子或干扰离子反应的反应气体。

如本文所用，术语“被分析物离子”通常是指通过使样品的组分离子化而产生的任何离子，该组分要通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统分析且想要寻求其质谱数据。在ICP-MS的具体上下文下，被分析物离子通常是金属或除稀有(贵)气体(例如氩)之外的其他元素的正单原子离子，或者是通过使碰撞/反应气体与金属或除稀有气体之外的其他元素的正单原子离子反应产生的产物离子。

如本文所用，术语“干扰离子”通常是指质谱系统中存在的干扰被分析物离子的任何离子。干扰离子的实例包括但不限于正等离子体(例如氩)离子，含有等离子体形成气体(例如氩)的多原子离子以及含有样品组分的双电荷、同量异序和多原子离子。样品的组分可以是被分析物元素或非被分析物物质，诸如可以衍生自样品的基质组分或其他背景物质。

图1是根据实施方案的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统100的实例的示意图。通常，ICP-MS系统的各种组件的结构和操作对于本领域技术人员而言是已知的，因此在本文中为理解所公开的主题仅根据需要简要描述。

在本说明性实施方案中，ICP-MS系统100通常包括样品引入部分104、离子源108、接口部分112、离子光学部分114、离子导向部分116、质量分析部分118和系统控制器120。ICP-MS系统100还包括真空系统，该真空系统被配置成排空系统100的各个内部区域。真空系统在内部区域中保持所需的内部压力或真空水平，这样做从ICP-MS系统100中去除不具有分析意义的中性分子。真空系统包括适当的泵和与待抽真空的区域的端口连通的通道，如图1中的箭头128、132和136所示。

样品引入部分104可以包括用于提供待分析样品的样品源140、泵144、用于将样品转化为气溶胶的雾化器148、用于从气溶胶化样品中去除较大的液滴的喷雾室150、以及用于将样品供应到离子源108的样品供应导管152，该样品供应导管可以包括合适的样品注射器。雾化器148可以例如利用来自气源156(例如，加压贮存器)的氩气或其他惰性气体(雾化气体)的流来使样品气溶胶化，如向下箭头所示。雾化气体可以是与用于在离子源108中产生等离子体的等离子体形成气体相同的气体，或者可以是不同的气体。泵144(例如，蠕动泵、注射泵等)被连接在样品源140和雾化器148之间，以建立到雾化器148的液体样品流。样品流速可以在例如0.1毫升每分钟(mL/min)至几mL/min之间的范围内。样品源140可以例如包括一个或多个小瓶。多个小瓶可以包括一种或多种样品、各种标准溶液、调节液、校准液、冲洗液等。样品源140可以包括被配置成在不同的小瓶之间切换从而能够选择特定的小瓶用于ICP-MS系统100中的当前使用的自动化装置。

在另一个实施方案中，样品可以是气体并且不需要雾化器148。在另一个实施方案中，样品源140可以是或包括含有液体或气体样品的加压贮存器，并且不需要泵144。在另一个实施方案中，样品源140可以是分析分离仪器(诸如液相色谱(LC)仪器或气相色谱(GC)仪器)的输出。用于将样品引入到ICP-MS系统的其他类型的装置和手段是已知的，在此不需要描述。

离子源108包括用于原子化并离子化样品的等离子体源。在所示实施方案中，等离子体源是流通式等离子体炬，诸如ICP炬160。ICP炬160包括中心或样品注射器164和围绕样品注射器164同心布置的一个或多个外管。在所示实施方案中，ICP炬160包括中间管168和最外管172。样品注射器164、中间管168和最外管172可以由例如石英、硼硅酸盐玻璃或陶瓷构成。可替代地，样品注射器164可以由金属(诸如铂)构成。ICP炬160位于离子化室(或“炬箱”)176中。工作线圈180(也称为负载线圈或RF线圈)耦接到射频(RF)电源185并且定位在ICP炬160的放电端(discharge end)。

在操作中，气体源156将等离子体形成气体供应到最外管172。等离子体形成气体通常但不一定是氩气。在等离子体形成气体流过形成在中间管168与最外管172之间的环形通道时，通过RF电源185将RF功率施加到工作线圈180上，从而产生等离子体形成气体暴露于其中的高频高能电磁场。工作线圈180以有效用于从等离子体形成气体产生等离子体并维持该等离子体的频率和功率操作。可以利用火花来提供用于最初撞击等离子体的种子电子。因此，等离子体羽流184从ICP炬160的放电端流入到采样锥188中。辅助气体可以流过形成在样品注射器164与中间管168之间的环形通道，以保持放电物184的上游端背离样品注射器164和中间管168的端部。辅助气体可以是与等离子体形成气体相同的气体或不同的气体。在图1中通过从气源156指向上的箭头描绘了将气体导入到中间管168和最外管172中。样品流过样品注射器164并从样品注射器164发射出来并被注入到活性等离子体184中，如箭头186所示。当样品流过ICP炬160的加热区并最终与等离子体184相互作用时，样品经历干燥、蒸发、原子化和离子化，根据本领域技术人员所理解的原理，被分析物离子由样品的组分(特别是原子)产生。

接口部分112在离子源108与ICP-MS系统100的抽空区域之间提供第一降压阶段，该离子源通常在或大约在大气压力(760托)下操作。例如，接口部分112可以通过机械粗抽泵(例如，旋转泵、涡旋泵等)而被保持在例如大约1-2托的工作真空下，而质量分析器120可以通过高真空泵(例如涡轮分子泵等)而被保持在例如大约10^-6托的工作压力下。接口部分112包括从ICP炬160的放电端横跨离子化室176定位的采样锥188，以及距采样锥188以小轴向距离定位的撇取器锥(skimmer cone)192。采样锥188和撇取器锥192在其锥形结构的中心处具有小孔，这些小孔彼此对准并且与ICP炬160的中心轴对齐。采样锥188和撇取器锥192有助于将等离子体184从炬提取到真空室中，并且还用作气体传导屏障以限制从离子源108进入接口部分112的气体量。采样锥188和撇取器锥192可以是金属(或至少限定其孔的尖端可以是金属)并且可以是电接地的。进入接口部分112的中性气体分子和微粒可以经由真空端口128从ICP-MS系统100排出。

离子光学部分114和随后的离子导向部分116可以设置在撇取器锥192与质量分析部分118之间的第二降压阶段中。离子光学部分114包括透镜组装件196，该透镜组装件可以包括一系列(通常是静电的)离子透镜，这些离子透镜有助于从接口部分112提取离子，将离子聚焦为离子束106，并且将离子加速到离子导向部分116中。离子光学部分114可以通过合适的泵(例如，涡轮分子泵)维持在例如大约10^-3托的工作压力下。虽然未在图1中具体示出，但是透镜组装件196可以被配置成使得穿过透镜组装件196的离子光轴与穿过离子导向部分116的离子光轴偏移(在垂直于纵向轴线的径向方向上)，使得通过该偏移操纵离子束106。这种配置有助于从离子路径中去除中性物质和光子。

离子导向部分116包括碰撞/反应单元(或单元组装件)110。碰撞/反应单元110包括离子导向器146，该离子导向器在单元入口与单元出口之间轴向地定位在单元壳体187中。在本实施方案中，单元入口和单元出口由离子光学部件提供。即，单元入口透镜122位于单元入口处，单元出口透镜124位于单元出口处。离子导向器146具有线性多极(例如，四极、六极或八极)配置，该线性多极配置包括多个(例如，四个、六个或八个)杆电极103，这些杆电极沿着离子导向器146的共同中心纵向轴线彼此平行布置。杆电极103各自定位在距纵向轴线的径向距离处，并且围绕纵向轴线彼此周向间隔开。为简单起见，图1中仅示出了两个这样的杆电极103。RF电源(下面进一步描述)以在杆电极103之间产生二维RF电场这样一种已知的方式将RF电势施加到离子导向器146的杆电极103上。RF场通过限制离子相对于纵向轴线在径向方向上的偏移而用于沿着纵向轴线聚焦离子束106。在典型的实施方案中，离子导向器146是不具有大规模过滤能力的仅RF装置。在另一个实施方案中，如本领域技术人员所理解的，通过在RF电势上叠加DC电势，离子导向器146可以用作质量过滤器。

碰撞/反应气体源138(例如，加压贮存器)被配置成使一种或多种碰撞/反应气体(例如，混合物)经由通向单元壳体187的内部的碰撞/反应气体进料导管和端口142流入到碰撞/反应单元110的内部。气体流速为毫升/分钟(mL/min)或毫克/分钟(mg/min)的量级。气体流速决定了碰撞/反应单元110内的压力。单元工作压力可以在例如0.001托至0.1托的范围内。碰撞/反应气体的实例包括但不限于氦、氖、氩、氢、氧、水、氨、甲烷、氟甲烷(CH₃F)和一氧化二氮(N₂O)以及前述的两种或更多种的组合(混合物)。惰性(非反应性)气体(诸如氦气、氖气和氩气)被用作碰撞气体。下面更详细地描述根据本公开的碰撞/反应单元110的操作。

质量分析部分118(在本文中也称为质谱仪)包括质量分析器158和离子检测器161，从而包括第三(最终)降压阶段。质量分析器158可以是适用于ICP-MS的任何类型。质量分析器的实例包括但不限于多极电极结构(例如，四级质量过滤器、线性离子阱、三维保罗阱(three-dimensional Paul traps)等)、飞行时间(TOF)分析器、磁性和/或电子扇区仪器、静电阱(例如和阱)以及离子回旋共振(ICR)阱(FT-ICR或FTMS，也称为彭宁阱(Penning Trap))。根据当前公开的主题的一个方面，碰撞/反应单元110被配置成以离子脉冲或离子包形式发射离子(如下面进一步描述的)，也可以与接收来自碰撞/反应单元110的离子脉冲的连续束(例如，非脉冲、非俘获或非存储)质量分析器结合使用，诸如四级质量过滤器或被配置用于非脉冲操作的其他多极装置、扇形仪器(例如，包含磁和/或电扇区，包括双聚焦仪器)等。离子检测器161可以是被配置用于收集并测量从质量分析器158输出的质量区别离子的通量(或电流)的任何装置。离子检测器的实例包括但不限于电子倍增器、光电倍增管、微通道板(MCP)检测器、图像电流检测器和法拉第杯(Faraday cups)。为了便于图1中的说明，离子检测器161(接收离子的至少前部)与质量分析器158的离子出口成90度角定向。然而，在其他实施方案中，离子检测器161可以与质量分析器158的离子出口同轴。

在操作中，质量分析器158接收来自碰撞/反应单元110的离子束166，并基于它们的不同质荷(m/z)比对离子进行分离或分类。分离的离子通过质量分析器158并到达离子检测器161。离子检测器161测量(即，检测并计数)每个离子，并将电子检测器信号(离子测量信号)输出到系统控制器120的数据获取组件。由质量分析器158执行的质量区别使得离子检测器161能够将具有特定m/z比的离子与具有其他m/z比的离子(源自样品的不同被分析物元素)分开地进行检测和计数，从而为每个被分析的离子团(以及因此每个被分析物元素)产生离子测量信号。可以检测具有不同m/z比的离子并依次计数。系统控制器120处理从离子检测器161接收的信号并产生质谱，质谱显示处检测到的每个离子的相对信号强度(丰度)。在给定的m/z比(以及因此给定的被分析物元素)下如此测量的信号强度与ICP-MS系统100处理的样品中该元素的浓度成正比。以这种方式，可以确认所分析的样品中存在包含的化学元素，并且可以确定化学元素的浓度。

虽然未在图1中具体示出，但是穿过离子导向器146和单元出口透镜124的离子光轴可以与从穿过入口进入质量分析器158的离子光轴偏移，并且可以提供离子光学器件以使离子束166通过该偏移。通过这种配置，从离子路径中除去另外的中性物质。

系统控制器(或控制器或计算设备)120可以包括：一个或多个模块，这些模块被配置用于控制、监测和/或定时ICP-MS系统100的各种功能方面，诸如，控制样品引入部分104、离子源108、离子光学部分114、离子导向部分116和质量分析部分118的操作，以及控制真空系统和各种气体流速、温度和压力条件；以及ICP-MS系统100中提供的需要控制的其他样品处理组件。系统控制器120代表用于操作碰撞/反应单元110的电路(例如，RF和DC电压源)。系统控制器120还可以被配置用于接收来自离子检测器161的检测信号，并且根据需要执行与数据采集和信号分析有关的其他任务，以生成表征分析中的样品的数据(例如，质谱)。系统控制器120可以包括非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质包括用于执行本文公开的任何方法的非暂时性指令。系统控制器120可以包括一种或多种类型的硬件、固件和/或软件以及一个或多个存储器和数据库(如操作ICP-MS系统100的各种组件所需的)。系统控制器120通常包括提供整体控制的主电子处理器，并且可以包括被配置用于专用控制操作或特定信号处理任务的一个或多个电子处理器。系统控制器120还可以包括一种或多种类型的用户接口设备，诸如用户输入设备(例如，小键盘、触摸屏、鼠标等)、用户输出设备(例如，显示屏、打印机、视觉指示器或警报、听觉指示器或警报等)、由软件控制的图形用户界面(GUI)以及用于加载电子处理器可读介质的设备(例如，包含在软件、数据等中的非暂时性逻辑指令)。系统控制器120可以包括用于控制并管理系统控制器120的各种功能的操作系统(例如，Microsoft软件)。

应当理解，图1是本文公开的ICP-MS系统100的高级示意图。如本领域技术人员所理解的，取决于如何针对给定应用配置ICP-MS系统100，可以根据实际实施方式的需要包括其他组件，诸如附加结构、装置和电子器件。

例如，在实施方案中，ICP-MS系统100被配置成三重四极ICP-MS系统，并且可以被称为ICP-MS/MS(串联MS)或ICP-QQQ系统。在这样的实施方案中，在离子光学部分114与离子导向部分116之间提供另外的真空室(未示出)，并且第一(或单元前)四极质量过滤器Q1(未示出)定位在另外的真空室中。质量分析器158在这种情况下对应于第二(最终)四极质量过滤器Q2。四极质量过滤器在本文中简要描述，通常为本领域技术人员所知。碰撞/反应单元110的离子导向器146对应于QQQ配置中的中心“Q”，但是可以是八极或六极而不是如本文其他地方所述的四极。与包含质量分析器158的质量分析部分118一样，包含第一单元前质量过滤器Q1的另外的真空室在非常低的压力(高真空)下操作，以使第一质量过滤器能够以单位质量分辨率(1Da质量窗口)操作(如果需要)。因此，充气碰撞/反应单元110在比包含第一单元前质量过滤器Q1的真空室和包含第二最终四极质量过滤器Q2(质量分析器158)的质量分析部分118更高的压力下操作。ICP-MS系统100的真空系统被配置成通过利用适当选择并配置的泵、气体通道等在三个真空级中维持不同的压力条件。

在操作中，第一单元前质量过滤器Q1被设定为仅使目标被分析物离子质量(analyte ion mass)通过碰撞/反应单元110，同时拒绝所有其他离子质量。因此，仅目标被分析物离子和大质量的多原子干扰离子(如果有的话)进入碰撞/反应单元110。该额外的单元前质量选择步骤可以提供比碰撞/反应单元110中发生的离子-分子反应化学更大的可预测性、一致性和控制性。例如，通过拒绝非目标被分析物离子和基质组分离子，第一单元前质量过滤器Q1可以防止在碰撞/反应单元110中形成不想要的(并且可能干扰的)产物离子。然后，碰撞/反应单元110去除如本文所述的干扰。在干扰离子与碰撞/反应单元110中的气体发生反应的情况下，第二最终四极质量过滤器Q2(质量分析器158)被设定为仅使目标被分析物离子通过离子检测器161。可替代地，在目标被分析物离子与气体发生反应的情况下，质量分析器158被设定为仅使目标产物离子(通过这种反应衍生自原始被分析物离子)通过离子检测器161。

在另一个实施方案中，提供了单元前质量过滤器，但该单元前质量过滤器以具有一定带通窗口的带通滤波器形式操作，带通窗口跨越所选离子质量范围，例如具有10Da的窗口宽度。由这种实施方案提供的部分质量舍弃在一些应用中可能是有用的。在这样的实施方案中，单元前质量过滤器可以定位在如上所述的离子导向部分116之前的另外的真空室(未示出)中，或者与碰撞/反应单元110一起直接定位在离子导向部分116中。

在不需要或不希望单元前质量选择的应用中，刚刚描述的单元前质量过滤器(如果在ICP-MS系统中提供)可以作为仅RF离子导向器操作，这有助于将离子束引导到碰撞/反应单元110中。在ICP-MS系统中使用单元前质量过滤器的实例详见Yamada等人的美国专利No.8,610,053；以及McCurdy，Ed，“The Benefits of MS/MS for Reactive Cell GasMethods in ICP-MS,”Agilent ICP-MS Journal,p.2-3,第70期,2017年10月；这些文献的全部内容通过引用并入本文中。

图2是根据实施方案的离子导向器246的实例的示意性透视图。图3是离子导向器246的示意性侧向(纵向)视图。离子导向器246被配置用于在碰撞/反应单元组装件中操作，诸如本文所述并在图1中示出的碰撞/反应单元组件110。离子导向器246位于单元入口与单元出口之间。单元入口透镜222可以位于单元入口处，并且单元出口透镜224可以位于单元出口处。

离子导向器246包括多个离子导向器电极203(或“杆电极”)。离子导向器电极203围绕离子导向器246的纵向轴线L彼此周向间隔开。每个离子导向器电极203位于与纵向轴线L的径向距离处(并且垂直于纵向轴线L)并且沿着纵向轴线L伸长。因此，离子导向器电极203限定：离子导向器入口207在单元入口透镜222附近处；离子导向器出口209与离子导向器入口207轴向间隔开离子导向器电极203的轴向长度并在单元出口透镜224附近；以及轴向伸长的离子导向器内部211从离子导向器入口207延伸到离子导向器出口209。

图2示出了离子导向器246具有四极配置(四个离子导向器电极)的一个实施方案。在其他实施方案中，离子导向器246可以具有更高阶的多极配置，例如六极(六个离子导向器电极)、八极(八个离子导向器电极)或甚至更高阶的多极配置。如图2所示，离子导向器电极203可以是具有圆形横截面的圆柱形的。可替代地，在四极的情况下，离子导向器电极203的面向离子导向器内部211的表面可以具有双曲线轮廓。作为另一替代方案，离子导向器电极203可以具有多边形(棱柱形，例如正方形、矩形等)横截面。

图3还示意性地示出了可用于将RF和DC电势施加到各种组件的电子器件(电路)。上面描述并在图1中示出的系统控制器120可以被认为是这种电子器件的代表。在图3中，电子器件包括叠加在与离子导向器电极203连通的第一DC源DC1上的RF源(RF)，如示意性地描绘为电压源RF+DC1。电子器件还包括与单元出口透镜224连通的第二DC源DC2，并且还可以包括与单元入口透镜222连通的第三DC源DC3。各种RF和DC源也可以统称为“电压源”或“多个电压源”。

在操作中，RF+DC1源将叠加在DC偏置电压DC1上的RF电势RF(即RF+DC1)以一定频率和幅度施加到离子导向器电极203上，以有效地在离子导向器246中产生二维时变RF场。通常，每对相对的离子导向器电极203是电互连的。施加到一对相对的离子导向器电极203上的RF电势与施加到相邻的一对相对的离子导向器电极203(-RF+DC1，图3中未示出)的RF电势呈180度异相，如本领域技术人员所理解的。RF场径向地限制离子导向器246中的离子，即，限制离子在径向方向上的运动，从而将离子聚焦为集中在纵向轴线L上的离子束。以这种方式，离子导向器246作为仅RF离子导向器操作，其中RF场仅用于沿着纵向轴线L聚焦离子。

然而，在其中离子导向器246具有四极电极结构的另一个实施方案中，具有相反极性的DC场(±U)可以叠加在RF场上，以使离子导向器246能够用作质量过滤器。即，+RF+U+DC1可以被施加在一对离子导向器电极203上；-RF-U+DC1可以被施加到另一对离子导向器电极203上。根据已知原理，通过适当地选择复合RF/DC场的操作参数(RF幅度、RF频率和DC幅度)，离子导向器246可以被配置成施加仅允许单个离子质量或窄范围的离子质量(从低质量截止点到高质量截止点)穿过离子导向器246的质量范围(带通)。质量在该质量带通内的离子具有稳定的轨迹并且能够横穿离子导向器246的整个长度。质量在该质量带通外的离子具有不稳定的轨迹，因此将被舍弃。也就是说，这种离子将克服RF限制场，并且被从离子导向器246中去除，而不可能离开离子导向器246。可以通过调整复合RF/DC场的一个或多个操作参数来调整质量带通，这使得能够在任何给定时间选择要从离子导向器246中运输出的特定离子质量。在一些实施方案中，可以实施该“扫描”功能以促进抑制干扰离子影响质谱数据的过程，如本文其他地方所述。

在一个实施方案中，第一DC源DC1向沿着它们的长度恒定的离子导向器电极203施加负DC偏置电压。

在另一实施方案中，第一DC源DC1可以被配置成沿着离子导向器电极203的长度产生轴向DC电势梯度。为此目的，第一DC源供应两个不同的DC电势DC1a和DC1b，它们可以分别耦接到离子导向器电极203的入口端和出口端。例如，DC电势DC1a和DC1b可以分别耦接到由导电或电阻材料制成的离子导向器电极203的入口端和出口端。如例如在美国专利No.6,111,250中所述(其内容通过引用全部并入本文中)，轴向DC电势梯度也可以通过其他技术产生，包括分段离子导向器或插设在离子导向杆之间的辅助电极。施加轴向DC电势梯度可以用于保持离子在向前方向上移动并防止离子通过单元入口透镜222逃离离子导向器246。此外，第二DC源DC2将出口DC电势施加到单元出口透镜224。作为轴向DC电势梯度的补充或替代，在将离子传输到离子导向器246中达所需的时间量之后，可以增加施加到单元入口透镜222的DC电势DC3，以防止离子通过单元入口透镜222逃离离子导向器246并且防止其他离子从离子源108转移到离子导向器246中(图1)。换句话说，施加到单元入口透镜222上的DC电势DC3可以在第一量级和第二量级之间切换，所述第一量级产生有效防止离子通过单元入口透镜222进入或离开离子导向器246的DC势垒，所述第二量级去除(或减小)该DC势垒以允许离子进入离子导向器246。

在ICP-MS系统的操作中，理想地，仅基于等离子体的离子源中产生的被分析物离子将被传输到质量分析器。然而，如本公开中先前所述，离子源还产生背景(非被分析物)离子，这些离子中的一些可以充当“干扰离子”，因为它们干扰给定样品的分析。干扰离子可以由等离子体形成气体(例如氩气)、样品的基质组分、样品中包含的溶剂/酸以及被夹带到系统中的空气(氧气和氮气)产生。一些干扰离子可以直接在碰撞/反应单元中产生。如上所述，干扰离子的实例是具有与单原子被分析物离子相同质量的多原子干扰物。检测到这种干扰离子以及检测某种被分析物离子(干扰离子对其造成干扰)会导致分析数据中的谱线重叠，从而降低分析的质量。

本文中描述的碰撞/反应单元110被配置成去除(减少或消除)干扰离子，从而防止干扰离子被传输(或至少减少传输的干扰离子的量)到质量分析器158中。因此，碰撞/反应单元110的操作改善了ICP-MS系统100的性能和由此产生的质谱数据的质量。碰撞/反应单元110可以通过实施物理的、非反应性的离子-分子碰撞机制或化学反应性离子-分子反应来实现这一点。在实施方案中，碰撞/反应单元110被配置成在三种不同的操作模式中操作(并在其之间切换)：碰撞模式，其中碰撞气体流入到碰撞/反应单元110中；反应模式，其中反应气体流入到碰撞/反应单元110中；和“无气体”或标准模式，其中没有类型的碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元110中。特定模式的选择可以取决于待测被分析物离子的类型和待去除的干扰离子(如果有的话)的类型。“类型”是指被分析物离子(例如，钙、铁、硒等)的化学(元素)特征性，以及干扰离子(例如Ar⁺、ArO⁺、Ar₂ ⁺等)的化学特征性。在其他实施方案中，碰撞/反应单元110可以仅被配置(或主要)用于碰撞操作，或者仅被配置(或主要)用于反应操作。

在无气体模式中，碰撞/反应单元110仅用作离子导向器以将被分析物离子输送到质量分析器158。也就是说，离子导向器146在没有碰撞/反应气体的情况下操作。当不存在干扰离子使得不需要碰撞或反应操作用于抑制干扰的情况下，无气体模式可能是有用的。

在碰撞模式或反应模式的操作中，在碰撞/反应单元110中经由碰撞/反应气体源138和碰撞/反应气体进料管道和端口142建立碰撞/反应气体的流。可以将气体流速设定为针对被测量的具体元素(被分析物离子)进行优化。气体流速可以取决于其他因素，诸如预期要去除的干扰离子的(一种或多种)类型和(一种或多种)强度。当碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元110时，离子束106经由单元入口透镜122传输到碰撞/反应单元110中并进入到离子导向器146。离子束106包括被分析物离子和各种非被分析物离子。如果非被分析物离子物质之一具有与待测量的被分析物离子相同的m/z比，则非被分析物离子(作为背景离子)干扰被分析物离子检测。由于每种非被分析物离子物质的形成取决于分析中的样品和样品引入部分104和离子源108的操作条件，因此离子束106可以包括或不包括干扰离子。当离子束106被传输到碰撞/反应单元110中时，主动供电离子导向器146以产生上述RF限制场，该RF限制场沿着离子导向器146的中心纵向轴线径向地限制离子束106。碰撞/反应气体与离子导向器146内的离子束106中的离子相互作用。取决于碰撞/反应单元110的配置或操作模式，该相互作用涉及离子-分子碰撞或离子-分子反应。然后，得到的离子束166经由单元出口透镜124离开离子导向器146和碰撞/反应单元110，并被引导到质量分析器158中，在该质量分析器中，离子以上述方式进行质量分析。理想地，该流出的离子束166应该没有(或具有至少低得多的浓度的)来自入射离子束106的干扰离子，并且应该没有(或具有至少最小量的)直接在碰撞/反应单元110中新形成的干扰离子。

在实施方案中，反应模式基于反应气体与被分析物离子和干扰离子的相对反应速率。例如，如果与干扰离子的反应是放热的，而与被分析物离子的反应是吸热的，则与干扰离子的反应会很迅速，而反应气体有效地不与被分析物离子发生反应或者可以完全不与被分析物离子发生反应。发生的反应的特定类型(例如，电荷转移、质子转移等)取决于所用反应气体的类型和要去除的干扰离子的类型。通常，反应将干扰离子转化为非干扰离子或中性物质。干扰离子向非干扰离子的转化涉及改变干扰离子的组成，从而将干扰离子的质量改变为不同于(并因此不再干扰)被分析物离子质量的质量。在将干扰离子转化成中性物质的情况下，中性物质不受电场或磁场的影响。因此，中性物质可以通过真空系统(例如，经由端口132或端口136)与其他中性气体分子一起被去除，无论如何其对质量分析器158是“不可见的”。实例是使用氢气H₂经由从氩离子到氢分子的电荷转移以将干扰钙同位素⁴⁰Ca⁺的氩离子⁴⁰Ar⁺转化为中性氩原子Ar：H₂+⁴⁰Ar⁺→Ar+H₂ ⁺。

在反应模式的另一个实施方案中，离子-分子反应涉及被分析物离子而不是干扰离子。也就是说，反应将被分析物离子转化为新的被分析物离子物质，即，改变原始被分析物离子的组成。新的被分析物离子物质的质量不同于(通常高于)原始被分析物离子物质的质量，因此也不同于干扰离子的质量。与被分析物离子的反应也可以实际上表征为受干扰的离子向非干扰离子的转化。新的被分析物离子(或“产物离子”)被检测到并成为质谱的一部分，并提供有用的信息，因为它对应于所研究的原始单原子被分析物。

通常，反应模式是碰撞/反应气体与感兴趣的离子反应的模式，感兴趣的离子是干扰离子或被分析物离子，这取决于气体与之发生反应的离子的类型，如刚才所述。在反应模式的实施方案中，除了用作感兴趣的离子的反应气体之外，碰撞/反应气体还用作非反应离子的碰撞气体。因此，在气体与干扰离子反应的情况下，气体可以用作非反应性被分析物离子的碰撞气体。另一方面，在气体与被分析物离子发生反应的情况下，气体可以用作所得的非反应性产物离子的碰撞气体。

如本公开中早先所述，碰撞/反应单元110被填满一定压力下的反应气体以获得与干扰离子或被分析物离子(衍生自研究的元素)足够的反应效率。然而，进行干扰抑制反应的最佳压力(或气体密度)通常随不同元素而变化。因此，当测量不同元素时，传统做法是改变(调节)进入到碰撞/反应单元中的反应气体的流速，以便针对每种元素获得可接受的高信号/背景(S/B)比。将碰撞/反应单元作为连续束仪器进行操作也是传统做法。也就是说，传统的碰撞/反应单元被配置成仅在径向方向上限制离子(使用由碰撞/反应单元中的多极离子导向器产生的RF限制场)，而不是在轴向方向上。因此，照惯例，给定离子在碰撞/反应单元中的停留时间以及因此碰撞/反应气体与离子之间的反应时间由离子从单元入口行进到单元出口所需的通过时间决定，该停留/反应时间无法被主动控制。

根据本公开的方面，不是控制气体流速(以及因此碰撞/反应单元110中的气体密度)，而是控制反应时间(即，离子在碰撞/反应单元110中的停留时间)。换句话说，不是改变气体流速以实现分析中每种不同元素的最佳反应条件，根据需要改变(调节)反应时间以针对分析中的每种不同元素实现最佳反应条件。通过限制碰撞/反应单元110中的离子在轴向方向和径向方向上某个限制期来延长反应时间。限制期针对待测量的每种具体类型的被分析物离子具有寻求获得足够的干扰抑制反应效率的所需的时间段。根据实施方案，通过在单元出口处建立高的带正电的出口DC电势(DC电势屏障)长达所需的(预定的)限制期的持续时间，进入碰撞/反应单元110的所有离子(被分析物和非被分析物)被轴向限制在离子导向器146(或246)中。在实施方案中，通过在单元出口透镜124(或224)处施加出口DC电势来产生DC势垒。另外，通过沿离子导向器146施加轴向DC电势梯度，和/或通过在单元入口透镜122(或222)处施加高入口DC电势，可以防止被限制的离子在限制期期间通过单元入口离开碰撞/反应单元110，如上面结合图3所述。另外，如上所述，通过施加由离子导向器146产生的RF限制场来径向地限制离子。因此，在限制期期间离子完全被限制在离子导向器146中。

以这种方式将离子在碰撞/反应单元110中存储所需持续时间的限制期可以确保碰撞/反应气体与目标干扰离子(或被分析物离子，取决于实施方案)之间已经发生了足够数量的反应。因此，与传统的碰撞/反应单元(如上说述，不存储或限制离子)相比，限制可以导致更多减少干扰，并且因此导致增加的S/B比。此外，限制期导致被分析物离子(或被分析物产物离子，如果反应在被分析物离子与碰撞/反应气体之间)与碰撞/反应气体分子碰撞多次，使得通过失去动能而被有效减慢，从而在限制期期间增强碰撞/反应单元110中被分析物离子(或产物离子)的限制。

在与目标干扰离子(或被分析物离子，取决于实施方案)发生足够数量的反应之后，通过快速去除施加在单元出口上的高DC电势(或快速减小其正值大小)来终止限制期，以允许受限离子流出碰撞/反应单元110并在随后的测量期期间进行质量分析并且检测/计数。质量分析器158可以被配置成仅将目标被分析物离子(或产物离子)发送到离子检测器161用于测量，并且舍弃由质量分析器158接收的所有其他离子。

因此，本公开包括用于操作碰撞/反应单元的方法，该方法包括限制期，然后是测量期，其中限制期与测量期之间的过渡需要非常短的时间间隔，在该时间间隔期间，单元出口处的高出口DC电势(DC势垒)被去除(或减小)。在实施方案中，产生和随后去除(或减小)高出口DC电势可以表征为：在单元出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止离子从碰撞/反应单元110离开的DC势垒，维持出口DC电势处于第一量值长达限制期的持续期间(持续时间针对受干扰的被分析物离子是最佳的)，并且在限制期之后，将出口DC电势从第一量值切换(调节)到第二量值，该第二量值有效允许被分析物离子通过单元出口并到达质量分析器158。

在各种实施方案中，第一DC电势量值和第二DC电势量值具有以下属性中的一个或多个：第二DC电势量值比第一DC电势量值更负；第一DC电势量值为正或零量值，并且第二DC电势量值为负或零量值；第一DC电势量值在0V至+100V的范围内；和/或第二DC电势量值在-200V至0V的范围内。

通常，限制期的持续时间根据需要而定，以确保碰撞/反应气体和干扰离子或被分析物离子之间的相互作用优化或最大化干扰的抑制。作为非排他性实例，限制期的持续时间可以在0ms至1000ms，或5ms至500ms，或10ms至100ms的范围内。限制期的持续时间取决于被分析的被分析物离子(并因此可以基于被分析物离子进行选择)，并且针对不同的被分析物离子可以不同。针对不同被分析物离子的限制期持续时间可以通过ICP-MS系统100的样本元素的适当实验运行凭经验确定。针对不同被分析物离子的限制期持续时间可以由系统控制器120的存储器提供，例如在存储在系统控制器120的存储器中或该系统控制器120的存储器可访问的查找表或数据库中。针对不同被分析物离子的限制期持续时间可以取决于仪器。也就是说，由一个ICP-MS系统分析的给定被分析物元素的限制期持续时间可能不同于由另一个ICP-MS系统分析的同一被分析物元素的限制期持续时间，即使其他ICP-MS系统被配置成与第一ICP-MS系统相同。

通常，在单元出口处将DC电势从第一量值切换到第二量值所需的时间间隔仅受到用于施加DC电势的电子器件所表现出的瞬态延迟(transient delay)的限制。作为一个非排他性实例，切换可以具有0.01ms至0.1ms范围内的持续时间。

作为本公开主题的另一方面，DC电势从第一量值到第二量值的突然切换(以及第一量值与第二量值之间的差异)导致被分析物离子作为具有特定短脉冲持续时间的脉冲离开碰撞/反应单元110。作为一个非排他性实例，脉冲持续时间可以在0.1ms至1ms的范围内。在实施方案中，以这种方式突然切换DC电势的效果可以表征为从碰撞/反应单元110喷射离子脉冲(或离子包)。

在实施方案中，测量或计数被分析物离子的测量期的持续时间不长于或近似等于(大致等同于)脉冲持续时间。在本文中，根据脉冲形状，脉冲持续时间可以等于或长于脉冲峰值的半峰全宽(FWHM)，但是可以等于或小于FWHM的约五倍。“大约等于”(或“近似等同于”、“接近”、“约”和类似短语)可以意味着测量期的持续时间是从脉冲峰值的FWHM到FWHM的五倍的范围内的值。例如，如果脉冲的FWHM是0.2ms，则近似相等的测量期持续时间可以在0.2ms至1.0ms的范围内，其中端点0.2ms和/或1.0ms可以被包括在该范围内。FWHM的实例如图4所示。具体地，图4是如质谱仪可以测量，脉冲峰值402，该脉冲峰值被定义为离子强度(以每秒计数，或cps计)I作为测量时间(以ms计)t的函数。脉冲峰值402的顶点对应于该脉冲峰值402的离子信号的最大强度值I_max。最大强度值的一半表示为I_max/2。脉冲峰值402的FWHM是I_max/2处的峰值的宽度，对应于(t₁–t₂)的持续时间。

将测量期持续时间设定为近似等于脉冲持续时间可以帮助确保由于执行本文公开的限制期而改善S/B比。在脉冲持续时间之后，被分析物离子和干扰离子的信号稳定在它们的稳态水平，提供未改善的S/B比，即与从传统的碰撞/反应单元获得的S/B比相同的S/B比。因此，如果测量期被延长到后脉冲期，则S/B比将朝着从传统碰撞/反应单元获得的值降低。或者，如前述实施方案之一所述，可以将增加的DC电势DC3施加到单元入口透镜222，以防止另外的离子被转移到离子导向器246中。如果即使在脉冲持续时间之后仍保持增加的DC电势DC3，则在脉冲结束时不会观察到离子信号。在这种情况下，脉冲期后的测量没有用。

当使用连续束质量分析器(例如，四极质量过滤器、扇形仪器等)或非连续束质量分析器(例如，TOF分析器、基于离子阱的分析器等)时，可以将测量期控制为大约等于碰撞/反应单元110的脉冲持续时间。在任一情况下，仅通过质量分析器测量来自碰撞/反应单元110的离子束的脉冲部分，从而实现更高的S/B比和/或S/N比。在本文中，测量期的持续时间可以被认为是离子注入质量分析器的持续时间，该持续时间被限制(至少大约)为碰撞/反应单元110的脉冲持续时间。可以理解，该脉冲持续时间不一定与非连续束质量分析器的任何“脉冲”操作(诸如随后进入TOF分析器的飞行管的提取脉冲、通过TOF分析器的飞行管的离子飞行时间或基于阱的分析器中的陷获时间)相同。

作为本公开主题的另一个方面，因为离子在限制期期间持续从离子源108进入碰撞/反应单元110，所以它们在碰撞/反应单元110中累积。如上所述，在限制之后获得的离子信号是强烈的短脉冲。根据限制期的持续时间，该脉冲的峰值强度比通常在没有限制的情况下观察到离子信号高10至300倍。然而，噪声(来自非离子源的电气噪声和中性噪声)不受限制或不累积。因此，通过对任何离子进行限制改善了信噪比(S/N)，无论是否受到谱线干扰。理想的是，当被分析物浓度为零时(测量空白时)，光谱仪输出应当为零。但是，实际情况并非如此。非零输出(即所谓的“背景”)是由ICP-MS中的许多因素引起的，诸如ICP-MS系统中的被分析物污染、干扰离子、真空室中的杂散离子、来自等离子体的光子、高能中性粒子(主要是Ar原子)、电气噪声等。在离子光学部分114中产生的高能中性物质可以具有足够能量从而通过与真空室中的表面或气体分子碰撞而产生二次粒子。二次粒子可以是来自表面的电子或离子，当它们到达离子检测器161时会产生噪声。电气噪声可以是离子检测器161的散粒噪声(例如，来自电子倍增器中的打拿极的电子的自发发射)、离子计数电子器件的热噪声或者来自高压部件的微放电产生的噪声。这些非离子源(光子、中性粒子、电气噪声)产生的背景(通常称为“随机噪声”)在质谱图中显示为偏离零水平的质量无关的锯齿状偏离(不表现为质谱峰)。当目标被分析物受到干扰离子的影响时，随机噪声对背景的贡献通常远小于干扰离子的贡献。然而，针对非干扰的被分析物离子，随机噪声可能对背景有显著贡献。与离子不同，随机噪声在碰撞/反应单元110中不受限制或累积。因此，通过测量脉冲形式的受限离子改善了S/N比。

因此，当在碰撞模式中测量非干扰的被分析物离子时以及当在反应模式中测量受干扰的被分析物离子时，如本文所公开的实施方案所提供的，在碰撞/反应单元中先后执行离子限制和脉动提供了优势。也就是说，非干扰的被分析物离子的背景主要是由于中性噪声和电气噪声。由于没有干扰离子，所以在碰撞/反应单元110中受到限制的离子仅是被分析物离子，而中性物质不受限制。因此，当在碰撞模式下操作时，先后执行离子限制和脉动改善了S/N比。

在实施方案中，通过将入口DC电势保持处于第二量值，使得在限制期期间继续发生离子传输通过单元入口并进入到碰撞/反应单元110中。处于第二量值的入口DC电势有效允许离子传输通过单元入口。也就是说，在限制期开始之后，允许来自离子源108的离子继续进入碰撞/反应单元110。因此，被分析物离子在碰撞/反应单元110中累积，从而增加了离子脉冲中的被分析物离子的数量，从而增加了在限制期结束时发生的离子脉冲的峰值强度。

在另一个实施方案中，在限制期的至少后半部分(即，包括限制期末端的限制期的一部分)期间，在单元入口处(例如，如上所述在单元入口透镜122处)施加入口DC电势处于第一量值。处于第一量值的入口DC电势有效防止受限的被分析物离子通过单元入口离开碰撞/反应单元110，同时防止干扰离子通过单元入口进入碰撞/反应单元110。

可替代地或另外，可以在测量期期间在单元入口处施加入口DC电势处于第一量值。处于第一量值的入口DC电势有效防止干扰离子通过入口进入碰撞/反应单元110。

当前公开的主题可以在多元素分析中执行。因此，在分析第一类型的元素之后，可以重复该方法以分析第二类型的元素，以此类推。如上所述，不同元素的限制期持续时间可以不同，因此可以针对待分析的每种类型的元素进行调整。根据作为样品运行的方法开发的一部分所开发的预定程序，这种调节可以比通常需要多于几秒的气体流速的调节快得多，并且可以受到控制ICP-MS 100操作的系统控制器120的影响。待使用的碰撞/反应气体的类型针对不同的元素也可以不同。因此，该方法可能需要针对不同的元素切换碰撞/反应气体的类型，这也可以是编程的一部分并且提供作为上述查找表、数据库或存储器中的操作参数。系统控制器120可以为此目的控制碰撞/反应气体源138。值得注意的是，针对某些元件可能不需要干扰抑制，在这种情况下，不对这些元件选择碰撞/反应气体，而是将碰撞/反应单元110作为离子导向器在无气体模式下操作。

因此，在执行多元素分析的方法的实施方案中，被分析物离子至少包括具有第一质量的第一被分析物离子以及具有不同于第一质量的第二质量的第二被分析物离子。建立了碰撞/反应气体进入到碰撞/反应单元110中的流动。离子(包括至少被分析物离子)被传输到碰撞/反应单元110中。在第一持续时间的第一限制期内在单元出口处施加出口DC电势处于第一量值，从而产生如本文所述的DC势垒，该DC势垒有效地防止离子在第一限制期期间离开碰撞/反应单元110。在第一限制期期间，碰撞/反应气体与干扰第一被分析物离子的第一干扰离子反应，或者碰撞/反应气体与第一被分析物离子反应，以抑制干扰。也就是说，执行有效抑制由质谱仪(例如，图1中所示的质量分析部分118)测量的干扰离子信号强度的相互作用，如本文所述。该相互作用可以涉及使干扰离子与碰撞/反应气体以本文所述的方式反应，或使被分析物离子与碰撞/反应气体以本文所述的方式反应。在第一限制期之后，第一离子脉冲被传输到质谱仪。这通过如下完成：将出口DC电势切换到第二量值，该第二量值有效允许第一被分析物离子(或由第一被分析物离子形成的产物离子)作为脉冲通过单元出口。第一脉冲至少包括第一被分析物离子(或由其衍生的产物离子)，但如果未执行(最终)质量分析器158上游的质量选择，则还可以包括其他离子，诸如第二被分析物离子。然后，通过质谱仪测量包含在第一脉冲中的至少第一被分析物离子(或由其衍生的产物离子)。例如，如本文所述，质量分析器158可以被配置(例如，调谐)以仅将第一被分析物离子(或由其衍生的产物离子)发送到离子检测器161用于测量，并且舍弃由质量分析器158接收的所有其他离子。

继续该实施方案，在测量包含在第一脉冲中的第一被分析物离子之后，在不同于第一持续时间的第二持续时间的第二限制期内，再次在单元出口处施加出口DC电势处于第一量值。在第二限制期期间，碰撞/反应气体与干扰第二被分析物离子的第二干扰离子或第二被分析物离子反应，以抑制干扰。在第二限制期之后，通过将出口DC电势切换到第二量值，第二脉冲被传输到质谱仪。第二脉冲至少包括第二被分析物离子(或由其衍生的产物离子)，但如果未执行(最终)质量分析器158上游的质量选择，则还可以包括其他离子，诸如第一被分析物离子。然后，通过质谱仪测量包含在第二脉冲中的至少第二被分析物离子(或由其衍生的产物离子)。比如，此时，可以谐调质量分析器158以仅将第二被分析物离子(或由其衍生的产物离子)发送到离子检测器161用于测量，并且舍弃由质量分析器158接收的所有其他离子。

可以重复刚刚描述的方法用于另外的被分析物离子以分析样品的其他元素。

在执行多元素分析的方法的另一个实施方案中，该方法还可以在质量分析器158之前(诸如在碰撞/反应单元110之前)执行质量选择。例如，ICP-MS 100可以配置为如本文所述的QQQ系统。作为该实施方案的实例，通过执行适当的质量选择技术，仅第一被分析物离子被传输到碰撞/反应单元110中，而没有第二被分析物离子或其他被分析物离子。然后，如上所述在第一限制期期间限制第一被分析物离子(和干扰第一被分析物离子的任何第一干扰离子)。在第一限制期期间，如上所述执行干扰抑制相互作用。随后，第一被分析物离子(或产物离子)以第一脉冲形式传输到质谱仪并如上所述进行测量。在测量第一被分析物离子之后，通过执行质量选择，第二被分析物离子被传输到碰撞/反应单元110中，而没有第一被分析物离子或其他被分析物离子。然后在第二限制期期间限制第二被分析物离子(和干扰第二被分析物离子的任何第二干扰离子)。在第二限制期期间，再次执行干扰抑制相互作用。随后，第二被分析物离子(或产物离子)以第二脉冲形式传输到质谱仪并进行测量。可以重复该方法用于另外的被分析物离子以分析样品的其他元素。

在限制期期间，干扰离子(或被分析物离子，取决于实施方案)与反应气体的反应继续进行，使得可以以降低的干扰离子强度(降低的背景)测量被分析物离子信号。即，可以在不增加气体流速的情况下减小干扰离子强度，或者不需要针对待测量的不同被分析物元素调节气体流速减小干扰离子强度。换句话说，采用对于“最简单”元素足够的固定反应气体流速，在适用于每种元素的限制期持续时间内，可以通过在碰撞/反应单元110中限制其他更“困难”元素中的每个来以提高的反应效率测量这些更“困难”的元素。例如，在Ar-等离子体中产生的干扰离子⁴⁰Ar⁺和⁴⁰Ar¹⁶O⁺的强度通常分别为每秒约10¹⁰和10⁷个计数。受干扰的被分析物离子⁴⁰Ca⁺和⁵⁶Fe⁺的信号强度分别处于相同的数量级。因此，对Ca的干扰比对Fe的干扰更强烈。需要更高的反应气体流速以将Ar⁺抑制到与ArO⁺相同的水平，使得针对Ca和Fe获得类似改善的S/B比。从这个意义上说，Ca是比Fe更难的元素。相同的反应气体，例如H₂或NH₃或H₂O，可用于降低Ar⁺和ArO⁺。然后，例如，通过将H₂O的流速设定为针对ArO⁺上Fe⁺(“更容易”元素)的最佳值(低于Ar⁺上的Ca⁺所需的值)，Ca⁺离子脉冲测量之后进行Ca⁺限制可以在不增加H₂O流速的情况下进行Ca分析。

因此，该方法的实施方案需要以特定气体流速在第一限制期(用于分析第一元素)期间使碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元中，并且在第二限制期(用于分析第二元素)期间使碰撞/反应气体流入到碰撞/反应气体中而不改变气体流速。在分析附加元素(第三元素、第四元素等)时，气体流速可以保持不变，而可以根据需要调整针对每个附加元素的限制期的持续时间以优化每个附加元素的反应条件。

操作实例

现在将参考图5A和5B描述根据本公开的操作碰撞/反应单元的一个非排他性实例。图5A示出了在限制期期间碰撞/反应单元的离子导向器546和单元出口透镜524以及沿离子导向器546的轴向长度并且达到单元出口透镜524的DC电势531的示意图。图5B是说明图5A中所示的相同碰撞/反应单元和测量期期间的DC电势531的示意图。在本实例中，DC电势531沿着离子导向器546的轴向长度的部分是轴向DC电势梯度535，通过该电势梯度，DC电势531的量值在朝着单元出口透镜524的方向上沿着轴逐渐下降(变得更负)。可以在限制期(图5A)和测量期(图5B)期间维持轴向DC电势梯度535。图5A和5B还描绘了碰撞/反应单元的壳体(未示出)中的碰撞/反应气体533，其中气体分子由点表示。

在限制期期间(图5A)，离子506(被分析物离子和干扰离子(如果有的话))行进到离子导向器546中并且由如本文所述的离子导向器546的杆电极施加的RF场径向约束。将第一量值的出口DC电势(在本实例中为+100V)施加到单元出口透镜524上，从而在单元出口透镜524处产生DC势垒537。离子506进入到具有一定动能的单元，行进通过离子导向器546，被DC势垒537反射，并且朝着离子导向器546的入口返回，如箭头539所示。在此行程期间，离子通过与碰撞/反应气体的多次碰撞而减速，并且其中一些甚至停止，因此被限制在单元中。另外，如果产生轴向DC电势梯度535，则一些反射离子被排斥并朝着离子导向器546的出口被迫返回，从而被限制在单元出口附近，如另一箭头541所示。在整个限制期期间维持DC势垒537，其持续时间按照本公开中其他地方所述的方式确定。

在反应操作模式的情况下，碰撞/反应气体533是反应气体。反应气体与不需要的干扰离子(背景离子)反应，但不与干扰的同量异序素的被分析物离子(信号离子)反应。在足够的限制期(对应于干扰离子的反应时间)之后，大部分干扰离子已经通过与气体反应而被消除，并且被分析物离子如前段所述保持受限。因此，碰撞/反应单元中被分析物离子密度与干扰离子密度的比率增大，并且在随后的测量期期间以改进的S/B比测量被分析物离子。可替代地，测量的离子是通过被分析物离子(在这种情况下是反应性的)与气体之间的反应产生的产物离子。在这种情况下，被分析物离子与反应气体反应，并且在限制期期间，所得产物离子不再与气体反应被限制在单元中。

在所需量的限制期持续时间之后，通过快速去除(或至少降低)DC势垒537以使被分析物离子566离开碰撞/反应单元并进入下游质量分析器(未示出)而使碰撞/反应单元的操作从限制期切换到测量期，如图5B所示。通过将单元出口透镜524上的出口DC电势从第一量值快速切换到较低的第二量值(在本实例中为-50V)来去除DC势垒537。以这种方式，在测量期期间获得强烈的短离子脉冲，该短离子脉冲可用于离子测量具有改善的S/N比。

可以施加轴向DC电势梯度535以改善限制期期间的离子限制效率以及测量期期间的离子喷射效率。

实验实例

进行实验以评估碰撞/反应单元和如本文所述的操作方法。将1份/十亿(ppb)的钴(Co)、钇(Y)和铊(Tl)的溶液注入到氩(Ar)等离子体中，并将所得离子传输到碰撞/反应单元中。将氧气(O₂)以0.45标准立方厘米/分钟(sccm)的流速混入碰撞/反应单元中，以检查短强离子脉冲的产生。O₂充当Co⁺和Tl⁺的碰撞气体，因为这两种离子不与O₂反应，并且作为Y⁺的反应气体，因为Y⁺与O₂反应形成不再与O₂反应的产物离子YO⁺。因此，在如本文所述执行的限制期期间，Co⁺、YO⁺和Tl⁺被限制在单元中。

图6A和6B示出了在60ms的限制期之后通过在约0.05ms内将出口DC电势从+100V切换到-50V形成的从碰撞/反应单元喷射的Co⁺、YO⁺和Tl⁺的离子脉冲。具体地讲，图6A是表示针对Co⁺离子(曲线602)、YO⁺离子(曲线604)和Tl⁺离子(曲线606)测量的离子脉冲的一组曲线(离子信号强度，以每秒计数，或cps计，作为切换单元出口电势之后的时间(以ms计)的函数)，图6B是表示图6A中所示的三个离子脉冲的后缘的一组曲线。在限制期和测量期期间，在单元入口透镜处施加负的入口DC电势，以允许离子继续进入单元。在限制期结束后(测量期开始)约0.1ms至0.8ms，检测到亚ms宽度的离子脉冲。脉冲峰值高度针对Co⁺为4×10⁸计数/秒(cps)，针对YO⁺为5×10⁸cps，针对Tl+为2.8×10⁸cps，如图6A所示。这些强度(计数率)比稳态信号水平(1至2x 10⁶cps)高出两个数量级，在该脉冲之后针对三种离子观察这些强度，如图6B所示(从1ms至1.8ms)。

进行另一个实验以评估碰撞/反应单元和如本文所述的操作方法。将空白溶液(去离子水，DIW)注入到氩(Ar)等离子体中，并将所得的离子传输到碰撞/反应单元中并进行质量分析以测量m/z＝40的离子(⁴⁰Ar⁺离子)。接下来，将0.1份/十亿(ppb)的钙溶液注入到氩(Ar)等离子体中，将所得的离子传输到碰撞/反应单元中并进行质量分析以测量m/z＝40的离子(⁴⁰Ar⁺和⁴⁰Ca⁺离子的混合物)。因此，氩离子⁴⁰Ar⁺在m/z＝40时干扰钙离子⁴⁰Ca⁺。使用水蒸气(H₂O)作为反应气体来抑制这种干扰。将水蒸气以0.1毫克/分钟(mg/min)的固定流速与氦气(He)一起混入到碰撞/反应单元中。与这种额外的氦气碰撞可以促进Ca⁺离子减慢以实现高效限制，并且可以促进减慢Ar+离子以高效地与H₂O反应。通过从氩离子⁴⁰Ar⁺到水分子的电荷转移，氩离子⁴⁰Ar⁺被转化为非干扰中性氩原子Ar。另一方面，水蒸气不与钙离子⁴⁰Ca⁺反应。因此，在该实例中涉及干扰抑制的反应是:

H₂O+Ar⁺→H₂O⁺+Ar

H₂O+Ca⁺→不发生反应

因此，在限制期期间，Ca⁺离子在单元中被限制并累积，并且Ar⁺离子与水反应，从而降低单元中Ar⁺离子的丰度。在单元出口透镜处施加的出口DC电势在约0.05ms内从+100V切换到-50V以开始测量期。测量持续时间(离子计数期)被设定为0.5ms，这对应于预期的脉冲持续时间，诸如图5A所示。

图7是示出实验结果的一组曲线。通过从Ca溶液信号中减去空白信号获得的曲线702表示来自0.1ppb钙溶液中m/z＝40时的净⁴⁰Ca⁺离子信号强度(以每秒计数或cps计)作为碰撞/反应单元中离子限制持续时间(或存储时间或反应时间，以ms计)的函数。曲线704表示来自去离子水(DIW)或空白的干扰背景离子(⁴⁰Ar⁺离子)强度作为离子限制持续时间的函数。曲线706表示计算的背景等效浓度或BEC(以份/万亿或ppt计)作为离子限制持续时间的函数。BEC与S/B比成反比，如下所示：

BEC＝(背景强度/信号强度)*被分析物浓度

BEC曲线706表明，随着碰撞/反应单元中离子限制的持续时间(以及因此反应时间)增加，S/B比增加。因此，图7证明了本文公开的碰撞/反应单元和操作方法所提供的优点。

图8示出了根据实施方案的用于操作电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的碰撞/反应单元的方法的实例的流程图800。碰撞/反应气体流入到碰撞/反应单元中(步骤802)。碰撞/反应单元包括入口、沿着碰撞/反应单元的纵向轴线与入口间隔开的出口以及位于入口与出口之间的多极离子导向器。多极离子导向器被配置成在垂直于纵向轴线的径向方向上限制离子。离子被传输通过入口并进入到碰撞/反应单元中(步骤804)。传输的离子至少是离子化正在分析的样品所产生的被分析物离子。在一些实施方案中，干扰离子也由用于离子化样品的等离子体形成气体产生，并且也被传输到碰撞/反应单元中。在出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止离子离开碰撞/反应单元的DC势垒(步骤806)。对步骤802-806的启动顺序没有具体限制，步骤802-806中的两个或更多个可以同时或几乎同时启动。在限制期期间，出口DC电势被维持在第一量值，以执行离子与碰撞/反应气体之间的相互作用(步骤808)。相互作用的类型取决于正在执行的操作模式。该相互作用可以有效地抑制由质谱仪测量的干扰离子信号强度。例如，在一种模式(干扰离子的反应模式(如果有的话)以及被分析物离子的碰撞模式)中，干扰离子(如果有的话)按照有效将干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应与碰撞/反应气体反应，并且被分析物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的被分析物离子。在另一种模式中(被分析物离子的反应模式和产物离子的碰撞模式)，被分析物离子按照有效产生将由质谱仪测量的产物离子的反应与碰撞/反应气体反应，并且产物离子与碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制碰撞/反应单元中的产物离子。在后一种模式中，干扰离子与碰撞/反应气体不发生反应，因此在碰撞/反应单元中不产生会干扰分析物衍生的产物离子的新离子。在限制期之后，通过将出口DC电势切换到有效允许被分析物离子或产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过出口的第二量值，被分析物离子或产物离子被传输到质谱仪(步骤810)。然后，在测量期内测量或计数被分析物离子或产物离子(步骤812)。测量期可以具有大约等于脉冲持续时间的持续时间。

在实施方案中，流程图800可以表示碰撞/反应单元，或碰撞/反应单元和相关联的电子器件，或碰撞/反应单元和被配置成执行步骤802-812的相关联的ICP-MS系统。为此目的，可以提供包括处理器、存储器和本领域技术人员所理解的其他组件的控制器(例如，图1中所示的控制器120)来控制步骤802-812的性能，例如，通过控制执行步骤802-812所涉及的ICP-MS系统的组件(例如，单元、电子设备等)。

图9是系统控制器(或控制器或计算设备)120的非限制性实例的示意图，该系统控制器可以是光谱测定系统(诸如图1中所示的ICP-MS系统100)的一部分或与之通信。在所示实施方案中，系统控制器120包括：处理器902(通常是基于电子器件的)，可以代表提供整体控制的主电子处理器；以及一个或多个电子处理器，被配置用于专用控制操作或特定信号处理任务(例如，图形处理单元或GPU、数字信号处理器或DSP、专用集成电路或ASIC、现场可编程门阵列或FPGA等)。系统控制器120还包括用于存储数据和/或软件的一个或多个存储器904(易失性和/或非易失性)。系统控制器120还可以包括一个或多个设备驱动器906，用于控制一种或多种类型的用户接口设备并提供用户接口设备和与用户接口设备通信的系统控制器120的组件之间的接口。这样的用户接口设备可以包括用户输入设备908(例如，键盘、小键盘、触摸屏、鼠标、操纵杆、轨迹球等)和用户输出设备910(例如，显示屏、打印机、视觉指示器或警报、可听指示器或警报等)。在各种实施方案中，系统控制器120可以被视为包括用户输入设备908和/或用户输出设备910中的一个或多个，或者至少与它们通信。系统控制器120还可以包括包含在存储器中的一种或多种类型的计算机程序或软件912和/或一种或多种类型的计算机可读介质914。计算机程序或软件可以包含用于控制或执行ICP-MS系统100的各种操作的非暂时性指令(例如，逻辑指令)。计算机程序或软件可以包括应用软件和系统软件。系统软件可以包括用于控制并管理系统控制器120的各种功能(包括硬件与应用软件之间的交互)的操作系统(例如，操作系统)。特别地，操作系统可以提供经由用户输出设备910可显示的图形用户界面(GUI)，并且用户可以使用该图形用户界面与用户输入设备908的使用进行交互。系统控制器120还可以包括一个或多个数据采集/信号调节组件(DAQ)916(可以在硬件、固件和/或软件中实施)，用于接收并处理由离子检测器161输出的离子测量信号(图1)，包括格式化由GUI以图形形式呈现的数据。

系统控制器120还可以包括单元控制器(或控制模块)918，该单元控制器被配置成控制碰撞/反应单元110的操作并使单元操作与离子源108、离子光学部分114、质量分析部分118以及图1所示的ICP-MS系统100中提供的任何其他离子处理装置操作协调和/或同步。因此，单元控制器918可以被配置成控制或执行本文公开的任何方法的全部或部分，包括用于操作碰撞/反应单元110的方法。出于这些目的，如本领域技术人员所理解的，单元控制器918可以在软件和/或电子设备(硬件和/或固件)中实施。

应当理解，图9是与本公开一致的系统控制器120的实例的高级示意图。根据实际实施需要，可以包括其他组件，诸如附加结构、设备、电子器件以及计算机相关的或电子处理器相关的组件。还将理解，系统控制器120在图9中示意性地表示为旨在表示可以提供的结构(例如，电路、机制、硬件、固件、软件等)的功能块。各种功能块以及它们之间的任何信号链路是任意定位的，仅用于说明的目的，而不是以任何方式进行限制。本领域技术人员将理解，在实践中，系统控制器120的功能可以以各种方式实现，并且不一定以图9中所示和通过本文中的实例描述的精确方式实施。

在配备有碰撞/反应单元的四极ICP-MS中利用各种碰撞/反应气体来解决谱线干扰。这些气体包括He、H₂、NH₃、CH₄、O₂、N₂O以及两种气体(诸如NH₃和He，或者Ar和H₂)的混合物。通常且常规的做法是将高纯度工业气体用作这种气体。参见PerkinElmer,NexION1000/2000 ICP-MS,PREPARING YOUR LAB(2018)；Quarles,Jr.等人,Analytical methodfor total chromium and nickel in urine using an inductively coupled plasma-universal cell technology-mass spectrometer(ICP-UCT-MS)in kinetic energydiscrimination(KED)mode,J.Anal.At.Spectrom.,Vol.29,297-303(2014)；Guo等人,Application of ion molecule reaction to eliminate WO interference on mercurydetermination in soil and sediment samples by ICP-MS；J.Anal.At.Spectrom.,Vol.26,1198-1203(2011)；以及ThermoFisher Scientific,iCAP RQ ICP-MS Pre-Installation Requirements Guide,BRE0009927 Revision A,(November 2016)；这些文献中的每一个的全部内容通过引用并入本文中。高纯度工业气体通常以加压气瓶的形式从气体供应商提供。出于安全的原因，H₂气体也已经可以从氢发生器或含有储氢合金的罐中获得。然而，H₂是例外。对于包括O₂气体的其他碰撞/反应气体，高压工业气体已经用于反应单元ICP-MS。

作为反应气体，O₂已经用于解决ICP-MS中的某些谱线干扰问题。在反应单元内，某些被分析物离子M⁺与O₂分子反应以产生氧化物离子MO⁺，如以下等式(1)所示。如果具有与M⁺相同的m/z的干扰离子X⁺通过与O₂反应(参见以下等式(2))不产生XO⁺，则能够通过测量MO⁺来确定元素M，因为MO⁺现在不受X⁺干扰的影响。

M⁺+O₂→MO⁺+O (1)

X⁺+O₂→不发生反应或不产生XO⁺ (2)

其他工业气体(诸如N₂O和CO₂)也已经可以用于在碰撞/反应单元中产生MO⁺，如以下等式(3)和(4)所示。参见美国专利第6,875,618号，该专利的内容通过引用全部并入本文中。

M⁺+N₂O→MO⁺+N₂ (3)

M⁺+CO₂→MO⁺+CO (4)

环境空气能够产生MO⁺，因为它包含O₂气体。然而，环境空气在ICP-MS中尚未被用于此目的，尽管其安全且无成本。由于担心构成环境空气的多种组分和/或环境空气中的杂质(污染物)会对反应单元的性能产生不利影响，因此可能没有考虑将环境空气用作反应气体。

根据本公开的一个方面，环境空气可以有效地用作ICP-MS系统的反应单元中的反应气体，作为商业上获得的常规使用的纯O₂气体(例如，来自工业气体供应商)的替代品或替代。具体地讲，发明人发现环境空气在具有三重四极(QQQ)配置的ICP-MS系统中特别有效。

图10是根据本公开的另一个实施方案的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统1000，特别是具有三重四极(QQQ)配置的系统的实例的示意图。如图10中所示并且如本公开中先前所描述的，这种ICP-MS系统1000包括(按照离子工艺流的顺序)ICP离子源1008、第一(或单元前)四极质量过滤器(Q1)1026、反应单元1010(或如本文所定义的“碰撞/反应单元”)、第二(最终)四极质量过滤器(Q2)1058和离子检测器1061。气体入口1042(例如，包括端口、进料导管、泵等)被配置成使环境空气流入到反应单元1010的内部。在一些实施方案中，气体入口1042可以包括气体净化器，该气体净化器被配置成从进入的环境空气中去除杂质或污染物。作为非排他性的实例，气体净化器可以包括净化元件(例如，过滤器、捕集器等)，诸如分子筛(例如，“分子筛”，包含二氧化硅和氧化铝并且孔径为3埃(Angstroms)的复合物等)、吸附剂材料(诸如活性炭等)，或不同类型的净化元件的组合。ICP-MS系统1000可以具有如上结合图1所述的一个或多个其他组件。具有三重四极配置的ICP-MS系统1000可以如本公开中先前所述进行操作。

与商业供应的纯O₂气体相比，操作与图10中所示的ICP-MS系统1000一致的仪器以评估环境空气作为反应气体的有效性。具体地，将环境空气引入到反应单元1010中，并且将磷(P)和硫(S)作为被分析物进行测量。元素³¹P以产物离子³¹P¹⁶O⁺形式进行测量，其中第一质量过滤器(Q1)1026被设定为m/z＝31，并且第二质量过滤器(Q2)1058被设定为m/z＝47。类似地，元素³²S以产物离子³²S¹⁶O⁺形式进行测量，其中第一质量过滤器(Q1)1026被设定为m/z＝32，并且第二质量过滤器(Q2)1058被设定为m/z＝48。第一质量过滤器(Q1)1026和第二质量过滤器(Q2)1058都在一定单位质量分辨率下操作。

对P⁺(m/z＝31)和S⁺(m/z＝32)的典型干扰分别是多原子离子¹⁴N¹⁶OH⁺和¹⁶O₂ ⁺，这些多原子离子是在离子源1008中产生的或者在离子源1008的正下游。在P和S分别以PO⁺(m/z＝47)和SO⁺(m/z＝48)形式测量时反应单元1010中的O₂气体去除了这些干扰，因为O₂气体与P⁺和S⁺高效地反应，但是不与NOH⁺和O₂ ⁺反应，如以下等式(5)至(8)所示。

P⁺+O₂→PO⁺+O (5)

NOH⁺+O₂→不发生反应或不产生NOOH⁺ (6)

S⁺+O₂→SO⁺+O (7)

O₂ ⁺+O₂→不发生反应或不产生O₃ ⁺ (8)

下表1示出了使用环境空气作为反应气体时对于P和S的灵敏度(以计数每秒/份每十亿(cps/ppb)计)和背景当量浓度(BEC(以ppb计))所获得的数据。为了比较，表1还示出了使用高纯度(100％或接近100％纯度)O₂作为反应气体对于P和S获得的相同数据。

表1

引入到反应单元1010中的环境空气和纯O₂气体的流速被调节成使得氧化物离子信号(PO⁺和SO⁺的强度)被最大化。即使环境空气中的O₂含量仅为21％，环境空气的必要流速(0.4sccm)几乎等于纯O₂气体的流速(0.3sccm)。这主要是由于环境空气中的N₂和其它惰性气体分子促进反应，如下面进一步描述的。

使用环境空气对P和S的敏感性，虽然低于使用纯O₂气体的敏感性，但对于许多分析目的而言是足够的。使用环境空气获得的BEC与纯O₂气体几乎相同或甚至略好(更低)，这表明环境空气的干扰降低程度与纯O₂气体的干扰降低程度相当。因此，对于P和S测定，环境空气中除O₂分子之外的物质对干扰减少的不利影响可忽略不计。

对这些结果的解释如下。

干燥空气由(大约百分比)N₂(78％)、O₂(21％)、Ar(0.93％)、CO₂(0.04％)、Ne(18ppm)、He(5ppm)以及个位数ppm水平或更低水平的其他次要成分组成。环境空气另外含有不同浓度的水蒸气(H₂O)(0.001％至5％)和可能具有人为来源的各种杂质。

虽然空气中的O₂分子可用于在反应单元1010中从M⁺产生MO⁺，但是空气中的N₂、Ar、-Ne和He都是惰性气体，作为反应单元中的缓冲气体，促进O₂与M⁺之间的反应。与O₂一样，空气中的CO₂和水(H₂O)也与某些M⁺离子反应以产生MO⁺离子，分别如上面的等式(4)和下面的等式(9)所示。

M⁺+H₂O→MO⁺+H₂ (9)

另一方面，环境空气中的气态杂质B_j(j＝1,2,3,...)(通常为水蒸气和各种烃类)将与除M⁺之外的离子物质A_i ⁺(i＝1,2,3,...)反应以产生各种反应产物C_ij ⁺和D_ij(参见下面的等式(10))。如果产物离子种类C_ij ⁺中的一个具有与MO⁺相同的m/z，则不再能够进行MO⁺的无干扰检测。

A_i ⁺+B_j→C_ij ⁺+D_ij (11)

还通过实验观察到了由环境空气中的杂质产生的离子。第一质量过滤器(Q1)1026被设定为m/z＝40，以允许⁴⁰Ar⁺进入反应单元1010。第二质量过滤器(Q2)1058被扫描以测量在填充有环境空气的反应单元1010中发生的⁴⁰Ar⁺和B_j之间的反应产生的不同离子，如下面的等式(11)所示。

⁴⁰Ar⁺+B_j→C_j ⁺+D_j (11)

应当注意，等式(11)是主要反应，并且随后的反应可以在Cj+和Bj之间或40Ar+与Dj之间发生产生除Cj+之外的新离子。

图11示出了表示C_j ⁺以及由⁴⁰Ar⁺和Bj之间的反应及其后续反应产生的其他离子的测量结果。利用按原样(在其天然状态下，未净化)被引入到反应单元1010中的环境空气以及经由包括分子筛和活性炭的气体净化器被引入的环境空气进行测量。当使用气体净化器时，产物离子的总强度较低。当测量两个谱线(分别从利用未净化的环境空气和净化的环境空气获得)时，进入反应单元1010的反应离子⁴⁰Ar⁺的强度是恒定的。因此，产物离子的强度反映了被引入到反应单元1010中的B_j的量。观察到的产物离子源自一种离子种类Ar⁺与环境空气组分之间的反应。如果其他离子物质进入反应单元1010，则产物离子在强度和种类方面应该是不同的。

除了P和S之外，可以使用环境空气作为反应气体在ICP-MS系统中处理其他分析物。实例包括但不限于钛(Ti)、砷(As)、硒(Se)和铀(U)。

通过在具有如本文所述并且如图10所示的三重四极配置的ICP-MS系统1000中操作反应单元1010可以极大地减少杂质通过与离子反应产生干扰离子(具有与MO⁺相同的m/z的离子)的风险。这是因为可以设置(或调谐)第一质量过滤器(Q1)1026以将进入反应单元1010的离子种类限制为仅1m/z(M⁺的m/z)，从而抑制在气体组分(等式(11)中的B_j)与在反应单元1010之前未喷射的各种离子种类之间以其他方式会发生的单元内反应。例如，当在具有三重四极配置的ICP-MS系统1000(并且第一质量过滤器(Q1)1026被设定为m/z＝31，第二质量过滤器(Q2)1058被设定为m/z＝47)中测量磷(³¹P)时，第一质量过滤器(Q1)1026仅允许³¹P⁺和同量异序干扰离子(诸如¹⁴N¹⁶OH⁺)进入反应单元1010。因此，例如⁴⁰Ar⁺离子在反应单元1010之前由第一质量过滤器(Q1)1026由离子束喷射，并且因此从不反应以产生图11中的谱线中所示的m/z＝47离子。在没有第一质量过滤器(Q1)1026的系统中(或在单个四极配置中)，来自离子源1008的⁴⁰Ar⁺和其他离子将进入反应单元1010(与P⁺一起)并且与杂质气体反应以产生各种反应产物，由于具有与MO⁺相同的m/z，这些反应产物中的一些可能会干扰MO⁺。

环境空气的湿度由于环境条件的变化而变化。如等式(10)所示，被分析物离子MO⁺的产率受反应单元1010中的H₂O和O₂的浓度的影响。为了确保即使天气或实验室环境变化离子信号的稳定性，也可以将净化的环境空气引入到反应单元1010中。可以在流入到反应单元1010中之前通过利用气体净化器来净化环境空气，使得进入反应单元1010的环境空气保持组分的恒定或均匀，而与环境条件无关。如上所述，在图10的示意图中，可选的(但对于一些应用优选的)气体净化器可以与气体入口1042关联上。作为非排他性的实例，气体净化器可以具有流通构造，该流通构造包括分子筛(例如，作为水分捕集器)或分子筛和活性炭的组合(例如，作为烃捕集器)。通常，这种类型的气体净化器不能过滤掉除O₂之外的所有组分以将环境空气转化为纯O₂气体，即，不能完全分离并且仅允许O₂分子进入反应单元1010。因此，对于许多应用，仍然需要三重四极配置以使净化的环境空气适当地起作用(或者在给定的应用中具有可接受的被认为用于分析目的的有效性水平)。

在本公开的上下文中，术语“环境空气”通常是指具有上述组分的大气，即，主要是N₂和O₂以及较低浓度的某些其他气体的混合物，还有不同浓度的水蒸气。环境空气与通过混合高纯度氮气和高纯度氧气产生的合成空气不同；并且储存在用于各种工业用途的容器中。环境空气还可以包含某些污垢物或污染物(其中一些可能是颗粒而不是气体分子)。被带入到碰撞/反应单元的环境空气可以是未净化的或净化的。未净化的环境空气是在被带入到碰撞/反应单元中之前未经过净化(例如，过滤、捕集、洗涤、清洁等)过程的环境空气。净化的环境空气是在被带入到碰撞/反应单元中之前经过一定程度的净化以便去除环境空气的除O₂之外的一种或多种组分(气体和/或颗粒)(或至少降低其浓度)的环境空气。术语“环境空气”可以指在没有以诸如上述方式先被存储或限制(例如，通常从工业气体供应商获得的容器，诸如气瓶、罐等)的情况下可以从碰撞/反应单元外侧的局部环境(或者碰撞/反应单元是其一部分的仪器或系统外侧)被带入到碰撞/反应单元中的空气。也就是说，被带入到碰撞/反应单元中的环境空气源可以是碰撞/反应单元外侧的局部环境，而不是在填充有纯O₂气体的容器中。环境空气源可以是碰撞/反应单元运行的建筑物(例如，实验室)内的房间或空间。出于本公开的目的，这种内部房间或空间被认为是碰撞/反应单元外侧的局部环境的实例，并且不被认为是存储或受限制的空气。前述定义的一个例外是，在一些实施方案中，环境空气(具有上述多组分组合物)可以从加压容器供应到碰撞/反应单元，也就是说，环境空气源可以是压缩空气。

图12示出了根据另一个实施方案的用于操作碰撞/反应单元以抑制电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中的干扰的方法的实例的流程图1200。环境空气流入到碰撞/反应单元中(步骤1202)。在启动环境空气流入到碰撞/反应单元中之后，离子被传输到碰撞/反应单元中(步骤1204)。被传输的离子至少是被分析物离子((M⁺)，并且还可以包括干扰离子(X⁺)。被分析物离子与环境空气的氧分子(O₂)反应以在碰撞/反应单元中产生产物离子(步骤1206)。产物离子是氧化物离子(MO⁺)，即被分析物离子的氧化物(或氧化的被分析物离子)。在碰撞/反应单元中存在干扰离子(X⁺)的情况下进行反应，该干扰离子的质荷比等于被分析物离子的质荷比。然后将产物离子传输到质谱仪中(步骤1208)。操作质谱仪以测量产物离子(步骤1210)。

如上所述，在使环境空气流入到碰撞/反应单元之前，环境空气可以进行净化或不进行净化(步骤1202)。在后一种情况下，该方法包括在使环境空气流入到碰撞/反应单元之前，净化环境空气以除去或降低环境空气的除氧分子之外的一种或多种组分的浓度。

在实施方案中，将离子传输到碰撞/反应单元中(步骤1204)包括仅传输被分析物离子以及质荷比等于被分析物离子的质荷比的干扰离子(如果有的话)。另外，质谱仪的操作(步骤1210)包括仅测量产物离子以及质荷比等于产物离子的质荷比的其他离子(如果有的话)。

例如，该方法可以包括在将离子传输到碰撞/反应单元中之前(步骤1204)将离子传输到第一质量过滤器组中以仅允许被分析物离子以及质荷比等于被分析物离子的质荷比的干扰离子被传输到碰撞/反应单元中。另外，将产物离子传输到质谱仪(步骤1208)可以包括将产物离子传输到质谱仪的第二质量过滤器中，并且质谱仪的操作(步骤1210)可以包括将第二质量过滤器设定为仅允许产物离子以及质荷比等于产物离子的质荷比的其他离子被传输到质谱仪的离子检测器。

在另外的实施方案中，当利用环境空气作为反应气体时，可以应用上文结合图1-9描述的方法的一个或多个方面。

在实施方案中，流程图1200可以表示碰撞/反应单元、或碰撞/反应单元和相关联的电子器件，或碰撞/反应单元和被配置成执行步骤1202-1210的相关联的ICP-MS系统。为此目的，可以提供包括处理器、存储器和本领域技术人员所理解的其他组件的控制器(例如，图1中所示的控制器120)来控制步骤1202-1210的性能，诸如，通过控制执行步骤1202-1210所涉及的ICP-MS系统的组件(例如，单元、电子设备等)。

示例性实施方案

根据当前公开的主题提供的示例性实施方案包括但不限于以下：

1.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元的方法，所述方法包括：使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中，所述碰撞/反应单元包括入口、沿着所述碰撞/反应单元的纵向轴线与所述入口间隔开的出口以及位于所述入口和所述出口之间被配置成在与所述纵向轴线垂直的径向方向上限制离子的多极离子导向器；传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中；在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于所述第一量值；在所述限制期期间，使所述离子与所述碰撞/反应气体碰撞，其中所述离子经历多次碰撞以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的离子；在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲穿过所述出口的第二量值，将所述限制离子的至少被分析物离子传输到质谱仪；在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内对所述被分析物离子计数。

2.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中，所述碰撞/反应单元包括入口、沿着所述碰撞/反应单元的纵向轴线与所述入口间隔开的出口以及位于所述入口和所述出口之间被配置成在与所述纵向轴线垂直的径向方向上限制离子的多极离子导向器；传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括利用等离子体形成气体使分析中的样品离子化所产生的被分析物离子和干扰离子；在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值以执行有效抑制由质谱仪测量的干扰离子信号强度的相互作用，所述相互作用选自由以下各项组成的组：根据有效将所述干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使所述干扰离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的被分析物离子；并且根据有效产生产物离子的反应使所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述产物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的产物离子；在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子或所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值，将所述被分析物离子或产物离子传输到所述质谱仪；并且在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内对所述被分析物离子或产物离子计数。

3.根据实施方案1或2所述的方法，其中，所述第一量值和所述第二量值选自由以下各项组成的组：所述第二量值比所述第一量值更负；所述第一量值为正或零量值，并且所述第二量值为负或零量值；所述第一量值在0V至+100V的范围内；所述第二量值在-200V至0V的范围内；以及前述两种或更多种的组合。

4.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述切换的持续时间在0.01ms至0.1ms的范围内。

5.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述限制期的持续时间在0ms至1000ms的范围内。

6.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述测量期的持续时间在从所述脉冲的峰值的FWHM至所述FWHM的五倍的范围内。

7.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述脉冲持续时间在0.01ms至1ms的范围内。

8.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，在所述出口处施加所述出口DC电势包括在所述碰撞/反应单元的出口透镜处施加所述出口DC电势。

9.根据前述实施方案中任一项所述的方法，包括沿着所述多极离子导向器施加轴向DC电势梯度，其中，在所述限制期期间防止所述受限离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元。

10.根据前述实施方案中任一项所述的方法，包括在所述限制期期间继续将所述离子传输通过所述入口并进入所述碰撞/反应单元。

11.根据实施方案1至9中任一项所述的方法，在所述限制期的至少后期期间在所述入口处施加入口DC电势以有效防止所述受限的被分析物离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元并防止干扰离子通过所述入口进入到所述碰撞/反应单元中。

12.根据前述实施方案中任一项所述的方法，包括在所述测量期期间在所述入口上施加入口DC电势以有效防止干扰离子通过所述入口进入所述碰撞/反应单元。

13.根据前述实施方案中任一项所述的方法，包括：在传输所述离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中之前，通过使所述样品暴露于电感耦合等离子体来产生所述离子。

14.根据实施方案13所述的方法，其中暴露所述样品包括操作等离子体炬。

15.根据实施方案13或14所述的方法，包括使所述样品从喷雾器或喷雾室流入到所述等离子体炬中。

16.根据前述实施方案中任一项所述的方法，包括基于所述被分析物离子的化学特性和所述干扰离子的化学特性来选择所述碰撞/反应气体。

17.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述被分析物离子是具有第一质量的第一被分析物离子，所述干扰离子是第一干扰离子，所述限制期是具有第一持续时间的第一限制期，所述脉冲是第一脉冲，并且所述被分析物离子还包括具有与所述第一质量不同的第二质量的第二被分析物离子，并且还包括：在测量包含在所述第一脉冲中的所述第一被分析物离子之后，在具有不同于所述第一持续时间的第二持续时间的第二限制期内，再次在所述出口处施加出口DC电势处于所述第一量值；在所述第二限制期期间，使所述碰撞/反应气体与干扰所述第二被分析物离子的第二干扰离子反应，或者使所述碰撞/反应气体与所述第二被分析物离子反应，以抑制干扰；在所述第二限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到所述第二量值，将第二脉冲传输到所述质谱仪；并且测量第二被分析物离子或由所述第二脉冲中包含的第二被分析物离子形成的产物离子。

18.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述被分析物离子是具有第一质量的第一被分析物离子，所述干扰离子是第一干扰离子，所述限制期是具有第一持续时间的第一限制期，并且所述脉冲是第一脉冲，并且还包括：在对第一被分析物离子进行计数之后，传输具有与所述第一质量不同的第二质量的第二被分析物离子并且传输干扰所述第二被分析物离子的第二干扰离子通过所述入口并进入所述碰撞/反应单元；在具有与所述第一持续时间不同的第二持续时间的第二限制期期间，在所述出口处施加所述出口DC电势处于第一量级以防止所述第二被分析物离子和所述第二干扰离子在所述第二限制期期间离开所述碰撞/反应单元；在所述第二限制期期间，使所述碰撞/反应气体与所述第二干扰离子或所述第二被反应物离子反应以抑制干扰离子信号强度；并且在所述第二限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到所述第二量级以将所述第二被分析物离子或由所述第二被分析物离子形成的产物离子作为第二脉冲通过所述出口传输到所述质谱仪。

19.根据实施方案17或18所述的方法，包括：基于所述第一被分析物离子和所述第一干扰离子的化学特性选择所述第一持续时间；并且基于所述第二被分析物离子和所述第二干扰离子的化学特性选择所述第二持续时间。

20.根据实施方案17至19中任一项所述的方法，包括：在所述第一限制期期间使所述碰撞/反应气体以一定流速流入到所述碰撞/反应单元，在所述第二限制期期间使所述碰撞/反应气体以同一流速流入到所述碰撞/反应单元中。

21.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述碰撞/反应气体选自由以下各项组成的组：氦气；氖气；氩气；氢气；氧气；水；空气；氨；甲烷；氟甲烷；一氧化二氮；以及前述两种或更多种的组合。

22.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述被分析物离子选自由以下各项组成的组：金属或除稀有气体之外的其他元素的正单原子离子；以及通过使所述碰撞/反应气体与金属或除稀有气体之外的其他元素的正单原子离子反应产生的产物离子。

23.根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中，所述干扰离子选自由以下各项组成的组：正氩离子；含氩的多原子离子；含有所述样品的组分的双电荷离子；含有所述样品的组分的同量异序离子；以及含有所述样品的组分的多原子离子。

24.一种分析样品的方法，所述方法包括：从所述样品中产生被分析物离子；将所述被分析物离子传输到根据前述实施方案中任一项所述的碰撞/反应单元中；根据前述实施方案中任一项所述的方法操作所述碰撞/反应单元；并且将所述被分析物离子传输到所述质谱仪的质量分析器中。

25.一种电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，包括：离子源，所述离子源被配置为产生等离子体并在所述等离子体中产生被分析物离子；根据前述实施方案中任一项所述的碰撞/反应单元；以及控制器，所述控制器包括电子处理器和存储器，并且被配置成控制根据前述实施方案的任一项所述的方法的步骤。

26.一种电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，包括：离子源，所述离子源被配置为产生等离子体并在所述等离子体中产生被分析物离子；碰撞/反应单元，所述碰撞/反应单元包括被配置成从所述离子源接收所述被分析物离子的入口、沿着所述碰撞反应单元的纵向轴线与所述入口间隔开的出口以及位于所述入口与所述出口之间并且被配置成在与所述纵向轴线垂直的径向方向上限制离子的多极离子导向器；与所述出口连通的质谱仪；以及控制器，所述控制器包括电子处理器和存储器并且被配置成控制包括以下各项的操作：使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中；传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括在所述离子源中产生的被分析物离子和干扰离子；在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；在限制期期间维持出口DC电势处于第一量值以执行有效抑制由所述质谱仪测量的干扰离子信号强度的相互作用，所述相互作用选自由以下各项组成的组：根据有效将所述干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使所述干扰离子(如果有的话)与所述碰撞/反应气体反应，其中所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的被分析物离子；并且根据有效产生将由所述质谱仪测量的产物离子的反应使所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述产物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的产物离子；在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子或所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值，将所述被分析物离子或产物离子传输到所述质谱仪；并且在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内测量所述被分析物离子或产物离子。

27.根据实施方案25或26所述的ICP-MS系统，其中，所述控制器被配置成控制沿着所述多极离子导向器施加轴向DC电势梯度，其中，所述限制离子被防止在所述限制期期间通过所述入口离开所述碰撞/反应单元。

28.根据实施方案25至27所述的ICP-MS系统，包括出口透镜，其中，所述控制器被配置成在所述出口透镜处施加所述出口DC电势。

29.根据实施方案25至28中任一项所述的ICP-MS系统，其中，所述离子源包括等离子体炬。

30.根据实施方案25至29中任一项所述的ICP-MS系统，包括碰撞/反应气源，其被配置成使所述碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中。

31.根据前述实施方案中任一项所述的方法或系统，其中，所述质谱仪是非脉冲仪器。

32.根据实施方案31所述的方法或系统，其中，所述非脉冲仪器包括被配置用于非脉冲操作的多极设备或扇形仪器。

33.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：使环境空气流入到所述碰撞/反应单元中；将离子传输到所述碰撞/反应单元中，其中，所述离子包括被分析物离子(M⁺)；使所述被分析物离子与所述环境空气的氧分子(O₂)反应以产生产物离子，其中，所述产物离子是氧化物离子(MO⁺)，所述反应在所述碰撞/反应单元中存在干扰离子(X⁺)的情况下进行，并且所述干扰离子的质荷比等于所述被分析物离子的质荷比；将所述产物离子传输到质谱仪；并且操作所述质谱仪以测量所述产物离子。

34.根据实施方案33所述的方法，其中，在使所述环境空气流入到所述碰撞/反应单元之前，所述环境空气是未净化的。

35.根据实施方案33所述的方法，包括在使所述环境空气流入到所述碰撞/反应单元中之前，净化所述环境空气以除去或降低所述环境空气中除氧分子之外的一种或多种组分的浓度。

36.根据实施方案33-35中任一项所述的方法，其中：所述将离子传输到所述碰撞/反应单元中包括仅传输所述被分析物离子以及质荷比等于所述被分析物离子的质荷比的干扰离子；并且所述质谱仪的所述操作包括仅测量所述产物离子以及质荷比等于所述产物离子的质荷比的其他离子(如果有的话)。

37.根据实施方案33-36中任一项所述的方法，包括，在将离子传输到所述碰撞/反应单元中之前，将离子传输到第一质量过滤器组中以仅允许所述被分析物离子以及质荷比等于所述被分析物离子的质荷比的干扰离子被传输到所述碰撞/反应单元中，其中：将所述产物离子传输到所述质谱仪包括将所述产物离子传输到所述质谱仪的第二质量过滤器中；并且所述质谱仪的所述操作包括将所述第二质量过滤器设定为仅允许所述产物离子以及质荷比等于所述产物离子的质荷比的其他离子被传输到所述质谱仪的离子检测器。

38.根据实施方案33-37中任一项所述的方法，其中，所述碰撞/反应单元包括：入口，包含被分析物离子的离子被传输到所述入口中；出口，所述产物离子从所述出口被传输到所述质谱仪；以及位于所述入口与所述出口之间的多极离子导向器。

39.根据实施方案38所述的方法，包括：在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；并且在限制期期间维持所述出口DC电势处于所述第一量值，其中：使所述被分析物离子与氧分子反应是在所述限制期期间完成的；并且将所述产品离子传输到所述质谱仪是在所述限制期之后完成的，并且包括将所述出口DC电势切换到有效允许所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值。

40.根据实施方案39所述的方法，其中，所述质谱仪的操作包括在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内测量所述产物离子。

41.根据实施方案33-40中任一项所述的方法，包括根据实施方案3-20、22和/或23中任一项所述的一个或多个特征或步骤。

42.一种分析样品的方法，所述方法包括：从所述样品中产生被分析物离子；将所述被分析物离子传输到根据实施方案33-41中任一项所述的碰撞/反应单元中；根据实施方案33-41中任一项所述的方法操作所述碰撞/反应单元；并且将所述产物离子传输到所述质谱仪的质量分析器中。

43.一种电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，包括：离子源，所述离子源被配置为产生等离子体并在所述等离子体中产生被分析物离子；根据实施方案33-41中任一项所述的碰撞/反应单元；以及控制器，所述控制器包括电子处理器和存储器并且被配置成控制根据实施方案33-42中的任一项所述的方法的步骤。

将理解的是，本文描述的过程、子过程和过程步骤中的一个或多个可以由硬件、固件、软件或前述两个或更多个的组合在一个或多个电子或数字受控设备上执行。软件可以驻留在合适的电子处理组件或系统中的软件存储器(未示出)中，诸如，图1中示意性描绘的计算设备120。软件存储器可以包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表(即，可以以数字形式(诸如数字电路或源代码)或者以模拟形式(诸如模拟源，诸如模拟电信号、声音信号或视频信号)实施的“逻辑”)。指令可以在处理模块内执行，该处理模块包括例如一个或多个微处理器、通用处理器、处理器组合、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。此外，示意图描述了具有物理(硬件和/或软件)实施方式的功能的逻辑划分(不受架构或功能的物理布局的限制)。本文中描述的系统的实例可以以各种配置实施，并且作为硬件/软件组件在单个硬件/软件单元中操作或者在单独的硬件/软件单元中操作。

可执行指令可以实施为具有存储在其中的指令的计算机程序产品，该计算机程序产品当由电子系统(例如，图1中的计算设备120)的处理模块执行时指示电子系统执行指令。计算机程序产品可以选择性地在任何非暂时性计算机可读存储介质中实施以供使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用，诸如基于电子计算机的系统、包含处理器的系统或可以选择性地从指令执行系统、装置或设备获取指令并执行指令的其他系统。在本公开的上下文中，计算机可读存储介质是可以存储程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何非暂时性装置。非暂时性计算机可读存储介质可以选择性地是例如电子的、磁的、光的、电磁的、红外的或半导体的系统、装置或设备。非暂时性计算机可读介质的更具体实例的不完全列表包括：具有一个或多个线(电子的)的电连接；便携式计算机磁盘(磁性的)；随机存取存储器(电子的)；只读存储器(电子的)；可擦除可编程只读存储器，诸如闪存(电子的)；压缩存储器，诸如CD-ROM、CD-R、CD-RW(光学的)；以及数字通用盘存储器，即DVD(光学的)。注意，非暂时性计算机可读存储介质甚至可以是纸张或在上面打印程序的其他合适的介质，因为程序可以经由例如纸张或其他介质的光学扫描以电子方式捕获，然后如果必要的话以合适的方式编译、解释或以其他方式处理，然后存储在计算机存储器或机器存储器中。

还将理解，本文中使用的术语“在信号通信中”意味着两个或更多个系统、设备、组件、模块或子模块能够经由在某种类型的信号路径上传播的信号彼此通信。信号可以是沿着第一和第二系统、设备、组件、模块或子模块之间的信号路径将信息、电力或能量从第一系统、设备、组件、模块或子模块通信到第二系统、设备、组件、模块或子模块的通信、电力、数据或能量信号。信号路径可以包括物理连接、电连接、磁连接、电磁连接、电化学连接、光学连接、有线连接或无线连接。信号路径还可以包括第一和第二系统、设备、组件、模块或子模块之间的附加系统、设备、组件、模块或子模块。

更一般地说，诸如“通信”和“与...连通”的术语(例如，第一组件与第二组件“通信”或“连通”)在本文中用于指示两个或多个组件或元件之间的结构、功能、机械、电气、信号、光学、磁性、电磁、离子或流体关系。因此，一个部件被描述为与第二部件通信的事实并不旨在排除在第一和第二部件之间存在并且/或者可操作地与第一和第二部件相关联的附加部件的可能性。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变本发明的各个方面或细节。此外，前面的描述仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的——本发明由权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：

使碰撞/反应气体流入到所述碰撞/反应单元中，所述碰撞/反应单元包括入口、出口以及位于所述入口与所述出口之间的多极离子导向器；

传输离子通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括被分析物离子和干扰离子；

在所述出口处施加出口DC电势处于第一量值以产生有效阻止所述离子离开所述碰撞/反应单元的DC势垒；

在限制期期间维持出口DC电势处于所述第一量值以执行有效抑制由质谱仪测量的干扰离子信号强度的相互作用，所述相互作用选自由以下各项组成的组：

根据有效将所述干扰离子转化为非干扰离子或中性物质的反应，使所述干扰离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的被分析物离子；并且

根据有效产生产物离子的反应使所述被分析物离子与所述碰撞/反应气体反应，其中所述产物离子与所述碰撞/反应气体碰撞多次以有效减慢并限制所述碰撞/反应单元中的产物离子；

在所述限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到有效允许所述被分析物离子或所述产物离子作为具有脉冲持续时间的脉冲通过所述出口的第二量值，将所述被分析物离子或产物离子传输到所述质谱仪；并且

在持续时间大约等于所述脉冲持续时间的测量期内测量所述被分析物离子或产物离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一量值和所述第二量值选自由以下各项组成的组：

所述第二量值比所述第一量值更负；

所述第一量值为正或零量值，并且所述第二量值为负或零量值；

所述第一量值在0V至+100V的范围内；

所述第二量值在-200V至0V的范围内；以及

前述两种或更多种的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述切换的持续时间在0.01ms至0.1ms的范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述限制期的持续时间在0ms至1000ms的范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量期的持续时间在从所述脉冲的峰值的FWHM至所述FWHM的五倍的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲持续时间在0.01ms到1ms的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述出口处施加所述出口DC电势包括在所述碰撞/反应单元的出口透镜处施加所述出口DC电势。

8.根据权利要求1所述的方法，包括在所述限制期期间继续将所述离子传输通过所述入口并进入所述碰撞/反应单元。

9.根据权利要求1所述的方法，包括沿着所述多极离子导向器施加轴向DC电势梯度，其中，在所述限制期期间防止所述受限离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元。

10.根据权利要求1所述的方法，包括执行选自由以下各项组成的组的步骤：

在所述限制期的至少后期期间在所述入口处施加入口DC电势以有效防止所述受限的被分析物离子通过所述入口离开所述碰撞/反应单元并防止干扰离子通过所述入口进入到所述碰撞/反应单元中；

在所述测量期期间在所述入口处施加入口DC电势以有效防止干扰离子通过所述入口进入所述碰撞/反应单元；并且

前述的两者。

11.根据权利要求1所述的方法，在将所述离子传输通过所述入口并进入到所述碰撞/反应单元之前，执行选自由以下各项组成的组的步骤：

通过使所述样品暴露于电感耦合等离子体来产生所述离子；

通过使所述样品暴露于电感耦合等离子体来产生所述离子，其中使所述样品暴露包括操作等离子体炬；并且

使所述样品从喷雾器或喷雾室流入到等离子炬中，并通过使所述样品暴露于由所述等离子炬产生的电感耦合等离子体而产生所述离子。

12.根据权利要求1所述的方法，包括基于所述被分析物离子的化学特性和所述干扰离子的化学特性来选择所述碰撞/反应气体。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述被分析物离子是具有第一质量的第一被分析物离子，所述干扰离子是第一干扰离子，所述限制期是具有第一持续时间的第一限制期，所述脉冲是第一脉冲，并且所述被分析物离子还包括具有与所述第一质量不同的第二质量的第二被分析物离子，并且还包括：

在测量包含在所述第一脉冲中的所述第一被分析物离子之后，在具有不同于所述第一持续时间的第二持续时间的第二限制期内，再次在所述出口处施加所述出口DC电势处于第一量值；

在所述第二限制期期间，使所述碰撞/反应气体与干扰所述第二被分析物离子的第二干扰离子反应，或者使所述碰撞/反应气体与所述第二被分析物离子反应，以抑制干扰；

在所述第二限制期之后，通过将所述出口DC电势切换到所述第二量值，将第二脉冲传输到所述质谱仪；并且

测量由所述第二脉冲中包含的第二被分析物离子形成的第二被分析物离子或产物离子。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：基于所述第一被分析物离子和所述第一干扰离子的化学特性选择所述第一持续时间；并且基于所述第二被分析物离子和所述第二干扰离子的化学特性选择所述第二持续时间。

15.根据权利要求13所述的方法，包括：在所述第一限制期期间使所述碰撞/反应气体以一定流速流入到所述碰撞/反应单元，以及在所述第二限制期期间使所述碰撞/反应气体以同一流速流入到所述碰撞/反应单元中。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碰撞/反应气体选自由以下各项组成的组：氦；氖；氩；氢；氧；水；空气；氨；甲烷；氟甲烷；一氧化二氮；以及前述两种或更多种的组合。

17.根据权利要求1所述的方法，包括如下特征中的至少一个：

所述被分析物离子选自由以下各项组成的组：金属或除稀有气体之外的其他元素的正单原子离子；以及通过使所述碰撞/反应气体与金属或除稀有气体之外的其他元素的正单原子离子反应产生的产物离子；

所述干扰离子选自由以下各项组成的组：正氩离子；含氩的多原子离子；含有所述样品的组分的双电荷离子；含有所述样品的组分的同量异序离子；以及含有所述样品的组分的多原子离子。

18.一种分析样品的方法，所述方法包括：

从所述样品中产生被分析物离子；

将所述被分析物离子传输到根据权利要求1所述的碰撞/反应单元中；

根据权利要求1所述的方法操作所述碰撞/反应单元；并且

将所述被分析物离子或所述产物离子传输到所述质谱仪的质量分析器中。

19.一种电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，包括：

离子源，所述离子源被配置为产生等离子体并在所述等离子体中产生被分析物离子；

根据权利要求1所述的碰撞/反应单元；以及

控制器，所述控制器包括电子处理器和存储器，并且被配置成控制根据权利要求1所述的方法的步骤。

20.一种在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统中操作碰撞/反应单元以抑制干扰的方法，所述方法包括：

使环境空气流入到所述碰撞/反应单元中；

将离子传输到所述碰撞/反应单元中，其中所述离子包括被分析物离子；

使所述被分析物离子与所述环境空气的氧分子反应以产生产物离子，其中，所述产物离子是氧化物离子，所述反应在所述碰撞/反应单元中存在干扰离子的情况下进行，并且所述干扰离子的质荷比等于所述被分析物离子的质荷比；

将所述产物离子传输到质谱仪；并且

操作所述质谱仪以测量所述产物离子。