CN115346854A - 质谱分析装置 - Google Patents

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CN115346854A CN202210497006.9A CN202210497006A CN115346854A CN 115346854 A CN115346854 A CN 115346854A CN 202210497006 A CN202210497006 A CN 202210497006A CN 115346854 A CN115346854 A CN 115346854A
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Abstract

本发明涉及质谱分析装置。本发明涉及一种操作用于分析分析物样本的电感耦合等离子体质谱分析装置的方法，该质谱分析装置包括等离子体离子源、质量分析器和位于质谱仪的等离子体离子源和质量分析器之间的接口装置，该接口装置至少包括以接口装置的锥体、例如采样锥或截取锥形式的接口结构，以及具有入口和出口的至少一个通道，通道从接口结构(32)的外部通向在围绕通道的出口的区域中形成的反应区，方法包括以下步骤：使用等离子体离子源生成等离子体并形成流向质量分析器的等离子体通量，经由通道将分析物样本提供到反应区中，使得分析物样本与等离子体通量相互作用，以及使用质量分析器分析分析物样本。

Description

质谱分析装置
技术领域
本发明涉及一种操作用于分析分子分析物物质或至少两种物质的混合物的电感耦合等离子体质谱分析装置的方法。
背景技术
电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)例如用于微量元素分析。通常，ICP-MS分析涉及在通过光谱仪定量所得元素离子之前，通过等离子体源对测试样本进行完全原子化和随后的电离。到目前为止，几种不同类型的ICP-MS可作为例如四极ICP-MS或飞行时间ICP-MS。
任何ICP-MS分析的常见问题是可能发生由新形成的多原子离子或分子引起的干扰。这种干扰通常通过相应ICP-MS系统中的反应/碰撞室来解决。因此，将试剂气体添加到反应/碰撞室中，以基于分析物离子与干扰物的能量差来提供分析物离子与干扰物的分离。在US 7,329,863 B2和US 7,119,330 B2中描述了用于改善干扰衰减的示例性ICP-MS系统。
ICP-MS系统不太适合或甚至不适合于分子的分析，其通常通过采用不同类型的电离源(例如电喷雾电离(ESI)或大气压化学电离(APCI))的质谱仪来加以研究。这些方法针对分子的电离进行了优化，并且不会导致它们的原子化。
适用于分子分析的其他质谱系统是例如选择离子流管质谱仪(SIFT-MS)或质子转移反应质谱仪(PTR-MS)。
然而，到目前为止，还没有允许在一个单个设备中分析原子化和电离分子的质谱系统可用。
发明内容
因此，本发明所要解决的客观技术问题是在一个单个设备中提供分析原子化和电离分子的可能性。
该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求13所述的用途来实现。
关于该方法，该目的通过一种操作用于分析分析物样本的电感耦合等离子体质谱分析装置的方法来实现，质谱分析装置包括等离子体离子源、质量分析器和位于质谱仪的等离子体离子源和质量分析器之间的接口装置，接口装置至少包括以锥体(例如采样锥或截取锥)形式的接口结构，以及具有入口和出口的至少一个通道，通道从接口结构的外部通向在围绕通道的出口的区域中形成的反应区。
方法包括以下步骤：
使用等离子体离子源生成等离子体并形成流向质量分析器的等离子体通量，
经由通道将分析物样本提供到反应区中，使得分析物样本与等离子体通量相互作用，以及
使用质量分析器分析分析物样本。
分子分析物物质或混合物最初可以以气体、蒸气或液体的形式提供。分析物样本优选地是分子分析物物质或至少两种物质的混合物。
接口结构可以包括一个或多个锥体，例如，它可以包括采样锥和截取锥，或者采样锥、截取锥和至少一个附加锥体。
用于引入物质或混合物的通道可以是诸如在US7,329,863B2和US7,119,330B2中描述的通道。在本发明的上下文中，完全参考这两个参考文献。然而，给出的参考文献中的通道用于完全不同的目的，即衰减干扰。然而，如本发明所建议的，也可以使用相同的装置来促进通过ICP-MS的分子分析。
本发明有利地允许借助于利用基于入口的碰撞/反应池的ICP-MS来分析分析物样本，特别是分子样本。经由至少一个通道提供分析物样本，使得在朝向质量分析器的反应区中形成离子束。
在典型的ICP-MS的情况下，引入分析物样本的等离子体，通常具有相对高的压力(例如大气压)。等离子体使样本蒸发并电离，随后离子被提取并经由差分泵送接口转移到质量分析器，质量分析器通常以相对低的压力操作，通常以<10-5托操作。连续锥体之间的空间以阶梯方式减小。通过将分析物样本引入通道中而不是将其直接提供到产生等离子体的区域，分析物样本的电离过程变得可能，与ICP-MS中使用的标准过程相比，该电离过程软得多并且不会导致分子的分解，特别是完全分解。所提出的过程进一步实现极性和非极性分析物的平行电离，以及气态和液态分析物的电离，并且还实现有目的的分子的碎裂。
在本发明的一个实施例中，添加至少一种试剂物质，其用于通过化学电离产生分析物样本的特定离子。试剂物质可以例如经由至少一个通道添加。
有利地，试剂物质是H2、O2、H2O、NH3、NO3或其任何离子化、质子化或去质子化衍生物中的一种。
另一个实施例包括微波诱导的等离子体源用作等离子体离子源。使用包括微波发生器的离子源具有可以实现高场强以及低功耗的优点。因此，可以以直接的方式实现均匀且能量有效的等离子体。在这方面，参考DE202020106423U1、US2016/0026747A1和WO2017/176131A1。特别地，这种基于微波的等离子体离子源可以包括介电谐振器。
有利的是，氩气、氮气、氪气、氙气、氖气、氦气或至少两种气体的任何混合物被用作等离子体离子源的载气。载气的选择取决于待诱导的反应。在这方面，氮气特别会导致与试剂气体或分子的额外反应，其可以被用作载气并用于电离。
一个实施例包括分析物样本在经由通道被提供到反应区中之前，基于其组分的至少一种物理和/或化学性质(例如大小或电荷)被分成至少两个子部分，其中，子部分尤其是一个接一个地被单独地提供到反应区。这种划分可以有利地通过各种分离和/或分段方法实现，诸如气相或液相色谱，或特别是毛细管、电泳。为此目的，质谱分析装置可以包括用于分析物样本的分离、划分或分段的适当装置，例如气相或液相色谱或电泳单元。
另一实施例包括质谱仪设置有离子光学系统，离子光学系统建立反射静电场，反射静电场用于沿着朝向质量分析器的期望路径反射离子。这种离子光学系统可以包括能够使一定量的离子在两个非平行平面之间偏转的任何装置，例如离子镜、反射器、偏转器、四极离子偏转器、静电能量分析器、磁离子光学器件、离子多导向器等。一个优选实施例采用离子光学器件“IonMirror”设备的布置，如美国专利No.6,614,021(通过引用并入本文)中，或在US 5,559,337、US 5,773,823、US 5,804,821、US 6,031,579、US 6,815,667、US 6,630,665或US 6,630,651中公开的那些。使用离子镜进一步提高了ICP-MS设备的灵敏度。
在方法的另一实施例中，接口结构：
将邻近接口结构的第一表面的处于相对高压的第一真空区域与邻近接口结构的第二表面的处于相对低压的第二真空区域分开，第一真空区域从等离子体离子源接收等离子体通量，第二真空区域通向质量分析器，以及
设置具有轴向延伸的、形成位于接口结构的第一表面和第二表面之间的反应区的孔，等离子体通量通过孔从第一区域流向第二区域，以及
其中，通道通向形成在接口结构的孔中的反应区。
因此，分析物样本被引导到反应区中，在反应区中，分析物样本与等离子体相互作用，与等离子体离子源的区域中的压力相比，等离子体已经处于较低的压力。这使得电离软得多并且导致明显更少的碎裂过程。
一个实施例包括：接口装置至少包括采样锥和截取锥，截取锥被布置在采样锥后方。
然而，在另一个实施例中，在接口装置中设置至少两个通道。至少两个通道可以设置在相同的锥体中或设置在两个不同的锥体中，例如，一个在截取锥中，一个在采样锥中。通过设置多于一个通道，创建了多于一个反应区，使得能够进行多个反应。
在一个实施例中，通道完全位于至少一个锥体——例如取样器、截取锥或任何其他锥体内。例如在US 7,329,863 B2中提出了这样的设备。
然而，在另一个实施例中，通道位于采样锥、截取锥或任何其他锥体的后方，如US7,119,330 B2中所述。
在另一实施例中，分析物样本和/或试剂物质至少在第一时间间隔期间经由通道被提供，并且至少在第二时间间隔期间被提供到形成等离子体的等离子体离子源的区域。通过该过程，与结构分析相关的常规ICP-MS分析可以与分子分析组合。第一和第二时间间隔可以交替地进行，或者可以根据需要启动。
本发明的目的进一步通过使用电感耦合质谱分析装置的用途得以实现，该质谱分析装置包括等离子体离子源、质量分析器和位于质谱仪的等离子体离子源和质量分析器之间的接口装置，接口装置至少包括以接口装置的锥体(例如采样锥或截取锥)形式的接口结构，以及具有入口和出口的至少一个通道，通道从接口结构的外部通向在围绕通道的出口的区域中形成的反应区，用于分析分子分析物样本。通过执行根据上述实施例中的至少一个的方法，质谱分析装置特别用于分子分析。
附图说明
将基于图1-图3进一步解释本发明及其优选实施例。
图1示出了根据现有技术的常规ICP-MS；
图2示出了具有至少一个锥体的接口装置的示例性和优选实施例，该锥体具有用于引入分析物样本的至少一个通道；以及
图3是通过本发明方法获得的丙烷的质谱。
在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地图示了具有电感耦合等离子体炬形式的离子源20的常规ICP-MS 10，该电感耦合等离子体炬具有用于将载气中的分析物样本AS输送到炬中产生的等离子体28中的中心管。离子源20进一步包括用于输送等离子体形成气体24和辅助气体26——其可以是例如氩气或氮气——的中间管、围绕外管布置的射频线圈30。
质谱仪进一步包括用于将分析物样本和等离子体通量28转移到ICP-MS的分析部分中的接口装置32，该接口装置32包括接口结构，该接口结构包括采样锥34和截取锥40。两个锥体34、40各自在其顶点处具有孔36、42，等离子体通量28通过该孔从离子源20进入第一真空区域38和第二真空区域44。锥体34、40通常是水冷的。在所示的实施例中，第二真空区域44进一步包括离子引出电极46和其他离子光学器件[未示出]，所有这些都是离子光学系统的一部分，其用于将离子束从等离子体通量28引出到第三泵送真空区域48中并朝向质量分析器50和检测器52，质量分析器50根据离子的质荷比分离离子，在检测器52中，检测到的离子由记录装置54读出。可以采用不同的质量分析器50，诸如四极或飞行时间(TOF)质量分析器50。利用TOF分析器具有能够辨别所得多原子离子的优点。
用于执行根据本发明的方法的接口装置32包括具有入口和出口的至少一个通道，该通道从接口结构的外部通向形成在围绕通道的出口的区域中的反应区，如图2所示，示例性地示出了在至少一个锥体中具有至少一个通道的接口装置32的优选实施例。
图2a中所示的接口装置32具有类似于图1中所示的采样锥34和截取锥40。离子等离子体通量28通过采样锥34中的孔36流入第一真空区域38中，并通过孔42流入第二真空区域44中，第二真空区域44被保持在低于第一真空区域的压力下。截取锥40包括从入口62通向截取锥40的孔42处的出口63的通道60。虽然这种布置通常用于产生反应/碰撞区，但是本发明使用通道60将分析物物质AS提供到反应区64中，在反应区64中分析物物质AS与等离子体28相互作用，从而轻柔地电离分析物物质AS。反应区64的确切尺寸取决于若干因素，例如等离子体的性质。因此，图2a中的反应区的形状仅是示例性的，并且可以因设备而异。
接口装置32的第二优选实施例在图2b中示出。与图2a所示的实施例相反，在图2b的情况下，采样锥34包括具有入口72和出口75的第二通道74，在孔36附近产生第二反应区76。两个通道60和74可以以不同的方式使用。如图2a所示，试剂气体RG可以经由通道72提供，而分析物样本AS经由通道60提供。然而，在其他实施例中，例如，试剂物质RS也可以经由通道60提供，而分析物样本AS经由通道74提供。一个单个通道60、74也可以用于提供试剂物质RS和分析物样本AS两者。
接口装置32的第三优选实施例在图2C中示出。与图2b中所示的实施例相反，截取锥40设置有两个通道60和88。第三通道88还具有入口90和出口91，其在本实施例中通向第一反应区64。同样，对于使用不同的通道60、74、88，以及对于提供一种或多种试剂物质RS和分析物样本AS，存在许多不同的可能性，这些都落入本发明的范围内。
最后，接口装置32的另一优选实施例以图2c为准。同样，接口装置32包括采样锥34和截取锥40，随后是离子光学系统，该离子光学系统包括通过介电密封件45a安装在截取锥40上的离子引出电极45和其他电极46和47以引出离子束58。对于该实施例，至少一个通道94设置在截取锥40后方，用于将分析物样本AS提供到反应区95中。
应当注意到，所示的接口装置32的不同实施例可以任意地彼此组合。此外，应当注意到，本发明决不限于所示的实施例。例如，接口装置32或接口结构32、40的任何实施例例如如US 7,329,863B2和US7,119,330B2中所公开的。
总之，本发明提供了将用于元素分析的常规ICP-MS与分子的有机分析组合在一个单一设备中的可能性。为了实现这一点，通常为通过提供碰撞气体来减少干扰而提供的通道60、74、88、94(现在并且首次)用于将分析物样本AS提供到质谱设备中。分析物样本AS、特别是分子样本被进入的已经冷却的等离子体、残余等离子体或被例如源自离子源20的载气电离。
此外，可以经由至少一个通道60、74、88、94添加额外的试剂物质RD，以通过化学电离产生特定的产物离子，其可以由随后的质谱分析部分分析。
图3示出了丙烷的两个质谱，即用常规ICP质谱仪装置10获得的质谱1和用根据本发明的方法和设备10获得的质谱2，即分析物样本AS经由接口装置32的通道60、74、88、94引入，使用基于入口的碰撞/反应池。通过将分析物样本AS引入通道60、74、88、94而不是直接将其提供到产生等离子体的区域，与ICP-MS中使用的标准过程(光谱1)相比，分析物样本AS的电离过程变得更软并且不会导致分子的分解(光谱2)。仅在光谱2中，图3所示的分析物样本AS的丙烷分子保持完整(44Da)或部分片段化(例如43Da-对应于一个氢的损失，26-30DA-对应于各种C2Hn片段)。因此，本发明以直接的方式将ICP-MS设备的应用范围扩展到分子分析。
参考符号
10 ICP-MS
20 离子源
28 等离子体
24 等离子体形成气体
26 辅助气体
30 射频线圈
32 接口装置
34 采样锥
40 截取锥
36 孔采样锥
42 孔截取锥
38 第一真空区域
44 第二真空区域
45、46、47 离子光学系统的电极
50 质量分析器
52 检测器
54 记录装置
60、74、88、94 通道
62、72、90 入口
63、75、91 出口
63、76、95 反应区
AS 分析物样本
RS 试剂物质

Claims (14)

1.一种操作用于分析分析物样本(AS)的电感耦合等离子体质谱分析装置(10)的方法，
所述质谱分析装置(10)包括等离子体离子源(20)、质量分析器(50)和位于所述质谱仪(10)的所述等离子体离子源(20)和所述质量分析器(50)之间的接口装置(32)，所述接口装置(32)至少包括以锥体、例如采样锥(34)或截取锥(40)的形式的接口结构(34、40)，以及具有入口(62、72、90)和出口(63、75、91)的至少一个通道(60、74、88、94)，所述通道(60、74、88、94)从所述接口结构(32)的外部通向在围绕所述通道(60、74、88、94)的出口(63、75、91)的区域中形成的反应区(63、76、95)，所述方法包括以下步骤：
使用所述等离子体离子源(20)生成等离子体(28)并形成流向所述质量分析器的等离子体通量(28)，
经由所述通道(60、74、88、94)将所述分析物样本(AS)提供到所述反应区(63、76、95)中，使得所述分析物样本(AS)与所述等离子体通量(28)相互作用，以及
使用所述质量分析器(50)分析所述分析物样本(AS)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，添加至少一种试剂物质(RS)，用于通过化学电离产生所述分析物样本(AS)的特定离子。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中，所述试剂物质(RS)是H2、O2、H2O、NH3、NO3或其任何离子化、质子化或去质子化衍生物中的一种。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，微波诱导的等离子体源被用作等离子体离子源(20)。
5.根据权利要求5所述的方法，
其中，氩气、氮气、氪气、氙气、氖气、氦气或至少两种气体的任何混合物被用作所述等离子体离子源(20)的载气。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述分析物样本(AS)在经由所述通道(60、74、88、94)被提供到所述反应区(63、76、95)中之前，基于其组分的至少一种物理和/或化学性质被分成至少两个子部分，并且其中，所述子部分尤其是一个接一个地被单独地提供到所述反应区(63、76、95)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述质谱仪(10)设置有离子光学系统(45-47)，所述离子光学系统(45-47)建立反射静电场，所述反射静电场用于沿着朝向所述质量分析器(50)的期望路径反射离子。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述接口结构(34、40)：
将邻近所述接口结构(34、40)的第一表面的处于相对高压的第一真空区域(38)与邻近所述接口结构(34、40)的第二表面的处于相对低压的第二真空区域(44)分开，所述第一真空区域从所述等离子体离子源(20)接收所述等离子体通量(28)，所述第二真空区域通向所述质量分析器(50)，以及
设置具有轴向延伸的、形成位于所述接口结构(34、40)的第一表面和第二表面之间的反应区(63、76、95)的孔，所述等离子体通量(28)通过所述孔从所述第一区域(38)流向所述第二区域(40)，以及
其中，所述通道(60、74、88、94)通向形成在所述接口结构(34、40)的所述孔中的反应区(63、76、95)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述接口装置(32)至少包括采样锥(34)和截取锥(40)，所述截取锥(40)被布置在所述采样锥(34)后方。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，在所述接口装置(32)中设置至少两个通道(60、74、88、94)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，所述通道(60、74、88、94)完全位于至少一个锥体(34、40)——例如所述采样锥(34)、所述截取锥(40)和/或任何附加锥体内。
12.根据权利要求1-9中的任一项所述的方法，
其中，所述通道(60、74、88、94)位于所述采样锥(34)、所述截取锥(40)和/或任何附加锥体后方。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其中，至少在第一时间间隔期间，经由所述通道(60、74、88、94)提供所述分析物样本(AS)和/或所述试剂物质(RS)，以及
其中，至少在第二时间间隔期间，所述分析物样本(AS)和/或所述试剂物质(RS)被提供到所述等离子体离子源(20)的区域中。
14.一种电感耦合质谱分析装置(10)的用途，所述质谱分析装置(10)包括等离子体离子源(20)、质量分析器(50)和位于所述质谱仪(10)的所述等离子体离子源(20)和所述质量分析器(50)之间的接口装置(32)，所述接口装置(32)至少包括以所述接口装置(32)的锥体、例如采样锥(34)或截取锥(40)的形式的接口结构(34、40)，以及具有入口(62、72、90)和出口(63、75、91)的至少一个通道(60、74、88、94)，所述通道(60、74、88、94)从所述接口结构(32)的外部通向在围绕所述通道(60、74、88、94)的出口(63、75、91)的区域中形成的反应区(63、76、95)，用于分析分子分析物样本(AS)。
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