CN117747400A - 用于分析样品的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析样品(2)的系统(1)，其中样品是空气成分或气溶胶，该系统(1)包括：‑样品制备单元(3)，其具有样品入口(4)和等离子炬(5)，其中样品(2)通过样品入口(4)进入系统(1)，其中等离子炬(5)被配置为产生等离子体(6)，等离子体(6)电离样品(2)使得生成离子和/或光子，其中等离子体(6)被配置为通过样品入口(4)吸入样品(2)，‑接口(7)，其被配置为将所生成的离子和/或光子引导朝向检测器(8)，‑检测器(8)，其被配置为检测所生成的离子和/或光子，以及‑评估单元(9)，其被配置为借助于检测到的离子和/或光子来分析样品(2)。

Description

用于分析样品的系统

技术领域

本发明涉及一种用于分析样品的系统，其中样品是空气成分或气溶胶。

背景技术

在质谱仪中，样品的分子或原子首先被转变为气相并被电离。对于电离，可使用现有技术中已知的各种方法，诸如感应耦合等离子体电离(ICP)，其借助于等离子体使样品电离。到目前为止，几种不同类型的感应耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)可使用，例如四极杆ICP-MS或飞行时间ICP-MS。

电离后，离子通过真空接口到达质量分析器，在该质量分析器中离子根据其质荷比m/z被分离。不同类型的接口和操作模式例如基于静态或动态电场和/或磁场的应用或者基于不同离子的不同飞行时间。具体地，不同类型的接口包括分析仪的单个、多个或混合布置，诸如四极杆、三重四极杆、飞行时间(TOF)、离子阱、Orbitrap或磁扇形。最后，将分离的离子引导朝向检测器，该检测器例如是光电离子倍增器、离子电子倍增器、法拉第收集器、戴利检测器、微通道板或通道加速器中的一种。

在借助于感应耦合等离子体电离(ICP)电离样品期间，从样品不仅会生成离子，还会生成光子，样品能够利用光谱仪(例如感应耦合等离子体发光光谱仪(ICP-OES))加以分析。

感应耦合等离子体通常由氩气维持。最近，已经描述了一种替代电离方法，该方法使用氮气来维持等离子体，所谓的MICAP(微波感应耦合大气等离子体)，其能够被应用于质谱分析以及光学光谱分析(参见US 9,706,635 B2)。MICAP生成也可以利用空气维持的等离子体。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够以容易的方式分析包含空气的样品的系统。

该目的通过一种用于分析样品的系统来实现，其中样品是空气成分或气溶胶，该系统包括

-样品制备单元，其具有样品入口和等离子炬，其中样品通过样品入口进入系统，其中等离子炬被配置为产生等离子体，该等离子体电离样品使得生成离子和/或光子，其中等离子体被配置为通过样品入口吸入样品，

-接口，其被配置为将所生成的离子和/或光子引导朝向检测器，

-检测器，其被配置为检测所生成的离子和/或光子，以及

-评估单元，其被配置为借助于检测到的离子和/或光子来分析样品。

利用本发明，空气成分或气溶胶仅借助于等离子体被吸入(例如，抽吸、吸引或吸取)到光谱仪中。该空气成分或气溶胶能够作为通过样品入口进入系统的样品。不需要用于将样品通过样品入口输送到等离子体中的泵或其他装置。本发明允许现场分析空气成分或气溶胶。

等离子体通常将所生成的离子和/或光子朝向接口喷射。在等离子体的与接口相反的一侧，等离子体具有相对于样品入口具有负压的区域。该具有负压的区域的抽吸特性能够令人惊讶地被用于将空气成分或气溶胶吸入系统中。通过改变等离子体的参数，可以调节被吸入等离子体的样品的流量。借助于等离子体吸入的样品的流量可以在0.5至2L/min(升/分钟)的范围内，特别是在1.0至1.5L/min内。

气溶胶包含分散在空气中的颗粒和/或原子和/或分子。空气成分包括环境空气，例如来自系统周围的空气，并且可以包括颗粒和/或原子和/或分子。该系统能够关于空气的成分以及空气中分散的原子和/或分子和/或颗粒分析空气。颗粒可以以灰尘或粉末存在。

在一个实施例中，该系统包括样品引入单元，该样品引入单元被配置为将样品引入到样品入口中。特别地，如果样品包括颗粒，则将样品引导朝向样品入口使得等离子体能够通过样品入口吸入样品是有帮助的。样品引入单元被布置在样品入口的上游。在本公开内容中使用词语“上游”和“下游”来描述相对于样品流和等离子体生成的离子和/或光子通过光谱仪的方向的位置。

在另一实施例中，样品引入单元包括被配置为将样品朝向入口传送的传送装置和可与样品入口连接的连接单元。

一个实施例包括：样品包括颗粒，其中样品引入单元包括移动带、剂量控制器和连接单元，其中连接单元可与样品入口连接，其中移动带被配置为被装载有颗粒并且将颗粒朝向样品入口移动，其中剂量控制器被配置为控制通过连接单元进入样品入口的样品的量。移动带用作传送装置并将颗粒朝向样品入口传送。具体地，剂量控制器还可以是剂量限制器并且被配置为限制通过连接单元进入样品入口的样品的量。

在另一实施例中，样品包括颗粒，其中系统包括分类器，其中该分类器被配置为将样品内的较小颗粒与较大颗粒分离，并将具有低于预定质量上限的质量的颗粒引导至样品入口。颗粒通常具有一定的颗粒大小分布，在颗粒进入系统之前需要对其进行过滤。分类器可连接至样品入口并布置在样品入口的上游。分类器可以根据机械筛选或淘析的原理工作，并且特别可以是空气分类器。

此外，分类器可以包括具有入口和出口的容器，以及部分地插入到容器中的管，其中出口可连接到样品入口，其中入口连接到空气或气体，其中管被布置和配置为使样品流入容器中，使得样品的流动与具有低于预定质量上限的质量的颗粒朝向出口的流动相反。具有高于预定质量上限的质量的颗粒将被重力吸引朝向容器的下端，而只有具有低于预定质量上限的质量的颗粒才会进入系统。

在另一实施例中，分类器包括废物收集器，该废物收集器被布置成使得具有高于预定质量上限的质量的颗粒被收集在废物收集器中。

进一步优选的是，分类器被布置在样品引入单元和样品入口之间。

进一步的实施例能够包括等离子体被配置为利用空气维持，其中空气通过样品入口进入等离子炬。用于维持等离子体的空气能够是进入系统的样品的一部分。等离子炬可能需要1.0至1.5L/min范围内的空气流量以维持等离子体，这能够借助于等离子体的吸入能力来维持。

在另一实施例中，样品包括颗粒，其中评估单元被配置为关于颗粒的同位素组成、大小、浓度和/或数量分析样品中的颗粒。

在另一实施例中，样品入口被布置在等离子炬的上游。

该接口可以包括质量分析器和/或波长选择器。

此外，系统可以是微波感应耦合大气等离子体质谱仪、微波感应耦合大气等离子体发光光谱仪、射频感应耦合质谱仪、射频感应耦合光学光谱仪、辉光放电质谱仪或辉光放电光谱仪。

在另一实施例中，通过从表面或物体去除材料来产生样品。材料的去除可以通过钻孔或刮擦来实现，并生成颗粒，这些颗粒或者形成气溶胶，或者能够形成要由系统分析的气溶胶。借助于该系统，通过去除材料生成的样品能够在样品被生产的现场直接进行分析。

优选地，样品是环境空气。

附图说明

下面，将基于附图1-8来解释本发明及其优选实施例。

图1示出了根据本发明的系统；

图2示出了等离子炬的示例性实施例；

图3示出了样品引入单元的示例性实施例；

图4示出了分类器的示例性实施例；

图5示出了与废物收集器结合的分类器的示例性实施例；

图6示出了MICAP-MS的示例性实施例；

图7示出了通过对参考材料进行表面钻孔并借助于根据图6的系统测量所生成的灰尘而获得的测试结果；以及

图8示出了从图7获得的结果的表格。

在附图中，相同的元件被提供相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的系统1。系统1包括具有样品入口5和等离子炬5的样品制备单元3、接口7、检测器8和评估单元9。样品入口4可以被布置在等离子炬5的上游。系统1的组件也可以不同地布置。评估单元9也能够与其他组件分开布置。系统1或其一些组件可以被容纳在壳体(未示出)中。在系统1被实施为质谱仪的情况下，接口7可以是质量分析器并且检测器8可以是离子电子倍增器、法拉第收集器、达利检测器、微通道板或通道加速器。在系统1被实施为光谱仪的情况下，接口7可以是波长选择器并且检测器8可以是光电倍增管或CCD相机。

图2中示出了Fassel类型的示例性等离子炬5。等离子炬5包括两个气体入口，其分别用于生成和维持等离子体的主气体22和辅助气体22。样品2通过样品入口4进入等离子炬5并被引导朝向等离子体6。等离子体6在等离子体6的一侧包括相对于样品入口4具有负压的区域23。因此，区域23允许通过样品入口4吸取或吸入样品2。显然，其他类型的等离子炬5，例如微型炬或低流动炬，能够与本发明结合使用。由于系统1被配置为分析包括空气的样品2，因此等离子体6需要针对特定剂量的空气保持稳定。等离子体6甚至可以被配置为仅利用空气来维持，其中空气可以通过样品入口4进入等离子炬5。

此外，图3示出了样品引入单元10的示例，该样品引入单元10被配置为将样品2引入到样品入口4中。系统1可以被用于分析空气成分或气溶胶。要由系统1分析的气溶胶最初可以是液体的形式，其借助于喷雾器单元变成气溶胶的形式。要分析的气溶胶可以替代地或附加地源自干颗粒，例如粉末或灰尘，气溶胶借助于将颗粒与空气一起吸入的等离子体6或借助于被配置为将颗粒与空气混合使得形成气溶胶的其他装置而形成气溶胶的形式。样品2还可以通过从表面或物体去除材料来产生，例如通过钻孔。在这种情况下，通过材料去除形成的颗粒或气溶胶能够通过系统1进行分析。在样品2包括颗粒13的情况下，评估单元9可以被配置为关于颗粒13的同位素组成、大小、浓度和/或数量分析样品2中的颗粒13。

样品引入单元10可以包括传送装置11，例如移动带14，其被配置为将样品2朝向样品入口4传送；以及连接单元12，其被配置为可与样品入口4连接。图3中的样品引入单元10还包括传送管25，通过该传送管25，颗粒13被引导朝向移动带14，移动带14被装载有颗粒13并且借助于辊24将颗粒13朝向样品入口4移动。剂量控制器15被布置和配置为控制通过连接单元12进入样品入口4的颗粒13的量。样品入口或样品引入单元能够向环境大气开放，以便将空气与颗粒一起吸入，从而形成包含颗粒的气溶胶或空气成分。此外，移动带14可以通过清洁单元26加以清洁。

系统1还可以包括如图4所示的分类器16，其被配置为将样品2内的较小颗粒与较大颗粒分离并且将质量低于预定质量上限的颗粒引导至样品入口4。分类器16可以包括容器17，该容器17具有连接至空气或气体的入口18和可连接至样品入口4的出口19。此外，管20可以部分地插入容器17中，使得样品2的流动与质量低于预定质量上限的颗粒朝向出口19的流动相反。质量高于预定质量上限的颗粒将朝容器17的下端沉降。等离子体6的抽吸特性被用于将颗粒13与空气一起作为气溶胶吸入系统1中。

如图5所示，分类器可以包括废物收集器21，以便收集质量高于预定质量上限的颗粒。废物收集器21可以被布置在容器17的下端。入口18可以简单地向环境空气开放。分类器16可以与样品引入单元10结合，其中分类器16被布置在样品引入单元10和样品入口4之间。

最后，图6示出了作为微波感应耦合大气等离子体质谱仪(MICAP-MS)的系统1的示例性实施例。样品2借助于等离子体6通过样品入口4吸入系统1中。等离子体6借助于MICAP源27与专门用于MICAP的波导28结合而生成。当进入等离子炬5时，样品2被等离子体6电离，从而生成离子和/或光子。为了利用检测器8检测所生成的离子，离子借助于接口7被引导朝向检测器8。

在等离子体6之后，截取锥33被布置为截取离子并将离子聚焦成离子束31。碰撞/反应气体32可以被引入到离子束31中，以便通过离子/中性反应去除干扰离子。然后离子束31借助于离子镜30被引导并聚焦朝向质量分析器35，在质量分析器35中离子根据它们的质荷比m/z被分离。然后，离子被检测器8检测。泵29能够被布置成在等离子炬5之后生成真空条件。

在图7中示出了利用图6中所呈现的系统1获得的一些结果。样品2是通过机械钻孔具有已知金(Au)浓度的参考标准而产生的。三个参考标准取自NIST标准616、612和610，其中包含不同量的金(见图8)。利用钻头依次加工每个参考标准，以便从每个参考标准的表面生成灰尘。(空气中的)灰尘借助于等离子体6被吸入系统1中。每个参考标准都会产生来自金(Au)、钍(Th)、铍(Be)和氧化金(AuO)的信号，该信号显示为随时间变化的每秒计数。

图7的结果在图8中进一步示出。对于每个参考标准，已知的金浓度以ppm为单位给出，以及从图7的图表中获得的信号强度(以每秒计数为单位)。根据后者，计算出金的检测的限制(LoD)。发现，所有三个样品的检测的限制均在1.15至1.33ppb内，从而证明本发明允许对金浓度进行高度灵敏的测量。

附图标记

1 系统

2 样品

3 样品制备单元

4 样品入口

5 等离子炬

6 等离子体

7 接口

8 检测器

9 评估单元

10 样品引入单元

11 传送装置

12 连接单元

13 颗粒

14 移动带

15 剂量控制器

16 分类器

17 容器

18 入口

19 出口

20 管

21 废物收集器

22 气体入口

23 相对于样品入口具有负压的区域

24 辊

25 传送管

26 清洁单元

27 MICAP源

28 MICAP波导

29 泵

30 离子镜

31 离子束

32 反应/碰撞气体

33 截取锥

34 聚焦离子束

35 质量分析器

Claims (15)

1.一种用于分析样品(2)的系统(1)，其中，所述样品是空气成分或气溶胶，所述系统(1)包括：

-样品制备单元(3)，所述样品制备单元(3)具有样品入口(4)和等离子炬(5)，其中所述样品(2)通过所述样品入口(4)进入所述系统(1)，其中所述等离子炬(5)被配置为产生等离子体(6)，所述等离子体电离所述样品(2)使得生成离子和/或光子，其中所述等离子体(6)被配置为通过所述样品入口(4)吸入所述样品(2)，

-接口(7)，所述接口(7)被配置为将所生成的离子和/或光子引导朝向检测器(8)，

-检测器(8)，所述检测器(8)被配置为检测所生成的离子和/或光子，以及

-评估单元(9)，所述评估单元(9)被配置为借助于检测到的离子和/或光子来分析所述样品(2)。

2.根据权利要求1所述的系统(1)，

其中，所述系统(1)包括样品引入单元(10)，所述样品引入单元(10)被配置为将所述样品(2)引入所述样品入口(4)中。

3.根据权利要求2所述的系统(1)，

其中，所述样品引入单元(10)包括被配置为将所述样品(2)朝向所述样品入口(4)传送的传送装置(11)和能够与所述样品入口(4)连接的连接单元(12)。

4.根据权利要求2所述的系统(1)，

其中，所述样品(2)包括颗粒(13)，其中所述样品引入单元(10)包括移动带(14)、剂量控制器(15)和连接单元(12)，其中所述连接单元(12)能够与所述样品入口(4)连接，其中所述移动带(14)被配置为被装载有所述颗粒(13)并且将所述颗粒(13)朝向所述样品入口(4)移动，其中所述剂量控制器(15)被配置为控制通过所述连接单元(12)进入所述样品入口(4)的所述样品(2)的量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统(1)，

其中所述样品(2)包括颗粒(13)，其中所述系统(1)包括分类器(16)，其中所述分类器(16)被配置为将所述样品(2)内的较小颗粒与较大颗粒分离并将具有低于预定质量上限的质量的颗粒引导到所述样品入口(4)。

6.根据权利要求5所述的系统(1)，

其中，所述分类器(16)包括具有入口(18)和出口(19)的容器(17)，以及部分插入到所述容器(17)中的管(20)，其中所述出口(19)能够连接至所述样品入口(4)，其中所述入口(18)被连接到空气或气体，其中所述管(20)被布置和配置为使所述样品(2)流入所述容器(17)中，使得所述样品(2)的流动与具有低于预定质量上限的质量的颗粒朝向所述出口(19)的流动相反。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的系统(1)，

其中，所述分类器(16)包括废物收集器(21)，所述废物收集器(21)被布置成使得具有高于所述预定质量上限的质量的颗粒被收集在所述废物收集器(21)中。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的系统(1)，

其中，所述分类器(16)被布置在所述样品引入单元(10)与所述样品入口(4)之间。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统(1)，

其中，所述等离子体(6)被配置为利用空气维持，其中所述空气通过所述样品入口(4)进入所述等离子炬(5)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统(1)，

其中，所述样品(2)包括颗粒(13)，其中所述评估单元(9)被配置为关于所述颗粒(13)的同位素组成、大小、浓度和/或数量分析所述样品(2)中的颗粒(13)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统(1)，

其中，所述样品入口(4)被布置在所述等离子炬(5)的上游。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统(1)，

其中，所述接口(7)包括质量分析器和/或波长选择器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统(1)，

其中，所述系统(1)是微波感应耦合大气等离子体质谱仪、微波感应耦合大气等离子体发光光谱仪、射频感应耦合质谱仪、射频感应耦合光谱仪、辉光放电质谱仪或辉光放电光谱仪。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统(1)，

其中，所述样品(2)是通过从表面或物体去除材料而产生的。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的系统(1)，

其中，所述样品(2)是环境空气。