质谱仪中的干扰抑制的制作方法

1.本发明涉及在使用质谱仪进行分析时抑制干扰。具体地说，本发明可用于但不限于抑制用质谱仪进行的痕量元素分析中的多原子干扰。更具体地说，本发明涉及操作质谱仪中的碰撞池的方法、用于质谱仪中的碰撞池以及配备有这类碰撞池的质谱仪。


背景技术：

2.电感耦合等离子体(icp)质谱(ms)已广泛用于各种应用，包括地质、环境、食品和安全以及生物医学研究。在典型的icp
‑
ms分析中，样品与载气一起雾化到喷雾室中。后者用于帮助样品电离和离子从大气压力区域传输到在减压下操作的质谱仪的下游元件。众所周知，分析物物种被气化、原子化、电离并与其它物质一起传输，统称为基体，或电电离形成的基体离子。
3.在商用icp
‑
ms仪器中，典型的载气为(ar)，其形成高温(>8,000k)的氩等离子体。如果将含有浓度范围从几ppm(百万分率)到几ppt(万亿分率)的分析物的低浓度(2％)硝酸(hno3)水溶液引入到氩等离子体中，那么形成各种不同的基体离子。这些包括ar
2
、aro

、arh

和许多其它。举例来说，给定低浓度(0.5％)的分析溶液中的盐酸(hcl)，还形成附加基体离子，如clo

。所有这些电离基体物种在化学分析应用中都是多原子干扰物，并且严重影响同量异位单原子分析物的检测限。此外，干扰表现出非常强的信号，通常超过分析信号几个(两个或更多个)数量级，从而阻碍对同量异位物种的痕量元素分析。举例来说，分子aro

可严重干扰铁的主要同位素
56
fe的检测。
4.开发了几种不同的方法来解决这些icp干扰问题。一种被称为动能鉴别(ked)的方法利用干扰(通常是分子离子)和分析物在传递通过填充有惰性气体的碰撞/反应池(crc)时产生的不同程度的动能损失。在ked模式下，离子物种被引入crc并与碰撞/反应气体(通常是he)发生多次碰撞。在离开crc后，所有离子物种通过位于crc下游的分析四极的入口减速。举例来说，通过将分析四极杆偏置比crc杆高几伏(大约2至3v)来实现减速。表现出较低动能损失程度的分析物物种更容易传输通过能量势垒并进入分析四极，并且然后进一步朝向ms检测器。虽然在所属领域被广泛采用，但ked方法的特征在于分析物信号的损失相当大，对于icp生成的离子(m/z 100
‑
m/z 200)，至多较高m/z(质荷比)范围数量级的损失，而对于较低m/z离子(低于m/z 50
‑
60)，多于三个数量级的损失。此外，如果在crc以ked模式操作之前采用离子选择，那么分析损失甚至更大，因为去除了本质上有助于通过加压池输送的空间电荷组分。
5.一种方法在美国专利us 6,259,091中描述，所述方法采用填充有反应性试剂气体，如h2的3d碰撞池来选择性地去除基于氩气(ar)的干扰。反应性气体在元素化学分析中引入了两种类型的有益反应：它中和了更强的基于氩气的干扰物种，并使干扰和分析物离子在m/z域中相对于彼此移动。尽管示出有效去除ar

和较低的m/z干扰，但是所述方法缺乏对不同类型干扰的更广泛适用性。它在与分析物的电荷交换反应中最好地起作用，分析物的电离电势低于试剂的电离电势，而试剂的电离电势又低于干扰的电离电势。因此，us 6,
259,091的方法具有有限的应用范围。
6.应注意，如在例如wo 2004/109741中所公开的，在质谱中使用气流和静态轴向电场本身是已知的。然而，在已知的布置中，气流和轴向电场以相反的方向上起作用。也就是说，如果气体在离子被馈送入装置的方向上流动并因此辅助离子的运动，那么电场被布置成使一些离子减速甚至停止。如果气体在相反方向上流动，那么电场被布置成使离子加速以克服气流对至少一些离子的减速效应。因此在现有技术布置中存在气流和电力的平衡。这限制了它们在抑制多色干扰方面的用途。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的是克服现有技术的缺点并提供一种操作质谱仪中的碰撞池的方法，所述方法允许抑制干扰，具体地说但不排他地，电感耦合等离子体质谱(icp
‑
ms)分析中的基体干扰。
8.因此，本发明提供一种操作质谱仪中的碰撞池的方法，其中碰撞池包含入口孔、出口孔、至少一个dc出口电极、至少一对rf轴向电极和至少一个dc轴向电极，所述方法包含：
9.‑
将离子在向前轴向方向通过入口孔馈送到碰撞池中，
10.‑
使用至少一对rf轴向电极产生用于径向限制离子的rf电场分布，
11.‑
在第一时间段期间并且使用至少一个dc出口电极产生用于捕获碰撞池中的离子的第一dc电场分布，
12.‑
在第二时间段期间并且使用至少一个dc出口电极产生用于在向前轴向方向上朝向出口孔释放捕获的离子的第二dc电场分布，
13.‑
在碰撞池中产生至少靠近入口孔与向前轴向方向相反的气流，以便根据离子的碰撞截面分离离子，和
14.‑
使用至少一个dc轴向电极产生具有用于调节通过入口孔进入碰撞池的离子的动能的轴向场梯度的另一dc电场分布，
15.其中轴向场梯度被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能。
16.通过产生rf电场分布，进入碰撞池的离子可被径向限制，优选地在碰撞池的中心轴线上的空间中。这类限制防止离子损失，并且因此提高碰撞池的产量。举例来说，用于产生rf场分布的rf轴向电极可构成四极布置。
17.通过分别在第一时间段和第二时间段期间产生用于捕获离子的第一dc电场分布和用于释放捕获的离子的第二dc电场分布，离子可被捕获在碰撞池中并且从碰撞池释放。分别限定捕获事件和释放(或清除)事件的第一和第二时间段优选地为连续的。第一dc电场分布和第二dc电场分布允许将碰撞池用作离子捕获器，具体地说用作线性离子捕获器。
18.通过在碰撞池内部产生至少在入口孔附近但优选在碰撞池长度的大部分上与离子的向前方向相反的气流，有可能基于离子的碰撞截面分离离子。与离子的向前方向相反的气流可例如在碰撞池的至少一半长度上产生。气体的逆流产生阻力，所述阻力降低离子的速度。速度的变化将与离子的碰撞截面大致成正比。具有较大(碰撞)截面的离子比具有较小(碰撞)截面的离子更可能与气体分子碰撞，并且因此它们的速度更有可能被气体降低。与其中气体静止的传统碰撞池相比，气体的逆流增强了这种效应。
19.由于离子的取决于截面的速度降低，可发生具有不同(碰撞)截面的离子的空间分
离，当离子属于不同的同量异位离子物种时也是如此。当原子离子与干扰分子离子，如分子基体离子分离时，这是特别有利的。
20.用dc场捕获和基于截面的分离的组合允许选择性地捕获离子。根据本发明，可捕获并且收集碰撞截面较小的离子，同时可阻止碰撞截面较大的离子被捕获并且排斥。捕获允许收集一定量的选择的离子以用于进一步处理，如质量过滤和/或检测。
21.不受任何理论或解释的束缚或限制，可使得相对较小的原子离子能够到达碰撞池的出口孔，而可通过气流阻力的减速效应阻止具有相同质荷比(m/z)的相对较大的多原子离子到达出口孔。本发明的方法特别适用于进入碰撞池时具有高初始动能的离子。
22.在另一个方面，本发明提供一种质谱分析方法，其包含：
23.‑
在等离子体离子源中生成离子，
24.‑
将离子传输到碰撞池，和
25.‑
根据上文所描述的操作质谱仪中碰撞池的方法操作碰撞池，
26.其中产生第二dc电场分布使离子从碰撞池喷射出来，所述方法还包含：
27.‑
将喷射出来的离子传输到质量分析器，和
28.‑
在质量分析器中对离子进行质量分析。
29.应注意，用于质谱仪的离子捕获装置是众所周知的。举例来说，us 8,278,618(赛默飞世尔科技(thermo fisher scientific))公开一种气体填充的碰撞池，其中可生成捕获场捕获离子，所述专利的内容在此以引用的方式并入本文件中。将捕获的离子在碰撞池中进行处理，并且生成电场梯度，这使处理的离子在反向方向上离开碰撞池。在一些应用中，离子行进通过装置的方向的这种反向是不需要的。在本发明的方法中，被释放的离子在与它们进入时基本相同的向前轴向方向上离开捕获器，即它们的方向基本上不改变。此外，us 8,278,618没有解决基体干扰问题。
30.使用至少一个dc轴向电极提供电压梯度，本发明的方法还包含使用至少一个dc轴向电极产生具有用于改变通过入口孔进入碰撞池的离子的动能的轴向场梯度的另一直流电场分布。
31.具有电压梯度的dc轴向电极可由包含轴向安装在绝缘基板上的一系列相应dc电极和用于提供电阻梯度的电阻器的串联布置的结构构成。多个电阻器将相应dc电极互连，使得当dc轴向电极连接到dc电压源时，产生轴向电场梯度。结构可为所谓的叶片并且绝缘基板可包含印刷电路板(pcb)。
32.每个dc轴向电极可占据相邻rf轴向电极之间的空间。在一实施例中，四个dc轴向电极占据四个rf轴向电极之间的相应空间。
33.轴向电场梯度提供一种用于改变离子速度的附加机制。通过使用气流和轴向电场梯度的组合，可进一步改进被捕获的离子的选择。更具体地说，轴向场梯度提供另一种机制来改变动能，并且从而改变离子的速度。
34.在一些实施例中，轴向场梯度在第一时间段(注入事件)期间并且可能也在第二时间段(释放事件)期间为零或基本上为零。然而，轴向场梯度的非零值是优选的。具体地说，轴向场梯度可被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能。因此，轴向场梯度可增强气体逆流的效应。
35.轴向场梯度可为恒定的或可随时间，例如每个时间段或甚至在一个时间段内变
化。当轴向场梯度被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能时，轴向电场梯度在第二时间段期间可比在第一时间段期间大。相反，在第一时间段期间，轴向场梯度可比在第二时间段期间小。结果，在第二时间段期间，其中捕获的离子从碰撞池释放，离子的动能将比在第一时间段，在此期间注入和捕获离子，降低得更多。这防止进入碰撞池的离子与正在释放的离子混合。在一些实施例中，在第一时间段期间的轴向场梯度可为零或甚至可被布置成用于提高离子的动能。
36.应注意，由于气流引起的离子动能降低和由于轴向场梯度引起的动能降低是互补的，但是不相同。气流降低取决于离子碰撞截面的动能，而轴向场梯度降低取决于其电荷的动能。
37.碰撞池中的气体压力可以在0.001毫巴和0.1毫巴之间。优选地，气压可在0.005毫巴和0.02毫巴之间并且可为例如为约0.01毫巴(1帕)。碰撞池可位于质谱仪的真空室内，即与真空泵连通。在这类配置中，除了气体流速之外，碰撞池中的气体压力还可取决于周围真空室中的压力。
38.在一个实施例中，在入口孔处与向前轴向方向相反的气流的流速在5毫升/分钟和40毫升/分钟之间。更具体地说，在入口孔处的气体流速可在10毫升/分钟和15毫升/分钟之间，优选地约12毫升/分钟。
39.优选地，另一dc电场分布取决于气体流速。也就是说，轴向场梯度的存在和/或大小优选地取决于气流的流速。在一个实施例中，仅当在入口孔处的气流的流速低于阈值时，才可产生进一步降低dc电场分布的动能。高于气体逆流的阈值，如果将存在进一步降低dc电场分布的动能，那么离子的动能降低可使得离子无法到达输出孔。
40.举例来说，阈值可在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，而约为10毫升/分钟的阈值为优选的。应理解，阈值可取决于各种参数，如碰撞池的尺寸、所使用的气体、被捕获的离子和被排斥的离子。
41.在一个实施例中，轴向场梯度可被布置成用于在替代操作模式期间暂时提高进入碰撞池的离子的动能。因此，在这类实施例中，轴向场梯度可暂时降低气体逆流的效应。
42.当轴向场梯度被布置成用于在使用替代操作模式的时间期间提高进入碰撞池的离子的动能时，轴向电场梯度在第二时间段期间可比在第一时间段期间小。相反，在第一时间段期间，轴向电场梯度可比在第二时间段期间大。也就是说，在释放事件期间，轴向场梯度增加的动能比在捕获事件期间小。这是为了防止进入的离子与捕获的离子混合。在一些实施例中，在第二时间段期间的轴向电场梯度可为零或甚至可被布置成用于降低离子的动能。
43.如上文提到，仅当气流的流速低于阈值时，才可产生进一步降低动能的dc电场分布。也就是说，如果气体流速高于阈值，那么可不产生进一步降低动能的dc电场分布，因为气体逆流已经提供足够的动能降低。实际上，离子的进一步动能降低可过度降低它们的速度，并且事件阻碍离子的捕获。
44.气体逆流可在碰撞池的大部分上延伸并且可在碰撞池的整个长度上延伸，但是这对于实现本发明的益处通常不是必需的。在一些实施例中，气体逆流可仅在碰撞池长度的约三分之一或四分之一上延伸。
45.因此，在一个实施例中，气体从入口孔和出口孔之间的距离的约四分之一和约四
分之三之间，优选地从入口孔和出口孔之间的约一半处与离子的向前轴向方向反向流动。在这类实施例中，气流方向在碰撞池长度的约前一半内与离子的向前轴向方向相反，并且在碰撞池长度的约后一半内与向前轴向方向基本上相同。
46.在另一个实施例中，气体从大致出口孔与离子的向前轴向方向反向流动，并且因此可在碰撞池的基本上整个长度上延伸。在这类实施例中，气流基本上在碰撞池的整个长度上为逆流。
47.气流可包含不能与离子反应的气体。非反应性气体优选地为惰性气体，如氦气。
48.其中发生注入事件的第一时间段和其中发生释放事件的第二时间段可具有不同的持续时间。第一时间段可比第二时间段长2至30倍，例如长约10倍或20倍。举例来说，第一时间段可具有约2毫秒的持续时间，而第二时间段可具有大约0.2毫秒或更短的持续时间，例如0.1毫秒。然而，相应持续时间的更大差异也是可能的。第一时间段可比第二时间段长大于30倍，例如40倍或甚至50倍。
49.第二时间段可再次跟随第一时间段，或另一个时间段，如延迟。在第一时间段(时间段t1)和随后的第二时间段(时间段t2)中执行的操作循环可根据需要重复多次，直到所需数量的离子已被释放并进行质量分析。若需要，可在循环之间调整施加到离子捕获器的电压，如产生轴向梯度的电压，以调整从离子去除的干扰。
50.当碰撞池包含构成四极布置的两对rf轴向电极时，方法可包含使用四极布置产生用于径向限制离子的rf电场分布。代替四极布置，可使用具有不同极数的替代布置，如例如六极或八极。因此，碰撞池可包含三对或更多对rf轴向电极，构成六极、八极或更高阶布置，而方法可包含使用六极、八极或更高阶布置产生用于径向限制离子的rf电场分布。尽管限制rf场可能永久存在，但是例如在释放事件期间它可能不存在。
51.尽管离子可源自各种来源，但是本发明在离子源自等离子体源并且包含原子离子和多原子离子的应用中特别有用。在这类应用中，原子离子可能是所需离子或分析物，而多原子离子可能是不需要的离子或基体离子。本发明的方法非常适合于将单原子分析物与相同质荷比(m/z)的多原子干扰分离，允许单原子分析物传递通过捕获器，同时排斥多原子干扰，因为它们的碰撞碰撞截面较大。
52.本发明基于由气体引起的阻力效应取决于离子的(碰撞)横截面的见解。本发明的实施例还基于当去除多原子干扰离子时，由气流引起的阻力和由轴向电场梯度引起的静电力的组合是有效的进一步的见解。继而，去除不需要的离子允许更有效地捕获所需的离子。也就是说，碰撞截面小的离子可到达离子捕获器的出口区域，在那里累积，而碰撞截面较大的离子(如基体离子)将暴露于气流阻力和静电力的组合以至于其将不到达碰撞池的出口区域。结果，减轻了由于基质离子的高丰度而产生的不希望有的空间电荷效应。
53.应注意，us 6,630,662公开一种用于质谱仪的离子导向器。此现有技术离子导向器配备有用于沿离子导向器生成dc和rf电场的分段轴向电极，并且还被布置成用于产生气流以产生阻力。在us 6,630,662中，气流的阻力和电场的梯度在相反的方向上起作用：向前轴向电场加速离子进入离子导向器，而气流的向后阻力使离子减速，据称允许通过轴向电场和气流的适当平衡来捕获离子。us 6,630,662的离子导向器没有用于捕获和释放离子的dc出口电极。
54.在本发明的方法中，第二时间段之前可为第一时间段，在第二时间段期间，产生第
二dc电场分布，在第一时间段期间，产生第一dc电场分布。相反，第二时间段之后可为第一时间段，紧接着或在第三时间段之后。举例来说，在这类第三时间段中，可不产生dc场，并且不将离子馈送到碰撞池中。
55.本发明另外提供用于质谱仪中的碰撞池，所述碰撞池包含：
56.‑
入口孔，其用于在向前轴向方向上接收离子，
57.‑
出口孔，其用于在向前轴向方向上发射离子，
58.‑
至少一个dc出口电极，其用于在第一时间段期间产生第一dc电场分布以捕获离子，并且用于在第二时间段期间产生第二dc电场分布以在向前轴向方向上朝向出口孔释放捕获的离子，
59.‑
至少一对rf轴向电极，其用于产生用于径向限制离子的rf电场分布，
60.‑
至少一个气体进口，其用于接收至少靠近入口孔与向前轴向方向相反的气流，以便根据离子的碰撞截面分离离子，和
61.‑
至少一个dc轴向电极，其用于产生具有用于调节通过入口孔进入碰撞池的离子的动能的轴向场梯度的另一dc电场分布，以便降低进入碰撞池的离子的动能。
62.根据本发明的碰撞池具有与上文所描述的方法相同的优点。碰撞池可具有一对、两对、三对、四对或其它数量的轴向rf电极对。类似地，碰撞池可具有一个、两个、三个或其它数量的dc出口电极。
63.至少一个dc出口电极，其也可称为捕获电极，可被布置靠近碰撞池的出口孔。在一些实施例中，至少一个dc出口电极可限定出口孔。也就是说，在一些实施例中，dc出口电极可由具有构成出口孔的通孔的如盘或板的元件构成。因此可在dc出口电极中提供出口孔。在这类实施例中，至少一个dc出口电极可限定出口孔。
64.举例来说，至少一个dc轴向电极可具有电阻梯度，其可由电阻器的串联布置构成。
65.在本发明的碰撞池中，轴向场梯度通常被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能。本发明的碰撞池还可被布置成用于仅在气流的流速低于阈值时产生另一dc电场分布。阈值可在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，并且可优选地约为10毫升/分钟。
66.在另一个实施例中，轴向场梯度可被布置成用于在替代操作模式中提高进入碰撞池的离子的动能。在这类实施例中碰撞池可被布置成用于在第二时间段期间产生比在第一时间段期间更小的轴向电场梯度。
67.其中轴向场梯度被布置成用于提高进入碰撞池的离子的动能的实施例还可被布置成用于仅当气流的流速高于阈值时产生具有加速轴向场梯度的电场。阈值可在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，并且可优选地约为10毫升/分钟。
68.根据本发明的碰撞池还可包含用于提供在入口孔处在5毫升/分钟和40毫升/分钟之间的气流的流速的气体源。流速可在10毫升/分钟和15毫升/分钟之间，例如约12毫升/分钟。
69.根据本发明的碰撞池可被布置成将气体压力维持在约0.001毫巴和0.1毫巴之间，优选地在约0.005和0.02毫巴之间，更优选地约为0.01毫巴。
70.至少一个气体进口可被布置在入口孔和出口孔之间的距离的约四分之一和四分之三个的区域之间，优选地约入口孔和出口孔之间的一半。在另一个实施例中，至少一个气体进口可被布置在大致出口孔处。
71.气流可包含不能与离子反应的气体，例如惰性气体，如氦气。可使用其它气体，如氮气或氩气。
72.根据本发明的碰撞池还可包含用于提供正和/或负电压以捕获和释放正和/或负离子的电压源。虽然icp
‑
ms应用产生带正电的离子，但是当使用能够生成负离子的其它电离源时也可应用本发明。
73.举例来说，施加在dc出口电极的典型电压可在
‑
100v至 50v的范围内，而施加到dc轴向电极的电压可在
‑
40v至 10v的范围内。此外，rf轴向电极可提供在
‑
40v至 10v的范围内的dc偏压。然而，也可选择其它合适的电压，这取决于离子的类型和碰撞池的几何形状。
74.在一个示例性实施例中，在dc轴向电极一端的一个电极上施加
‑
35v的电压，并且在另一个相对端的另一个电极上施加
‑
5v的电压，从而在dc轴向电极的长度上建立
‑
30v梯度，并且在碰撞池中心轴上的有效电场分布梯度为
‑
0.6v，假设中心轴的场穿透效率为2％。举例来说，当电极的长度为130mm时，这导致中心轴上的有效电场分布梯度为
‑
4mv/mm。
75.在操作期间的任何时间，碰撞池都可在一段时间内切换到常规的直通模式，即没有捕获和释放事件。举例来说，当分析m/z谱中没有可能产生干扰(例如基质干扰)的离子的区域时，用于捕获离子的第一dc电场分布可切断，并且因此不需要之后为用于释放捕获的离子的第二dc电场分布。在直通模式期间可不存在dc电场分布。在一些实施例中，在直通模式中，可在碰撞室中应用加速(在向前方向上)dc轴向场梯度。
76.本发明另外提供一种包含如上文所描述的碰撞池的质谱仪。根据本发明的质谱仪还还可包含至少一个离子源、至少一个质量分析器和至少一个用于检测离子的检测器。至少一个质量分析器可例如包含四极，或扇形磁质量分析器，或ftms质量分析器，或轨道捕获质量分析器(如orbitrap
tm
质量分析器)。离子源可为等离子体源，例如icp(电感耦合等离子体)源或微波诱导等离子体(mip)源。当这些离子由等离子体离子源生成时，它们通常为带正电的离子。
77.质谱仪通常包含控制器，所述控制器被配置成控制用于向电极供应电压的至少一个电压源，以便执行本发明的方法。控制器还可控制施加到光谱仪的各个部件的电压，包括但不限于至少一个离子源、任何离子导向器、任何质量过滤器、质量分析器和检测器。控制器可包含至少一个具有相关联的存储器的微处理器。可提供具有用于使至少一个处理器执行本发明的方法的程序代码模块的计算机程序。
78.本发明还提供了一种用于提供质谱仪的部件套件，所述部件套件包含以下中的至少两个：
79.‑
至少一个离子源，
80.‑
至少一个质量分析器，
81.‑
至少一个用于检测离子的检测器，和
82.‑
至少一个如上文所描述的碰撞池。
83.所述部件套件当组装时可提供如上文所描述的质谱仪。
附图说明
84.图1示意性地说明根据本发明的质谱仪的第一示例性实施例。
85.图2a
‑
2g示意性地说明根据本发明的碰撞池和其功能的示例性实施例。
86.图3示意性地说明根据本发明的质谱仪的第二示例性实施例。
87.图4a和4b示意性地说明根据现有技术用三重四极质谱仪获得的ipc
‑
ms谱。
88.图5a和5b示意性地说明根据本发明用三重四极质谱仪获得的ipc
‑
ms谱。
89.图6a和6b分别示意性地说明根据现有技术和根据本发明的随轴向梯度电压而变的基体信号。
90.图7a和7b示意性地说明根据本发明获得的质谱的两个区域。
91.图8示意性地说明操作根据本发明的碰撞池的方法的实施例。
具体实施方式
92.质谱中经常出现的一个问题是，不需要的同量异位离子物种与需要的分析物离子混合，导致在m/z(质量/电荷)域中与所需分析物离子的光谱信号的相同或相似位置产生不需要的光谱信号。这些不需要的信号，即所谓的干扰，使基于光谱信号的定量变得不可靠，并且可甚至导致某些分析物信号被抑制。本发明通过使用气流和电场的组合来阻止或抑制不需要的离子物种并且仅让感兴趣的分析物通过来解决此问题。
93.本发明基于移动通过气流的离子所经历的阻力可用于分离这些离子的见解。众所周知，移动通过粘性气流的粒子受到阻力fd，其由斯托克斯
‑
坎宁安(stokes
‑
cunningham)公式描述：
[0094][0095]
其中
[0096][0097]
其中
[0098][0099]
其中a、b和e为常数，μ为气体粘度，r为分析物(粒子)半径，kn为克努森数(knudsen's number)，v为分析物速度，λ为分析物平均自由程，σ为气体分子碰撞截面，n为气体数密度。
[0100]
在粘性气流中，阻力与粒子(例如分析物)速度方向相反，并且与粒子的有效半径成正比。因此，在碰撞池或碰撞反应池(crc)中，引入气体逆流中的电离物种(当气流的方向与离子初始速度相反时)将失去动能并因此减速。这种减速将与离子的碰撞截面成正比，因为具有较大(碰撞)截面的离子比具有较小(碰撞)截面的离子更可能与气体分子碰撞。结果，上述由方程(1)表示的阻力将主要应用于具有较大碰撞截面的较大同量异位离子。这些较大截面物种将其更高程度的初始动能传递到气体分子，导致即使当那些物种为同量异位时，不同碰撞截面的物种也在空间上分离。
[0101]
通过在碰撞池中也产生轴向电场分布，可进一步改变离子的动能。以此方式，提供改变离子动能的附加机制。施加在带电物种上的电场力由以下控制：
[0102][0103]
其中e为元电荷，并且φ为电势。因此，轴向电势梯度的增加导致电场强度e成比例
增加，这将基于物种的迁移率k驱动带电物种以恒定速度vd通过粘性气体：
[0104][0105]
在较低粘度状态下(气体流速<10毫升/分钟)，减速电场可能具有施加在碰撞池轴线上的恒定场强。
[0106]
通过提供用于捕获和释放离子的附加电场，碰撞池还可用作离子捕获器。用作离子捕获器的碰撞池的离子操控可由两个事件表示，其可被称为(离子)注入事件和(离子)释放事件。根据本发明，提供一种碰撞池，所述碰撞池允许捕获并随后释放所需的分析物，同时排斥不需要的物种。
[0107]
其中可应用本发明的质谱仪的示例性实施例示意性地在图1中示出。
[0108]
图1的质谱仪100为改进的三重四极质谱仪，其结合作为crc(碰撞反应池)的高能碰撞解离(hcd)池10。示出质谱仪100包含电感耦合等离子体(icp)离子源1，其可例如采用以27mhz的频率操作的1400w rf(射频)发生器。图1的质谱仪100还包含采样锥2、截取锥3、离子提取光学器件4a和4b、角偏转组件5a和5b、预选四极聚焦透镜7、预选四极进入孔8和预选四极9。预选四极9可选择待传输到下游进行分析的离子的质量范围。
[0109]
在示出的实例中，碰撞池(或碰撞反应池)10包含第二四极。示出碰撞池10包含入口孔电极11、四极杆12和出口孔电极13。中间偏转器组合件包含偏转器组合件组件14、15a和15b，其可以分别称为焦点(focus)、d2和d1。示出第三或分析四极16包含入口孔电极17、分析四极杆18和分析四极出口孔电极19。示出检测器组合件20包含检测器类似倍增电极21、检测器模拟信号电极22、检测器栅极23、检测器计数信号24和充当电子倍增器电极的检测器计数器倍增电极25。替代地，可使用或微通道板(mcp)检测器。在其它实施例中，检测器组合件20可包含法拉第杯(faraday cups)。在一些类型的质量分析器中，如ftms(傅立叶变换质谱仪)类型，检测器可包含检测分析仪中的振荡离子的镜像电流检测器。
[0110]
质谱仪100可包含为了简化附图而未在图1中示出的另外的部件。举例来说，一个或多个电压源可被布置成用于向四极布置供应ac和/或dc电压，而气体源可向碰撞池10供应气体。类似地，气体源可被布置成用于向icp离子源1供应气体。
[0111]
质谱仪100可被布置成使得离子在它们进入碰撞池10时具有高初始动能。若需要，所属领域技术人员将能够容易地向各个部件施加合适的电压以加速离子。
[0112]
离子源1、采样锥2、截取锥3、离子光学器件4a和4b、碰撞池10、质量分析器16和检测器组合件20可作为用于生产根据本发明的质谱仪的部件套件供应。用于生产根据本发明的质谱仪的部件套件可包括更多或更少的部件。
[0113]
图1还示出了从离子源1通过质谱仪100的各个部件到检测器组合件20的离子轨迹it。
[0114]
图1的碰撞池10的示例性实施例在图2a
‑
d中更详细地示出，而其功能的方面在图2e
‑
g中示意性地示出。碰撞池10在图2a中的正视图和图2b中的侧视图中示出。图2c示出沿图2b中的线b
‑
b的截面视图，而图2d示出沿图2a中的线a
‑
a的截面视图。
[0115]
示出碰撞池10包括外壳115，其具有离子可进入的前端和离子可离开的后端。在前端，入口孔电极111(其可对应于图1中的入口孔电极11)由具有入口孔116的板构成，而在后端，出口孔电极113(其可对应于图1中的出口孔电极13)由具有出口孔117的板构成。四极杆
112和轴向场梯度叶片114在平行于外壳15的纵向轴线的纵向方向(图2e中的ld)上布置。如图2c中可看出，碰撞池10具有四个叶片114，其位于四个四极杆112之间的相应空间中。
[0116]
进口119提供在外壳115中以允许气体进入外壳。如图2b中可看出，在示出的实施例中，进口119位于沿外壳长度的约一半处。在此实施例中，进入外壳115的气体将大致均匀地分布在外壳的上游和下游部分上。举例来说，在10毫升/分钟的流速下，气体的压力可为约0.01毫巴(1pa)。在一些实施例中，进口可位于更靠近入口孔116或更靠近出口孔117处，例如在外壳115的长度的约四分之一处，或在外壳115的长度的约四分之三处。
[0117]
叶片114可由pcb(印刷电路板)构成，例如陶瓷或聚合物pcb，具有电阻器的布置，例如串联布置的二十个电阻器，50kω每个，以实施分压器，所述分压器可沿叶片提供一定范围的电压，例如进行性范围。举例来说，在us 7,675,031或us 8,604,419中描述了电阻器的这类串联布置，其中每个叶片被分成多个部分(或段)。每个部分产生一个电压，所述电压由施加到入口和出口段的电压以及电阻器的值确定。通过向叶片施加合适的电压，产生电压梯度和对应的轴向电场梯度。每个叶片在碰撞池纵向轴线上的电场穿透通常仅为约2％，使得当向叶片施加30v时，仅0.6v贡献到轴线上的电场。
[0118]
限定出口孔117的板(或出口孔部件)113可充当电极，具体地说用作dc出口电极，其可用于捕获和释放离子，从而使得能够碰撞池用作离子捕获器。在第一时间段的注入事件期间，可捕获离子，而在第二时间段的释放事件期间，可释放或清除离子。本发明仅允许捕获并随后释放所需离子，如分析物离子。
[0119]
碰撞池可在低粘度状态下操作，其中气体流速小于约15毫升/分钟，或在高粘度状态下操作，其中气体流速等于或大于约15毫升/分钟
[0120]
在低粘度状态下的注入事件期间，减速轴向电场梯度可相对较浅，并且在一些情况下甚至可为零。然而，减速轴向电场梯度的非零值是优选的。通过将所有四极杆112偏压到相同的负电压(例如，当进入离子为正时，
‑
10v至
‑
1v)，同时将出口孔电势提高到较高的正水平(例如 10至 30v)，进入的离子可极为接近出口孔117被捕获。产生轴向梯度的叶片114的第一或入口电极(例如在最靠近入口孔116的端部处)可被偏置到负电压(例如
‑
35v至
‑
10v)，其优选地低于四极杆偏压。叶片114的第二电极或出口电极(例如最靠近出口孔117的端部)具有比第一电极或入口电极高的电压并且可与四极偏压短路。举例来说，此四极偏压可为
‑
10v至
‑
1v范围内的电压。
[0121]
在低粘度状态下的释放事件期间，减速轴向电场梯度可快速增加。此外，四极偏压(也可称为四极杆偏压)可增加到高于出口孔电势的水平。四极杆偏压(其可与叶片的第二或出口电极处的电压相同)可例如增加到正电平(例如 2v至 7v)，而出口孔电势可降低到负电平(例如
‑
100v至
‑
30v)。叶片的第一电极处的电压可保持不变。结果，与第一时间段期间相比，在第二个时间段期间生成更强的轴向减速场，以防止进入的离子进入捕获器，在第一时间段期间捕获离子，在第二个时间段将捕获的离子从碰撞池释放。这防止离子进入捕获器并与在之前的注入事件期间已经累积的离子混合。由于杆和出口孔之间的强正轴向梯度，捕获的离子可在约0.1秒的相对较短的时间内从捕获器中清除。给定典型离子注入事件的持续时间为2
‑
3毫秒，离子捕获和释放以大于95％的占空比执行。在第一时间段期间，当离子被捕获时，减速轴向电场梯度可为浅的并且在一些实施例中甚至可为零。然而，在第一时间段期间减速轴向电场梯度的非零值是优选的。
[0122]
在粘度较高的情况下(气体流速>15毫升/分钟)，在某些情况下，可沿碰撞池轴线对进入的离子束施加加速场梯度。在这种情况下，静电场力对抗气流施加在离子物种上的阻力。事件的时间和施加到四极杆和出口孔的电势与上文所描述的类似。差异为加速轴向电场的方向和大小。在注入注入事件期间可应用更强的轴向梯度以帮助具有较小横截面的离子通过粘性气流。给定例如
‑
10v至
‑
1v的四极杆偏压，可将例如 5v至 20v范围内的电势施加到叶片114的第一或入口电极(梯度入口点)。在释放事件期间，四极杆偏压(其可与叶片114的第二或出口电极处的电压相同)可增加到例如 3v至7v，导致较弱的轴向电场，这不足以克服所有物种的阻力。这防止进入的离子进入捕获区域并与累积的物种混合。
[0123]
因此，在本发明中，碰撞池中的捕获或释放dc电场与气体逆流和减速轴向电场组合，在一些情况下，这可由加速轴向电场交替。此组合允许捕获所需离子并排斥干扰离子，从而使得能够干扰抑制。气流和电场以此方式配置使得：至少大部分所需离子的离子群可被捕获并且可被释放然后进行分析，而至少大部分不需要离子干扰(在m/z域中)离子群将被气流和静电轴向电场的组合阻止在池中进一步前进。
[0124]
靠近出口孔的离子捕获或积累可使得能够将离子从碰撞池中快速清除并且维持碰撞池操作的较高占空比。这可通过在气体进口和出口孔之间的捕获区域中在向前方向上的气流来增强。给定在释放事件期间较高的负(减速)轴向电场梯度(对于进入的离子)，这类梯度也可导致从位于在后向(上游)方向上梯度出口点上游的碰撞池清除离子。对方法的灵敏度可为有害的此效应可通过在进口和出口孔之间的捕获区域中向前方向上的气流来减轻。
[0125]
在图2a
‑
2d的实施例中，四极杆112和叶片114布置在外壳115的纵向方向上，四极杆充当rf轴向电极并且叶片用作dc轴向电极。在一些实施例中，杆还可充当dc轴向电极，在此情况下可省略叶片。也就是说，在一些实施例中，rf轴向电极和dc轴向电极可由相同的电极构成，然后可将其称为轴向电极。这些轴向电极在那些实施例中用于产生dc和ac(交流电，这里是rf)电场分布。
[0126]
rf和dc轴向电极可通过多种方式提供，如：
[0127]
(1)四极杆组，其杆沿其轴向方向呈锥形，使得杆的宽端在碰撞池的入口处，并且窄端在碰撞池的出口处，或反之亦然；
[0128]
(2)四极，其倾斜但直径一致的杆，即一对杆的端部位于更靠近池的一端处的中心轴，而另一对杆的端部位于更靠近池的另一端处的中心轴；施加到(1)和(2)中的杆配置的dc电势将在两种情况下导致沿中心轴的轴向电势；在情况(1)和(2)中，轴向场电极和rf电极为相同的电极；
[0129]
(3)四极，其杆被圆筒形壳体包围，所述圆筒形壳体被分成由绝缘环分开的段，并且其中通过向不同的段施加不同的电压来生成轴向场；
[0130]
(4)四极组合件，在四极杆之间布置有四个辅助杆充当轴向场电极，并且其中轴向场通过在辅助电极的长度上以平行方式施加电压梯度而生成；
[0131]
(5)在四极杆中的杆上涂覆不均匀的电阻涂层，使得当施加dc电压时沿杆生成轴向场；
[0132]
(6)具有沿其长度以非对称方式由电阻材料制成的杆，以便当向杆施加电压时生成场；
[0133]
(7)用绝缘环将杆分成段，并且将不同dc电压施加到段；
[0134]
(8)具有来自绝缘材料的杆，其端部具有通过电阻材料连接导电金属；和/或
[0135]
(9)用低电阻率材料涂覆杆，并且在杆的两端施加不同的电压。
[0136]
示例性轴向场电极包括在us 7,675,031中公开的那些，其中电极组合件被提供为布置在薄基板(例如pcb)上并且安置在离子捕获器的四极杆之间的指状电极。通过沿电极组合件的长度施加进行性范围的电压，沿组合件生成轴向场。
[0137]
rf轴向电极优选地在碰撞池的入口孔和出口孔之间的大部分距离上延伸，例如在碰撞池的入口和出口孔之间的距离的至少60％、至少70％、至少80％或至少90％上延伸。类似地，dc轴向电极优选地在碰撞池的入口孔和出口孔之间的大部分距离上延伸，例如在碰撞池的入口孔和出口孔之间的距离的至少60％、至少70％、至少80％或至少90％上延伸。
[0138]
根据本发明的碰撞池的示例性实施例在图2e中示意性地说明。示意性地示出的图2e的碰撞池10可类似于图2d的碰撞池10。为附图简单起见，几个部件未在图2e中示出，如四极杆(图2d中的112)。
[0139]
示出图2e的碰撞池10包含其中容纳叶片114的主体115。入口孔电极111由具有入口孔116的板构成，而出口孔电极113由具有出口孔117的板构成。示出气体进口119大致定位在碰撞池10中间。气体进口119可连接到合适的气体供应器。
[0140]
示出离子轨迹it与碰撞池10的纵向方向ld基本重合。离子通过入口孔116进入碰撞池10并且通过出口孔117离开。示出进入碰撞室的气流基本上分成两个部分流动：从气体端口119流动到入口孔116(图2e中向左)的第一部分气流g1和从气体端口119流到出口孔117(图2e中向右)的第二部分气流g2。因此第一部分气流g1和离子流具有相反的方向。结果，第一部分气流g1降低进入碰撞池的离子的动能。另一方面，第二部分气流g2具有与离子流相同的方向，并且因此提高离子的动能。
[0141]
应注意，入口和出口孔小，以限制通过这些开口的气流并维持碰撞室内所需的压力。在示例性实施例中，入口孔116的直径为3mm，而出口孔117的直径为2mm。应理解，本发明不限于这些直径，并且入口孔116的直径可在例如约1.5至6mm，或约2至4mm的范围内。类似地，出口孔117的直径可在例如约1至4mm的范围内。第一部分气流g1的至少一部分将流动通过入口孔并且离开碰撞池。在一些实施例中，如果在入口电极中或附近存在其它开口，那么100％的第一部分气流g1可流动通过入口孔116，在其它实施例中小于100％，例如90％或60％。
[0142]
在图2f中，示意性地示出在第一时间段内由叶片(图2e中的114)和出口电极(图2e中的113)产生的电场分布。由入口电极(图2e中的111)产生的任何电场分布未在图2f中示出，但是此电场可具有低甚至负值以吸引正离子。示出轴向dc电场e
ax1
在离子轨迹it的方向上提高，从而降低正离子的动能。在最靠近出口电极(图2e中的113)的叶片端部，电场e
ax1
达到值e1。出口电极产生具有值e2的dc电场e
ex1
，其大于e1以便靠近出口孔(图2e中的117)捕获离子。
[0143]
在图2g中，示意性地示出在第二时间段内由叶片(图2e中的114)和出口电极(图2e中的113)产生的电场分布。由入口电极(图2e中的111)产生的任何电场分布未在图2g中示出。示出轴向dc电场e
ax2
在离子轨迹it的方向上提高，从而降低正离子的动能。在最靠近出口电极(图2e中的113)的叶片端部处，电场e
ax2
达到值e3，其值大于图2f中的场e
ax1
所达到的
最大值e2。导致更大电场梯度的此更大的值e3用以在清除捕获的离子时减少进入离子的数量。此清除通过将出口电极产生的电场降低到低(甚至负)值e4来实现。
[0144]
通过针对连续离子注入(捕获)事件调整碰撞池中轴向场梯度的大小，干扰的去除可为可调谐的，使得优化阻力和轴向场梯度力以将感兴趣的分析物离子与干扰离子分离。因此，可根据在碰撞池下游分析的离子的m/z来调整捕获时间段期间碰撞池中轴向场梯度的大小。
[0145]
在操作期间中的任何时间，碰撞池都可在一段时间内切换到传统的直通模式，即没有注入(捕获)和释放事件。举例来说，当分析m/z谱中没有可能干扰的离子的区域时，可切断用于捕获离子的第一直流电场分布，并且因此不需要之后为用于释放捕获的离子的第二直流电场分布。在直通模式期间可不存在dc电场分布。在一些实施例中，在直通模式中，可在碰撞室中应用加速(在向前方向上)dc轴向场梯度。在碰撞池下游包含质量分析器的实施例中，如图1中所示的实施例，例如具有四极质量分析器16，其中质量分析器扫描m/z区域以提供质谱，碰撞池模式(捕获/释放模式或直通模式)可根据当时被分析的m/z进行切换。
[0146]
图3示意性地示出混合icp
‑
orbitrap
tm
质谱仪(如由德国不来梅的赛默飞世尔科技生产)的示例性实施例，其也用于这些研究。此仪器具有双检测系统，使得用二次电子倍增器(sem)或图像电荷检测电路(在傅立叶变换质谱仪侧)独立获取信号。如所描绘，icp接口通过后法兰联接到q exactive
tm
plus orbitrap
tm
质谱仪，使得icp生成的离子通过高能碰撞解离(hcd)池引入orbitrap
tm
质谱仪，如图2a和2b所示。hcd单元在捕获模式下操作并且具有独立控制的轴向场。
[0147]
图3的质谱仪100'包含icp离子源1、采样锥2、截取锥3、离子提取光学器件4、角偏转组合件5、预选四极聚焦透镜7、预选四极进入孔8、预选四极9，如图1的质谱仪100。图3的质谱仪100'还包含回弹透镜31，其使离子能够传输到orbitrap
tm
分析仪或离子朝向sem(二次电子倍增器)检测器32反射。hcd(高能碰撞解离)池10和34可与图1实施例的碰撞池10相同。根据本发明，hcd池10可用作具有质量流量控制器和不同碰撞气体的crc。传递八极33可将离子传递到与orbitrap
tm
分析仪37相关联的另一hcd池34。离子可从hcd池34转移到c
‑
捕获器35，从那里它们被喷射出来，经由z
‑
透镜36行进到orbitrap
tm
分析仪37进行质量分析。在用icp离子源的实验中，分析物被注入并且捕获在orbitrap
tm
分析仪37的hcd池34中，转移到c
‑
捕获器35，并且然后通过静电透镜(z
‑
透镜)组合件36进一步清除到orbitrap
tm
分析仪37进行信号分析和检测。
[0148]
举例来说，提供电喷雾电离(esi)源47、加热毛细管46、s
‑
透镜45、注入平板极44、弯曲平板极43、另外的分析四极42和传递八极41以分析生物分子物种。传递八极41与c
‑
捕获器35耦合，使得hcd池34、z
‑
透镜36和orbitrap
tm
分析仪37可由esi产生的和icp产生的离子共用。
[0149]
图4a示出使用三重四极ms仪器的标准配置在没有气体引入到碰撞池时获得的典型icp
‑
ms谱。标记“强度校准(cps)(106)”的纵轴指示以每秒计数(cps)为单位测量的谱的(校准)强度，而标记“质量(u)”的横轴指示以统一的原子质量单位或道尔顿表示质量。如图4a可看出，标记为clo(左上)、aro

(中上)和ar
2
(左下)的峰是由于clo

、aro

和ar
2
的最明显干扰所致分别在含有0.5％hcl的2％hno3icp
‑
ms调谐溶液中检测到。此外，说明
59
co、
115
in和
209
bi的信号。示出分析物以1
±
0.05μg/l或1ppb的浓度存在于调谐溶液中。
[0150]
图4b示出clo

/co

(底部)、ar
2
/co

(中间)和aro

/co

(顶部)的比率的时域信号迹线。纵轴指示强度(cps)，而横轴表示以千秒(thousands of seconds)(即，千秒(kiloseconds)为单位的时间。平均，这些强度比分别为10、40和75。
[0151]
图5a示出了在本发明的干扰抑制条件下与图4a中相同组分的icp
‑
ms信号。crc填充有氦气，流速为12毫升/分钟，并且在捕获模式下操作。沿碰撞池的长度引入约0.2v/mm的轴向场梯度。每个捕获事件涵盖2毫秒的注入时间，之后为0.1毫秒清除(释放)时间。捕获波形以500hz的重复频率与四极杆操作异步运行。
[0152]
图5b示出干扰抑制模式中基体离子与co

的信号比的时域表示。选择与图4b中相同的基体物种进行分析。将氦气以12毫升/分钟的流速填充到crc中，并且沿crc轴线施加0.2v/mm的电场。如图5b所说明，平均，对于clo

、ar
2
、aro

，干扰与co

的比分别急剧降低到0.04、0.08和1.8。如上文提到，这些比分别为10、40和75。这分别构成250、500和40倍的干扰抑制。
[0153]
在干扰抑制模式下，分析信号示出不同的趋势。举例来说，co

信号减少40％至50％，而bi

信号增加250％。同时，clo

、ar
2
和aro

干扰信号减小高于100倍。换句话说，虽然分析信号可由于干扰抑制而增加或减少，但是干扰信号显著减少，远远超过任何分析信号。
[0154]
图6a和6b示出基体(图6a)和分析物(图6b)信号对轴向梯度的依赖性。更具体地说，它们示出在两个实验中，一个具有气流，另一个没有气流，以计数(纵轴)表示的检测信号强度随以伏特(横轴)表示的梯度入口电势而变，。梯度入口或梯度入口电压为叶片的第一或入口电极处的电压。在两个实验中，碰撞池(此处称为hcd)的杆或rf轴向电极在注入事件(第一时间段)期间具有
‑
10v的偏压，并且在清除或释放事件(第二时间段)期间具有 5v的偏压。使用12毫升/分钟的氦气流动获得的图6b的结果。在图6a中，纵轴上(信号强度)的比例为0至8.0
×
105，而图6b中比例为0至3.0
×
105。
[0155]
结果指示，虽然基体信号抑制在负轴向梯度增加时表现出2
‑
3个数量级的效应，但分析物信号仅降低30％
‑
50％。分析物与基体信号比的这种增强归因于阻力效应，其与感兴趣物种的碰撞截面成正比。由于基质物种的碰撞截面比具有相同或类似m/z的分析物对应物的碰撞截面高，所以基体离子在位于气体引入端口上游的crc部分经历更明显的减速。因此，基体离子不再有效地积累在以捕获模式下操作的crc池的下游部分，与标准传输模式相比，多原子干扰的急剧减少证明了这一点。
[0156]
图7a和7b示出高分辨率质谱的两个区域，在纵轴上示出离子的相对丰度，并且在水平轴上示出m/z(质荷比)比。使用图3所示类型的icp
‑
orbitrap
tm
质谱仪获得质谱，同时使用设置2％hno3溶液，所述溶液含有25种元素，浓度在3ppb至30ppb的范围内。在注入orbitrap
tm
分析仪之前，icp生成的离子被捕获在充满氮气(n2)的高能碰撞池(hcd)中，然后被释放到c
‑
捕获器以注入到orbitrap
tm
质量分析器中。hcd以0.5v/mm的线性场梯度运行。谱显示对aro

和ar
2
基体离子的完全抑制。以高能量(例如1至5kv，或约3至4kv)将离子从c
‑
捕获器喷射到orbitrap
tm
质量分析器可对去除分子干扰离子具有额外的增强效应。因此，本发明的另一个方面包含将来自icp离子源的离子，无论是否经由如本文所描述的碰撞池转移到离子捕获器(例如线性离子捕获器，如c
‑
捕获器)，并例如用1至10kv或1到5kv，或约3或4kv的喷射能量将捕获的离子从离子捕获器喷射到质量分析器。
[0157]
图7a和7b的测量数据呈现在下表中。
[0158]
图7a：
[0159]
m/zr元素ppm53.9391131542
54
fe0.824554.9375136127mn0.440855.9344138703fe0.157756.9348137775
57
fe
‑
0.186757.9348137433ni
‑
0.401258.9326135795co
‑
0.753759.9302135773
60
ni
‑
0.549460.9305124935
61
ni
‑
0.627061.9278130341
62
ni
‑
0.356762.9290131781cu
‑
0.800763.9286129194zn
‑
0.505564.9272129576
65
c
‑
0.759165.9255130075
66
zn
‑
0.310466.9265118371
67
zn
‑
0.664567.9243127867
68
zn
‑
0.267668.9250127422ga
‑
0.627969.9247120593
70
zn
‑
0.966670.9241126064
71
ga
‑
0.4943
[0160]
图7b：
[0161]
m/zr元素ppm83.9129106691
84
sr0.180285.9087105650
86
sr0.150986.9084107468
87
sr0.624087.9051111802
88
sr0.338083.9129106691
84
sr0.1802
[0162]
在图8中示意性地说明操作根据本发明的碰撞池的方法的示例性实施例。方法200开始于步骤201，其中启动方法。在步骤202，例如通过使用rf轴向电极对生成用于限制离子的轴向rf场。
[0163]
在步骤203，产生dc电场分布，其被布置成降低离子的动能并且由此离子减速。可通过使用至少一个dc轴向电极但优选地使用几个，例如两个、四个、六个或八个dc轴向电极来产生减速dc电分布。
[0164]
在步骤204生成通过碰撞池的气流，气流在碰撞池的长度的至少一部分上，例如在碰撞池的长度的约一半上逆流。
[0165]
在步骤205，将离子在向前上馈送到碰撞室中，气体逆流在向后方向上。也就是说，将离子馈送到碰撞池中的向前方向和气体逆流方向是相反的方向。
[0166]
在步骤206，产生第一dc电场分布以捕获碰撞池中的离子。在步骤207，产生第二dc电场分布以便在向前方向上从碰撞室释放捕获的离子。方法可返回到步骤206，其中生成捕
获场。也就是说，捕获步骤206和释放步骤207可在更长的时间段内重复。
[0167]
注意，方法权利要求中的步骤列表不需要暗示时间顺序，因为一些步骤可同时执行，至少在时间上部分重叠(例如步骤202、203、204、205和206或207)或可以按照不同于描述的其它顺序进行。举例来说，rf场产生步骤202、气体产生步骤204和离子馈送步骤205可以不同的顺序或基本上同时进行。离子馈送步骤205可仅在捕获场产生步骤206已经开始之后进行。虽然rf场产生步骤202、气体产生步骤204和离子馈送步骤205可连续进行，但是捕获步骤206和释放步骤207可交替进行。
[0168]
气流可包含不能与离子反应的气体。在一些实施例中，气流可完全由不能与离子反应的气体组成，但是在其它实施例中，气流可包括至少一种其它气体，其可或可不为非反应性的。不能与离子反应的气体可为惰性气体，如氦气。
[0169]
应注意，本发明具体地说适用于单原子分析物(即元素离子)，并且尤其适用于电感耦合等离子体质谱(icp
‑
ms)应用。本发明最有效，但不限于，在单原子分析物存在时抑制多原子干扰。因此，在本发明的方法中，通过碰撞池接收的离子可源自等离子体源并且可包含原子离子和多原子离子。可通过根据本发明的方法和装置抑制的多原子干扰可包括通常源自等离子体离子源和/或来自普通样品基体的一种或多种以下多原子离子：ar
2
、aro

、arh

、clo

。
[0170]
本发明的某些实施例可总结在以下条款中：
[0171]
1.一种操作质谱仪中的碰撞池的方法，所述碰撞池包含入口孔、出口孔、至少一个dc出口电极和至少一对rf轴向电极，所述方法包含：
[0172]
‑
将离子在向前轴向方向通过入口孔馈送到碰撞池中，
[0173]
‑
使用至少一对rf轴向电极产生用于径向限制离子的rf电场分布，
[0174]
‑
在第一时间段期间并且使用至少一个dc出口电极产生用于捕获碰撞池中的离子的第一dc电场分布，
[0175]
‑
在第二时间段期间并且使用至少一个dc出口电极产生用于在向前轴向方向上朝向出口孔释放捕获的离子的第二dc电场分布，和
[0176]
‑
在碰撞池中产生至少靠近入口孔与向前轴向方向相反的气流，以便根据离子的碰撞截面分离离子。
[0177]
2.根据条款1所述的方法，其中碰撞池还包含至少一个dc轴向电极，所述方法还包含：
[0178]
‑
使用至少一个dc轴向电极产生具有用于调节通过入口孔进入碰撞池的离子的动能的轴向场梯度的另一dc电场分布。
[0179]
3.根据条款2所述的方法，其中轴向场梯度被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能。
[0180]
4.根据条款3所述的方法，其中轴向电场梯度在第二时间段期间比在第一时间段期间大。
[0181]
5.根据条款3或4所述的方法，其中仅当气流的流速低于阈值时才产生另一dc电场分布，所述阈值优选地在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，更优选地约10毫升/分钟。
[0182]
6.根据条款2所述的方法，其中轴向场梯度被布置成用于提高进入碰撞池的离子的动能。
[0183]
7.根据条款6所述的方法，其中轴向电场梯度在第二时间段期间比在第一时间段期间小。
[0184]
8.根据条款6或7所述的方法，其中仅当气流的流速高于阈值时才产生另一dc电场分布，所述阈值优选地在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间更优选地约10毫升/分钟。
[0185]
9.根据前述条款中任一项所述的方法，其中在入口孔处的气流的流速在5毫升/分钟和40毫升/分钟之间。
[0186]
10.根据条款9所述的方法，其中流速在10毫升/分钟和15毫升/分钟之间，优选地约12毫升/分钟。
[0187]
11.根据前述条款中任一项所述的方法，其中碰撞池中的气体压力在0.001毫巴和0.1毫巴之间，优选地约0.01毫巴。
[0188]
12.根据前述条款中任一项所述的方法，其中气流从位于入口孔和出口孔之间的距离的约四分之一和约四分之三之间，优选地在入口孔和出口孔之间的约一半处的至少一个进口与离子的向前轴向方向反向流动。
[0189]
13.根据条款1至11中任一项所述的方法，其中气流从大致位于出口孔处的至少一个进口与离子的向前轴向方向反向流动。
[0190]
14.根据前述条款中任一项的方法，其中气流包含不能与离子反应的气体，优选地惰性气体，如氦气。
[0191]
15.根据前述条款中任一项的方法，其中第一时间段比第二时间段长2至30倍，优选地长约20倍。
[0192]
16.根据条款15所述的方法，其中第一时间段具有约2毫秒的持续时间，并且第二时间段具有约0.1毫秒的持续时间。
[0193]
17.根据前述条款中任一项的方法，其中碰撞池包含构成四极布置的两对rf轴向电极，并且其中所述方法包含使用四极布置产生用于径向限制离子的rf电场分布。
[0194]
18.根据前述条款中任一项所述的方法，其中碰撞池包含三对或更多对rf轴向电极，构成六极、八极或更高阶布置，并且其中所述方法包含使用所述六极、八极或更高阶布置产生用于径向限制离子的rf电场分布。
[0195]
19.根据前述条款中任一项所述的方法，其中离子源自等离子体源并且包含原子离子和多原子离子。
[0196]
20.一种质谱分析方法，其包含：
[0197]
‑
在等离子体离子源中生成离子，
[0198]
‑
将离子传输到碰撞池，和
[0199]
‑
根据前述条款中任一项所述的方法操作碰撞池，
[0200]
其中产生第二dc电场分布使离子从碰撞池喷射出来，所述方法还包含：
[0201]
‑
将喷射出来的离子传输到质量分析器，和
[0202]
‑
在质量分析器中对离子进行质量分析。
[0203]
21.一种用于质谱仪的碰撞池，所述碰撞池包含：
[0204]
‑
入口孔，其用于在向前轴向方向上接收离子，
[0205]
‑
出口孔，其用于在向前轴向方向上发射离子，
[0206]
‑
至少一个dc出口电极，其用于在第一时间段期间产生第一dc电场分布以捕获离
子，并且用于在第二时间段期间产生第二dc电场分布以在向前轴向方向上朝向出口孔释放捕获的离子，
[0207]
‑
至少一对rf轴向电极，其用于产生用于径向限制离子的rf电场分布，和
[0208]
‑
至少一个气体进口，其用于接收至少靠近入口孔与向前轴向方向相反的气流，以便根据离子的碰撞截面分离离子。
[0209]
22.根据条款21所述的碰撞池，所述碰撞池还包含至少一个dc轴向电极，其用于产生具有用于调节通过入口孔进入碰撞室的离子的动能的轴向场梯度的另一dc电场分布。
[0210]
23.根据条款22所述的碰撞池，其中至少一个轴向电极具有电阻梯度，所述电阻梯度优选地包含电阻器的串联布置。
[0211]
24.根据条款22或23所述的碰撞池，其中轴向场梯度被布置成用于降低进入碰撞池的离子的动能。
[0212]
25.根据条款24所述的碰撞池，其被布置成用于在第二时间段期间产生比在第一时间段期间更大的轴向电场梯度。
[0213]
26.根据条款24或25所述的碰撞池，其被布置成用于仅当气流的流速低于阈值时才可产生另一直流电场分布，所述阈值优选地在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，更优选地约10毫升/分钟。
[0214]
27.根据条款21所述的碰撞池，其中轴向场梯度被布置成用于提高进入碰撞池的离子的动能。
[0215]
28.根据条款27所述的碰撞池，其被布置成用于在第二时间段期间产生比在第一时间段期间更小的轴向电场梯度。
[0216]
29.根据条款27或28所述的方法，被布置成用于仅在气流的流速高于阈值时才产生具有加速轴向场梯度的电场，所述阈值优选地在8毫升/分钟和12毫升/分钟之间，更优选地约10毫升/分钟。
[0217]
30.根据条款21至29中任一项所述的碰撞池，其还包含至少一个气体源，用于在入口孔处提供在5毫升/分钟和40毫升/分钟之间的气流流速。
[0218]
31.根据条款30所述的碰撞池，其中流速在10毫升/分钟和15毫升/分钟之间，优选地约12毫升/分钟。
[0219]
32.根据条款21至31中任一项所述的碰撞室，其被布置成将气压维持在0.001毫巴和0.1毫巴之间，优选地约0.01毫巴。
[0220]
33.根据条款21至32中任一项所述的碰撞池，其中至少一个气体进口布置在入口孔和出口孔之间的距离的约四分之一和四分之三之间，优选地在入口孔和出口孔之间的约一半处。
[0221]
34.根据条款21至33中任一项所述的碰撞池，其中至少一个气体进口大致布置在所述出口孔处。
[0222]
35.根据条款21至34中任一项所述的碰撞池，其气流包含不能与离子反应的气体，优选地惰性气体，如氦气。
[0223]
36.根据条款21至35中任一项所述的碰撞池，其中至少一个dc出口电极靠近出口孔布置。
[0224]
37.根据条款21至35中任一项所述的碰撞池，其中至少一个dc出口电极限定出口
孔。
[0225]
38.根据条款21至37中任一项的碰撞池，其还包含至少一个用于向dc和rf电极供应生成电压的电场分布的电压源。
[0226]
39.一种质谱仪，其包含至少一个根据条款21至38中任一项所述的碰撞池。
[0227]
40.根据条款39所述的质谱仪，其还包含至少一个离子源，如等离子体离子源、至少一个质量分析器和至少一个用于检测离子的检测器。
[0228]
41.一种用于提供质谱仪的部件套件，所述部件套件包含：
[0229]
‑
至少一个离子源，
[0230]
‑
至少一个质量分析器，
[0231]
‑
至少一个用于检测离子的检测器，和
[0232]
‑
至少一个根据条款21至38中任一项所述的碰撞池。
[0233]
所属领域技术人员应理解，本发明不限于上述实施例，并且可在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，做出许多添加和修改。