用于改变LA-ICP-MS峰宽的用户可更换烧蚀室接口的制作方法

用于改变la-icp-ms峰宽的用户可更换烧蚀室接口
1.相关申请
2.本技术要求2020年1月10日提交的标题为“用于改变la-icp-ms峰宽的用户可更换烧蚀室接口(user exchangeable ablation cell interface to alter la-icp-ms peak widths)”的美国临时专利申请no.62/959,865的国内优先权。


背景技术：

3.激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(la-icp-ms)技术或激光烧蚀电感耦合等离子体发射光谱(la-icp-oes)技术可用于分析标靶(例如，固体或液体靶材)的组分。通常，标靶的样品被以气溶胶(即，由在诸如氦气之类的载气中的固体粒子和可能的液体粒子和/或蒸汽构成的悬浮液)的形式提供给分析系统。该样品通常通过将标靶布置在激光烧蚀室内，在该室内引入载气流，并利用一个或多个激光脉冲烧蚀该靶材的一部分以产生包含从标靶(以下称为“靶材”)喷射或以其他方式产生的悬浮在载气中的粒子和/或蒸汽的羽流。夹带在流动载气内的靶材被经由通向icp炬管的输送导管输送到分析系统，该靶材在icp炬管处被电离。然后通过诸如ms、qes、同位素比质谱(irms)或电喷雾电离(esi)系统之类的分析系统分析包含电离粒子和/或蒸汽的等离子体。
附图说明
4.参考附图描述了该详细说明。
5.图1是根据本公开的示例性实施例的用于与激光烧蚀光谱测量系统一起使用的激光烧蚀室的前侧等距视图。
6.图2是采用用于与图1的激光烧蚀室一起使用的第一粒子收集部到输送管道接口的激光烧蚀室的俯视等距局部视图。
7.图3是采用用于与图1的激光烧蚀室一起使用的第二粒子收集部到输送管道接口的激光烧蚀室的俯视等距局部视图。
具体实施方式
8.下文将参考附图更为充分地描述本公开的多个方面，附图形成了其一部分并且通过图示说明示出了示例性特征。然而，这些特征可被以许多不同的形式具体体现，并且不应被解释为受限于本文所述的组合；相反，提供这些组合，使得本公开将是详尽而完整的并将充分传达该范围。
9.概述
10.la-icp-ms的不同应用可能需要不同的气溶胶输送能力，这可以通过(烧蚀部位周围的)烧蚀室、输送区域(通向icp-ms的连接管道)和/或乃至icp本身中的气流几何形状所确定。例如，“批量分析”应用可能需要非常稳定的粒子流，其中，一个激光脉冲所产生的粒子在输送过程中与后续脉冲所产生的粒子重叠。对于所使用的典型激光频率，这可在峰宽(其清洗时间是主要原因)为1秒左右时实现。结果是更为均匀的气溶胶流和icp-ms上的稳
定信号。为了获得这种持续时间的峰宽，气溶胶可能遭受其中可能发生扩散的低气流速度状态和一些死体积的影响，这具有加宽峰部的效果。
11.当分析员需要对样品进行空间询问时，如在元素成像(横向剖析)和深度剖析过程中的情况一样，所需要的是避免由后续激光脉冲产生的粒子的混合，因为空间分辨率会以这种方式受到损失。通常对于这种成像应用，处于1-100ms(毫秒)区域中的总峰宽是理想的，较短的峰宽为更高的空间分辨率提供了可能性，并且这可以通过最大限度地减少死体积并且以高气流速度状态运输气溶胶来实现。
12.烧蚀室技术和输送技术在过去已经被针对“批量分析”或“空间分析”进行了优化。用于批量分析的烧蚀室已经具有死体积，这些死体积被设计成用于捕获气溶胶但允许一些扩散。此外，输送管道具有大内径(例如，4mm(毫米))，使得在运输过程中会发生扩散，从而允许获得所需的混合/调匀水平。气溶胶能够被沉积到tcp炬管中，该炬管又具有相当大的喷射器直径，从而有助于获得所需的扩散水平。
13.针对空间工作而优化的烧蚀室通常消除/减少了任何死体积并试图非常快速地将气溶胶夹带到该输送区域中以最大限度地减少扩散。输送管道通常具有小内径(例如，《2mm)，以促进获得高气流速度并最大限度地减少扩散和能峰展宽。窄直径管道尽可能深地延伸到icp中，以同样最大限度地减少“炬管内”扩散。
14.存在一系列问题需要克服。一个问题是这些不同的要求通常需要不同的烧蚀室。针对不同的应用转换整个烧蚀室并不是一个理想的解决方案，因为它需要多个单元(这些单元是很昂贵的)并且转换可能是复杂而耗时的。除了针对不同应用通常需要不同的烧蚀室之外，现有技术通常需要输送管道的直径的一致的变化，这并不能提供该控制水平或所需的变化幅度(例如，通常不能从1ms变化到1s(秒))和/或使用插件以“封堵住”并最大限度地减少烧蚀室中的任何死体积，即被设计成用于捕获气溶胶并引导至运输管道的第二体积(有时被称为杯子)中的死体积。再者，这种插件的使用并不提供所需的变化水平，因为需要在第二体积(或杯子)设计中进行更为剧烈的变化，这种变化实际上无法通过插件来实现。由teledyne cetac提供的helex室就是其一个很好的示例，并且它们为它们的杯子提供了多种插件。然而，这种插件最多只能将峰宽从数毫秒改变到数百毫秒。
15.鉴于这些问题，本系统的一个实施例提供了单个烧蚀室，其被设计成使用户/分析员能够通过相对于烧蚀室简单地更换整个粒子收集部到输送管道接口而在两种或更多种配置/模式之间进行改变。例如，可以使用一个粒子收集部到输送管道接口来有助于进行快速/成像模式，使得气溶胶被迅速地夹带到具有窄内径的输送区域(管)中。可以使用另一粒子收集部到输送管道接口来有助于进行分析模式，在该分析模式中，使用接口，使得气溶胶在进入具有较宽内径的输送区域之前被夹带到具有死体积(例如，几毫升(ml))的标准杯中。接口是完整的组件并且可以在几分钟内进行转换。将会理解，可以采用有助于进行其他模式的其他接口，只要它们与该烧蚀室兼容即可(例如，整体尺寸/形状；连接位置)。
16.在第二方面，利用高速la-icpms羽流收集的一个重大挑战可能是控制通向收集孔的烧蚀面和样品。已经观察到烧蚀部位周围的气流动力学与通向收集孔的烧蚀面表面的相互作用。如果距离较大，则烧蚀羽流行进距离和行进时间可以在烧蚀和收集管道之间的低流速区域中被增大。值得注意的是，由于纳米粒子在气体悬浮液中的扩散，导致la-icpms信号宽度直接由总传送时间驱动。如果距离过小，则会阻止总流量到达输出孔，并且还会降低
粒子羽流的吸收效率。
17.利用本系统执行的工作已经表明，理想的样品面到收集孔的距离为约100至300微米(μm)。该距离可以在设置期间被优化，并在la-icpms实验期间被保持住。
18.使样品面靠近输出孔还存在另一挑战。在典型的三轴系统中，x轴和y轴控制专门用于使样品在激光物镜下移动，该激光物镜在z轴平面中移动，以针对具有不同高度的样品获得可调节的焦点位置。样品到嗅探器的距离的几何形状使得如果给定样品高度变化超过几百微米，则在图案规划期间，它可能会意外地在收集孔的下方和穿过该收集孔时刮到相应的样品，从而损坏该样品。
19.关于标准慢速收集，当向用户引入从高速羽流收集变为慢速羽流收集的能力时，需要考虑样品到收集孔的距离。由于收集孔几何形状的差异，导致慢速羽流收集在样品/烧蚀面与收集孔之间需要不同且更大的距离。对于不同样品面高度的这些要求可能不仅需要改变样品到输出端的距离，还需要改变激光聚焦面。
20.示例性实施方式
21.图1-3示出了根据本公开的激光烧蚀系统100。在一个实施例中，激光烧蚀系统100可以包括用于烧蚀样品或其他材料的激光烧蚀室105、激光单元108和一组可互换的粒子收集部到输送管道接口110a、110b。激光烧蚀室105可以被设计成使得用户/分析员能够通过简单地更换整个粒子收集部到输送管道接口110a、110b来例如在一对构型/模式之间进行改变。激光烧蚀室105的激光单元108可被承载在激光烧蚀室105内。所选择的粒子收集部到输送管道接口110a、110b可被接收和安装在激光烧蚀室105中，以被定位在激光单元108(例如，激光二极管和相关电子设备)的正上方。在一个实施例中，可以在激光烧蚀室105和激光单元108之间接收粒子收集部到输送管道接口110a、110b。激光单元108可由此被配置成烧蚀待由给定的粒子收集部到输送管道接口110a、110b聚集的给定样品(例如，从而产生激光和/或烧蚀羽流)。给定的粒子收集部到输送管道接口110a、110b可以随后(经由流体连接)将与将烧蚀的样品相关的粒子引导到分析单元(未示出)。在一个实施例中，接口110a、110b是完整的组件并且可以在几分钟内进行转换(例如，很容易转换为另一接口)。在一个实施例中，与第二接口110b相比，第一接口110a可以具有不同的样品烧蚀面到与其相关联的收集孔的距离。
22.图1示出了安装有快速/成像接口110a的激光烧蚀室105，图2中示出了快速/成像接口110a的特写。分析模式(较慢)接口110b被示出为处于激光烧蚀室105的前面并且与该激光烧蚀室105分离开，其中，接口110b可与接口110a互换。分析模式接口110b的特写被示于图3中。在一个实施例中，一个给定的粒子收集部到输送管道接口(例如，110a)被优化，以用于在近距离处对激光羽流进行采样，从而实现高速信号提取。在一个实施例中，一个给定的粒子收集部到输送管道接口(例如，110b)被优化，以用于对烧蚀羽流进行较慢采样，从而实现较慢且更为稳定的信号提取(例如，从而有助于进行分析模式)。将会理解，可以根据该情况采用其他可互换的接口单元，只要“占用空间”和连接点类似于接口110a、110b的那些即可。
23.关于本公开的第二方面，硬件系统可以允许控制腔室内的样品到收集孔的距离和激光聚焦面(例如，样品烧蚀面)。相关的软件用户界面设计可以在用户选择转换收集模式时(例如，在接口110a、110b之间进行转换时)，自动地改变该样品烧蚀面到收集孔的距离。
该软件系统可以允许用户以更大的样品到收集孔的距离(例如，如可由接口110a和110b之间的转换所指示的那样)以及在处于高速模式中时进行模型规划，然后自动地移动样品和激光面直到相对于输出孔达到理想高速位置为止。软件系统可以通过可选择地改变串列的激光焦点(laser focus in tandem)和与该烧蚀面相等的距离，轻松地调整用于高速模式的样品/烧蚀面到收集孔的距离。当与用户可改变的第二体积一起使用时(例如，与当改变接口110a、110b时一样)，第二方面可能是有用的。
24.激光烧蚀系统100可以由具有处理器的计算系统控制，该处理器被配置为从非暂时性载体介质(例如，诸如闪存驱动器、硬盘驱动器、固态磁盘驱动器、sd卡、光盘之类的存储介质)。计算系统可被通过直接连接或通过一个或多个网络连接(例如，局域网(lan)、无线局域网(wan或wlan)、一个或多个集线器连接(例如，usb集线器)等)连接到分析系统的多种部件。例如，计算系统可以被通信地耦合(例如，硬连线或无线地耦合)到激光烧蚀系统100的可控元件(例如，激光烧蚀室105、激光单元108和/或粒子收集部到输送管道接口110a、110b)。当由处理器执行时，程序指令可以使计算系统控制激光烧蚀系统100。在一种实施方式中，程序指令形成由处理器执行的软件程序的至少一部分。
25.该处理器为计算系统提供处理功能并且可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统以及用于存储由计算系统访问或生成的数据和其他信息的常驻或外部存储器。该处理器不受到形成它的材料或其中采用的处理机制的限制，并且因此，可以经由半导体和/或晶体管(例如，电子集成电路(ic))等来实现。
26.非暂时性载体介质是装置可读存储介质的示例，其提供存储功能以存储与计算系统的操作相关联的各种数据，例如软件程序、代码段或程序指令或其他数据，以指示处理器和计算系统的其他元件(例如，上述用于控制该激光烧蚀系统100的各种操作方面的软件系统)执行本文所述的技术。载体介质可以与处理器、独立式存储器或两者的组合成为一体。载体介质可以包括例如可移动和不可移动的存储元件，例如ram、rom、闪存(例如，sd卡、迷你sd卡、微型sd卡)、磁性、光学、usb存储装置等。在计算系统的实施例中，载体介质可以包括可移动的icc(集成电路卡)存储器，例如由sim(用户身份模块)卡、usim(通用用户身份模块)卡、uicc(通用集成电路卡)等。
27.计算系统可以包括一个或多个显示器以向计算系统的用户显示信息。在实施例中，显示器可以包括crt(阴极射线管)显示器、led(发光二极管)显示器、oled(有机led)显示器、lcd(液晶二极管)显示器、tft(薄膜晶体管)lcd显示器、lep(发光聚合物)或pled(聚合物发光二极管)显示器等，其被配置为显示文本和/或图形信息，例如，图形用户界面。该显示器可以经由背光进行背光照明，使得它可以在黑暗或其他弱光环境中观看。显示器可以配备有触摸屏以接收来自用户的输入(例如，数据、命令等)。例如，用户可以通过触摸该触摸屏和/或通过在触摸屏上执行手势来操作该计算系统。在一些实施例中，触摸屏可以是电容式触摸屏、电阻式触摸屏、红外线触摸屏、它们的组合等。计算系统还可包括一个或多个输入/输出(i/o)装置(例如，小键盘、按钮、无线输入装置、指轮输入装置、跟踪杆输入装置等)。i/o装置可以包括一个或多个音频i/o装置，例如麦克风、扬声器等。
28.计算系统还可以包括表示通信功能的通信模块，以允许计算装置在不同装置(例如，部件/外围设备)之间和/或通过一个或多个网络发送/接收数据。该通信模块可以代表多种通信部件和功能，其包括但不必限于：浏览器：发送器和/或接收器；数据端口；软件接
口和驱动器；网络接口；数据处理部件；等。
29.一个或多个网络代表多种不同的通信路径和网络连接，它们可以被单独地或组合地用于在给定的基于激光烧蚀的分析系统的部件之间进行通信。由此，一个或多个网络可以代表使用单个网络或多个网络实现的通信路径。此外，一个或多个网络代表所设想到的多种不同类型的网络和连接，其包括但不必限于：互联网；内联网；个人区域网络(pan)；局域网(lan)(例如，以太网)；广域网(wan)；卫星网络；蜂窝网络；移动数据网络；有线和/或无线连接；等。无线网络的示例包括但不必限于：被根据以下各项配置以进行通信的网络：电气和电子工程师协会(ieee)的一个或多个标准，例如802.11或802.16(wi-max)标准；由wi-fi联盟颁布的wi-fi标准；由蓝牙特别兴趣小组颁布的蓝牙标准；等。还设想到了有线通信，例如通过通用串行总线(usb)、以太网、串行连接等。
30.该计算系统被描述为包括用户界面，该用户界面可存储在存储器(例如，载体介质)中并且可由处理器执行。用户界面代表经由显示器控制向计算系统的用户显示信息和数据的功能。在一些实施方式中，显示器可以不被集成到该计算系统中，而是可以改为使用通用串行总线(usb)、以太网、串行连接等从外部连接。用户界面可以提供功能以允许用户通过经由触摸屏和/或i/o装置提供输入(例如，样品身份、所需稀释因子、标准身份、洗脱液身份/位置、流体添加剂流速等)而与计算系统的一个或多个应用程序交互。例如，用户界面可以致使生成应用编程接口(api)以向在线稀释控制模块公开功能以配置应用以供显示器显示或与另一显示器组合。在实施例中，api可以进一步公开功能以配置在线稀释控制模块，以允许用户通过经由触摸屏和/或i/o装置提供输入来与应用程序交互，从而提供用于分析的所需稀释因子。
31.在实施方式中，用户界面可以包括浏览器(例如，用于实现在线稀释控制模块的功能)。浏览器使计算装置能够显示诸如万维网内的网页、由专用网络中的网络服务器提供的网页之类的内容并与之交互。可以以多种方式配置该浏览器。例如，该浏览器可被配置为由用户界面访问的在线稀释控制模块。该浏览器可以是适合于由具有大量存储器和处理器资源的全资源装置(例如，智能电话、个人数字助理(pda)等)使用的网络浏览器。
32.通常，本文描述的任何功能都可以被使用软件、固件、硬件(例如，固定逻辑电路)、手动处理或这些实现方式的组合来实现。如本文所用的术语“模块”和“功能”通常表示软件、固件、硬件或其组合。例如，给定的基于激光烧蚀的分析系统中的模块之间的通信可以是有线的、无线的或它们的某种组合。例如，在软件实施方式的情况下，模块可以表示可执行指令，当在处理器(例如本文所述的处理器)上执行时执行指定任务。该程序代码可被存储在一个或多个装置可读存储介质中，该介质的示例是与计算系统相关联的非暂时性载体介质。
33.尽管已经以特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了该主题，但是将会理解，该主题不必限于上述特定特征或行为。相反，上述特定特征和行为被作为示例公开。