本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮閜ct/ep2012/075301，國際申請日為2012年12月12日，進入中國國家階段的申請?zhí)枮?01280061124.x，名稱為“質譜儀真空接口方法以及設備”的發(fā)明專利申請的分案申請。

發(fā)明領域

本發(fā)明涉及一種質譜儀的大氣到真空接口，以及方法，主要與一種等離子體離子源(例如一種電感耦合、微波誘導、或者激光誘導的等離子體離子源)一起使用。這樣一種接口也可以被稱為等離子體-真空接口。以下討論將集中于使用電感耦合的等離子體質譜(icp-ms)的實施例。

發(fā)明背景

icp-ms的一般原理是眾所周知的。icp-ms儀器為樣品提供穩(wěn)健的高靈敏度的元素分析，直到萬億分之幾(ppt)及更進一步的范圍。典型地，該樣品是一種液體溶液或懸浮液，并且以載氣(通常為氬氣或者有時為氦氣)中氣溶膠形式由一個噴灑器提供。該噴灑的樣品進入一個等離子體噴槍，該等離子體噴槍典型地包括多個形成相應的通道的同心管，并且朝向下游端被一個螺旋的感應線圈包圍。一種等離子體氣體，典型地為氬氣，在外通道中流動，并且對其施加放電以使部分等離子體氣體電離。將一種射頻電流提供到該噴槍線圈，并且所產(chǎn)生的交變磁場使自由電子被加速以引起等離子體氣體的進一步電離。此過程繼續(xù)，直到在典型地在5,000k與10,000k之間的溫度下獲得一種穩(wěn)定的等離子體狀態(tài)。該載氣和噴灑的樣品流經(jīng)該中心噴槍通道并且進入該等離子體的中心區(qū)域，在該中心區(qū)域，溫度高到足以引起樣品的霧化以及隨后電離。

下一步需要將該等離子體中的樣品離子形成為一個離子束，用于由該質譜儀進行離子分離和檢測，其中該離子分離和檢測除其他之外由一個四極質量分析器、一個磁和/或電扇形分析器、一個飛行時間分析器、或者一個離子阱分析器提供。這典型地涉及多個階段：壓力降低、從等離子體中提取離子以及離子束形成，并且可能包括一個用于去除潛在干擾離子的碰撞/反應池階段。

第一階段壓力降低是通過一個真空接口中的第一孔對等離子體進行采樣來實現(xiàn)的，典型地該第一孔由一個具有內(nèi)徑為0.5至1.5mm的有孔尖端的采樣錐提供。該被采樣的等離子體在該采樣錐的下游膨脹，進入一個已抽真空的膨脹室。然后該膨脹等離子體的中心部分穿過由一個截取錐(skimmercone)提供的一個第二孔，進入具有更高真空度的第二抽真空室。因為該等離子體經(jīng)過該截取錐膨脹，所以其密度充分降低，以允許使用由該截取錐下游的離子透鏡產(chǎn)生的強電場來提取離子以形成一個離子束。通過一個或多個可以用靜止或時變場來操作的離子偏轉器、離子透鏡、和/或離子導向器，可以將所產(chǎn)生的離子束偏轉和/或引導為朝該質譜儀前進。

如所提及的，可以在該質譜儀上游提供一個碰撞/反應池，以從離子束去除潛在干擾離子。這些典型地是基于氬的離子(例如ar⁺、ar2⁺、aro⁺)，但是可以包括其他，例如電離的碳氫化合物類、金屬氧化物類或金屬氫氧化物類。該碰撞/反應池促進了離子中和碰撞/反應，借此，不想要的分子離子(以及ar⁺)優(yōu)先被中和并且與其他中性氣體組分一起被抽走，或者離解成更低質荷比(m/z)的離子并且在下游m/z區(qū)別階段被棄去。us7,230,232和us7,119,330提供了icp-ms中使用的碰撞/反應池的實例。

icp-ms儀器應該優(yōu)選滿足多個分析要求，包括高傳輸、高穩(wěn)定性、來自等離子體中的樣品基體(該樣品的本體組成包括，例如，水、有機化合物、酸類、溶解的固體、以及鹽類)的低影響、以及低的氧化物離子或雙電荷離子的通量，等等。這些參數(shù)可以高度取決于采樣錐和截取錐的幾何形狀和構造，以及后續(xù)的離子光學器件。

鑒于日益增長的icp-ms的常規(guī)使用，儀器的通量已經(jīng)成為最重要的參數(shù)之一。維護、清潔和/或零件替換的需要可能降低儀器的工作時間并且因此影響它的通量。這個參數(shù)強烈地取決于由來自先前的樣品的材料沿著從樣品輸入到檢測器的儀器整體長度、但是特別是在該等離子體噴槍的玻璃器皿上以及該采樣錐和該截取錐的內(nèi)表面和外表面上的沉積所引起的記憶效應。對于使用更多封閉的或拉長的截取錐的儀器，對截取錐的影響變得更加顯著，例如像在us7,119,330和us7,872,227以及賽默飛世爾科技公司技術備忘錄(thermofisherscientifictechnicalnote)nr.40705中。

因此，希望提供一種降低在儀器上的此類沉積或降低此類沉積對該儀器的影響的方法，使得可以降低所引起的通量損失。本發(fā)明目的是，通過提供一種改進的或者替代性的截取錐設備和方法，以著手解決上述或者其他目的。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種操作質譜儀真空接口的方法，該質譜儀真空接口包括一個具有一個截取孔的截取設備以及下游離子提取光學器件，該方法包括：通過該截取孔對膨脹等離子體進行截取，并且通過提供器件在該截取設備內(nèi)將鄰近該截取設備的經(jīng)截取的等離子體部分與剩余的經(jīng)截取的等離子體分離，以在允許剩余部分朝該離子提取光學器件膨脹的同時防止(即，抑制或阻止)被分離的部分到達該離子提取光學器件，其中該器件包括由設置在該截取設備內(nèi)的通道構件提供的一個或多個通道，并且鄰近該截取設備的經(jīng)截取的等離子體部分通過使該部分轉向到該一個或多個通道中來進行分離。該截取設備優(yōu)選是一個具有截取孔的截取錐。

如上所述，被該截取設備截取的等離子體內(nèi)包括的一些材料可能被沉積在該截取設備上；特別是，在該截取設備的內(nèi)表面，也就是包括該截取設備的下游表面的表面上。特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相當可觀的沉積發(fā)生在鄰近該截取孔的截取設備的下游部分。當后續(xù)的等離子體通過該截取設備被截取時，如果該材料被散開、移除或者以其他方式從該截取設備表面被釋出，并且能夠與等離子體一起通過該裝置前進，則如此沉積的材料可能是成問題的，這是因為后續(xù)分析可能因此受影響。諸位發(fā)明人已經(jīng)認識到，源自該截取設備表面上的此類沉積的離子最初集中在該截取設備的內(nèi)表面附近的等離子體流的邊界層中(而不是散布或分散在該截取設備中的整個等離子體膨脹部分上)。因此，在該截取設備內(nèi)將鄰近該截取設備表面的經(jīng)截取的等離子體部分與剩余的等離子體分離允許去除大部分的這些沉積離子，從而顯著地區(qū)別此類離子，并且給出減小的記憶效應。通過允許剩余等離子體繼續(xù)向下游離子提取光學器件膨脹，可以有利地降低或最小化該邊界層與剩余等離子體的相互作用和混合，目的是降低經(jīng)過該截取設備的下游并且進入該離子提取光學器件的先前沉積的離子的數(shù)量。

將理解的是，鑒于截取器在使用中使材料沉積在內(nèi)側的問題，本發(fā)明目的是防止或減少此類沉積物可能以后與向該離子提取光學器件膨脹的等離子體接觸的程度，并且因此使得它們不能加劇記憶效應。就是說，本發(fā)明的實施例在該截取設備孔口的下游附近或正好在下游處分離由沉積區(qū)域釋出(通過各種過程，包括與等離子體相互作用)的沉積材料，以便在一個更遠的下游區(qū)域處去除或者捕集，其中該沉積材料可能會阻塞該孔口或者被再引入該等離子體中。在該下游區(qū)域處，該材料可以在具有小得多的對系統(tǒng)的污染風險的情況下被沉積：它不干擾該離子提取區(qū)域里的場(或者至少程度更低地干擾)；空間限制更少成為問題，這意味著更多材料可以被沉積在那里而不堵塞系統(tǒng)；并且，即使該材料被再次釋出，其“向回”(即向上游或徑向往內(nèi)地)流而影響測量的可能性也被大大降低。

易于被先前沉積在該截取設備內(nèi)表面上的材料所污染的經(jīng)截取的等離子體部分在該截取設備內(nèi)被去除或與經(jīng)截取的等離子體的剩余部分相分離。該分離發(fā)生在該截取設備自身的內(nèi)部體積里，使得該潛在污染性的材料可以在該離子提取光學器件的上游被去除，否則，該污染材料可能為下游處理和分析引入不希望的非樣品離子。以此方式，此類沉積物質在提取前與經(jīng)截取的樣品等離子體混合的機會顯著減少。

將理解的是，被該截取設備截取的膨脹等離子體典型地已經(jīng)先通過了一個采樣設備(例如，一個采樣錐)。該采樣設備是在大氣壓或相對高壓下與該等離子體源交界的典型部件。因此，到達該截取設備的膨脹等離子體的壓力下降；典型地，到幾毫巴。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于質譜儀真空接口的截取設備，包括：一個具有內(nèi)表面和截取孔的截取設備，用來對從其中經(jīng)過的等離子體進行截取，以在該截取孔的下游提供經(jīng)截取的等離子體；以及一個設置于該截取設備內(nèi)表面上的等離子體分離裝置，用來在該截取設備內(nèi)將鄰近該截取設備的內(nèi)表面的經(jīng)截取的等離子體部分與剩余的經(jīng)截取的等離子體相分離，同時允許該剩余部分向下游膨脹，其中該等離子體分離器件包括由設置在該截取設備內(nèi)的通道構件限定的一個或多個通道。

通過沉積于其上；附著、貼附或附接于其上；或者另外地物理聯(lián)接、接合或連接于其上，來將該等離子體分離裝置設置或形成在該截取設備的內(nèi)表面上，或與其相聯(lián)結。以此方式，包括不想要的先前沉積物質的經(jīng)截取等離子體的通過邊界層受到該截取設備內(nèi)的一個吸附劑區(qū)域的作用以便從該邊界層去除物質。此分離發(fā)生在該截取設備自身內(nèi)部，使得潛在污染性材料可以在該離子提取光學器件的上游被去除，從而降低上此類沉積物質在提取前與截取的樣品等離子體混合并將其污染的機會。

該截取設備優(yōu)選為一個具有錐孔的截取錐。在此使用術語“錐(cone)”來指在其上游端包括至少一個總體上錐形的部分的任何實體，無論該實體的剩余部分是否為錐形。因此，術語“截取錐”應被理解為這樣一個實體，該實體在質譜儀真空接口中執(zhí)行截取功能，并且至少在其上游的一個區(qū)域處、或者面對大氣/等離子體的側面處具有錐形的形態(tài)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作質譜儀等離子體真空接口的方法，該質譜儀真空接口包括一個具有一個截取孔和一個內(nèi)表面的截取設備，該方法包括：在該截取設備中提供形成通道的構件來建立一個沿著該截取設備的內(nèi)表面向外指向的流。優(yōu)選地，該向外指向的流為一個層流。

如在此所用的，向外指向的流意指一個大體向下游指向和/或從該截取錐設備的軸線徑向往外的流。因此，在該截取設備包括一個錐孔的實施例中，當向外指向的流沿著該截取設備的內(nèi)表面被定向時，該流被建立為向下游并且從該截取錐設備的軸線徑向往外。

在該截取設備包括一個在平面式表面內(nèi)的孔的其他實施例中，該平面式表面總體上垂直于該截取錐設備的軸線，當向外指向的流沿著該截取設備的內(nèi)表面被定向時，該流被建立為從該截取錐設備的軸線徑向往外。

有利地，該方法還包括在該內(nèi)表面上設置一種吸附劑或吸氣劑材料的步驟。優(yōu)選地，該內(nèi)表面包括一個來自先前或目前等離子體流的物質可以被沉積其中的沉積區(qū)域，并且該材料被設置在該內(nèi)表面的至少該沉積區(qū)域的至少一部分(更優(yōu)選全部)上。該設置步驟可以間歇進行，以更新先前設置的材料。

在該內(nèi)表面上提供一種吸附劑或吸氣劑材料有許多有益效果。第一，它用來捕集或者收集可能無論如何都會沉積的沉積物質但是其方式使得防止或至少減少此物質的后續(xù)釋出。第二，當在該截取設備操作過程中提供該材料時，它用來在這樣的程度上覆蓋或者‘掩埋’已沉積到該截取設備內(nèi)表面上的物質，以便有效地防止或至少顯著阻礙此物質后續(xù)釋出而進入該等離子體流。第三，當在以前沉積的吸附劑或吸氣劑材料上第二次或后續(xù)施加該材料時，它用來更新或者復原該截取設備的內(nèi)表面上初始提供的材料，以幫助維持吸附/捕集效果。

優(yōu)選地，該截取設備還包括設置在該截取設備的內(nèi)表面上的吸附劑或吸氣劑材料。

本發(fā)明其他優(yōu)選的特征和優(yōu)點在說明書和所附的從屬權利要求中陳述。

附圖簡要說明

可以通過多種方式實施本發(fā)明，并且現(xiàn)在將參照以下附圖，以僅僅作為非限制性實例的方式描述某些實施例，其中：

圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的質譜儀裝置；

圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的包括一個截取錐設備的等離子體離子源的一部分；

圖3顯示了通過現(xiàn)有技術的截取錐的流的示意性圖示；

圖4顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的截取錐的流的示意性圖示；

圖5顯示了通過根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的截取錐的流的示意性圖示；并且

圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的進一步的實施例的包括一個截取錐設備的等離子體離子源的一部分。

優(yōu)選實施例的說明

參照圖1，示意性地顯示根據(jù)第一實施例的一個質譜儀裝置1。樣品輸入端10向等離子體發(fā)生器20提供處于適合形式的待分析樣品。該等離子體發(fā)生器提供等離子體中處于電離形式的樣品，用于下游處理和分析。通過一個采樣和截取接口30，對該等離子體進行采樣并且使其進入一個逐步降壓的環(huán)境。在此接口之后，由離子提取光學器件50使該等離子體受到一個離子提取場的作用，該離子提取場從該等離子體中抽取正離子成為一個離子束，排斥電子，并且允許中性組分被泵出。然后通過離子運輸器60將該離子束運輸?shù)较掠芜M行質量分析，該離子運輸器60可以包括靜態(tài)的或者時變的離子透鏡、光學器件、偏轉器和/或導向器。離子運輸器60還可以包括一個用于去除該離子束中不想要的潛在干擾離子的碰撞/反應池。從離子運輸器60，該離子束通到一個質量分離器和檢測器70以進行質譜分析。

質譜儀裝置1的以上階段可以大體如以上本發(fā)明背景部分所描述地來提供；特別是以使用電感耦合等離子體質譜的實施例來提供。然而，等離子體發(fā)生器20可以替代性地由一個微波誘導源或者一個激光誘導源來提供。

在此實施例中，在該截取接口的入口的下游，但是在離子提取光學器件50之前，提供了一個等離子體分離器40，用來在該截取接口內(nèi)分離經(jīng)過其下游的等離子體。經(jīng)過該截取接口膨脹的等離子體中包括的一些材料可以被沉積在該截取接口自身上。這可能包括樣品離子，以及來自樣品基體和該等離子體發(fā)生器的材料。在一個樣品的分析過程中，典型地，由于流過該接口的等離子體和其他物質對沉積材料的粒子轟擊，或者可能由來自該截取設備的下游釋出的電子的電子轟擊，來自一個先前樣品(或者多個先前樣品)的分析的沉積材料可能從該截取接口表面被釋出或逃逸。諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從先前的沉積物釋放的離子(沉積離子)傾向于至少最初集中在等離子體流與截取接口表面的一個邊界層中。如此，在該截取接口自身內(nèi)提供一個等離子體分離器40，用來分離向該截取接口的下游膨脹的等離子體，使得可以在該截取接口內(nèi)對鄰近該截取接口的部分與經(jīng)截取的等離子體的剩余部分不同地進行處理，允許該剩余部分繼續(xù)朝向該離子提取光學器件50膨脹。特別地，該等離子體的經(jīng)分離的部分在邊界層去除器42處被去除，使得該部分中包括的任何沉積離子不能被該離子提取光學器件50接收并干擾下游分析。該等離子體流的邊界層部分的去除，提供了對沉積離子的顯著區(qū)別，使得可以有利地減少該截取接口中的記憶效應。

等離子體分離器40可以被安排為使該等離子體流的邊界層部分從該截取接口中的等離子體流的剩余部分改變方向離開，該剩余部分繼續(xù)向該離子提取光學器件50膨脹?？商娲?，等離子體分離器40可以被安排來收集該等離子體流的邊界層部分中的物質、或者至少該部分內(nèi)包括的沉積離子，以防止所收集材料進一步向下游前進。鑒于本披露內(nèi)容，等離子體分離的其他方法和設備對技術人員來說將是清楚的。

參考圖2，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的一個等離子體離子源的真空接口部分。本圖顯示了一個實施例，其中使該等離子體流的一個邊界層部分改變方向離開該等離子體流的剩余部分。確切地，顯示了一個采樣錐131、一個截取錐133、以及一個提取透鏡150。采樣錐131具有一個錐形的外表面以及一個錐形的內(nèi)(下游)表面，并且在這些表面之間的相交處提供了一個采樣孔132。

截取錐133具有一個總體上錐形的第一部分和一個總體上圓柱形的第二部分。該錐形的部分具有一個錐形的外表面以及一個錐形的內(nèi)(下游或后側)表面135，在它們的相交處提供了一個截取孔134。該錐形部分合并入該總體上圓柱形的部分(在一些實施例中，該截取錐的外表面可以保持錐形)。該總體上圓柱形的部分具有一個形成在其中的圓柱形的凹陷，用來以與其隔開的方式容納一個大總體上環(huán)狀的構件140。該大致圓柱形凹陷部分處的截取錐133的內(nèi)表面與環(huán)狀構件140的表面輪廓基本上互補。一個通道141形成于該凹部與環(huán)狀構件140之間，以提供一個使氣體通過截取錐133的分開的流動路徑。

在截取錐133的下游，離子提取透鏡150被配置為從等離子體中取出樣品離子成為沿著軸線a的一個離子束以用于下游分析，如箭頭128所示。通道141在截取錐133的一個下游端打開，以便由一個合適地安排的真空泵進行泵送。有利的是朝向或者在提取透鏡150外圍區(qū)域處安排該下游通道開口的位置，以減少或防止離開通道141的離子通過提取透鏡150被其提取場抽取。

在工作中，通過采樣錐131的采樣孔132對來自一個上游等離子體發(fā)生器的等離子體122進行采樣。所采樣的等離子體形成一個等離子體膨脹部分124，然后通過截取錐133的截取孔134對該等離子體膨脹部分進行截取。所截取的等離子體膨脹部分126，有時稱為二次等離子體膨脹部分，顯示在截取孔134的下游。當膨脹部分126中的等離子體接近截取錐133的下游端時，該等離子體變得愈加稀疏。離子提取透鏡150產(chǎn)生一個提取場，該提取場導致在該等離子體中形成一個穩(wěn)定的雙層，從而限定該等離子體邊界或等離子體邊緣，樣品離子從該等離子體邊界或等離子體邊緣被提取透鏡150提取并且聚焦。

如以上所討論的，來自所截取的或二次等離子體膨脹部分126的材料可能被沉積在內(nèi)截取表面135上。一段時間的沉積物堆積導致對等離子體離子源質譜儀中的截取錐(和該采樣錐)的常規(guī)清潔和/或替換的一般要求。同時，典型地由于來自該等離子體膨脹部分內(nèi)的離子、氣體或電子的粒子轟擊，先前沉積的材料可能被釋出或釋放入等離子體膨脹部分126中，由此向該等離子體中引入污染離子。此類記憶效應能夠潛在干擾目前樣品的分析，這當然是不希望的。

諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一旦被釋放，這些沉積離子傾向于沿著大體上緊鄰內(nèi)截取表面135的膨脹等離子體流被運送或掃過-并且因此被集中于其中；即，該等離子體膨脹部分與該截取錐內(nèi)的該表面的邊界層中。因此，諸位發(fā)明人認識到，去除此邊界層將是有利的，因為這也可以從該等離子體膨脹部分中去除顯著比例的沉積離子。

如箭頭142a-c所指示的，通過使該等離子體的邊界層轉向進入形成在截取錐133與環(huán)狀構件140之間的通道141中，將其與截取錐133內(nèi)的剩余的等離子體膨脹部分相分離。該等離子體的經(jīng)分離的部分沿著通道141前行到其下游開口，離開離子提取透鏡150的提取場有效的區(qū)域。該等離子體的經(jīng)分離的部分可以由一個真空泵從該通道開口泵出；優(yōu)選地，常規(guī)地采用該真空泵來在一個等離子體離子源質譜儀中的截取接口的下游提供壓力降低。替代于被泵出，離開該通道開口的一些沉積材料可能被沉積在下游部件(例如離子提取透鏡150)上，但是無論如何，被實質性地防止受到離子提取透鏡150的提取場的作用。

二次等離子體膨脹部分126的邊界層的分離和去除應該優(yōu)選地發(fā)生在大多數(shù)沉積發(fā)生的區(qū)域的下游，這通常是在截取錐133的內(nèi)表面135的前幾毫米左右。此外，在所有的工作條件下(例如，對于所有的樣品以及該提取光學器件上的所有電壓)，該分離和去除應該優(yōu)選地發(fā)生在該等離子體邊界的上游，以便降低或防止源自沉積物的離子被抽取入該離子提取光學器件并且隨后被檢測。

在一種替代性安排中，總體上環(huán)狀的構件140可以配備有一個或多個沿著該構件的本體延伸的開口或通道。以此方式，該等離子體的邊界層可以轉向進入通道141，如箭頭142a所示，然后通過該構件中的開口被排出?？梢匀绱舜_定構件140的尺寸，使得除了貫穿該構件自身的本體的開口之外，在它與該截取錐凹部之間還形成一個通道，如箭頭142b所示?？商娲?，可以使構件140的尺寸確定為在不提供此類中間通道的情況下被容納在該截取錐凹陷內(nèi)，使得只有貫穿其中的開口提供排氣?？商娲鼗蛄硗獾?，該排氣通道可以形成在大體上環(huán)狀的構件140的外表面中形成的一個或多個槽與該截取錐凹陷之間。

如圖2的實施例所示，截取錐133的內(nèi)表面135具有一個錐形部，在該錐形部的下游端提供了一個總體上橫過軸線a的環(huán)形壁。在該環(huán)形壁的徑向外邊緣處，提供另一個壁，與截取錐133的內(nèi)表面135相比，該另一個壁對于軸線a具有減小的角度；在一個實施例中，例如圖2所示，該另一個壁總體上為圓柱形，并且總體上與軸線a同軸。該另一個壁與環(huán)形壁一起形成了環(huán)狀構件140被設置于其中的凹陷。優(yōu)選地，環(huán)狀構件140的內(nèi)(中空)直徑大于截取錐133的錐形內(nèi)表面的下游端的直徑。這允許二次等離子體膨脹部分126膨脹通過截取錐133，特別是在沒有碰到任何直接阻礙(例如擋板或類似物)的情況下。

然而，錐角(即，截取錐133的總體上錐形的內(nèi)部區(qū)域的表面的角度，包括內(nèi)表面135和構件140的內(nèi)表面)的不連續(xù)的逐步降低干擾所截取的等離子體的自由噴射膨脹。這導致在通道141的下游-即，在該內(nèi)部區(qū)域的角度改變之后-但是仍然在構件140內(nèi)形成沖擊波。此沖擊波的位置取決于截取錐孔134的內(nèi)徑、截取錐幾何形狀等，并且當該截取錐被污染時，它可能隨著時間變化。盡管如此，該沖擊波保持被約束在構件140的內(nèi)部體積里，并且因此，用于從等離子體中提取離子的條件保持總體相同，因而確保接口的高穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，截取錐133的內(nèi)表面135的錐形部分相對軸線a的角度α在15°與30°之間；最優(yōu)選地，為23.5°(截取錐133的外錐面也可以位于相對軸線a的一個角度范圍內(nèi)，但是最優(yōu)選為40°)。在環(huán)狀構件140的內(nèi)表面與軸線a之間的角度β優(yōu)選位于-α/2<β<α范圍內(nèi)(因此在-15°與+30°之間)；最優(yōu)選為3°。

常規(guī)的截取錐傾向于完全具有一個錐形的內(nèi)表面。在圖2的實施例中，把截取錐133的錐形部分和環(huán)狀構件140內(nèi)的區(qū)域作為有效的膨脹區(qū)，可以看出該膨脹區(qū)不再全部是錐形的，而是存在角度α-β的變化。這樣一種角度的變化可能導致由該截取接口中的等離子體膨脹形成的沖擊波。如果通道141的寬度足以允許在不破壞總體上沿著軸線a的等離子體膨脹流的情況下泵出在該截取錐的內(nèi)表面135附近形成的任何渦流，則并不認為這是一個問題。在這些條件下，并且如以上所討論的，角度α和β不需要相同。

優(yōu)選地，采樣錐孔132的內(nèi)徑是從0.5至1.5mm；最優(yōu)選是1mm。優(yōu)選地，截取錐孔134的內(nèi)徑d是0.25mm至1.0mm；最優(yōu)選是0.5mm。此孔134可以縱向延伸以形成一個最高達1mm長的圓柱形的通道。優(yōu)選地，通道141的寬度是內(nèi)徑d的一到二倍，并且因此位于0.3至1mm的范圍內(nèi)；最優(yōu)選0.5mm。優(yōu)選地，從截取錐133的尖端(即，孔134)到通道141的距離在d*tan(α)的14到20倍的范圍內(nèi)，或者在1到6mm之間；最優(yōu)選為3.5mm。優(yōu)選地，從截取錐133的尖端(即，孔134)到環(huán)狀構件140的下游端的距離在d*tan(α)的25到40倍的范圍內(nèi)，或者在2到12mm之間；最優(yōu)選為7.5mm。

將被理解的是，雖然圖2的實施例將通道141顯示為一個放射狀地全面打開的通道，它可能被多個單獨的分布在該截取錐的內(nèi)表面周圍的通道代替。

提供通道141、或者多個通道的另外優(yōu)點是，這可以允許調節(jié)沿著該截取錐的熱流。例如，通道141可以從內(nèi)側如此接近截取錐133的外表面，以至于可以減少從該截取錐尖端到該下游基座的熱流。

通道141不需要具有圓對稱性。例如，邊界層去除功能可以通過具有多個小泵送孔(像“胡椒罐”)、多個狹槽，或使用多孔材料等來實現(xiàn)。并且，雖然排出邊界層對降低記憶效應有利，但也可以使用相同結構的零件來實現(xiàn)其他功能。例如，在一些泵送孔可以用來泵走氣體的同時，其他孔可以用來以其他氣體替代所去除的氣體，例如，引起離子-分子反應的反應氣體(例如，氦氣、氫氣等)，或者用來聚焦等離子體噴射膨脹使其更靠近軸線a，并且因此改善離子提取效率。在前一種情況下，該反應氣體可以是從一個專用的氣體供應源供應的，對后一種情況也可能如此，或者它可能替代地源自前一壓力區(qū)域。

優(yōu)選地，此類氣體進口位于泵送孔稍微下游處，使得可以在該沖擊波下游很好地混合該反應氣體。與us7,119,330或us7,872,227不同，這種在沖擊波之前反應氣體的早期引入允許消除對具有升高壓力的密閉室的需求；就是說，通過這種安排，不需要限制該等離子體膨脹，因此不需要全部或部分密閉的碰撞室。此類氣體入口的一個另外的用途是提供通過該截取器的‘向回’的氣體流以用于清潔目的，特別是在不處理樣品等離子體的時候。

優(yōu)選地，環(huán)狀構件140是電中性的(相對截取錐133，環(huán)狀構件典型地與截取錐處于導電接觸)，使得它對離子提取光學器件150產(chǎn)生的提取場沒有影響，并且不受其影響。相對于環(huán)狀構件140形成一個或多個通道的功能來說(通過這些通道，沉積離子可以被去除)，這對幫助最小化該離子提取光學器件對環(huán)狀構件140的影響是有利的。

如以上所討論的，任何被釋出的沉積物質至少最初集中在與該截取錐的內(nèi)表面的一個邊界層中。在工作中，提供該環(huán)狀構件來在該截取錐中創(chuàng)造一個通道，以在該截取錐的內(nèi)表面上建立一個層流。該層流是一種徑向往外的流，從該截取錐的入口孔朝向該通道。這種層流提供了用來帶走先前被沉積在該內(nèi)表面上的邊界層中所釋出的材料的機制。

然而，此機制提供的另一個優(yōu)點是首先減少了在該內(nèi)表面上的材料的沉積。諸位發(fā)明人了解到，材料在傳統(tǒng)的截取錐的內(nèi)表面上的沉積至少部分歸因于該截取錐內(nèi)的一個紊流區(qū)和/或一個相對“靜止”或“安靜”的區(qū)，該紊流典型地包括一個在該內(nèi)表面處或附近的遠離軸線的材料回流。圖3顯示了其示意性圖示。此圖顯示了一個截取錐33和一個離子提取光學器件51，它們之間具有大體上軸向/近軸的樣品等離子體流35。沿著截取錐33的下游內(nèi)表面，一些不經(jīng)過離子提取光學器件51的流可能是紊流37或者相對不動的流39。物質向該內(nèi)表面上的沉積被理解為至少部分由于這些流37，39中的物質在該截取錐的內(nèi)表面附近停留相對延長的時間而引起。

圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多個流與截取錐的示意性圖示。在此實施例中，提供了一個截取錐133、離子提取光學器件150、以及一個形成通道的構件144。將指出的是，截取錐133和形成通道的構件144具有與圖2的實施例不同的形式。這里，截取錐133的內(nèi)表面全部保持錐形，并且形成通道的構件144是環(huán)狀的，在其上游端具有錐形的內(nèi)和外輪廓。如將理解的，該形成通道的構件的功能是將該截取設備內(nèi)的區(qū)域分成一個中心區(qū)域和一個與該截取設備的內(nèi)表面相鄰的向外延伸的通道區(qū)域，希望通過該中心區(qū)域傳送樣品等離子體，希望通過該向外延伸的通道區(qū)域傳送所釋出的沉積物質。

通道的形成產(chǎn)生了一個徑向往外的層流145。該流145攜帶走所釋出的材料，如上所說明的。然而，通過層流145，紊流區(qū)和/或相對不動的流的區(qū)已經(jīng)被去除，或者至少被移到在該截取錐的內(nèi)表面上的更下游處(取決于該形成通道的構件向下游延伸多遠和它的幾何形狀)。該層流導致消除或者顯著降低材料沉積在該截取錐的內(nèi)表面上的機會，特別是靠近或者剛好在該錐入口孔的下游處。這進而減少了沉積材料從這個區(qū)域被釋出并且與樣品等離子體混合的機會。

此層流可以從該截取錐入口孔向下游延伸最初的0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm、2mm或5mm?？梢酝ㄟ^改變該形成通道的構件在該截取錐內(nèi)的位置和/或通過調整該真空泵在該區(qū)域內(nèi)泵送的程度來調整這個距離。將理解的是，技術人員可以優(yōu)化該截取錐幾何形狀、該形成通道的構件幾何形狀以及泵送速率/流速。

圖5顯示本發(fā)明的一個進一步的實施例，其中該形成通道的構件由截取錐133內(nèi)在軸向上分開的兩個錐146a，146b提供。從而在該截取錐的內(nèi)表面與第一形成通道的構件146a之間形成一個第一通道147a，并且在第一形成通道的構件146a與第二形成通道的構件146b之間形成一個第二通道147b。該第二通道提供了一個第二層流，用來額外地去除不希望的材料。

參照圖6，根據(jù)本發(fā)明的一個第三實施例，顯示了該截取錐設備的一種替代性安排。該圖顯示了一個實施例，其中在該截取錐內(nèi)，該等離子體分離器被安排為收集來自該等離子體流的邊界層部分的材料，或者至少收集包括在那部分內(nèi)的沉積離子。圖6中顯示的儀器的部分與圖2顯示的總體上相同，因此，類似項目用相同的參考數(shù)字指代。在圖6的實施例中，該等離子體分離器由一個收集器機構提供，代替一個轉向器機構。確切地，截取錐160具有一個總體上錐形的內(nèi)表面162，并且在或朝向下游端分布有一種吸附劑材料170。優(yōu)選使用一種多孔材料，例如金屬(優(yōu)選地，鈦吸氣劑，特別是當通過鈦升華或濺射施加時)、可蒸散型或者不可蒸散型吸氣劑、玻璃或者陶瓷，作為該吸附劑材料。其他適合的材料包括可能帶有吸氣劑材料的沸石、吸氣劑覆蓋的海綿、鋁海綿、以及(如果在無氧情況下工作)甚至碳或者活性炭。如將理解的，可以用多種方式將吸附劑材料170沉積在內(nèi)表面162上，具體取決于所用材料的類型。例如，通過燒結、化學或物理氣相淀積、或者其他化學或電化學技術，該材料可以在該內(nèi)表面上形成一個層或者涂層?？商娲兀摬牧峡梢詸C械附著、附接、或結合到該內(nèi)表面上。

與前一個實施例類似，等離子體122通過一個采樣錐131被采樣，并且在其下游形成一個等離子體膨脹部分124。然后，該等離子體被截取錐160截取，并且在其下游形成一個截取的或者二次等離子體膨脹部分126。離子提取光學器件150產(chǎn)生了一個提取場，該提取場從等離子體中抽取離子以形成一個用于后續(xù)分析的離子束。

來自以前樣品分析的材料沉積物會堆積在截取錐160的內(nèi)表面162上，導致記憶效應的問題。以前沉積的或沉積離子從這個區(qū)域的釋放被理解為集中在所截取的或者二次等離子體膨脹部分126的等離子體邊界層中。因此，包括在該邊界內(nèi)的沉積材料遇到吸附劑材料170，并且被收集于其上或其中，從而從該截取錐內(nèi)的等離子體膨脹部分去除該沉積材料。這由箭頭172示意性地示出。剩余等離子體被允許貫穿截取錐160膨脹，并且然后該剩余部分中包括的樣品離子被離子提取光學器件150提取，以向前傳輸穿過該儀器。

用來去除所沉積的材料的機制之一為加速擴散；例如，通過多孔材料，像沸石類或其他由金屬、玻璃或陶瓷制成的納米結構材料。在工作中，這種擴散由該截取錐的升高的溫度所促進。

在一個實施例中，該收集器器件的工作壽命(或者該截取設備需要被清潔或替換之前的時間)可以通過在樣品的分析之間間歇地更新或復原該收集器機構來延長。也就是說，可以在給定的時間間隔用新鮮的收集器材料來覆蓋在其上提供收集器材料以捕捉所釋出的沉積物質的截取設備的內(nèi)表面。該附加的覆蓋物優(yōu)選是一種以單層厚度或者接近單層厚度的材料薄膜。優(yōu)選通過濺射或升華，通過對該截取設備內(nèi)的一個或多個該材料的絲、棒、或者球粒施加局部加熱，或通過將后者機械引入該膨脹等離子體中來施加該覆蓋材料。優(yōu)選在一個非樣品階段期間或多次分析之間進行此類施加，例如在樣品的吸取時間或者清潔階段期間。許多吸氣劑/吸附劑材料可以用于此，但是鈦特別適用于此目的，因為它不與氬氣反應，氬氣典型地在icp源中用作載氣和/或等離子體氣體。以上技術在真空工藝中是已知的，但是人們還不知道它已經(jīng)以此方式被用于減少記憶效應。

此覆蓋層具有兩個有益效果。第一，它用來覆蓋或者‘掩埋’已沉積到該截取設備的內(nèi)表面上的任何材料，以有效地防止或至少顯著地阻礙該材料后續(xù)釋出而進入該等離子體流中。第二，它用來更新或者復原該截取設備的內(nèi)表面上原始提供的吸附劑或者吸氣劑材料，以幫助維持吸附/捕集效果。

雖然圖6的實施例描述了在或朝向該截取錐的內(nèi)表面的下游端提供一種吸附劑或吸氣劑材料170，本發(fā)明的其他實施例替代性地或者額外地具有在該截取錐的內(nèi)表面的更上游、靠近或鄰近該截取錐入口孔處提供的一種吸附劑或吸氣劑材料。實際上，吸附劑或吸氣劑材料可以被提供在該截取錐的后側(內(nèi)表面)的全體上。可以看出，靠近該入口孔提供這種材料可以具有顯著的優(yōu)點，因為它可以首先有效地捕集或者收集將會在此沉積的物質，并且防止或至少阻止其被釋出(并且因此需要在下游被去除)。

實際上，在本發(fā)明的一個方面中，截取設備的內(nèi)表面的至少第一區(qū)域被一種吸附劑或吸氣劑材料所覆蓋。該第一區(qū)域包括至少一部分、或者全部沉積區(qū)域，來自先前或目前的等離子體流的物質可能被沉積在該沉積區(qū)域?？梢栽谑状问褂迷摻厝≡O備前和/或在該截取設備的工作過程中間歇地施加該材料覆蓋物或層。

雖然已經(jīng)通過總體上同心地關于軸線a安排的不同部件或者等效物來描述以上實施例，這種情況并非必需的。不要求采樣錐、截取錐、一個或多個通道、或者一個或多個透鏡為軸向對稱；其他截面的安排可以達到同樣的效果。例如，不是使圖2、4、5和/或6的實施例關于軸線a旋轉對稱，而是可以沿著垂直于附圖平面的方向延伸來安排(使得在進入或離開附圖平面的距離范圍內(nèi)將提供同樣的橫截面)，具有的效果為，例如，這些“錐”形成狹槽或者“橢圓形的錐”。如技術人員將容易地理解的，盡管在這樣一種安排中，優(yōu)選的尺寸可能不同，本發(fā)明的概念仍然可適用。

如所討論的，雖然已經(jīng)參照使用電感耦合等離子體質譜(icp-ms)的實施例主要地描述了本發(fā)明，本發(fā)明可與多種離子源一起應用。例如，實施例可以用大氣壓離子源實現(xiàn)，在這些大氣壓離子源中，高樣品流/通量區(qū)域中存在膜片(截取器、孔板、電極、透鏡等)，例如用于等離子體電離的離子源，包括氬氣icp、氦icp、微波誘導等離子體、和激光誘導等離子體，以及用于電噴射電離和大氣壓化學電離的離子源。實例包括us5,756,994和us7,915,580中的那些。實施例還可以通過使用激光解吸的離子源來實現(xiàn)，優(yōu)選大氣壓下、減壓下、或者真空壓力下的maldi(基質輔助激光解析/電離)。

其他變化、修改和實施例對技術人員來說將是清楚的并且旨在形成本發(fā)明的一部分。