PerkinElmer公司ELAN系列ICP-MS培训手册.pdf

美国 PerkinElmer 公司 ELAN 系列 ICP-MS 培训手册 珀金埃尔默仪器（上海）有限公司 姚继军 编译 邹骏城 审校 1ELAN系列 ICP-MS培训内容及时间表 第一天 上午：（9：0012：00）1.ICP的基本原理。2.MS的基本原理。包括接口，离子透镜，真空系统，四极杆和其它类型的质量分析器，检测器的基本结构和工作原理。3.ICP-MS的应用概述。ICP-MS的应用范围。下午：（13：0017：00）1.ICP-MS的开机和关机。2.ELAN 软件概述，仪器的优化。3.实验室练习一：仪器的优化。第二天 上午：（9：0012：00）1.ICP-MS的基本分析方法（半定量分析，定量分析，内标法，同位素比值分析，同位素稀释法）。下午：（13：0017：00）1.实验室练习二：仪器的分析方法。第三天 上午：（9：0012：00）1.ICP-MS分析的干扰与校正。2.ICP-MS分析的质量控制。下午：（13：0017：00）1.实验室练习三：仪器的干扰校正与质量控制。第四天 上午：（9：0012：00）1.ICP-MS的维护（实验室，蠕动泵，炬管，锥，真空泵）。2.实验室练习四：仪器的维护。下午：（13：0017：00）1.ICP-MS的维护（分析结果的数据再处理与维护）。2.分析报告的编辑。第五天 上午：（9：0012：00）1.ICP-MS的 Troubleshooting。下午：（13：0017：00）1.ICP-MS的样品处理概述。2第第 1 章章 ICP-MS 基础知识与仪器优化基础知识与仪器优化 系统说明书系统说明书 系统介绍 ELAN电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）是一台整套装置装在一起的仪器系统。它可以通过质谱仪分析溶液、固体和气体中金属元素和绝大部分非金属元素的含量。ELAN 系统包括一台仪器，一个计算机和一个打印机。使用者通过操作个人电脑中的软件控制 ELAN。软件在 Windows 操作系统下运行。3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 操作原则操作原则 ELAN包含可以使样品中待分析元素有效电离的电感耦合等离子体、可以消除干扰并具有质量过滤功能的动态反应池(DRC)和优异的质谱检测装置。完整的系统包括一个电感耦合等离子体源，离子光学系统，一个动态反应池，一个四极杆质谱仪，一台计算机负责控制仪器，获取数据和处理数据，一台打印机，一个可选的自动取样器和一个可选的循环冷却水装置。四极杆质谱仪的有效质量检测范围是 5270原子质量单位（amu）。注意仪器无法检测负离子。为了保证质谱仪操作过程中的质量稳定，某些关键的组件被安装在加热恒温的环境中。冷冻液循环系统（循环冷却水装置）是可选择的。ICP部分使用固有频率为 40兆赫兹（MHz）的射频，电感耦合等离子体射频发生器功率最大可达 1600瓦。对于雾化器等离子体，辅助剂和 DRC 气体 A 流速控制均提供控制器作为标准组件。DRC gas B 流速控制是可选的。炬管是标准的珀金埃尔默设计，使用它可以分析包括氢氟酸在内的各种溶液。ICP在 1个大气压下，温度为 6000K的条件下操作，质谱仪在压力为 2105托或更低的条件下运行。ICP和质谱仪之间的接口是通过由镍或者铂金构成的截取锥和采样锥，进入减压区域。这种接口的设计是为了将连接区域中可能形成的放电减小到最低程度。高容量涡轮分子真空系统可以使质谱仪内部达到 106托或更高的真空度。这种涡轮分子真空泵不需要机油，整个真空系统是完全互锁的。15 仪器特点仪器特点 ELAN软件可以帮助使用者利用电感耦合等离子体质谱仪的所有潜在功能，从而可以快速并有效地进行操作和分析。仪器具有如下一些技术优势：快速多元素检测 低检出限 高样品通过量 与 ICP-OES相比具有较为简单的谱图 在动态反应池模式下可以降低谱线干扰 半定量和定量分析 同位素信息 轴向场技术 硬件特点硬件特点 ELAN 系统的硬件具有以下特点：全自动运行。对于分析常规样品的分析者和着重考虑研究方法的研究者来说都较为方便。整套仪器设计紧凑，单一的立式机身中含有一个内置的射频发生器集成系统。创新的轴向场技术为动态反应池提供了线性加速的轴向场。这项技术降低了基体效应，提高了稳定性并且提高了动态反应池的速度。DRC 为全石英样品进样系统，可以将样品的沾污减小到最低程度。ELAN 9000和 DRC-e 型仪器为 Ryton 抗腐蚀样品进样系统，对于大多数无机酸和有机溶剂均不起化学反应。镍或者铂的截取锥和采样锥，可以增长使用寿命，并且方便快速拆卸和安装。独特的 Plasmalok连接完全消除接口处的二次电弧放电并且可以使等离子体稳定，这保证了仪器在不同样品种类、操作条件和样品进样系统的条件下均可呈现最佳状态。可拆卸式炬管安装在一个卡口式固定架上，可快速更换，这样不仅维护简单而且可以降低耗材成本。Auto Lens 离子光学系统可以瞬间使计算机控制的透镜达到优化，使分析物产生最大离子信号，同时具有最小的干扰。一个带有瞬时自动调谐功能的 40MHz固态射频发生器可以用来处理最为复杂的基体和有机溶剂。独特的专利双曲面镀金四极杆设计，具有优异的同位素灵敏度，谱线分辨率和稳定性。双入口的涡轮分子泵和两个机械泵提供了三阶真空系统，为仪器的可靠性和优异性能表现提供了保证。在 ELAN DRC 型仪器中可以进行标准模式和 DRC 模式的切换。在加压的动态反应池中可以对离子束进行化学反应修饰，在 DRC模式下操作时可以降低或消除干扰。16 系统组件系统组件 ELAN系统包括以下组件：ELAN 电感耦合等离子体质谱仪 计算机 ELAN软件 打印机 可选的组件如下:在 DRC 型仪器中可选第二路 DRC gas B 输入 机械泵远程安装工具包 FIAS-400MS 流动注射系统 自动进样器 吸气剂温度控制盒 补充气体 氧气 辅助剂和等离子体气体质量流量计控制选择 ELAN 控制台控制台 ELAN 是一个多元素分析仪器，使用它可以分析多种样品基体中的各种元素。这个系统使用电感耦合等离子体（ICP）作为质谱仪的离子源。仪器的构造包括四个主要部分：电感耦合等离子体离子源，离子光学系统，动态反应池（DRC）和四极杆质谱仪。除了这些部件，控制台还包括一个内置于质谱仪中的真空系统。使用者应熟悉这台仪器的以下组件：样品进样系统 接口区域 真空泵系统 质谱仪和离子光学系统区域，包括动态反应池。这些区域的每一部分都会在后面进行详细讨论。这些区域的位置下图所示。ELAN 系列 ICP-MS 主机的组成部分 1总体描述总体描述 仪器的构造包括：进样系统，电感耦合等离子体离子源（ICP），接口（采样锥和截取锥），离子光学系统，动态反应池（DRC），四极杆质谱仪（MS）和检测器。除了这些部件，仪器还包括一个内置于质谱仪中的真空系统。整个仪器由软件进行自动控制。这些区域的位置下图所示。2进样系统概述进样系统概述 样品进样系统是将待测样品转变成合适的形式，即雾化的电离状态从而进入仪器的接口区。简单地讲，样品进样系统的目的就是将样品送入等离子体。下面的框图说明了样品在流经 ELAN的样品进样区所经过的区域，包括以下几部分：蠕动泵、雾化器、雾室ICP 炬管。2.1 蠕动泵蠕动泵 系统集成的蠕动泵是为了保证在一定的流速下将液体样品由容器送入雾化器。它位于顶盖的右侧。通过改变滚轮的转速，蠕动泵还可以调节样品的提升率。另外，由于样品的粘度不同（标准样品和空白样品），蠕动泵还可补偿提升率的不同。2.2 雾化器雾化器 ELAN 9000 和 DRC-e 标准的样品进样系统是耐 HF酸耐高盐分进样系统。ELAN DRC II标准的样品进样系统是高灵敏度高稳定性的石英同心雾化器和石英旋流雾室进样系统。2.3 雾室雾室 ELAN 9000和 DRC-e 的标准配置雾室由 Ryton材料制成。这种聚合物可耐无机酸和有机溶剂。2.4 ICP炬管炬管 很小的样品气雾液滴在雾化器气流的带动下由雾室出来进入 ICP 炬管。这是通过一个很小的喷射管完成的。在 ELAN 9000 和 DRC-e标准配置中，喷射管是由刚玉制成的。在 DRC II的标准配置中喷射管是高纯石英的。3电感耦合等离子体离子源（电感耦合等离子体离子源（ICP）射频发生器是 ELAN主要部件。它是完全由计算机控制，功率为 40MHz 的自激设计。计算机控制可以使整个系统实现自动化操作。射频发生器的作用是将交流功率转换成为射频功率，从而用来维持氩气等离子体。使用 40MHz 的频率，振荡器使用一个功率放大器，可以产生 1.6kW 的功率。感应加热线圈：射频感应加热线圈包括 3匝铜管。感应加热线圈冷却是借助于将等离子体带入炬管的氩气进行的，因此无需另外的冷却液体用来冷却感应加热线圈。外壳：射频发生器的外壳是由一个厚铝板制成的。盒子上所有的接缝处均采用连续焊接，可以对射频干扰/电磁干扰（RFI/EMI）进行恰当的屏蔽。4接口区域概述接口区域概述 ELAN的两部分在不同的压力下操作。仪器的质谱仪部分在操作中需要真空，而 ICP 部分是在大气压下操作的。由于存在不同的压力需求，ELAN 设计有一个接口区域，它可以通过一些减压步骤将等离子体中的离子送入质谱仪。接口本身是由铝制成的，由于其中含有样品锥使得它可以将样品离子送入质谱仪。接口机架用螺栓固定在真空室上。下图表明了仪器中接口区域的位置。接口部分包括一个采样锥和一个截取锥。采样锥是一个钝锥，中间有一个入射孔。孔的直径为 1.1毫米（0.045英寸）。等离子体直接打到采样锥上，采样锥对通过中心部分等离子体的气体进行分离，只允许富含样品离子的气体进入接口区域。大部分等离子体氩气在采样锥处被拦截，使用真空泵将废气抽走。真空泵的真空度约为 4托，可将大部分的气流抽走。进入采样锥的离子气体还要经过截取锥。截取锥是一个锐角锥，中间的孔径为0.9 毫米（0.035英寸）。这同样会对最初来自等离子体的气流产生约束，控制它们在中间区域流动。5离子透镜自动透镜功能（离子透镜自动透镜功能（AutoLens）使用 ELAN的自动透镜功能可以允许透镜扫描与四极质量扫描同步进行。自动透镜由软件自动控制，动态调整透镜来达到最优的设置，在扫描的同时对每一个同位素调整它的质量范围。这意味着对于每一个质量都使用的是最佳的透镜条件。同时避免了对各种操作条件的折中。由于透镜的这种设计，使得分析灵敏度和精度都大大提高，同时减小了基体效应。6动态反应池动态反应池 动态反应池组件位于真空室中，介于柱面透镜和四极杆/检测器之间。反应池本身是一组四极杆，每个棒的末端带有一个透镜。它的操作需要射频电压和直流电压。动态反应池的电源可以对所有的棒提供需要的电压。反应气体通过一个气体组件进入，使用者可以设定使用气体的类型和反应池的操作压力。创新的轴向场技术将一个线性加速轴向场应用于动态反应池。这项技术可以降低基体效应，提高稳定性和动态反应池的速度。关闭进入动态反应池的反应气流，然后打开由动态反应池到分析室的出口，这是标准的操作模式。在这一模式下，动态反应池是一个多极装置，它可以将离子送入质谱仪的分析室中。关闭分析器的出口，然后使反应气进入动态反应池，这是 DRC 操作模式。在这一模式下，促进离子分子反应可以选择性地消除同量异序干扰。7四极杆四极杆 四极杆质谱仪是一个由四个平行的导电棒组成的质量过滤器，只有具有一定质荷比的离子才能在任意时刻及时通过质谱仪。质量不符合要求的离子与棒相碰撞或者离开棒之间的轨道，被泵抽出系统。双曲面镀金陶瓷四极杆是目前最新的专利技术。这意味着四极杆之间的热膨胀系数很小，而且可以很好地相互匹配。为了能够产生双曲面电场，棒的形状与尺寸完全相同，以及它们之间的间距也必须完全相同。当恰当地将直流和交流电压施加于这些棒的时候，可以实现对质量进行选择性过滤的功能。在几毫秒内就可以对整个质量范围由 1到 270原子质量单位（amu）进行扫描。用户可以通过操作计算机选取扫描范围，可以是整个扫描范围，也可以是其中一部分。通过改变施加于质量过滤器上的电压，可以在微秒范围内改变可通过的离子质量，从而保证可以对整个质量范围进行快速扫描。8检测器检测器 双模式检测器是整个系统构成中的一个重要组成部分。它检测到通过四极杆的离子后，产生可被电子检测元件处理的放大信号，然后发送到计算机进行数据处理。检测器的特点是，它可以同时检测模拟信号和脉冲信号。在维持低背景计数率的条件下，可以在更高的动态范围内使对离子信号的计数率达到最大。检测器位于真空室中。它包括 26个倍增电极，这些电极负责执行电子倍增程序。离子首先通过四极杆，然后撞在第一个倾斜的电极上。这会使离子经历一个曲线轨迹，将信号离子与背景噪声分离，背景噪声包括中性物和来自离子源的电磁辐射。一旦离子与第一个电极碰撞，就会产生二次电子。随着电子从电极上依次往下传，由电极表面射出的电子数目倍增。这一信号经电子检测元件处理，然后发送到计算机进行数据处理。如果脉冲信号超过 2106计数，一个单独的电极就会转换成为接地电位，使检测器的脉冲方式失效。同时，检测器的模拟方式仍然有效，可以检测离子撞击13 个倍增电极所产生的电流。转换到模拟方式后，检测器的动态检测范围增加。动态检测范围增加可以更为精确地检测更高的计数率，一次扫描中动态检测范围可以达到 9个数量级。在模拟方式下，当离子流量超过扩展动态检测范围的界限时，检测器自动保护。柱面透镜上会产生电压通过将离子束扩散，从而阻止更多的离子进入四极杆。9真空室真空室 真空室的特殊设计采用了 CAD/CAM 技术。透镜、动态反应池、四极杆和检测器等所有关键装置的电板均直接安装在箱体上，从物理位置上尽量接近它们控制的设备。在机架内使用特殊设计的引线将耦接头直接连接可以实现最短的连接，将静电干扰降到最低。特别重要的是，当与射频和脉冲电子元件同时工作时，可以消除噪音。真空泵由两个机械泵和两个涡轮分子泵组成，为降低噪音，两个涡轮分子泵由同一套控制系统进行控制。10计算机计算机 ELAN使用基于 Windows XP 操作系统的计算机运行 ELAN软件。使用软件可以对整个系统进行控制。ELAN 系统的软件具有以下特点：ELAN 软件为多任务程序，它可以控制和监视系统的操作参数，数据采集以及样品进样。具有以下几种分析功能：定量分析，半定量分析，同位素比，同位素稀释，谱扫描和强度/时间分析。从仪器的功能介绍到对结果的分析都采用易于理解的图片来帮助用户。DynaRinse：一台计算机控制的动态变量泵和自动取样系统可以在保证最大样品通过量的条件下大大优化清洗，读数和洗涤时间。Reporter：可以灵活地输出文件。针对客户的需求，可以使用任意一部分数据或计算结果制作数据报告。PathFinder：在线帮助系统 使用者通过 ELAN软件来操作仪器。这个程序不仅容易理解，而且可以通过简单操作实现复杂的分析功能。在 windows 中使用下拉式菜单、对话框、快捷键、特殊功能键和鼠标，ELAN软件可以帮助用户控制仪器并且获取数据。ELAN是真正的多任务处理软件。所有的关键系统功能均可用。按开始按钮即会自动启动开始程序。所有的仪器子系统，例如样品进样系统、等离子体、接口、透镜、四极杆、检测器、多通道分析器和真空系统等都是受计算机控制。为了实现仪器性能优化，AutoTune可以自动调整一些重要的操作参数。系统安装就绪开始运行后，内置的在线系统诊断程序连续监视系统的所有关键操作参数，这样可以保证仪器在最佳状态下持续运行。AutoAnalyst 可以使数据分析实现自动化。单击需要的元素，与此同时一种方法就会自动生成。用户通过使用动态在线 QA/QC 做出判断和采取行动程序，来实现实时自动检查样品实验结果。PathFinder是一个在线帮助顾问。面向任务的 QuickSteps使用者指南帮助分析员一步一步地熟悉仪器操作。PathFinder可以帮助操作者解决他们在分析中遇到的各种问题。多任务处理的 ELAN软件不仅控制和监视系统运行参数以及数据读取功能，它还可以控制样品进样系统。四极杆电源具有优越的稳定性，这可以保证仪器单点峰跳跃。这将使仪器在最佳信噪比的条件下，在最短的合理时间内达到最低检测限。DynaRinse技术是由计算机控制的动态变量泵和自动取样系统，在最大样品通过量的条件下优化了清洗、读取和洗涤时间。需要的清洗时间越短，系统就可以更加快速地分析下一个样品。对样品通过量进行了优化，同时样品在转移过程中的污染也会降到最低程度。当离子信号超负荷时 Signal Guard技术可以对检测器进行自动保护，因此在对未知样品进行分析时，完全无需担心损坏仪器或是数据丢失。最后，对未知样品，Simul Scan可以允许在一次扫描中进行同时检测，而无需事先了解样品信息。这表明只需一次扫描就可以获得样品全部的谱信息。22样品进样系统和射频发生器样品进样系统和射频发生器 样品进样系统概述 样品进样系统是将待测样品转变成合适的形式，即雾化的电离状态从而进入仪器的接口区。简单地讲，样品进样系统的目的就是将样品送入等离子体。下面的框图说明了样品在流经 ELAN 的样品进样区所经过的区域，包括以下几部分：蠕动泵 雾化器 雾室 ICP炬管 23 如图所示，首先通过一个蠕动泵将液体样品送入雾化器，然后进入雾室。少量样品以气雾液滴的形式通过注入器管道离开雾室进入 ICP炬管。在炬管里，气雾液滴被送入高温等离子体，当它们通过感应加热线圈后，即可成为雾化的电离状态。至此，样品就完成了它在进样系统的任务，下一阶段就要进入仪器的另一部分，接口区。样品进样系统的设计是要使样品非常容易进入。当使用不同的样品附件时，都可以保证轻松进样。ELAN 9000和 DRC-e标准的样品进样系统是耐 HF酸耐高盐分进样系统。ELAN DRC标准的样品进样系统是全石英系统。同时还有很多其它可选的样品进样系统，都可以很容易与带有快速更换底座的炬管底部连接。样品进样系统的更换快速方便。24 下面将对样品在进样系统中的流程作详细解释。蠕动泵蠕动泵 系统集成的蠕动泵是为了保证在一定的流速下将液体样品由容器送入雾化器。它位于顶盖的右侧。通过改变滚轮的转速，蠕动泵还可以调节样品的提升率。另外，由于样品的粘度不同（标准样品和空白样品），蠕动泵还可补偿提升率的不同。有 3种类型的蠕动泵管材：标准管 耐溶剂管 25硅胶管 弱酸含量小于 5的水溶液可以使用标准管。中度到强酸水溶液和许多有机液体可以使用耐溶剂管。硅胶管对于所有的水溶液和大多数的有机液体均具有很好的耐受性。它的缺点是太软，易老化，而且具有很强的硅背景。建议根据使用情况更换泵管。更换方法请见本手册中的“维护”部分。雾化器雾化器 雾化器的作用是将液体样品转变成细微的气溶胶。样品通过毛细管进入雾化器，然后被强制通过雾化器尖端。同时，氩气进入雾化器产生小液滴的气雾。然后这些液滴进入与雾化器相连接的雾室中。下图是一个标准 Meinhard石英雾化器的分解图。下面是一个交叉流动雾化器的分解图。26 27 雾室雾室 当样品气雾液滴从雾化器出来后，雾室即可将它们进行分离。大的液滴由于重力的作用以及它们与雾室器壁的撞击，进入排泄管中。只有大约百分之一的液滴可以由雾室出来，通过炬管喷射管，然后进入 ICP炬管。下图是带有交叉流雾化器的Scott 雾室。DRC II标准的雾化器和雾室都是由石英做成的，它可以有效防止样品污染。石英非常容易清洗而且清洗后几乎不会留下残余物质。但是，安装或更换后需对石英部件进行调整。ELAN 9000和 DRC-e 的标准配置雾室和雾化器由 Ryton材料制成。这种聚合物可耐无机酸和有机溶剂。交叉流雾化器和 Ryton 雾室很可能对样品有较大的污染，但是在安装后无需进行调整。28 29 30 ICP 炬管炬管 很小的样品气雾液滴在雾化器气流的带动下由雾室出来进入 ICP炬管。这是通过一个很小的喷射管完成的。在 ELAN 9000和 DRC-e标准配置中，喷射管是由刚玉制成的。在 DRC II标准配置中，喷射管是由石英制成的。它通过一个球窝结合零件直接与雾室连接。在样品浓度较低的水平下，DRC II这种石英石英直接相互连接的方法大大降低了对样品的污染。然后样品气雾液滴经过炬管区域，在这里形成电感耦合等离子体。通过将射频耦合为流动的氩气形成等离子体。这种等离子体中主要是正的氩离子和电子，温度约为 6000K。等离子体的热量蒸发，使样品雾化并且可以有效地将样品原子离子化。下图是炬管，DRC II标准喷射管和石英雾室连接的示意图。31 下图是炬管，ELAN 9000和 DRC-e标准的喷射管和 Ryton 雾室连接的示意图。炬管详细资料：炬管是由两个同心的石英管组成，氩气在两管中分别以不同的速度流动。外面的管由射频感应加热线圈包裹。感应加热线圈位于外管的末端附近。电感应将感应加热线圈的能量与等离子体耦合。等离子体在炬管内部形成。为了维持等离子体，要求氩气在外石英管与内石英管之间一个很窄的间隙流过。等离子体在被感应加热线圈包裹的外石英管末端附近形成。32 炬管组件是完全可拆卸的，并且它安装在统一的卡口固定架上，因此维修炬管和喷射管非常方便简单。等离子体详细情况：上面已经提到，用具有很强电磁场的感应加热线圈来包裹炬管。固态点火电极燃烧可使炬管中存在自由电子。这些电子受射频磁场的激发并且与氩原子相互碰撞。这一过程将持续进行，释放越来越多的电子直到这一过程成为自持的而且氩气完全被离子化为止。这种导电的过热气体就是等离子体，它可以在分析过程中对样品进行离子化。33 炬管气体：雾化器中的氩气将样品气雾从雾化器中带出，经过喷射管进入 ICP炬管。雾化器中的氩气通常流速为 0.9L/min，它可以控制样品通过等离子体的中心。等离子体氩气在内外石英管之间流动，流速通常为 15L/min。除了维持等离子体外，它还可以冷却外石英管并且防止它熔化。等离子体氩气也流经射频感应加热线圈，并且对它进行冷却。第三种氩气是辅助氩气。它也是在炬管的内石英管与喷射管之间流动，流速通常为1.2L/min。它的作用是将等离子体推离炬管内管和喷射管，防止它们熔化。射频发生器射频发生器 射频发生器是 ELAN 主要部件。它是完全由计算机控制，功率为 40MHz 的自激设计。计算机控制可以使整个系统实现自动化操作。射频发生器的作用是将交流功率转换成为射频功率，从而用来维持氩气等离子体。符合 C 级自激功率振荡器的设计标准。也就是说，射频发生器实际的输出频率会由于等离子体电性质的改变而有微小的变化。这可以使射频功率最有效地与等离子体耦合。使用 40MHz的频率，振荡器使用一个功率放大器，就可以产生 1.6kW的功率。34 自动化：不仅仅是点火，操作功率和停止均完全由计算机控制，在维护，维修以及修理故障时均可以对一整套的操作数据进行统计。感应加热线圈：射频感应加热线圈包括 3匝铜管。感应加热线圈冷却是借助于将等离子体带入炬管的氩气进行的，因此无需另外的冷却液体用来冷却感应加热线圈。外壳：射频发生器的外壳是由一个厚铝板制成的。盒子上所有的接缝处均采用连续焊接，可以对射频干扰/电磁干扰（RFI/EMI）进行恰当的屏蔽。35 接口区域和真空系统接口区域和真空系统 这一部分先对接口区域进行概述，然后对接口区域的部件，采样锥，真空系统以及循环冷却水装置进行详细说明。36接口区域概述接口区域概述 ELAN的两部分在不同的压力下操作。仪器的质谱仪部分在操作中需要真空，而ICP部分是在大气压下操作的。由于存在不同的压力需求，ELAN 设计有一个接口区域，它可以通过一些减压步骤将等离子体中的离子送入质谱仪。接口本身是由铝制成的，由于其中含有样品锥使得它可以将样品离子送入质谱仪。接口机架用螺栓固定在真空室上。下图表明了仪器中接口区域的位置。37 采样锥和截取锥采样锥和截取锥 接口部分包括一个采样锥和一个截取锥。采样锥是一个钝锥，中间有一个入射孔。孔的直径为 1.1毫米（0.045英寸）。等离子体直接打到采样锥上，采样锥对通过中心部分等离子体的气体进行分离，只允许富含样品离子的气体进入接口区域。大部分等离子体氩气在采样锥处被拦截，使用真空泵将废气抽走。真空泵的真空度约为 4托，可将大部分的气流抽走。进入采样锥的离子气体还要经过截取锥。截取锥是一个锐角锥，中间的孔径为 0.9毫米（0.035 英寸）。这同样会对最初来自等离子体的气流产生约束，控制它们在中间区域流动。截取锥后面的区域用涡轮分子真空泵进行抽气，压力大约稳定在 8104托。通过一个闸门阀可将这一区域与接口区的高压部分分隔。在等离子体启动和关闭程序中仪器都可以对闸门阀进行自动控制。当闸门阀关闭时，真空泵处于它的后面，这样可以在需要取下采样锥和截取锥进行维护的时候避免损坏质谱仪中的真空泵。采样锥和截取锥都是通过将它们的基座与位于接口区内部的液体冷却室接触来进行冷却的。它们都是由镍制成，或者尖端由铂，基座由镍制成。维护和保养维护和保养 截取锥具有一个旋转灵活的螺纹固定架。为了能够快速固定和拆卸，采样锥采用了pop-in/pop-out（突然进去/突然出来）的设计。拆卸和安装接口区内部的采样锥和截取锥需要特殊的工具。一旦将炬管箱和真空室分开，那么安装和拆卸采样锥与截取锥的时间非常短，不到 1分钟即可完成。38 39 40真空系统真空系统 前面已经提到过，采样锥只允许富含样品离子的气体进入接口区域，而拒绝其它气体进入内部。在采样锥后面的区域直接连着一个转动叶片真空泵，它产生的真空度大约可达 4托。它可将大部分的气流抽走。截取锥后面的区域是使用一个双入口涡轮分子泵进行抽气，它负责离子光学系统和质量分析器两个区域。离子光学系统区域的压力稳定在 8104托，质量分析器区域的压力可以下降到约为 1106托。真空室真空室 真空室的特殊设计采用了 CAD/CAM技术。透镜、动态反应池、四极杆和检测器等所有关键装置的电板均直接安装在箱体上，从物理位置上尽量接近它们控制的设备。在机架内使用特殊设计的引线将耦接头直接连接可以实现最短的连接，将静电干扰降到最低。特别重要的是，当与射频和脉冲电子元件同时工作时，可以消除噪音。41 循环冷却水装置循环冷却水装置 ELAN要求具备一个过滤冷却液的调节源。通过将冷却液在接口机架周围进行循环，循环冷却水装置可以冷却铝铸件接口。循环冷却水装置的操作压力应该为 35014kPa（502psi）。补充的冷却液应该进行过滤（保证无沉淀物），pH值在 6.5到 8.5之间时对仪器不会造成损坏。为了仪器运行性能最佳，强烈推荐使用 PerkinElmer 冷却液。由于水会对仪器造成腐蚀，因此不建议使用水作为冷却液。计算机通过电磁阀，温度传感器和流量传感器可以控制冷却液的流量。防止过热对仪器造成损坏，当冷却液流量降低时，仪器会停机。循环冷却水装置还可以保证冷却液完全过滤。如果未购置循环冷却水装置，推荐使用带有 PerkinElmer 冷却液的循环冷却水系统，另外还要遵守以下要求：进入仪器的冷却液必须经过过滤，保证无沉淀物。冷却液必须无害。重金属总量（特别是铜）要小于 1ppm。pH值介于 6.5到 8.5 之间。42质谱仪和离子光学系统质谱仪和离子光学系统 质谱仪概述质谱仪概述 前面已经提到，ELAN 仪器可以被看作包括 3或者 4个主要部件的系统：一个电感耦合等离子体（ICP）源，一个离子光学系统，（DRC 含有一个动态反应池），和一个四极杆质谱仪。简单的说，ICP是用来从分析样品中提供离子源。质谱仪可以对每一质量以快速序列检测离子，并且可以单独确定元素的同位素。离子检测产生的电信号被处理成数字信息，用它可以表示离子强度和元素浓度。离子飞行轨迹和离子光学系统离子飞行轨迹和离子光学系统 离子飞行轨迹离子飞行轨迹 样品离子流经过接口区域和截取锥后，通过一个离子光学系统进行聚焦。透镜的功能是通过一个电场精确可控的柱面将带电离子聚焦。聚焦后的离子直接进入动态反应池，DRC 模式下在加压室中操作可以对离子束进行化学修饰以消除干扰。然后离子束经过四极杆质量过滤器，只有具有一定质荷比的离子才能在任意时刻快速通过。由质量过滤器中出来的离子经过检测，使用数据处理软件进行处理。自动透镜功能自动透镜功能（AutoLens）使用 ELAN的自动透镜功能可以允许透镜扫描与四极质量扫描同步进行。自动透镜由软件自动控制，动态调整透镜来达到最优的设置，在扫描的同时对每一个同位 43素调整它的质量范围。这意味着对于每一个质量都使用的是最佳的透镜条件。同时避免了对各种操作条件的折中。由于透镜的这种设计，使得分析灵敏度和精度都大大提高，同时减小了基体效应。样品离子流通过一个电场精确可控的柱面透镜聚焦。柱面透镜可将由截取锥进来的较宽离子束聚焦成较窄的一束。它的电压范围是有-24V 到 24V。由计算机操作台通过模拟数字变换器（DACs）即可设置这些电压。随着时间的推移，柱面透镜会逐渐被沉积物污染如果最优的透镜电压一直稳定增长，那么就要考虑是不是透镜已经被污染了。另一个判断方法是，低质量元素的稳定性实验随着时间增长显著漂移，而高质量元素保持在规格以内。如果发生了这种 44情况，请拆下并清洗透镜。（有关清洗柱面透镜的详细说明，请参考“维护”部分）动态反应池动态反应池 动态反应池组件位于真空室中，介于柱面透镜和四极杆/检测器之间。反应池本身是一组棒，每个棒的末端带有一个透镜。它的操作需要射频电压和直流电压。动态反应池的电源可以对所有的棒提供需要的电压。反应气体通过一个气体组件进入，使用者可以设定使用气体的类型和反应池的操作压力。可以使用反应气体给 DRC加压。DRC的放气和加压均由计算机控制。为了消除干扰，DRC 可以对离子束进行在线的化学改性。通过恰当选择反应气体和操作条件可以获得抗干扰能力的特性。使用动态反应池的功率供应系统的射频和直流电器元件在动态反应池中可以控制离子分子反应性的程度。当与降低干扰所选择的反应气体同时作用时，会影响反应顺序，也同样会带来干扰。创新的轴向场技术将一个线性加速轴向场应用于动态反应池。这项技术可以降低基体效应，提高稳定性和动态反应池的速度。首先关闭进入动态反应池的反应气流，然后打开由动态反应池到分析室的出口，这是标准的操作模式。在这一模式下，动态反应池是一个多极装置，它可以将离子送入质谱仪的分析室中。关闭分析器的出口，然后使反应气进入动态反应池这是DRC 操作模式。在这一模式下，促进离子分子反应可以选择性地消除同量异序干扰。四极杆四极杆 四极杆质谱仪是一个由四个平行的导电棒组成的质量过滤器，它的操作真空度低于110-6托。只有具有一定质荷比的离子才能在任意时刻及时通过质谱仪。质量不符合要求的离子与棒相碰撞或者离开棒之间的轨道，被泵抽出系统。双曲面镀金陶瓷四极杆是目前最新的专利技术。这意味着四极杆之间的热膨胀系数很小，而且可以很好地相互匹配。为了能够产生双曲面电场，棒的形状与尺寸完全相同，以及它们之间的间距也必须完全相同。当恰当地将直流和交流电压施加于这些棒的时候，可以实现对质量进行选择性过滤的功能。在几毫秒内就可以对整个质量范围由 1到 270原子质量单位（amu）进行扫描。用户可以通过操作计算机选取扫描范围，可以是整个扫描范围，也可以是其中一部 45分。通过改变施加于质量过滤器上的电压，可以在微秒范围内改变可通过的离子质量，从而保证可以对整个质量范围进行快速扫描。46 47 48为什么六级杆和八级杆没有质量过滤功能？为什么六级杆和八级杆没有质量过滤功能？49检测器检测器 双模式检测器是整个系统构成中的一个重要组成部分。它检测到通过四极杆的离子后，产生可被电子检测元件处理的放大信号，然后发送到计算机进行数据处理。检测器的特点是，它可以同时检测模拟信号和脉冲信号。在维持低背景计数率的条件下，可以在更高的动态范围内使对离子信号的计数率达到最大。检测器位于真空室中。它包括 26 个倍增电极，这些电极负责执行电子倍增程序。离子首先通过四极杆，然后撞在第一个倾斜的电极上。这会使离子经历一个曲线轨迹，将信号离子与背景噪声分离，背景噪声包括中性物和来自离子源的电磁辐射。一旦离子与第一个电极碰撞，就会产生二次电子。随着电子从电极上依次往下传，由电极表面射出的电子数目倍增。这一信号经电子检测元件处理，然后发送到计算机进行数据处理。如果脉冲信号超过 2106计数，一个单独的电极就会转换成为接地电位，使检测器的脉冲方式失效。同时，检测器的模拟方式仍然有效，可以检测离子撞击 13个倍增电极所产生的电流。转换到模拟方式后，检测器的动态检测范围增加。动态检测范围增加可以更为精确地检测更高的计数率，一次扫描中动态检测范围可以达到9个数量级。在模拟方式下，当离子流量超过扩展动态检测范围的界限时，检测器自动保护。柱面透镜上会产生电压通过将离子束扩散，从而阻止更多的离子进入四极杆。50 51 52 可选附件可选附件 FIAS-400MS PerkinElmer FIAS-400MS（流动注射分析系统）是 ELAN中一个功能强大的样品进样系统。它可以交替地将样品送入等离子体。特别应用于微量样品的分析中。FIAS-400MS具有自己的硬件指南，关于连接说明可以参考本手册中的“仪器移动”部分。对于原子光谱学来说，FIAS-400MS是一个具有高性能的流动注射分析系统。PerkinElmer 的自动进样器 AS-93 plus 是一个计算机控制的，多功能的自动进样装置，它可以与 FIAS-400MS连接进行自动分析。FIAS-400MS具有全自动化，高速分析，最小样品消耗量和精确使用规定的样品体积等特点。FIAS-400MS与 AS-93plus组合使用对于 ICP-MS微量样品分析具有以下优点：进入质谱仪的样品量小于标准的雾化量。常规分析注入 500uL样品即可。由于运载流的连续清洗，可以分析具有高溶解性的固体样品，无需担心堵塞 ICP-MS的接口和雾化器。采用多种外形的泵，阀和柱可以组合成多种形式的样品化学预处理条件。FIAS-400MS系统包括两个蠕动泵，一个流动注射阀和所需的管道。采用专门为流动注射装置设计的阀门，可以实现精确的可重复进样，将样品注射入运载流。53FIAS-400MS可完全通过 ELAN质谱仪的软件控制。在 FIAS-400MS 程序中，可以输入操作参数并将它保存在计算机中。在分析时，软件可以执行这些参数。AS-93plus 自动进样器自动进样器 常规分析使用 FIAS-400MS可以简化 PerkinElmer 自动取样器的使用（型号 AS-93plus）。AS-93plus 是一个计算机控制，多功能的自动进样装置，它与 FIAS-400MS所有的功能均兼容。高精度数字步进电机可以迅速并且准确地将 AS-93plus 所有的取样臂移至按程序制定的 x-y-z坐标，大大降低样品间的更换时间。随机存取程序允许灵活地选择样品的排放和参比溶液。样品探针装置由聚四氟乙烯制成，完全可以耐酸和溶剂。AS-93plus的样品容量可达每架放置 200 个样品。样品架更换方便，可以降低调整时间。AS-93plus允许使用通常实验室中其他厂家生产的样品架，例如 Scienceware和 Gilson。内置的蠕动泵连续清洗样品间的取样毛细管，防止存有残留物。仪器可选项仪器可选项 有机样品进样配件有机样品进样配件 有机样品进样配件是一个可选项，它可以使 ELAN分析有机物质。目前有两种类型的有机配件可以选择，一种是 50Hz 配件，另一种是 60Hz配件。使用有机配件时需要一个氧气源，氧气源需要压力 17234.5kPa（255psi），流速为 200ml/min，并且带有一个后调节装置（带有一个 1/4英寸的管子的接套装置）。这个配件包括一个冷却雾室和一个冷冻槽。将雾室冷却可以降低进入等离子体的有机物的蒸汽负荷。在雾化器流体中添加少量的氧气，以防碳在接口中的样品锥上沉积。在分析有机样品时，建议使用铂金锥，这是因为铂金锥比镍锥更耐氧气的腐蚀。氧气配件氧气配件 氧气配件是与有机样品进样配件结合使用的，它可以用来控制氧气的流量。在雾化器流体中添加少量的氧气，以防碳在接口中的样品锥上沉积。这个配件