(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911023526.0
(22)申请日 2019.10.25
(30)优先权数据
62/751,259 2018.10.26 US
(71)申请人 安捷伦科技有限公司
地址 美国加利福尼亚州
(72)发明人 板垣隆之 S ·威尔伯 山中理子
(74)专利代理机构 北京坤瑞律师事务所 11494
代理人 罗天乐
(51)Int.Cl.
H01J 49/00(2006.01)
H01J 49/02(2006.01)
G01N 27/62(2006.01)
(54)发明名称使用单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)自动检测纳米颗粒(57)摘要通过单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP -MS)分析样品中诸如纳米颗粒的颗粒。在ICP -MS 系统中处理所述样品以获取对应于离子信号强度与时间的关系的时间扫描数据。从所述时间扫描数据确定信号分布，所述信号分布对应于离子信号强度和测量所述离子信号强度时的频率。将颗粒检测阈确定为所述信号分布的离子信号部分与颗粒信号部分的交点。所述颗粒信号部分对应于所述样品中颗粒的测量，并且所述离子信号部分对应于所述样品中除颗粒之外的组分的测量。所述颗粒检测阈将所述颗粒信号部分与所述离子信号部分分离并且可用于确定关于所述颗 粒的数据。权利要求书2页 说明书16页 附图19页CN 111105979 A 2020.05.05
C N 111105979
A
1.一种用于通过单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)分析样品中纳米颗粒的方法，所述方法包括：
在ICP-MS系统中处理所述样品以获取原始样品数据，所述原始样品数据对应于通过所述ICP-MS系统的离子检测器测量的随时间变化的离子信号强度；
确定所述原始样品数据的信号分布，所述信号分布对应于多个数据点，每个数据点对应于离子信号强度和所述离子检测器测量所述离子信号强度时的频率；并且确定所述信号分布的离子信号部分与所述信号分布的颗粒信号部分的交点作为颗粒检测阈，
其中所述颗粒信号部分对应于所述样品中纳米颗粒的测量值，所述离子信号部分对应于所述样品中除纳米颗粒之外的组分的测量值，并且所述颗粒检测阈将所述颗粒信号部分与所述离子信号部分分开。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述颗粒检测阈包括评价所述离子信号部分的特征。
3.根据权利要求2所述的方法，其中评价所述离子信号部分的特征包括将所述离子信号部分近似估计为指数函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定颗粒检测阈包括：
基于其中所述信号分布的数据点作为输入的指数函数，计算近似估计所述离子信号部分的多个近似曲线；
计算在所述近似曲线内的数据点的决定系数；
确定所述决定系数中的哪个是最大相关性；并且
将对应于所述最大相关性的数据点确定为颗粒检测阈。
5.根据权利要求1所述的方法，其包括在确定颗粒检测阈之后，基于所述颗粒信号部分确定纳米颗粒数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其中确定纳米颗粒数据选自：确定质谱；
确定颗粒数量浓度；确定元素组成；确定颗粒尺寸；确定颗粒尺寸分布；
以及前述项中两个或更多个的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述样品包括通过将所述样品暴露于电感耦合等离子体中来产生离子，并且将所述离子中的至少一些传输到质量分析器中，并且将所述离子中的至少一些从所述质量分析器传输到所述离子检测器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中处理所述样品包括在炬箱中生成所述电感耦合等离子体，将所述离子从所述炬箱传输到碰撞/反应池中以抑制干扰，并且将所述离子中的至少一些从所述碰撞/反应池传输到所述质量分析器中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述样品包括使所述样品从雾化器或喷雾室流入离子源。
10.一种用于通过单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)分析样品中纳米颗粒的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)系统，所述ICP-MS系统包括：炬箱，所述炬箱被配置用于生成等离子体并且在所述等离子体中从所述样品产生离子；
质量分析器，所述质量分析器被配置用于根据质荷比分离所述离子；
离子检测器，所述离子检测器被配置用于对从所述质量分析器接收的离子进行计数；
和
控制器，所述控制器包括电子处理器和存储器并且被配置用于控制根据权利要求1所述的方法的步骤。
使用单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)自动检测纳
米颗粒
相关申请
[0001]本申请要求2018年10月26日提交的标题为“使用单颗粒电感耦合等离子体质谱(SP-ICP-MS)自动检测纳米颗粒”的美国临时专利申请序列号62/751,259的根据35 U.S.C.§119(e)的权益，将其内容通过引用以其全文并入本文。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，并且特别涉及通过单颗粒ICP-MS(spICP-MS)检测颗粒(例如，纳米颗粒)。
背景技术
[0003]电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)常用于对样品进行元素分析，例如以测量样品中微量金属的浓
度。ICP-MS系统包括基于等离子体的离子源，所述离子源用于生成等离子体以将样品分子分解成原子并且然后电离所述原子以便为元素分析做准备。在典型操作中，通过(典型地是气动辅助型的)雾化器将液体样品雾化，即转化为气溶胶(细喷雾或薄雾)，并且将气雾化样品引导至由等离子体源生成的等离子体羽中。等离子体源经常被配置为具有两个或更多个同心管的流过式等离子体炬管。典型地，等离子体形成气体(诸如氩气)流过炬管的外部管并且由适当的能量源(典型地是射频(RF)供电的负载线圈)激励成等离子体。气雾化样品流过炬管的同轴中心管(或毛细管)并且被发射到原生样的等离子体中。暴露于等离子体会将样品分子分解成原子，或者可替代地将样品分子部分地分解成分子碎片并且电离所述原子或分子碎片。
[0004]从等离子体源提取所得分析物离子并且将其作为离子束引导至质量分析器，所得分析物离子典型地带正电荷。质量分析器施加时变电场、或电场和磁场的组合，以在不同质量的离子的质荷比(m/z)的基础上对其进行谱解析，然后使离子检测器能够对从质量分析器到达离子检测器的给定m/z比的每种类型的离子进行计数。可替代地，质量分析器可以是飞行时间(TOF)分析器，所述飞行时间分析器测量离子漂移通过飞行管的飞行时间，然后可以由所述飞行时间导出m/z值。ICP-MS系统然后将如此获得的数据呈现为质量(m/z)峰的谱。每个峰的强度指示样品的相应元素的浓度(丰度)。
[0005]预计纳米技术的进步会对广泛的工业领域具有重大影响，所述工业领域诸如制成品、药品、消费产品(例如，化妆品、防晒霜、食品、半导体等)、环境工程等。因此，纳米颗粒(NP)的测量是关注
的焦点，因为尚不甚了解NP在环境中的归宿以及一旦被吸收到身体中后毒性作用的潜力。
[0006]可以通过实现被称为单颗粒ICP-MS(spICP-MS或SP-ICP-MS)的技术，使用ICP-MS 检测并且测量样品溶液中存在的单独的纳米颗粒(NP)。这种方法允许通过快速数据获取并且在需要很少样品制备的情况下同时确定颗粒数量浓度、颗粒的元素组成、以及颗粒的尺寸和尺寸分布。在spICP-MS中，感兴趣的分析物是已知或怀疑悬浮于样品溶液中的固体NP。
悬浮的NP必须与样品溶液中存在的其他物质(包括溶解NP)区分开。在spICP-MS中，除NP以外的其他物质均被认为是背景物质。当样品在ICP-MS离子源中被电离时，由样品中的NP产生离子迸发(或脉冲)。由离子检测器测量的这些离子迸发的峰的强度高于由电离的背景物质的测量产生的背景信号的强度。由于对应于NP检测(测量)的“颗粒信号”是spICP-MS中感兴趣的信号，因此背景信号-通常称为在spICP-MS中的“离子信号”-被认为是噪声。因此，为了准确测量样品的NP，需要将颗粒信号与背景或离子信号区分。
[0007]通过将ICP-MS系统的信号处理或数据分析部分配置为对从离子检测器的输出获得的原始时间扫描(离子信号强度与时间的关系)数据执行适当的算法，可以将颗粒信号与离子信号区分。Mitrano等人,“Detecting Nanoparticulate Silver Using Single-particle Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,Environmental Toxicology and Chemistry，第31卷，第1期，第115-121页(2012)中描述
了一种已知方法。在这种方法中，采用迭代算法计算阈限，所述阈限被认为将原始数据中的颗粒信号与离子信号区分。在此，阈限由重复3*σ(“3倍σ”)定义，其中σ是原始数据的信号强度的标准偏差。超过I-+3*σ的数据点(其中I-是原始数据的平均信号强度)被认为是纳米颗粒信号并且从数据集中去除。从其余数据集中再次计算I-+3*σ值，并且去除超过I-+3*σ的另外数据点。重复迭代直到无其他数据点可被去除。以这种方式，可以将较高强度的峰与下面的背景噪声分离，并且所述较高强度的峰被鉴定为对应于分析样品中所含的NP的离子脉冲。作为实现这种算法的例子，附随Mitrano等人的参考文献的补充信息包括时间扫描数据的曲线图(所测量的离子信号强度与时间的关系)，代表通过对含固态银(Ag)NP的样品进行spICP-MS获取的数据的结果。通过重复3*σ方法计算的阈限显示为与水平时间轴平行的线。离子信号中高于阈限的尖峰被鉴定为纳米颗粒信号，而低于阈限的离子信号其余部分被鉴定为背景离子信号。
[0008]可以通过使用变量n*σ而不是唯一地使用3*σ来概括刚才描述的常规算法，并且分析人员可以针对不同元素和不同样品改变n值。然而，n*σ的选择是分析的关键参数。换言之，改变n值可能对最终结果具有显著影响。
[0009]常规算法可能对于某些样品足够起作用，但是对于颗粒检测它经常产生不同的阈限值，即使是在参考材料样品中或即使是在不同小瓶中提供的相同样品中。阈限的错误计算值可能导致对通过ICP-MS从样品获取的数据进行不准确计算和分析。例如，某些颗粒数据(诸如颗粒浓度和尺寸)的计算取决
于雾化效率，雾化效率是ICP-MS系统的样品引入系统的效率的组成部分。雾化效率说明以下事实：ICP-MS系统实际上检测样品中NP的仅一部分(例如，小于10％)，并且所述部分可以通过在ICP-MS系统中分析含颗粒尺寸已知的NP的参考材料来确定。如果参考材料的阈值是错误计算的，则未知样品的结果也将失败，因为无法正确确定雾化效率。
[0010]因此，仍然存在对将颗粒与背景噪声有效区分的spICP-MS技术的需要。此外，能够以改进的精度检测并且测量颗粒的spICP-MS技术可以是希望的。
发明内容
[0011]为了全部或部分地解决前述问题和/或本领域技术人员可能已观察到的其他问题，本公开文本提供了方法、过程、系统、装置、仪器、和/或设备，如在以下阐述的实施方式
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