CN108695135A - 用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和/或电离的金属氧化物的离子源，其包含：具有内部的减压室；入口和限流装置，用于将包含分散在气体中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒引入减压室的内部，该入口经由限流装置将减压室的外部与减压室的内部流体耦合；激光器，用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和/或电离的金属氧化物；减压室适于在其内部实现并维持0.01mbar至100mbar的压力。本发明进一步涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和/或电离的金属氧化物的方法。

Description

用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法
技术领域
本发明涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的离子源，其包含具有内部的减压室；用于将包含分散在气体、特别是空气中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒引入减压室的内部的入口和限流装置，该入口经由所述限流装置将减压室的外部与减压室的内部流体耦合；以及激光器，其用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。另外，本发明涉及用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的方法。
背景技术
气溶胶是细小固体或液体颗粒的气态悬浮液，也被称为气溶胶颗粒。在这样的悬浮液中，气态物质可在气溶胶颗粒的表面上冷凝，而液体或固体物质可同时从气溶胶颗粒表面蒸发到气相中，在这种意义上，气体和气溶胶颗粒彼此相互作用。气体与颗粒相之间的平衡很大程度上由各个化合物的饱和蒸汽压驱动。
气溶胶颗粒的大小通常在10nm至10μm的范围内。小于10nm的气溶胶颗粒具有较大的比表面积(surface to size ratio)，因此快速生长成更大的气溶胶颗粒。另一方面，大于10μm的气溶胶颗粒变得太重，而不能长时间悬浮在气体中，最终将落到地面。由于这个原因，环境气溶胶颗粒的常见尺寸范围为50nm到2000nm或2μm。
用于分析气溶胶颗粒的元素组成、特别是用于检测气溶胶颗粒、如金属和黑碳的元素化合物的方法和设备是已知的。例如，它们被用于分析含有痕量金属、例如工程化纳米颗粒的人为(人造)气溶胶和气溶胶颗粒。它们还被用于纳米颗粒分析，因为纳米颗粒通常由较高比例的金属组成。因此，它们被应用于大气科学、以及核分析鉴定(forensics)、纳米颗粒分析、环境分析、如水和空气监测、或食品和饮料的质量保证。
传统上使用过滤器或拭子进行气溶胶颗粒采样。在这种方法中，气溶胶颗粒收集在过滤器或拭子上，随后在离线程序中进行分析。然而在过去的30年里，已经开发了几种用于在线和实时分析气溶胶颗粒的元素组成的仪器。这些仪器中的大多数都依赖于将空气直接取样到离子源中，其中气溶胶颗粒被原子化并电离，随后从离子源送入质量分析仪中。当直接将空气采样至离子源中时，这些电离源中的大多数首先在若干个差分泵浦级中使气相与颗粒相分离，由此将气相稀释大约1010倍，从而将气溶胶颗粒从大气压力(约1000mbar)变成具有约10-7mbar压力的高度真空或超高真空。随后，通过激光束轰击气溶胶颗粒，以使分子和原子从气溶胶颗粒上解吸，并使该分子或原子电离。在激光照射之后，将气溶胶颗粒蒸发并电离，从而由气溶胶颗粒材料产生等离子体。如果等离子体足够热，则会发生原子化，并且可以测量元素离子。这类仪器通常被称为气溶胶飞行时间质谱仪(ATOFMS)。
例如，在Kimberley的US 5,681,752或Kimberley等人的US 8,648,294 B2中教导了这类仪器的多种版本，其具有使用一个或多个激光器来蒸发气溶胶颗粒并在高度真空下将汽化物质电离的离子源。
这些仪器相当紧凑，并且可现场部署。然而，它们具有需要高度真空或超高真空的缺点，因此是麻烦且复杂的装备。另外，由于气溶胶颗粒的原子化和电离不能很好地重现，所以这些仪器不允许高精度和可靠性的测量。可重现性的一个限制因素在于，气溶胶颗粒的原子化和电离取决于气溶胶颗粒的大小和化学组成以及气溶胶颗粒的结构和表面结构。可重现性的另一个限制因素在于，从特定的气溶胶颗粒获得的离子类型在很大程度上取决于激光束与相应的气溶胶颗粒的相互作用。例如，在电离时，相应的气溶胶颗粒例如可集中在(localise)激光束的边缘区域或激光束的中心区域。根据这种集中，所获得的离子可能在包含几个或多个原子的颗粒片段的离子到仅包含单一原子的元素离子之间变化。减少这些缺点的一种方法是经常重新调整激光光学器件。但是，这会导致装备的维护相当复杂。
另一种从气溶胶颗粒产生元素离子的方法是使用这样的离子源，其采用气体等离子体，例如，在通常为氩气的清洁等离子体气体中产生的电感耦合等离子体(ICP)或微波诱导等离子体(MIP)。在这种情况下，气溶胶颗粒在等离子体中解吸、原子化并电离。随后，所获得的元素离子从离子源转移到质量分析仪。由于在这些离子源中，等离子体的生成不依赖于气溶胶颗粒，因此具有更好的可重现性，并因此使得能够进行更加可靠和更加可重现的元素离子生产。
然而，在这种方法中，气溶胶颗粒的原始气态悬浮液的气相必须与清洁气体交换，以避免来自气态污染物的背景。例如，如在Bazargan等人的US 2015/0235833 A1中教导的，在一种被称为单一颗粒电感耦合等离子体质谱(SI-ICP-MS)的技术中采用这种方法。在其中，气溶胶颗粒从原始气相转变成液体或清洁气体。后者利用如J.Anal.At.Spectrom.,2013,28,831-842；DOI:10.1039/C3JA50044F或J-SCIENCE LAB,Kyoto,Japan描述的“gasexchange device”实现。用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法的另一个更大的缺点是它们的复杂性以及需要大量的等离子体气体供应和大量的能量来驱动等离子体。因此，这些离子源和方法不适用于监测应用或现场应用。
鉴于上述原因，已知用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法的缺点在于，它们要么不能有效且可靠地产生元素离子，要么需要大量的装备。因此，用于分析依赖于这类离子源的气溶胶颗粒的元素组成的已知设备和方法以及用于从气溶胶颗粒生成元素离子的方法不能提供可靠且精确的结果，并且同时不能灵活地用于例如在监测应用或现场应用中的在线和实时分析所需要的对不同类型的气溶胶颗粒元素组成的分析。
发明内容
本发明的目的在于创建一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法，其适合于属于最初提到的技术领域的用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备和方法，其使得能够精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成，并且可用于气溶胶颗粒的元素组成的不同类型分析，例如在监测应用或现场应用中的在线和实时分析。
本发明的方案由权利要求1的特征限定。根据本发明，减压室适于在减压室的内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar的压力。如果减压室的内部的压力过小，则每单位体积的气体分子不足以用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体的气体中的等离子体以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子。然而，如果减压室的内部的压力过高，则气体和潜在的等离子体中会出现冲击波，该冲击波不会将气溶胶颗粒完全原子化并电离成元素离子，因此获得分子离子或甚至不带电荷的碎片，而不是元素离子。因此，减压室的内部的压力范围的下限越高，利用激光在减压室的内部的等离子体区中的分散体的气体中能够诱导等离子体以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子就越可靠。因此，当压力范围的下限从上文指定的0.01mbar分别提高至上文指定的0.1mbar或甚至上文指定的1mbar时，等离子体诱导变得更加可靠。另外，减压室的内部的压力范围的上限越低，其用于获得较大比例的元素离子或甚至仅获得元素离子就越可靠。因此，当压力范围的上限从上文指定的100mbar分别减低至上文指定的50mbar或甚至上文指定的40mbar时，元素原子获得变得更加可靠。
减压室是将室内部与室外部相分离的室，使得能够在其内部实现并维持与大气压相比降低的气压。在优选实施方案中，减压室包含用于在减压室的内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar范围中的压力的装置。然而，减压室可在没有这种装置的情况下用于在减压室的内部分别实现并维持0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的压力。在这种情况下，例如，减压室能可连接至用于在减压室的内部分别实现并维持0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar范围内的压力的单独装置。由于气溶胶颗粒在减压室的内部被激光原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物，因此减压室也可被称为电离室。
对于根据本发明的方案来说，如何设计和构建用于实现并维持减压室的内部所需压力的装置并不重要。本领域技术人员已知许多种用于实现并维持这样的压力的装置。例如，该装置可以是具有或不具有前级泵、涡旋泵、螺旋泵、旋转叶片泵或任何其他类型的真空泵的涡轮泵类型的真空泵。除了真空泵之外，还可是一些其他的用于获得并维持减压室的内部所需的压力的装置。该装置的最佳选择在很大程度上取决于降低并维持减压室内所需的气体压力所需的能力。该所需能力自身取决于在减压室的内部要实现并维持的精确压力以及每单位时间由限流装置引入到减压室的内部的分散体的量和每单位时间有多少离子从减压室的内部移出用于通过第一质量分析仪来分析该离子。除了用于在减压室的内部实现并维持期望压力的装置应至少提供所需能力之外，优选地不应将油尘或任何其他污染物引入减压室的内部。
对于根据本发明的方案，如何详细地设计和构建限流装置并不重要，只要该限流装置限制了包含分散在气体中的气溶胶颗粒的分散体中的气体向减压室的内部的流动。优选地，该限流装置提供至少一个平台，该平台包含具有孔的板，该孔减小通过限流装置的流。特别优选地，该限流装置提供至少两个或至少三个平台，其中该平台串联布置，并且其中每个平台均包含具有孔的板，该孔减小通过相应孔的流并因此减小通过该限流装置的流。然而，还可以差异地构建限流装置。例如，限流装置可包含分散体被引导通过的毛细管。在其他实例中，限流装置可以以颗粒透镜的形式构建，或者限流装置可包含针阀以用于调节包含分散在气体中的气溶胶颗粒的分散体中的气体向减压室的内部的流动。
由于限流装置将减压室的外部与减压室的内部流体耦合，因此分散体可流过该限流装置并由此被引入减压室的内部。由于通过限流装置的流被限制，因此可在减压室的内部分别实现并维持0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的压力。
根据本发明，离子源包含激光器，该激光器用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成离子。从而，离子源可正好包含一个激光器，该激光器用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成离子，或者离子源可包含超过一个激光器(例如，两个、三个或甚至更多个激光器)，该激光器用于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成离子。无论激光器的数目如何，通过气溶胶颗粒的原子化和电离，均获得包含单一原子的元素离子。然而，一些获得的气溶胶颗粒碎片可能不是元素离子，而是包含若干种或多种原子的相应气溶胶颗粒的电离或未电离碎片。此外，可能包含在气溶胶颗粒中的一些金属原子被原子化并电离成元素离子。然而，这些金属原子中的一些可被引入减压室中的分散体的气体原子化并氧化成金属氧化物并且电离成电离的金属氧化物，或被引入减压室的内部的分散体的气体原子化、电离并氧化成电离的金属氧化物。更具体地说，在气溶胶颗粒包含金属原子的情况下，成为电离的金属氧化物而不是元素离子的金属原子的比例在很大程度上取决于引入减压室的内部的分散体中的气体、等离子体区中的压力以及这种气体与特定金属反应如何。如下面更详细描述的，可通过选择被引入减压室的内部的分散体中的特定气体来增加元素离子的比例。此外，如下面更详细地描述的，可通过使由激光器产生的电离金属氧化物分解成元素离子来增加元素离子的比例。与气溶胶颗粒中潜在的金属无关，元素离子和电离金属氧化物在所获得的离子总量中的百分比较高。优选地，该百分比大于80％或甚至大于90％。特别优选地，该百分比大于95％或甚至大于98％。
根据本发明的方法包括以下步骤：通过限流装置将包含分散在气体中、特别是在空气中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒引入减压室的内部，同时在减压室的内部维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar范围内的压力，以及用激光器在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。因此，用激光器在引入减压室的内部的分散体的气体中有利地诱导了等离子体。
在第一优选变型中，上文指定的0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar范围内的压力分别指在减压室的内部的测量位置处测定的压力，该测量位置远离可通过限流装置将分散体引入减压室的内部的位置。该优选测定位置的理由是，在将分散体引入减压室的内部的区域中，分散体扩展至减压室中。因此，减压室的内部的压力是不均匀的。由于通过限流装置将分散体以限定的体积引入减压室的内部，而减压室的内部的体积大于该限定体积，因此减压室的内部的压力梯度随着与分散体引入减压室的内部处的距离而减小。为此，测量位置优选位于压力梯度小于最大压力梯度的10％、优选小于5％、特别优选小于2％的减压室的内部处，该最大压力梯度在被引入减压室的内部的分散体扩展至减压室中的区域中。在测量位置的这种特定定位中，压力有利地在0.01mbar至100mbar的上文指定范围内或在0.01mbar至10mbar的范围内，特别有利地在0.05mbar至5mbar或约0.1mbar的范围内。然而，在第二个优选变型中，测量位置位于分散体通过限流装置引入减压室的内部的位置处。在该变型中，压力有利地在0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar的上文指定范围内，特别有利地在10mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar的范围内。因此，测量位置有利地距离入口最多2cm，因此距离入口2cm或更少。然而，在变型中，测量位置距离入口超过2cm。
这两个优选变型可以是排他性的变型，其中仅应用一种变型。因此，在上述第一优选变型的情况下，在根据第二优选变型的测量位置处测量的压力可能高于或低于针对第二优选变型中所述的范围所述的压力。然而，在上述第二优选变型的情况下，在根据第一优选变型的测量位置处测量的压力可能高于或低于针对第一优选变型中所述范围所述的压力。尽管如此，两个优选变型也可认为是两个变型同时应用的追加变型。
在任意变型中，为了测量并由此确定减压室的内部的压力，离子源可包含压力传感器。然而，离子源也可以没有这样的压力传感器。
本发明的方案的优点在于，由于减压室中的压力分别在0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内，因此分散体中的等离子体是可重现的并且可保持稳定。该优点特别适用于在减压室的内部的测量位置处测定压力的情况，其中该测量位置位于在通过限流装置将分散体引入减压室的内部的位置处。有利地，该特定测量位置距离入口最多2cm，因此距离入口2cm或更少。然而，该测量位置也可距离入口超过2cm。无论测量位置与入口的精确距离如何，均可获得气溶胶颗粒的可重现性原子化和电离，这使得能够利用质量分析仪可靠且精确地分析气溶胶颗粒的元素组成。另外，由于不需要高度真空或超高真空，因此离子源的装备可构建得更简单、更简易且更小。此外，本发明的方案具有不需要大量的气体来进行分析的优点。在分散在气体中的气溶胶颗粒分散体以其原始组成引入到减压室的内部的情况下，根本不需要单独的气体供应。例如，如果将具有分散在空气中的气溶胶颗粒的环境空气引入到减压室的内部，则可能就是这种情况。然而，在分散在气体中的气溶胶颗粒分散体在被引入到减压室的内部时通过用气体交换装置交换该气体而发生变化的情况下，需要单独清洁气体的单独气体供用装置。但是，所需的清洁气体量是有限的，因为与大气压力相比，减压室中的压力是降低的。因此，该装备更便宜，并且更易于维护。
有利地，激光器适于在减压室的内部的等离子体区中诱导分散体的气体中的等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子。因此，气溶胶颗粒向元素离子或电离金属氧化物的原子化和电离大部分经由分散体的气体中的等离子体间接发生，仅少部分通过激光束与气溶胶颗粒之间的直接相互作用发生。因此，不需要将激光束完美地聚焦在各个气溶胶颗粒上以获得最佳的原子化和电离。相反，可将激光器优化用于引发和保持气体中的等离子体稳定，这简单得多。因此，等离子体可容易地在分散体中保持稳定，这使得气溶胶颗粒能够更可靠且有效地原子化并电离成元素离子。因此，元素离子和潜在的电离金属氧化物在所获得的离子总量中的百分比较高。另外，在分散体的气体中诱导等离子体的优点在于，可优化激光参数以将分散体的气体电离。这使得能够将气溶胶颗粒向元素离子和潜在的电离金属氧化物的原子化和电离的可靠性和效率提高更多。因此，当在用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备或方法中使用离子源时，能够对气溶胶颗粒的元素组成进行更可靠且精确的分析。在气体为氩气的情况下可用于在分散体的气体中生成等离子体的激光器的实例是波长为1078nm的被动锁模Nd：YAP激光器。例如，该激光器可以是具有持续时间为80ns的激光脉冲的脉冲激光器。该激光器的脉冲频率优选为3kHz或以上。这样的激光器的其他实例是波长接近668.6nm的可调谐二极管激光器或具有532nm的二次谐波波长的Nd：YAG激光器。
优选地，等离子体区位于分散体可通过限流装置引入减压室的内部的区域中。这样的优点在于，等离子体区位于被引入减压室的内部的分散体扩展至减压室中的区域中。因此，等离子体区位于减压室的内部的这样的位置，在该位置处的气压大于减压室的内部更加远离分散体通过限流装置引入到减压室的内部的位置的其他部分的气压。因此，引发等离子体并维持等离子体稳定更简单，这导致气溶胶颗粒更有效且可靠地原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。当在分散体的气体中诱导等离子体时，该优点尤其适用。有利地，等离子体区距离入口最多2cm，因此距离入口2cm或更少。然而，在替代方案中，等离子体区可距离入口超过2cm。
可选地，等离子体区可位于减压室的内部的不同区域中。
离子源有利地包含用于去除分散体中的污染物的扩散管，该扩散管将入口与限流装置流体耦合，以用于将分散体通过扩散管并随后通过限流装置引入到减压室的内部。这样的污染物优选为气态污染物。例如，这样的气态污染物可能是不想要的痕量气体，特别是分散体的气体中的挥发性有机化合物(VOC)。
有利地，离子源包含清洁气体管线，该清洁气体管线用于经由扩散管和限流装置将清洁气体源与减压室的内部流体耦合。该清洁气体优选为纯净气体。该纯净气体优选没有烃污染。例如，该清洁气体可为氩气或氮气。
清洁气体管线可包含可切换阀，该可切换阀用于将清洁气体源与扩散管分离或将清洁气体源与扩散管流体耦合。无论清洁气体管线是否包含这样的可切换阀，清洁气体管线都具有这样的优点：清洁气体可以通过扩散管到达减压室的内部，并且在离子源与质量分析仪、离子迁移率分析仪或任何其他分析仪流体耦合的情况下，到达相应的分析仪，从而作为用于建立测量***背景的零点气体。
然而，在一个变型中，离子源可不包含这样的清洁气体管线。
优选地，所述离子源包含测试气体管线，该测试气体管线用于经由扩散管和限流装置将测试气体源与减压室的内部流体耦合。在第一优选变型中，测试气体含有金属含量已知的已知颗粒。这样的优点在于，可通过对测试气体进行分析以简单的方式校准采用离子源的用于分析气溶胶颗粒元素组成的设备。在第二个优选变型中，测试气体为具有苯、甲苯和二甲苯各10ppm的纯氮气，其有时被称为BTX。在一个变型中，测试气体可为不同的气体。
测试气体管线可包含可切换阀，该可切换阀用于将测试气体源与扩散管分离或将测试气体源与扩散管流体耦合。无论测试气体管线是否包含这样的可切换阀，测试气体管线都具有这样的优点：测试气体可以通过扩散管到达减压室的内部，从而允许测试扩散管的性能，并且如有必要，在扩散管性能劣化之前将其再生，以及离子源提供具有高背景的元素离子和潜在的电离金属氧化物，因此如果离子源与质量分析仪、离子迁移率分析仪或任何其他分析仪耦合，只能以低灵敏度进行测量。
然而，在一个变型中，离子源可不包含这样的测试气体管线。
或者，离子源可在没有扩散管的情况下用于去除所述分散体中的污染物。这样的替代方案的优点在于离子源可以更简单地构建，因此更便宜。
优选地，离子源包含气体交换装置，该气体交换装置用于在将包含气溶胶颗粒的分散体引入减压室的内部之前，用清洁等离子体气体来交换分散体中的气体，特别是空气。该清洁等离子体气体优选地是惰性气体、如氮气、或稀有气体、如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氡气。氮气的优点在于价格便宜，易于获得。它甚至可以在不需要复杂装备的情况下就地从空气中取得。然而，在使用氮气的情况下，应注意氮气不应与气溶胶颗粒的组分反应。与氮气相比，稀有气体具有不与气溶胶颗粒反应的优点。然而，与氮气相比，它们相对更昂贵且更难以获得，不过这种差异至少对于氩气来说并不严重。在任何情况下，采用这种气体交换装置的优点在于，被原子化的气溶胶颗粒中包含的金属原子不太可能被氧化成金属氧化物。因此，用于生成金属原子的元素离子的离子源的效率提高，同时生成更少的电离金属氧化物。
在离子源包含气体交换装置的情况下，该气体交换装置优选地将入口与限流装置流体耦合，以用于将分散体通过该气体交换装置并随后通过限流装置引入到减压室的内部。在离子源包含扩散管的情况下，气体交换装置有利地将扩散管与限流装置流体耦合。然而，在一个变型中，气体交换装置可以不同地布置。例如，该气体交换装置可将入口与扩散管流体耦合，其中该扩散管与限流装置流体耦合。
可选地，离子源可以没有这种气体交换装置。这样的替代方案的优点在于离子源可以更简单地构建，因此更便宜。
无论离子源是否包含气体交换装置，气溶颗粒中可能包含的一些金属原子可被离子源电离成元素离子，而这些金属原子中的另外一些可被离子源电离并氧化成电离的金属氧化物。在离子源与分析仪(例如质量分析仪或离子迁移率分析仪)组合的情况下，可从元素离子鉴别存在的金属的种类。然而，即使在电离金属氧化物的情况下，也可通过鉴别特定的电离金属氧化物来鉴别存在的金属的种类。
有利地，离子源包含空气动力学透镜或声学透镜，用于将气溶胶颗粒聚焦至减压室的内部的聚焦区。将较宽大小范围的气溶胶颗粒聚焦成细束的这类空气动力学透镜是已知的。这样的空气动力学透镜的一个实例在US 5,270,542(Mc Murray等人)中描述。类似地，这样的声学透镜是已知的。它们基于一个或多个声学谐振器。这样的声学透镜的一个实例在WO 2015/061546 A1(Applied Research Associates Inc.)中描述。任何这样的用于将气溶胶颗粒聚焦至减压室的内部的聚焦区的空气动力学透镜的使用具有这样的优点：在聚焦区中，获得了每单位体积更多的气溶胶颗粒，使得能够更有效地将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。
优选地，聚焦区位于等离子体区域内。有利地，激光器适于在分散体的气体中或分散体的等离子体区中的聚焦区内诱导等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子。这样的优点在于，气溶胶颗粒更有效地转变成等离子体。因此，气溶胶颗粒原子化和电离的效率提高。
可选地，离子源可以没有这样的空气动力学透镜或声学透镜。这样的替代方案的优点在于离子源可以更简单地构建，因此更便宜。
优选地，离子源包含碎裂装置，特别是碰撞单元，该碎裂装置用于使来源于气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于气溶胶颗粒，其中该碎裂装置与减压室的内部的等离子体区流体耦合，以用于将在等离子体中生成的气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物通过该碎裂装置转移，以用于使来源于气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于气溶胶颗粒。本文中，电离碎片包括来源于气溶胶颗粒的电离的任何物质。因此，电离碎片包括元素离子以及其他电离碎片、例如未在等离子体中原子化的电离分子或电离原子簇、和来源于气溶胶颗粒的潜在的电离金属氧化物，其中金属被分散体的气体氧化。因此，碎裂装置的优点在于可实现气溶胶颗粒的更有效的原子化，这导致取得更多的元素离子。
在优选变型中，离子源包含反应单元，该反应单元用于使来源于所述气溶胶颗粒的特定种类的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物与引入到该反应单元中的反应气体进行反应，其中该金属来源于气溶胶颗粒。这样的优点在于，具有非常类似质荷比的电离碎片可以彼此区分，因为选择了反应气体使得只有一种电离碎片与反应气体反应，因此获得不同质荷比。
在另一个优选变型中，离子源包含分离气体室，用于使至少一些来源于气溶胶颗粒的电离碎片穿过。这样的优点在于，具有非常类似质荷比的电离碎片可以彼此区分，因为根据碎片的横截面，具有较大横截面的碎片穿过分离气体室，而具有较小横截面的碎片停在分离气体室内。
可选地，离子源可以没有这样的碎裂装置、反应单元或分离气体室。这样的替代方案的优点在于离子源可以更简单地构建，因此更便宜。
在优选实施方案中，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备优选地包含根据本发明的离子源和用于分析所述元素离子和潜在的电离金属氧化物的第一质量分析仪，其中减压室的内部与第一质量分析仪流体耦合。该第一质量分析仪优选地提供所分析离子的质荷比的值的谱，该谱是所谓的质谱。在离子源包含碎裂装置的情况下，在减压室的内部的等离子体区有利地经由该碎裂装置与第一质量分析仪耦合。此外，在优选实施方案中，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的方法优选地包括以下步骤：利用根据本发明的方法从气溶胶颗粒生成元素离子；将该元素离子和潜在的电离金属氧化物转移至第一质量分析仪；以及利用该第一质量分析仪对该元素离子和潜在的电离金属氧化物进行分析。在离子源包含碎裂装置的情况下，优选地经由该碎裂装置将元素离子和潜在的电离金属氧化物从减压室的内部的等离子体区转移至第一质量分析仪。特别优选地，将在等离子体中生成的气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物(其中该金属来源于气溶胶颗粒)从减压室的内部的等离子体区转移通过碎裂装置，以用于使来源于气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物(其中该金属来源于气溶胶颗粒)碎裂成元素离子，其中离开该碎裂装置的元素离子和可能剩余的电离金属氧化物随后被转移至第一质量分析仪。本文中，电离碎片包括来源于气溶胶颗粒的电离的任何物质。因此，电离碎片包括元素离子以及其他电离碎片、例如电离分子或未在等离子体中原子化的电离原子簇。
用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备和方法的实施方案的优点在于，使得能够可靠且精确地分析气溶胶颗粒的元素组成。然而，根据本发明的离子源可以作为单独的单元构建、生产和销售。此外，根据本发明的离子源和根据本发明的方法可以独立于上述具有第一质量分析仪的优选实施方案使用。
在一个变型中，该设备可包含离子迁移率分析仪，该离子迁移率分析仪包含作为检测器的第一质量分析仪。在这种情况下，该离子迁移率分析仪可包含供元素离子和潜在的电离金属氧化物穿过的漂移区以及作为检测器的第一质量分析仪，以便基于元素离子和潜在的电离金属氧化物穿过该漂移区所需的时间来确定离子的迁移率。
作为用于分析气溶胶颗粒的元素组成的这样的设备和方法的替代方案，根据本发明的离子源可以例如用于不同的设备、如离子迁移谱仪。在该实例中，设备可以以基本上具有与上述相同的特征的方式构建，但包含具有并非第一质量分析仪的检测器的离子迁移率分析仪。
在用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备和方法的前述优选实施方案中，第一质量分析仪优选为飞行时间质量分析仪。这样的优点在于使得能够精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成。
然而可替代地，第一质量分析仪可以是不同类型的质量分析仪，例如四极质量分析仪或旋转场质量分析仪。
用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备优选地包含差分泵浦接口，该差分泵浦接口包含至少一个差分泵浦级、优选至少两个差分泵浦级、特别优选至少三个差分泵浦级，该差分泵浦接口将减压室的内部与第一质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从减压室转移至第一质量分析仪。在离子源包含碎裂装置的情况下，差分泵浦接口优选地将碎裂装置与第一质量分析仪流体耦合，以用于经由该碎裂装置将气溶胶颗粒的元素离子、潜在的电离金属氧化物和电离碎片转移至第一质量分析仪。在任何情况下，差分泵浦接口的优点均在于，元素离子和潜在的电离金属氧化物可以被转移至第一质量分析仪中，其中第一质量分析仪中的压力优选地低于减压室的内部的压力，其中第一质量分析仪中的压力特别优选小于0.0001mbar，最优选小于0.00001mbar。因此，使得能够更加精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成。
或者，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备可以没有这样的差分泵浦接口。这样的替代方案具有设备构建更简单的优点。
有利地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备包含多极离子导向器，特别是四极离子导向器，该多极离子导向器用于元素离子和潜在的电离金属氧化物的共振激发，该多极离子导向器将减压室的内部与第一质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从减压室转移至第一质量分析仪。用于元素离子共振激发的这样的多极离子导向器通常是已知的。它们也被称为射频(RF)多极离子导向器或四极滤波器。它们常常提供可以保持两个叠加场的离子导向室。第一场被用于将离子通过残余气体从相应多极离子导向器的入口输送至出口。为此，场方向基本上平行于室主轴，并且该场可以是静态的。施加第二电场以用于将离子限制得靠近该轴。这通常是利用在室轴上具有低振幅而在远离该轴处具有较大振幅的RF多极场实现的。这样的RF场创建了将离子限制于该轴的有效电势。输送场控制轴向离子移动，并将离子引导至出口孔，进入(下一个)更高的真空中，而该RF场将离子限制于室内的中心轴。这样的装置的实例在US 4,963,736(MDS Inc.)以及Douglas J.D.和French J.B.,Collisional Cooling effects in radio frequencyquadrupoles,J.Am.Soc.Mass Spectrom.3,398,1992中描述。其使用射频(RF)场，该射频场可将离子沿轴聚焦，并且还可通过碰撞将离子冷却，以进一步提高传输到质量分析仪的效率。该场由布置在真空室内的细长棒生成。因此，在用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备包含用于元素离子和潜在的电离金属氧化物的共振激发的多极离子导向器、特别是四极离子导向器的情况下，其中该多极离子导向器将减压室的内部与第一质量分析仪流体耦合以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从减压室转移至第一质量分析仪，该多极离子导向器优选适于保持两个叠加的电场，其中两个叠加电场中的第一电场是静态电场，并且其中两个叠加电场中的第二场是在多极离子导向器的轴上具有低振幅而在远离该轴处具有较大振幅的RF多极场。在有利的变型中，第一电场的强度是可调的。
这样的多极离子导向器允许将具有一定带宽的质荷比的离子从多极离子导向器的入口转移至出口，而不转移具有其他质荷比的离子。通过调整第一电场的强度，离子可在从多极离子导向器的入口转移至出口时被加速或减速。另外，通过选择第二电场的频率，具有在质荷比带宽内的某个质荷比的离子可通过共振激发而被激发，并因此被排斥，而没有被转移至多极离子导向器的出口。因此，采用这样的多极离子导向器的优点在于，可将具有感兴趣的质荷比带宽的离子转移至第一质量分析仪，而可将来源于分散体的气体的在该带宽内的特定离子从多极离子导向器中抛出，而不转移至第一质量分析仪。因此，使得能够更加可靠地且更加精确分析气溶胶颗粒的元素组成。
在离子源包含碎裂装置的情况下，多极离子导向器优选地将碎裂装置与第一质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从碎裂装置转移至第一质量分析仪。在离子源包含差分泵浦接口的情况下，多极导向器优选地将差分泵浦接口与第一质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从差分泵浦接口转移至第一质量分析仪。
有利地，多极离子导向器是弯曲的。这样的优点在于，该设备可以被构建得更紧凑，因此更易于运输。然而可替代地，多极离子导向器可以是直的，而不是弯曲的。这样的直的多极离子导向器的优点在于，构建更容易且更便宜，这导致设备的构建成本更低。
可选地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备可以没有这样的多极离子导向器。这样的替代方案具有设备构建更简单的优点。
有利地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备包含用于分析元素离子和潜在的电离金属氧化物的第二质量分析仪，其中减压室的内部与第二质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的金属氧化物从减压室转移至第二质量分析仪。该第二质量分析仪优选地提供所分析离子的质荷比值的谱，该谱是所谓的质谱。在离子源包含碎裂装置的情况下，在减压室的内部中的等离子体区有利地经由该碎裂装置与第二质量分析仪流体耦合。在设备包含差分泵浦接口的情况下，差分泵浦接口优选地将减压室的内部或碎裂装置分别与第二质量分析仪流体耦合，以用于将元素离子和潜在的电离金属氧化物从减压室转移至第二质量分析仪。
第二质量分析仪的优点在于，可为了与优化第一质量分析仪的目的不同的目的对其进行优化。因此，使得能够更加详细地分析气溶胶颗粒的元素组成。为了实现该优点，可将第一质量分析仪和第二质量分析仪构建成单独的单元，每个单元与离子源流体耦合，或者可将其作为与离子源流体耦合的一个质量分析单元构建在一起。在后者的情况下，一个质量分析单元是能够同时分析正离子和负离子的双极性质量分析仪。
有利地，第二质量分析仪为飞行时间质量分析仪。这样的优点在于使得能够精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成。
可选地，第二质量分析仪可以是不同类型的质量分析仪，例如四极质量分析仪或旋转场质量分析仪。
优选地，第一质量分析仪适于分析正离子，而第二质量分析仪适于分析负离子。有利地，元素离子的正离子可从减压室的内部转移至第一质量分析仪，而元素离子的负离子可从减压室的内部转移至第二分析仪。这样的优点在于使得能够更完整地分析气溶胶颗粒的元素组成。
在有利的变型中，元素离子的正离子可沿第一方向从等离子体区转移出，以便将其从减压室的内部转移至第一质量分析仪，而负离子可沿不同于第一方向的第二方向从等离子体区转移出，以便将其从减压室的内部转移至第二质量分析仪，其中第一方向和第二方向不同于气溶胶颗粒在原子化和电离之前进入等离子体区的方向。这样的优点在于，不带电荷的物质、如原子、分子或颗粒较少进入第一质量分析仪和第二质量分析仪，使得所获得的质谱中的不需要的背景信号减少。有利地，该设备包含第一离子导向器和第二离子导向器，该第一离子导向器用于将来自等离子体区的元素离子中的正离子沿第一方向转移出，以便将元素离子中的正离子从减压室的内部转移至第一质量分析仪，该第二离子导向器用于将来自等离子体区的元素离子中的负离子沿第二方向转移出，以便将元素离子中的负离子从减压室的内部转移到第二质量分析仪。由此，第一离子导向器和第二离子导向器可各自为例如静电分析仪、多极离子导向器、一组Einzel透镜或任何其他类型的离子导向器。
然而，在一个变型中，第一质量分析仪可同时适于分析正离子或分析负离子。在这种情况下，两个质量分析仪中的一个可例如被优化以用于分析较大带宽的质荷比，而两个质量分析仪中的另一个可例如被优化以用于更详细地分析感兴趣的较小带宽的质荷比。
可选地，所述设备可以没有第二质量分析仪。
优选地，所述设备包含电离气溶胶颗粒迁移率分析仪，用于根据电离气溶胶颗粒的迁移率来分离该电离气溶胶颗粒，其中该电离气溶胶颗粒迁移率分析仪与离子源的入口流体耦合，以用于经由该气溶胶颗粒迁移率分析仪将包含气溶胶颗粒的分散体引入至所述离子源。在这种情况下，分散体中的气溶胶颗粒或至少一些气溶胶颗粒为电离的气溶胶颗粒。由于许多气溶胶颗粒本身就带有电荷，因此是电离的，所以与另外包含气溶胶颗粒电离源的设备相比，该设备的构建可以更简单。然而，在优选变型中，该设备包含这样的气溶胶颗粒电离源。在这种情况下，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备优选地包含用于将气溶胶颗粒电离的气溶胶颗粒电离源以及用于根据电离气溶胶颗粒的迁移率来分离电离气溶胶颗粒的电离气溶胶颗粒迁移率分析仪，其中该气溶胶颗粒电离源与该电离气溶胶颗粒迁移率分析仪流体耦合，并且该电离气溶胶颗粒迁移率分析仪与离子源的入口流体耦合，以用于经由气溶胶颗粒迁移率分析仪将包含电离气溶胶颗粒的分散体从气溶胶颗粒电离源引入至离子源。在这种有利的实施方案中，气溶胶颗粒电离源可以是适用于将气溶胶颗粒电离而不使该气溶胶颗粒原子化的任何电离源。优选地，气溶胶颗粒电离源适于将气溶胶颗粒电离而不使该气溶胶颗粒碎裂。例如，气溶胶颗粒电离源可以基于由单极或双极充电器生成的气态离子与气溶胶颗粒的碰撞来工作。因此，气溶胶颗粒电离源可以基于扩散充电原理或基于场充电原理。在扩散充电原理中，电离是由随机离子运动驱动的碰撞引起的。然而，在场充电原理中，颗粒-离子碰撞受外加场的影响。
无论所述设备是否包含这样的气溶胶颗粒电离源，电离气溶胶颗粒迁移率分析仪都是适用于分析电离气溶胶颗粒的迁移率的任何离子迁移率分析仪。因此，电离气溶胶颗粒迁移率分析仪优选地包含用于使电离气溶胶颗粒通过的漂移区、和用于在电离气溶胶颗粒进入漂移区时进行检测的第一检测单元以及用于在电离气溶胶颗粒已通过该漂流区时进行检测的第二检测单元。该第一检测单元和第二检测单元可以例如都是光学单元。例如，第一检测单元可以不是光学单元，而是可由控制单元控制的离子门，以用于在已知时间将电离的气溶胶颗粒束引入电离气溶胶颗粒迁移率分析仪中。
如何将包含气溶胶颗粒的分散体分别引入气溶胶颗粒电离源或电离气溶胶颗粒迁移率分析仪中并不重要。例如，气溶胶颗粒电离源或电离气溶胶颗粒迁移率分析仪可分别包含用于将包含分散在气体中的气溶胶颗粒的分散体分别引入气溶胶颗粒电离源或电离气溶胶颗粒迁移率分析仪的入口。
作为替代，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备可以没有这样的气溶胶颗粒电离源和电离气溶胶颗粒迁移率分析仪。
有利地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备进一步包含用于处理由第一质量分析仪或潜在的第二质量分析仪提供的信号的电子数据采集***，而该电子数据采集***包含：至少一个模数转换器，该模数转换器从分别获自第一质量分析仪或潜在的第二质量分析仪的信号产生数字化数据；以及接收来自模数转换器的数字化数据的快速处理单元，其中该快速处理单元被编程用于连续实时地检查由第一质量分析仪或潜在的第二质量分析仪测量的感兴趣事件的数字化数据，并且该电子数据采集***被编程用于转发表示与感兴趣事件相关的质谱的数字化数据以供进一步分析，并用于拒绝表示与感兴趣的事件无关的质谱的数字化数据。这具有可实现高度数据采集的优点。
特别地，数字化的数据由质谱构成(或包含质谱)，为了简单起见，在下文中，将该术语用于m/Q(质量/电荷；质荷比)值的谱。快速处理单元可特别包含数字信号处理器(DSP)，最优选的是现场可编程门阵列(FPGA)。
连续实时地处理是指，可在决定转发或拒绝数据之前，容易地检查从ADC获得的基本所有输入数据的感兴趣事件，检查某部分数据所用的时间小于或等于分别通过第一质量分析仪或第二质量分析仪获得由该数据部分代表的信号所用的时间。在第一质量分析仪或第二质量分析仪分别为飞行时间质量分析仪的情况下，第一质量分析仪或第二质量分析仪可被分别配置用于连续获取飞行时间(TOF)提取。在这种情况下，在TOF提取的连续采集的同时，快速处理单元优选用于实时分析数据以鉴别含有感兴趣事件的连续TOF提取流内的区域。这对于单一颗粒气溶胶质谱仪是特别有意义的，其中每当气溶胶颗粒被离子源电离时，快速处理单元可通过鉴别含有感兴趣事件的连续TOF提取流内的区域而以来源于原子化气溶胶颗粒的元素离子的识别标志的形式进行检测。
我们指的是当感兴趣的样品作为事件或感兴趣的事件出现时的那些情况。我们将该方法称为“事件触发”。
拒绝与感兴趣事件无关的数字化数据是指这些数据不会被转发至通常的进一步分析。该数字化数据可以被完全丢弃，或以不使用将电子数据采集***与进行进一步分析的硬件连接的通信通道的基本能力的方式进行处理。相应的处理可包括重度数据压缩，特别是如通过进一步处理(尤其是在快速处理单元上)实现的有损压缩。
由于现有技术的最大连续保存率(MCSR)受到极限(overhead)处理的限制，因此快速发生的事件的数据速率增加到了当今数据***不能处理的过高水平，这些数据***的瓶颈主要在于从DAQ到PC的下载速度、PC中的数据处理、或数据向大容量存储设备的写入。相反，MCSR限制事件可能发生的最大速率，并且仍然以高效率单独保存。
事件触发通过仅传输并保存与感兴趣事件(EOI)相对应的选定TOF提取来规避这些极限瓶颈。也就是说，连续地采集TOF数据，但不是所有数据都被传输和保存。
事件触发允许通过消除不含关于事件的信息的数据段的所有处理时间(采集中的空闲时间)来维持高速下的效率。通过减少死区时间、减少PC数据负载并提高可能以高速率记录的事件比例，该设备允许提高针对样品的稳态和时变特性的实验的TOF性能。
特别地，具有事件触发的数据采集使得能够以比MCSR更快的速率进行高效的数据采集，以用于测量多个相继样品(不连续)的实验，即，感兴趣的信号在ON状态(样品存在)与OFF状态(样品之间的时间)之间振荡的情况。其基本上允许用TOFMS快速相继地测量许多事件的完整化学组成。因此，在设备为单一颗粒气溶胶质谱仪的情况下是特别有利的。
此外，事件触发在用于测量以快速且非周期性或不可预测的方式引入质谱仪的相继样品的***中是特别优选的，即，相继事件的发生在时间上并非周期性，并且TOF的外部触发是不可能并且/或者不实际的。在这些及其他情况下，数据的平均可能是困难的并且/或者缺乏意义的。非周期、非均匀事件的高度相关的实例是测量各种小颗粒(例如，纳米颗粒、气溶胶颗粒、细胞或其他生物实体、团簇以及尺寸落入1nm或更大的范围的其他实体)的元素组成。在这样的情况下，颗粒将以不定时更迭的形式快速采样到质谱仪中。
关于事件触发的更多细节在Tofwerk AG的WO 2016/004542 A1中描述。
可选地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备可以不是单一颗粒气溶胶质谱仪。
优选地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备进一步包含：气溶胶颗粒检测单元，用于在气溶胶颗粒进入所述等离子体区时检测该气溶胶颗粒；以及控制单元，用于使所述激光器和所述第一质量分析仪与所述气溶胶颗粒检测单元同步，以便使得能够进行单一气溶胶颗粒分析。这样的优点在于，将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物的效率提高。此外，这具有使得能够进行单一颗粒气溶胶分析的优点。
在所述设备包含用于将所述气溶胶颗粒聚焦至所述减压室内部的聚焦区的空气动力学透镜或声学透镜，其中所述聚焦区位于所述等离子体区内，该气溶胶颗粒检测单元优选适于在气溶胶颗粒进入所述聚焦区时检测该气溶胶颗粒。这样的优点在于，将气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物的效率进一步提高。
可选地，该设备可以没有这样的气溶胶颗粒检测单元并且没有这样的控制单元。
优选地，用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备为单一颗粒气溶胶质谱仪。在这种情况下，在根据本发明的方法中，优选地通过如下步骤分别分析每个气溶胶颗粒：将每个气溶胶颗粒分别地原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物；随后将获得的每个气溶胶颗粒的元素离子分别转移至第一质量分析仪或潜在的第二质量分析仪；以及分别用第一质量分析仪或潜在的第二质量分析仪来分析所获得的元素离子和潜在的电离金属氧化物。因此，该设备有利地包含用于每当各个气溶胶颗粒到达离子源中的等离子体区域时触发质量分析仪的控制单元，从而触发该质量分析仪以分析来源于该各个气溶胶颗粒的元素离子和潜在的电离金属氧化物。对于这种对来源于一种各个气溶胶颗粒的元素离子和潜在的电离金属氧化物的分析，由离子源产生的元素离子和潜在的电离金属氧化物在突发离子提取中被优选提取至质量分析仪中以供分析。
其他有利的实施方案和特征组合从下面的详细描述和所有权利要求中得到。
附图说明
用于解释实施方案的附图示出了：
图1基于电感耦合等离子体离子源的、用于分析气溶胶颗粒的元素组成的已知现有技术设备的示意图，
图2用于分析气溶胶颗粒的元素组成的已知现有技术ATOFMS型仪器的示意图，
图3采用用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的根据本发明的离子源来分析气溶胶颗粒的元素组成的设备的示意图，
图4用于分析气溶胶颗粒的元素组成的另一设备的示意图，该设备包含用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的根据本发明的另一离子源，
图5更节省空间的配置的图4所示设备的示意图，以及
图6用于分析气溶胶颗粒的元素组成的改进设备的缩减细节的示意图。
在附图中，相同的组件被给予相同的附图标记。
优选实施方案
图1示出了用于分析气溶胶颗粒的元素组成的已知现有技术设备501的示意图，该设备基于电感耦合等离子体离子源。设备501包含气体交换装置502、等离子体离子源503、大气压接口504和质量分析仪505。分散在包含分散在空气中的气溶胶颗粒的分散体中的气溶胶颗粒通过入口506被引入气体交换装置502中。在气体交换装置502中，分散体中的空气被清洁等离子体气体交换，该清洁等离子体气体在本案中为氩气。因此，在穿过气体交换装置502之后，分散体包含分散在氩气而不是空气中的气溶胶颗粒。然后将该分散体转移至等离子体离子源503中，其中通过电感耦合等离子体将气溶胶颗粒原子化并电离，例如，如Bazargan等人的US 2015/0235833A1中所述。然后将所得的元素离子通过大气压力接口504(其中气体压力降低)转移至质量分析仪505，它们在该质量分析仪中得到分析。质量分析仪505是已知的飞行时间质量分析仪并提供质谱，该质谱是元素离子的质量/电荷值的谱。
图2示出了用于分析气溶胶颗粒的元素组成的已知现有技术ATOFMS型仪器的示意图。在该设备601中，使用激光器609来将气溶胶颗粒气化，并使气化物质在高度真空下电离。该设备601包含空气动力学透镜607，其将气溶胶颗粒聚焦至通过设备601的入口606引入的气流中心。通过空气动力学透镜607，通过差分泵浦接口608将气溶胶颗粒转移至质量分析仪605中具有约10-7mbar压力的高度真空或超高真空中。在那里，气溶胶颗粒被激光器609生成的激光束轰击，使得气溶胶颗粒被原子化和电离。随后，通过质量分析仪605来分析所得的元素离子。设备601可例如包含声学透镜而不是空气动力学透镜607。
图3示出了用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备1的示意图，该设备1包含用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的根据本发明的离子源50。设备1进一步包含差分泵浦接口8、质量分析仪5和数据采集***10。离子源50包含入口56、扩散管64、气体交换装置52、空气动力学透镜57、限流装置60(在本实例中由孔形成)、减压室61和激光器62。
包含分散在空气中的气溶胶颗粒的分散体通过入口56引入扩散管64中，其中空气通过穿过扩散管64而除去(scrub)气态微量气体。因此，空气中的气态污染物、例如痕量气体、特别是VOC被大大减少，这降低了由这样的气态污染物以其他方式造成的气溶胶颗粒的元素分析中的背景。通过扩散管64，分散体转移通过气体交换装置52，其中用清洁的等离子体气体代替分散体中的空气。清洁的等离子体气体在本实例中为氩气。然而，它可以是任何其他稀有气体或者甚至是任何惰性气体，例如氮气。通过气体交换装置52，包含现在分散在氩气而不是空气中的气溶胶颗粒的分散体转移通过空气动力学透镜57并且通过限流装置60引入减压室61中。
在图3所示实施方案的一个变型中，设备1可以没有扩散管、没有气体交换装置，或者可交换扩散管64与气体交换装置52的顺序，使得扩散管64位于气体交换装置52的下游。
在图3所示的实施方案中，与大气压力相比，减压室61中的压力降低。更确切地说，减压室61中的压力在0.01mbar至100mbar的范围内。然而在一个变型中，减压室61中的压力在0.1mbar至100mbar的范围内。在另一个变型中，减压室61中的压力在1mbar至100mbar的范围内。在另一个变型中，减压室61中的压力在0.1mbar至50mbar的范围内。在另一个变型中，减压室61中的压力在1mbar至50mbar的范围内。在另一个变型中，减压室61中的压力在0.1mbar至40mbar的范围内。在又一个变型中，减压室61中的压力在1mbar至40mbar的范围内。为实现并维持减压室61中的指定压力，该减压室61可包含用于在减压室61的内部分别实现并维持0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar，或1mbar至40mbar的压力的一些装置。例如，这样的装置可为真空泵。然而在本实例中，减压室61为包含三个差动泵浦室8.1、8.2、8.3的差动泵浦接口8的第一室。因此，用于在减压室61中实现并维持该压力的装置是差动泵浦接口8的真空泵(此处未示出)。
当将分散体引入减压室61的内部时，气溶胶颗粒被空气动力学透镜57聚焦至位于减压室61的内部的一个区域中的聚焦区，在该区域中，分散体通过限流装置60引入到减压室61的内部中。因此，聚焦区位于被引入减压室61的内部的分散体扩展至减压室61中的区域中。因此，聚焦区位于减压室61的内部的这样的位置，在该位置处的气压大于减压室61的内部更加远离分散体通过限流装置60引入减压室61的内部的位置的其他部分的气压。
由于减压室61的内部的压力是不均匀的，分别在上文指定范围0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、10mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar，或1mbar至40mbar中的压力的上文指定值是指在减压室61的内部的第一测量位置处测量的压力，该第一测量位置位于分散体通过限流装置60引入减压室61的内部的位置处。因此，第一测量位置距离入口56最多2cm，因此距离该入口2cm或更少。由此，设备1可以有或没有用于测定压力的位于第一测量位置处的第一压力传感器。然而在一个变型中，在减压室61的内部，分别在上文指定范围0.01mbar至100mbar、0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar中的压力的上文指定值是通过在减压室61的内部第二测量位置处的第二压力传感器测量的压力，在该第二测量位置处，压力的梯度小于聚焦区中的最大压力梯度的10％、优选小于5％、特别优选小于2％。因此，第二测量位置远离分散体被引入减压室61的内部的区域，并且远离用于在减压室61中实现并维持指定压力的装置与减压室61相连接的位置。由此，第二测量位置距离入口56超过2cm。
在另一变型中，上文指定范围内的压力是指在第一测量位置和第二测量位置处测量的压力，其中在相应位置处测量的压力均在指定范围内。因此，在第一变型中，在第一测量位置处测量的压力在0.01mbar至100mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第二变型中，在第一测量位置处测量的压力在0.1mbar至100mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第三变型中，在第一测量位置处测量的压力在1mbar至100mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第四变型中，在第一测量位置处测量的压力在10mbar至100mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第五变型中，在第一测量位置处测量的压力在0.1mbar至50mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第六变型中，在第一测量位置处测量的压力在1mbar至50mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第七变型中，在第一测量位置处测量的压力在0.1mbar至40mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。在第八变型中，在第一测量位置处测量的压力在1mbar至40mbar的范围内，而在第二位置测量处的压力分别在0.1mbar至100mbar、1mbar至100mbar、0.1mbar至50mbar、1mbar至50mbar、0.1mbar至40mbar、或1mbar至40mbar的范围内。
在减压室61的内部中，激光器62的激光束聚焦于聚焦区内的位点。在图3的该实例中，该位点距离入口56 2cm。然而在变型中，该位点距离入口56超过2cm或少于2cm。无论该位点与入口56的精确距离如何，激光器62的参数都被优化以用于在分散体的氩气中诱导等离子体，该分散体经由限流装置60引入减压室61中。因此，生成了氩气等离子体，并将其维持在激光束的位点周围的等离子体区63中。由于该氩气等离子体，进入等离子体区63的气溶胶颗粒被原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物。
在本实例中，在离子源50包含用氩气代替分散体中的空气的气体交换装置52的情况下，包含在气溶胶颗粒中的潜在的金属原子不太可能被氧化成电离的金属氧化物。因此，为了简单起见，在下文中，解释仅限于元素离子的情况。尽管如此，在气溶胶颗粒包含金属原子的情况下，这些金属原子中的至少一些被氧化并电离成电离的金属氧化物。可如上所述地例如通过碎裂装置将这些电离的金属氧化物分离成金属的元素离子。此外，可通过下面描述的分析仪以发明内容中所描述的相同的方式对其进行分析。
为了优化原子化和电离成元素离子的效率，选择激光器62的参数、等离子体区63中的压力和聚焦区的大小，使得等离子体区63大于聚焦区并且聚焦区位于等离子体区63内。另外，选择这些参数，使得等离子体保持稳定，其中等离子体的温度高达10000K或更高。由于在分散体的气体中诱导了等离子体，因此该气体不仅用作等离子体气体，而且还使得能够对由原子化气溶胶颗粒物质生成的元素离子进行碰撞冷却。
由于等离子体区63可被选择得相对较小，因此与ATOFMS型仪器如上文在图2的情况下描述的设备601所需的激光器相比，相当小的激光器就已足够。因此，需要相当少的能量来为根据本发明的离子源50中的等离子体供电。
本领域中已知有许多类型的激光器适用于生成并维持等离子体的激光器62。在一个实例中，激光器62是波长为1078nm、激光脉冲持续时间为80ns且脉冲频率为3kHz的被动锁模Nd：YAP激光器。然而，可采用适合于生成并维持等离子体的任何其他激光器。特别地，被引入减压室61的内部的分散体包含除氩气以外的另一种气体，另一种激光器可能更适合。
由原子化并电离的气溶胶颗粒产生的元素离子顺序地通过差分泵浦接口8的室8.1、8.2、8.3转移至质量分析仪5，以用于从元素离子获得质谱。在本例中，质量分析仪5为飞行时间质量分析仪。然而，其也可以是任何其他类型的质量分析仪。
在检测到离子时，质量分析仪5向电子数据采集***10提供信号，以处理从质量分析仪5接收到的信号。该电子数据采集***10包含从获自质量分析仪5的信号产生数字化数据的至少一个模数转换器10.1以及接收来自模数转换器10.1的数字化数据的快速处理单元10.2。快速处理单元10.2是现场可编程门阵列，并且被编程用于连续实时地检查由质量分析仪5测量的感兴趣事件的数字化数据。此外，电子数据采集***10被编程用于将表示用于进一步分析的与感兴趣事件有关的质谱的数字化数据转发至计算机(未示出)，并拒绝表示与感兴趣事件无关的质谱的数字化数据。因此，设备1使得能够进行“事件触发”。该事件触发如何详细进行是已知的，并且在Tofwerk AG的WO 2016/004542 A1中描述。
图3所示的设备1的离子源50包含碰撞单元65，作为用于使分子碎裂成元素或通过碰撞去除分子的碎裂装置。该碰撞单元65位于等离子体区63的下游。在碰撞单元65内，来源于气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子被碎裂成元素离子，其中碰撞单元65与减压室61的内部的等离子体区63流体耦合，以用于将在等离子体中生成的气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子转移通过碰撞单元65，以使来源于气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子碎裂成元素离子。本文中，电离碎片包括来源于气溶胶颗粒的电离的任何物质。因此，电离碎片包括元素离子以及其他电离碎片，例如，电离分子或未在等离子体中原子化的电离原子簇。
在差分泵浦接口8的第二室8.2中，布置了四极离子导向器11，使得穿过第二室8.2的元素离子穿过四极离子导向器11。该四极离子导向器11用作滤质器。它在内部提供了两个叠加的电场。第一场被用于将元素离子从四极离子导向器的入口输送至出口。为此，场方向基本上平行于四极离子导向器11的主轴，并且该场可以是静态的。通过调整该场的强度，离子可在从四极离子导向器11的入口转移至出口时被加速或减速。施加第二电场用于将元素离子限制得靠近该轴。该第二电场为射频(RF)四极场，其在室轴上具有低振幅而在远离该轴处具有更大振幅。选择RF四极场的频率以过滤特定范围的质荷比：具有在过滤范围内的质荷比的离子通过四极离子导向器11转移，而具有其他质荷比的离子被拒绝。选择该范围，使得来源于气溶胶颗粒的元素离子通过四极离子导向器11转移，而大部分其他离子被排斥。此外，选择RF四极场的频率，使得来源于等离子体气体的氩离子被抛出四极，即使它们在质荷比的过滤范围内。
穿过四极离子导向器11的元素离子被四极离子导向器11聚焦成具有较小直径的离子束。从四极离子导向器11，它们穿过差分泵浦接口8进入质量分析仪5，它们在该质量分析仪中得到分析。
在一个变型中，四极离子导向器11延伸至差分泵浦接口8的围绕碰撞单元65的第一室8.1中，使得减压室的内部的等离子体区被创建得非常靠近离子聚焦装置、如四极离子导向器11或在该离子聚焦装置之内，以便在碰撞冷却和来自气溶胶颗粒的碎片在碰撞单元65内的如上所述的进一步原子化之后和期间将元素离子聚焦得靠近于轴。
在进一步的变型中，离子源50包含测试气体管线(未示出)，该测试气体管线用于经由扩散管64和限流装置60将测试气体源与减压室61的内部流体耦合。测试气体含有金属含量已知的已知颗粒。因此，可通过对测试气体进行分析以简单的方式校准用于分析气溶胶颗粒元素组成的设备1。
在更进一步的变型中，离子源50包含清洁气体管线(未示出)，该清洁气体管线用于经由扩散管64和限流装置60将清洁气体源与减压室61的内部流体耦合。该清洁气体优选为氩气或氮气。
在更进一步的变型中，离子源50可具有声学透镜而不是空气动力学透镜57。
图4示出了用于分析气溶胶颗粒的元素组成的另一种设备101的示意图，该设备101包含用于从气溶胶颗粒生成元素离子的根据本发明的另一种离子源150。
在图4所示的实例中，离子源150被构建得类似于图3所示的离子源50。然而，图4的离子源150未提供扩散管，并且未提供作为碎裂装置的碰撞室。其他与上文在图3中所示的离子源50的情况下描述的相同的，通过图4的离子源150处理气溶胶颗粒。尽管在图4中未示出，但与图3所示的离子源50一样，离子源150也包含用于在等离子体区中诱导等离子体的激光器。由此，在分散体的气体中诱导了等离子体，以用于将气溶胶颗粒原子化并电离成离子。
图4所示的设备101包含差分泵浦接口108，该差分泵浦接口与图3所示的设备1的差分泵浦接口8稍有不同。这些差异的细节在下文中描述。此外，图4所示的设备101包含双极性质量分析仪105而不是图3所示的设备1的质量分析仪5。该双极性质量分析仪105包含在同一质量分析单元内的两个质量分析仪。其使得能够分析负离子和正离子，并为两种类型的离子提供单独的质谱。为了使得能够分析两种类型的离子，质量分析仪105提供两个入口106.1、106.2。这些入口中的一个106.1用于将负离子引入双极性质量分析仪105中，而这些入口中的另一个106.2用于将正离子引入双极性质量分析仪105中。除了该双极性质量分析仪105之外，设备101还可包含两个单独的质量分析仪，其中一个适于分析负元素离子，而另一个适于分析正元素离子。
在气溶胶颗粒被离子源150原子化并电离成元素离子后，根据元素离子的极性将其分离。负元素离子被转移至第一弯曲四极离子导向器112.1中，而正元素离子被转移至第二弯曲四极离子导向器112.2中。这两个弯曲四极离子导向器112.1都布置在差分泵浦接口108的第一室108.1中，并将负元素离子和正元素离子沿着相反的方向分别引导出等离子体区至单独的孔，到达差分泵浦接口108的第二室108.2。由此，负元素离子和正元素离子沿着与气溶胶颗粒进入等离子体区的方向不同的方向从等离子体区中转移出。第一弯曲四极离子导向器112.1和第二弯曲四极离子导向器112.2分别适于保持两个叠加电场，其中两个叠加电场中的第一电场为静电场，并且其中两个叠加电场中的第二场是在多极离子导向器的轴上具有低振幅而在远离该轴处具有较大振幅的RF多极场。此外，对于第一弯曲四极离子导向器112.1和第二弯曲四极离子导向器112.2二者，相应的第一电场的强度是可调的。
在被转移至第二室108.2中之后，负元素离子和正元素离子分别被第一四极离子导向器111.1和第二四极离子导向器111.2过滤，如针对图3所示的四极离子导向器11所描述的。随后，负元素离子和正元素离子穿过差分泵浦接口108的第三室108.3进入双极性质量分析仪105的其对应的入口106.1、106.2，它们在该质量分析仪中得到分析。由此，双极性质量分析仪105中的压力小于0.0001mbar。然而在一个变型中，双极性质量分析仪105中的压力小于0.00001mbar。
图5示出了更节省空间的配置的图4所示设备101的示意图。在这里，差分泵浦接口和两种极性的质量分析仪排列在彼此的后方。
图6示出了用于分析气溶胶颗粒的元素组成的改进设备201的缩减细节的示意图。该设备201包含用于电离气溶胶颗粒的气溶胶颗粒电离源230和用于根据电离气溶胶颗粒的迁移率来分离电离气溶胶颗粒的电离气溶胶颗粒迁移率分析仪231。气溶胶颗粒电离源230适用于将气溶胶颗粒电离而不原子化，并且甚至不会使气溶胶颗粒碎裂。此外，电离气溶胶颗粒迁移率分析仪231可以是适用于分析电离气溶胶颗粒的迁移率的任何离子迁移率分析仪。在设备201中，气溶胶颗粒电离源230和气溶胶颗粒迁移率分析仪231布置在离子源50的上游。因此，引入到设备201中的气溶胶颗粒首先被气溶胶颗粒电离源230电离，随后通过气溶胶颗粒迁移率分析仪231根据其迁移率而分离。随后，气溶胶颗粒被离子源50原子化并电离成元素离子，并且所得的元素离子被转发至检测器5以供分析。
采用设备201，可确定气溶胶颗粒的迁移率，该迁移率提供关于气溶胶颗粒的大小和横截面的信息。而且，采用设备201，当气溶胶颗粒到达离子源50时，气溶胶颗粒根据其迁移率而被分离。因此，来自气溶胶颗粒的元素离子的分析可以以单一气溶胶颗粒模式实现，其中来源于特定气溶胶颗粒的元素离子被明确地分析为来源于同一个特定气溶胶颗粒。为了促进这种单一气溶胶颗粒模式，可采用上述事件触发。然而，还可将离子源50改进成包含气溶胶颗粒检测单元，该气溶胶颗粒检测单元在气溶胶颗粒进入等离子体区时对其进行检测。例如，该气溶胶颗粒检测单元可为光学单元。此外，离子源50还可包含控制单元。利用该控制单元，可以在检测到气溶胶颗粒时触发离子源50的激光器，以在等离子体区中诱导用于原子化并电离气溶胶颗粒的等离子体。此外，利用控制单元，质量分析仪5可被触发用于分析来源于相应的气溶胶颗粒的元素离子。因此，可通过控制单元使离子源50的激光器和质量分析仪5同步。
在一个变型中，气溶胶颗粒电离源和电离气溶胶颗粒迁移率分析仪可布置在离子源50内。例如，可将其布置在气体交换单元与限流装置之间。
本发明并不限于上述实施方案。除了上文已经描述的变型之外，所描述的实施方案的各种变化都是可行的。
总之，应当指出，本发明创建了一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子的离子源和方法，其适合于属于最初提到的技术领域的用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备和方法，其使得能够精确且可靠地分析气溶胶颗粒的元素组成，并且可用于气溶胶颗粒的元素组成的不同类型分析，例如在监测应用或现场应用中的在线和实时分析。
附图标记列表
1 设备
8 差分泵浦接口
8.1、8.2、8.3 室
10 数据采集***
10.1 模数转换器
10.2 快速处理单元
11 四极离子导向器
50 离子源
52 气体交换装置
56 入口
57 空气动力学透镜
60 限流装置
61 减压室
62 激光器
63 等离子体区
64 扩散管
65 碰撞单元
101 设备
105 双极性质量分析仪
106.1、106.2 入口
108 差分泵浦接口
108.1、108.2、108.3 室
111.1、111.2 四极离子导向器
112.1、112.2 弯曲的四极离子导向器
150 离子源
201 设备
230 气溶胶颗粒电离源
231 电离气溶胶颗粒迁移率分析仪
501 设备
502 气体交换装置
503 等离子体离子源
504 大气压接口
505 质量分析仪
506 入口
601 设备
605 质量分析仪
606 入口
607 空气动力学透镜
608 差分泵浦接口
609 激光器

Claims (15)

1.一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子和潜在的电离金属氧化物的离子源(50、150)，其包含：
a)具有内部的减压室(61)；
b)入口(56)和限流装置(60)，其用于将包含分散在气体、特别是空气中的所述气溶胶颗粒的分散体中的所述气溶胶颗粒引入所述减压室(61)的所述内部，所述入口(56)经由所述限流装置(60)将所述减压室(61)的外部与所述减压室(61)的所述内部流体耦合；
c)激光器(62)，其用于在所述减压室(61)的所述内部的等离子体区(63)中诱导所述分散体中的等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述激光器(62)适用于在所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)中诱导所述分散体的所述气体中的所述等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子；
其特征在于，所述减压室(61)适于在所述减压室(61)的所述内部实现并维持0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar范围内的压力。
2.根据权利要求1所述的离子源(50，150)，其特征在于，用于去除所述分散体中的污染物的扩散管(64)，所述扩散管(64)将所述入口(56)与所述限流装置(60)流体耦合，以用于将所述分散体通过所述扩散管(64)并随后通过所述限流装置(60)引入所述减压室(61)的所述内部。
3.根据权利要求1或2所述的离子源(50，150)，其特征在于，气体交换装置(52)，用于在将包含所述气溶胶颗粒的所述分散体引入所述减压室(61)的所述内部之前，用清洁等离子体气体交换所述分散体中的所述气体，特别是所述空气。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的离子源(50，150)，其特征在于，空气动力学透镜(57)或声学透镜，用于将所述气溶胶颗粒聚焦至所述减压室(61)的所述内部的聚焦区。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的离子源(50，150)，其特征在于，碎裂装置(65)、特别是碰撞单元，用于使来源于所述气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于所述气溶胶颗粒，其中所述碎裂装置(65)与所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)流体耦合，以用于将在所述等离子体中生成的所述气溶胶颗粒的电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物通过该碎裂装置(65)转移，以用于使来源于所述气溶胶颗粒的所述电离碎片、特别是电离分子以及潜在的电离金属氧化物碎裂成元素离子，其中该金属来源于该气溶胶颗粒。
6.一种用于分析气溶胶颗粒的元素组成的设备(1，101)，其包含：
a)根据权利要求1至5中的任一项所述的离子源(50，150)；以及
b)第一质量分析仪(5，105)，用于分析所述元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述减压室(61)的所述内部与所述第一质量分析仪(5，105)流体耦合。
7.根据权利要求6所述的设备(1，101)，其特征在于，差分泵浦接口(8，108)，其包含至少一个差分泵浦级，优选至少两个差分泵浦级，特别优选至少三个差分泵浦级，所述差分泵浦接口(8，108)将所述减压室(61)的所述内部与所述第一质量分析仪(5，105)流体耦合，以用于将所述元素离子和潜在的电离金属氧化物从所述减压室(61)转移至所述第一质量分析仪(5，105)。
8.根据权利要求6或7所述的设备(1，101)，其特征在于，用于所述元素离子和潜在的电离金属氧化物的共振激发的多极离子导向器(11，111.1，111.2)，特别是四极离子导向器，所述多极离子导向器(11，111.1，111.2)将所述减压室(61)的所述内部与所述第一质量分析仪(5，105)流体耦合，以用于将所述元素离子和潜在的电离金属氧化物从所述减压室(61)转移至所述第一质量分析仪(5，105)。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的设备(101)，其特征在于，用于分析所述元素离子和潜在的电离金属氧化物的第二质量分析仪，其中所述减压室(61)的所述内部与所述第二质量分析仪流体耦合，以用于将所述元素离子和潜在的电离金属氧化物从所述减压室(61)转移至所述第二质量分析仪。
10.根据权利要求9所述的设备(101)，其特征在于，所述第一质量分析仪适于分析正离子而所述第二质量分析仪适于分析负离子。
11.根据权利要求6至10中的任一项所述的设备(1，101)，其特征在于，电离气溶胶颗粒迁移率分析仪，用于根据电离气溶胶颗粒的迁移率来分离该电离气溶胶颗粒，其中所述电离气溶胶颗粒迁移率分析仪与所述离子源(50，150)的所述入口流体耦合，以用于经由所述气溶胶颗粒迁移率分析仪将包含所述气溶胶颗粒的所述分散体引入至所述离子源(50，150)。
12.根据权利要求6至11中的任一项所述的设备(1，101)，其特征在于，所述设备(1，101)进一步包含电子数据采集***(10)，用于处理由所述第一质量分析仪(5，105)提供的信号，而所述电子数据采集***(10)包含：
a)至少一个模数转换器(10.1)，其从获自所述第一质量分析仪(5，105)的所述信号产生数字化数据；
b)快速处理单元(10.2)，其接收来自所述模数转换器(10.1)的所述数字化数据；
其中
c)所述快速处理单元(10.2)被编程用于连续实时地检查由所述第一质量分析仪(5，105)测量的感兴趣事件的所述数字化数据；并且
d)所述电子数据采集***(10)被编程用于转发表示用于进一步分析的与感兴趣事件有关的质谱的所述数字化数据，并拒绝表示与感兴趣事件无关的质谱的所述数字化数据。
13.根据权利要求6至12中的任一项所述的设备(1，101)，其特征在于，所述设备(1，101)进一步包含：气溶胶颗粒检测单元，用于在气溶胶颗粒进入所述等离子体区时检测该气溶胶颗粒；以及控制单元，用于使所述激光器和所述第一质量分析仪(5，105)与所述气溶胶颗粒检测单元同步，以便使得能够进行单一气溶胶颗粒分析。
14.一种用于从气溶胶颗粒生成元素离子的方法，其包括以下步骤：
a)将包含分散在气体、特别是空气中的气溶胶颗粒的分散体中的所述气溶胶颗粒通过入口(56)经由限流装置(60)引入到减压室(61)的内部，同时将所述减压室(61)的所述内部的压力维持在0.01mbar至100mbar、优选0.1mbar至100mbar或1mbar至100mbar、特别优选0.1mbar至50mbar或1mbar至50mbar、最优选0.1mbar至40mbar或1mbar至40mbar的范围内；以及
b)利用激光器(62)在所述减压室(61)的所述内部的等离子体区(63)中诱导所述分散体中的等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子和潜在的电离金属氧化物，其中所述激光器(62)适于在所述减压室(61)的所述内部的所述等离子体区(63)中诱导所述分散体的所述气体中的所述等离子体，以用于将所述气溶胶颗粒原子化并电离成元素离子。
15.一种用于分析气溶胶颗粒的元素组成的方法，其包括以下步骤：
a)利用根据权利要求14所述的方法从气溶胶颗粒生成元素离子和/或电离的金属氧化物，
b)将所述元素离子和/或电离的金属氧化物转移至第一质量分析仪(5，105)，以及
c)利用所述第一质量分析仪(5，105)分析所述元素离子和/或电离的金属氧化物。
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