用于同位素比光谱测定的多入口装置的制作方法

本发明涉及用于同位素比质谱仪和/或光学光谱仪的多入口装置，以及操作这种多入口装置的方法。

背景技术：

1、同位素比分析被用于测量样本中同位素的相对丰度(同位素比)，该样本可以是固体、液体或气体。其可被用于各种各样的元件。从每个样本中，可以通过已知的过程生成样本流体，优选样本气体。例如，同位素比分析可被用于确定来自co2的13c/12c和/或18o/16o的同位素比，诸如在空气中，用于地质评估。同位素比分析最通常通过质谱(massspectrometry，ms)进行，但也可以通过光学光谱测定进行。

2、对于光学光谱测定，例如，同位素比通常在光谱仪的测量单元中通过测量两条单独的光谱吸收线(典型地在红外区中)来确定，一条线针对每个不同的同位素种类(同位素体)，例如吸收线针对12c16o2并且另一条线针对13c16o2。对于co2的方便的吸收线是在4.3218μm处或4.3218μm附近的线。如果每个同位素有更多的线可用(例如双峰或三重峰)，则可以测量和使用来自多于一个线的信息，例如对于除co2之外的其它气体或在可能感兴趣的其它光谱范围中。光谱吸收线的强度比是每种同位素种类的丰度比的量度(并且因此是同位素比，例如13c/12c)。因此，光谱仪的输出是不同同位素线的比(例如r(13c)＝c(13c)/c(12c))。使用所建立的用于同位素比报告的δ记法(例如δ13c[‰])将结果参照国际标准。

3、同位素比质谱(isotope ratio mass spectrometry，irms)和气体入口系统的一般综述可以在brenna等人，《质谱综述(mass spectrometry reviews)》，1997，16：227-258中找到。

4、在irms中，通常相对于标准(即，已知同位素比的一个或多个参考)来测量样本。优选地，使用参考流体并且特别是参考气体。为了允许这一点，光谱仪可以配备有双入口(di)装置。这里，样本气体(例如co2)从高真空波纹管或可替选地从样本制备设备(诸如由thermo fisher scientific inc.销售的kiel iv carbonate设备)经由细毛细管提供至质谱仪的入口。从高真空波纹管经由第二细毛细管提供与样本相同化学成分的参考气体。在irms的入口处，样本和参考气体都被连接到一个或多个转换阀，从而允许在波纹管或样本制备设备之间快速切换。典型地，转换阀将样本或参考气体连接到质谱仪的离子源，并且同时将相应的其它气体引导到高真空泵(成为废物)。结果，样本和参考气体将总是以相同的速率被消耗-或用于测量，或成为废物。通过将同位素比的标准化值归因于所测量的样本气体的原始同位素比(所谓的″δ″记法)，所管理的参考气体允许标准化。在一些情况下，多于一个样本和/或参考波纹管或制备设备可以被连接到质谱仪，

5、在irms中，来自特定质荷(m/z)比(有时简称为″质量″，假设离子的电荷z为1)的检测到的离子的信号随着离子源中样本的分压而增加。压力和检测到的信号之间的确切关系取决于离子的特定分子类型(例如n2和co2对于相同的压力产生不同的信号强度)。附加地，所测量的同位素比(即，来自相同分子种类但不同同位素组成的信号的比，例如13co2/12co2)随离子源中的分压而改变，并且因此随总强度而改变。应理解，物理上，所研究的离子的同位素比将是相同的，而与样本的分压无关(或独立于样本的分压)。只有检测到的信号改变(irms非线性)。参考气体具有标准化的、与压力无关的同位素比值，并且该信息可被用于标准化目的。然而，由于上述非线性，必须在离子源中的相同分压下测量样本和参考气体。

6、常规di技术在测量之前通过将波纹管压缩调节到共同设定点来对样本波纹管和参考波纹管中的每一者的进行一次压力调节。这样做使得样本和参考气体在离子源中的相同分压下被测量。针对样本的特定质荷比的信号强度可以在参考气体的第一次测量之前立即测量，并且该信号强度可以用于调节参考气体压力，使得对于参考气体达到相同的信号强度并且因此达到相同的源压力。可替选地，可以在所有测量之前将样本和参考信号强度调节到共同的、预定义的设定点，例如调节到10v的信号。样本气体压力和/或参考气体压力可以仅在可以提供足够量的纯参考或样本气体的情况下是可调节的，否则样本气体可能已经在压力调节期间被消耗掉。样本制备设备可以根本不允许调节样本强度，在这种情况下，仅可以调节参考信号强度。一旦已经实现压力调节，就在短的积分时间内进行参考和样本气体的连续测量。每个样本间隔与在样本测量之前和之后取得的两个参考间隔的比较允许校正任何仪器漂移，以及校正由于波纹管的损耗和所导致的信号强度的减小而导致的所测量的同位素比的变化。这两个参考测量被用于计算样本测量时参考的假设同位素比。该技术被称为括号法(bracketing)，假定同位素比随时间线性变化。指示所测量的信号强度随时间降低的损耗曲线对于样本气体和参考气体必须精确地相同。这可以通过调节毛细管卷曲来实现，其针对波纹管或样本制备设备内部的给定压力和体积来调节通过毛细管的气体流速。

7、gb2520543描述了操作具有双入口装置的irms的另一模式。这里，在测量之间重新调节样本和参考气体的压力，以补偿在其测量期间各自遇到的损失。虽然光束强度的这种重新调节减少了非线性在积分间隔的整个序列上的影响并且提供了更好的样本利用，但是非线性仍然存在于单个积分间隔内。

8、长积分双入口(long integration dual inlet，lidi)是di测量的另一种模式，其中样本和参考气体在较长的不间断时段上各测量一次，而不是上述的括号法方法。lidi允许更好的样本利用，特别是当有限的样本体积可用时。

9、使用lidi执行括号法是不可能的。考虑到可用样本的有限体积，在第一次参考气体测量之前进行样本强度的初始测量将是不切实际的并且由于相关联样本的高消耗而潜在地不可能。没有样本强度的初始测量，在相同强度下参考气体的第一次测量是不可能的，这阻止了在lidi内的括号法。因此，lidi仅将每组样本测量(即，一个样本运行)与在进行样本测量之后测量的一组参考测量(一个参考运行)进行比较。只要仪器漂移被充分控制，则校准测量的精度就得到保持。环境温度的改变典型地是对于仪器漂移的最重要原因。这种情况的控制通常只能在仪器的操作地点(例如实验室)的适当环境条件下实现。

10、另一个问题出现在lidi系统中。由于样本气体在测量期间被迅速消耗，样本气体的分压以及因此其信号强度随着样本测量的时间而降低。由于irms的非线性，观察到的同位素比因此也将在测量过程期间改变。这是可接受的，只要针对样本和参考气体在它们各自测量开始时的强度精确地相同并且的同位素比的改变对于样本和参考气体两者是相同的即可；即，信号强度的衰减是相同的。

11、为了匹配样本强度，可以调节参考气体的分压以实现样本的测量强度的匹配。然而，这阻止了在样本之前和在匹配的强度下测量参考气体。为了实现信号强度的相同衰减，通过相应毛细管的样本和参考的气体流动理想地保持相同。这通过外部压缩(″卷曲″)封闭毛细管的内径来实现。匹配毛细管中的气体流速的过程是相当费力的并且很少提供完美的结果。结果还取决于用于样本和参考的微体积的实际尺寸，致使样本和参考强度衰减之间潜在的进一步不匹配。作为所有这些问题的结果，考虑将括号法直接应用于lidi是不可能的。

12、ep3608941描述了通过在测量样本气体之前和之后测量参考气体来增加对仪器漂移的校正的lidi。这允许确定同位素比和信号强度之间的第一关系和第二关系。然后使用这些关系来估计对于样本气体的测量周期内的任何选定时间的参考同位素比，并且以与正常di括号法相同的方式应用该参考同位素比。

13、虽然这种模式(″加括号的lidi″或″lidi 2″)允许对缓慢仪器漂移的良好校正，但是它仍然需要在长的积分间隔(例如对于每种气体600s)上测量样本和参考，使得快速漂移的校正是不可能的。

14、总之，上述di技术旨在补偿非线性，而不是防止非线性的发生。

15、在某些情况下，可以通过维持样本储存器中的恒定压力来实现恒定的信号强度。wo 2015/067812 a1描述了从可变体积储存器到分析器中的气体流动。储存器具有可变体积，该可变体积假定与所施加的致动力成比例。恒定的致动导致恒定的体积变化率，并因此导致储存器内的恒定压力。恒定的压力允许恒定的信号强度。例如，描述了一种注射器，其中致动器以恒定速度推动注射器的柱塞，这导致注射器中恒定的体积变化率，并因此导致恒定的压力。类似地，对于波纹管型可变体积储存器，在某些环境下，可以通过以恒定速度压缩波纹管，例如通过向线性致动器施加恒定驱动速度，来实现进入分析器的恒定气体流。

16、这种方法仅适合于可变体积储存器的压缩速率或致动速率与储存器的体积变化率大致成比例的情况。例如，如果波纹管被压缩少量或短时间，则压缩率可以与体积的变化率近似成比例。如果波纹管在被压缩时被保持在特定压缩范围内(例如，如果它们总是大于60％打开，或者在其中压缩率相对接近于与体积变化率成比例的一些其它压缩范围内)，则这也可以改善针对少量压缩压缩率与体积变化率之间的线性。然而，如果波纹管被压缩更大的量或在更长的时间段内被压缩(无论这发生在单次压缩中还是多次压缩中)，则压缩速率可以不与波纹管的体积变化率成比例。类似地，如果波纹管被少量压缩但在特定压缩范围内(例如低于50％打开，或在其中压缩率相对远离与体积变化率成比例的一些其它压缩范围内)，则压缩率可以不与波纹管的体积变化率成比例。

技术实现思路

1、在此背景下，提供了一种操作用于同位素比光谱仪的多入口装置的方法，该多入口装置具有包含第一气体的第一波纹管和包含第二气体的第二波纹管。该方法包括将第一波纹管的压缩调节至第一压缩值，使得第一气体的第一压力等于目标压力值。该方法还包括将第二波纹管的压缩调节到第二压缩值，使得第二气体的第二压力等于目标压力值。该方法还包括确定第一压缩函数和第二压缩函数，第一压缩函数被配置为将第一压力维持在目标压力，第二压缩函数被配置为将第二压力维持在目标压力值。该方法还包括根据第一压缩函数连续地压缩第一波纹管，直到完成针对第一气体的第一同位素比的第一测量。该方法还包括根据第二压缩函数连续地压缩第二波纹管，直到完成针对第二气体的第二同位素比的第二测量。

2、以这种方式，第一气体和第二气体的压力在第一气体和第二气体的相应测量期间保持恒定，这意味着流入离子源的气体在测量期间是恒定的。因此，光束强度在整个测量中是恒定的，从而防止了测量中的非线性并且允许样本测量与参考测量之间的直接比较。

3、该方法还可以包括根据压缩函数压缩第一波纹管直到完成针对第一气体的第三同位素比的第三测量，其中第三测量发生在第二测量之后。

4、以这种方式，可以在第二气体之前和之后测量第一气体，从而允许校正仪器漂移。

5、第一气体和第二气体的测量可以交替，使得第一气体和第二气体各自被测量至少两次。

6、有利地，可以对每种气体进行多次测量，从而允许对仪器漂移的校正。例如，第一气体和第二气体的测量可以交替进行。

7、连续压缩第一波纹管和连续压缩第二波纹管的步骤可以同时发生。

8、有利地，这防止可能引入非线性或分馏风险的气体压力或气体流动的突然变化。

9、多入口装置可以包括引导第一气体和第二气体朝向离子源或真空的至少一个阀。

10、以这种方式，在第一气体和第二气体的测量期间，通过引导所测量的气体朝向离子源同时引导另一气体朝向真空，可以连续地压缩第一波纹管和第二波纹管。这防止可能引入非线性或分馏风险的气体压力或气体流动的突然变化。

11、在第一测量期间，可以将第一气体从第一波纹管引导到离子源并且可以将第二气体从第二波纹管引导到真空，并且在第二测量期间，可以将第一气体从第一波纹管引导到真空并且可以将第二气体从第二波纹管引导到离子源。

12、以这种方式，可以在每一气体的整个测量期间维持第一气体和第二气体两者的连续气体流动。这防止可能引入非线性或分馏风险的气体压力或气体流动的突然变化。

13、该方法还可以包括对第一气体的至少一次进一步测量，其中第一气体从第一波纹管被引导至离子源，并且第二气体从第二波纹管被引导至真空。

14、以这种方式，可以在第二气体之前和之后测量第一气体，从而允许校正仪器漂移。

15、可以使用步进电机压缩第一波纹管和第二波纹管。

16、有利地，电机的速度仅是步进频率的函数，该步进频率可以被精确地调谐。此外，当保持电流被施加到步进电机时，即使力被施加到波纹管(例如通过波纹管内部的真空)，波纹管位置也不会更改。

17、第一气体和/或第二气体可以分别包括第一气体混合物和第二气体混合物。

18、目标压力可以等于第一波纹管的第一填充压力或第二波纹管的第二填充压力。

19、目标压力可以独立于第一波纹管的第一填充压力或第二波纹管的第二填充压力。

20、第一压缩函数和第二压缩函数可以包括基于光谱仪的起始信号强度的初始压缩。

21、第一压缩函数和第二压缩函数可以是相同的。

22、以这种方式，可以执行更快的校准。

23、可以使用相同的第一压缩函数测量第一气体的多于一种同位素比。

24、有利地，这可以减少测量多个同位素比所需的时间。

25、第一压缩函数和第二压缩函数可以分别在第一波纹管和第二波纹管的压缩期间通过测量第一压力和第二压力来确定。

26、以这种方式，压缩函数可以通过使用压力的实时测量来保持压力恒定。

27、压力换能器可以被用于测量第一压力和第二压力。

28、第一压缩函数和第二压缩函数可以分别在第一波纹管和第二波纹管的压缩期间通过测量离子源中的压力来确定。

29、以这种方式，压缩函数可以通过使用压力的实时测量来保持压力恒定。

30、第一压缩函数和第二压缩函数可以分别在第一波纹管和第二波纹管的压缩期间通过测量进入离子源的气体流动来确定。

31、以这种方式，压缩函数可以通过使用气体流动的实时测量来保持压力恒定。

32、第一波纹管可以经由第一入口连接至离子源并且第二波纹管可以经由第二入口连接至离子源。

33、多入口装置还可以包括至少一个附加波纹管。

34、以这种方式，可以测量多种气体并将其相互比较。

35、至少一个附加波纹管可以经由至少一个附加入口连接到离子源。

36、多入口装置还可以包括被配置为关闭第一波纹管的第一波纹管阀和被配置为关闭第二波纹管的第二波纹管阀。在第一测量期间，可以将第一气体从第一波纹管引导到离子源并且可以通过第二将第二气体封闭在第二波纹管内。在第二测量期间，可以将第二气体从第二波纹管引导到离子源并且可以通过第一波纹管阀将第一气体封闭在第一波纹管内。

37、以这种方式，波纹管以交替方式被压缩。当第一波纹管被压缩以便将第一气体从第一波纹管引导到离子源时，第二波纹管被保持关闭并且阻止第二气体离开第二波纹管。当第二波纹管被压缩以便将第二气体从第二波纹管引导到离子源时，第一波纹管被保持关闭并且阻止第一气体离开第一波纹管。

38、可以提供针对操作用于同位素比光谱仪的多入口装置的软件，其中该软件被配置为执行操作多入口装置的方法。

39、可以提供用于同位素比质谱仪的多入口装置，其被配置为经由操作多入口装置的方法来操作。

40、用于同位素比质谱仪的多入口装置可以包括控制器，该控制器被配置为执行操作多入口装置的方法。

41、可以提供包括多入口装置的同位素比质谱仪。

42、还提供了一种校准用于同位素比质谱仪的多入口装置的第一波纹管的方法，该第一波纹管包含处于第一压力的第一气体。该方法包括获得指示包含校准气体的第一波纹管的损耗速率的多个校准损耗曲线，其中多个校准损耗曲线中的每个校准损耗曲线与多个校准初始条件中的一个校准初始条件相关联。该方法还包括使用第一波纹管的第一初始条件和多个校准损耗曲线对指示第一波纹管的估计损耗速率的估计损耗曲线进行插值。该方法还包括确定压缩函数，该压缩函数被配置为在第一波纹管被压缩的同时将第一气体维持在第一压力，其中压缩函数是基于估计的损耗曲线来确定的。

43、以这种方式，可以确定压缩函数，使得当根据压缩函数压缩波纹管时，波纹管中的气体的压力恒定，并且因此离子源中的光束强度恒定。阻止了测量的非线性。

44、多个校准初始条件可以包括多个压缩值。

45、多个校准损耗曲线可以包括在多个时间点处的多个光束强度。

46、多个校准损耗曲线可以包括在多个压力值处的多个光束强度。

47、针对多个校准损耗曲线中的每个校准损耗曲线的初始光束强度可以与多个校准损耗曲线中的每个其它校准损耗曲线的初始光束强度相同或相似。

48、以这种方式，对于给定的初始光束强度，可以确定光束强度和波纹管压缩之间的关系。

49、获得多个损耗曲线的步骤还可以包括确定针对多个时间点的波束强度与压缩之间的多个关系。

50、第一初始条件可以包括压缩值。

51、第一初始条件还可以包括光束强度。

52、还提供了一种操作用于同位素比光谱仪的多入口装置的方法，该多入口装置具有包含第一气体的第一波纹管和具有第二气体的第二波纹管。该方法包括将第一波纹管的压缩调节至第一压缩值，使得第一气体的第一压力等于目标压力值。该方法还包括将第二波纹管的压缩调节到第二压缩值，使得第二气体的第二压力等于目标压力值。该方法还包括根据校准第一波纹管的方法来校准第一波纹管以确定第一压缩函数。该方法还包括根据校准第一波纹管的方法来校准第二波纹管以确定第二压缩函数。该方法还包括根据第一压缩函数连续地压缩第一波纹管，直到完成针对第一气体的第一同位素比的第一测量。该方法还包括根据第二压缩函数连续地压缩第二波纹管，直到完成针对第二气体的第二同位素比的第二测量。

53、以这种方式，可以确定压缩函数，使得当根据压缩函数压缩波纹管时，波纹管中的气体的压力恒定，并且因此离子源中的光束强度恒定。阻止了测量的非线性。