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小型质谱中低真空度下的探测器解决方案

# 应用背景——小型质谱仪的挑战


质谱法与光谱法并列,都属于分析领域最重要的方法。


在质谱法中,首先通过电离源将样品中各组分电离成离子,接着在质量分析器的真空中,在电磁场的作用下主要根据质荷比(带电离子质量/所带电荷的数量)将离子进行分离,使这些离子最后在探测器上产生可以被互相区分的信号。对于不同的分子,电离生成的离子不同——故而质谱可以被用于鉴定样品中的不同组分。


鉴于质谱技术的巨大潜力,人们一直从电离源、质量分析器和探测器三个方面不断探索;目前质谱已不仅是常规化学分析中的重要手段,逐渐也开始被用于生命科学、国土安全、食品安全、临床医学检测和空间技术等热门领域。其中一个大家耳熟能祥的例子就是田中耕一由于开发了基质辅助激光解吸离子化(MALDI)这种新的电离源方法,使得质谱可以被用于生命科学中蛋白质等大分子的鉴定,从而获得了2002年的诺贝尔化学奖。


图1. 质谱基本结构示意图



虽然质谱法与光谱法并列,近年来也被公认为增长发展最快的分析仪器,但传统上的实验室台式质谱仪重量大、昂贵、耗能、连接气路管道、需要强力真空泵,并且经常需要前端的分离系统。若要应用于临床医学、消防、机场安检、仓库食品安全等原位现场测量场景,质谱仪必须得小型化。


而在小型化质谱仪的设计中,最大的一个挑战在于真空系统。在质谱中保持真空可以防止分子/离子/电子间发生碰撞,避免噪声的产生——真空度越高,质谱的信噪比越好。但事实情况是,小型的真空泵无法提供高真空——所以若要质谱小型化,要么做出成本合适、真空度足够的小型真空系统;要么通过其他手段降低质谱方法对于高真空的需求。


# 低真空度下的质谱——残余气体影响质谱信噪比的机理


从目前的研究结果来看,质谱的背景噪声主要来源于探测器端。


常见的质谱探测器(如MCP、电子倍增器/EM)都是将离子转化为电子;电子被电场加速、倍增并最终检出。加速的电子会和残余气体分子碰撞,产生正离子(如图2)。


这些正离子在电场中会反向运动,再次轰击产生电子,这个过程称为离子反馈(ion feedback,IFB,具体机理见图2)。由于正离子反向运动是需要时间的,所以离子反馈所产生的信号与真实信号本身并不会叠加,反而成为了噪声/杂峰的重要来源。


图2. 离子反馈(ion feedback,IFB)过程的示意图


# 低真空度下的质谱——滨松解决方案

低真空度下较高浓度的气体分子是客观存在的,因此相比于控制离子生成,更为明智的做法是控制生成离子的走向。滨松创新型的GEN3 MCP即采用控制离子走向的策略成功解决了上述问题。


图3. 传统两片结构(Bi-planer mode)和滨松最新三级结构(Triode mode)的结构和电位对比


图3-(a)是一般的两片MCP结构,和电子倍增器(EM)等其他传统质谱探测器一样,残留的气体分子会发生电离生成正离子并返回MCP形成离子反馈,图3-(b)是滨松GEN3 MCP的结构设计:在MCP出口和打拿极之间加入栅网电极构成三级结构,栅网电极作为阳极(负高压模式下接地),后端打拿极和MCP入口则被设置为等电位,这样残留的气体分子电离生成的正离子会从栅网电极向打拿极运动,并被打拿极俘获。这种三级的创新结构设计可以避免电离正离子返回MCP,从而在源头上解决了暗电流的问题。


图4是三级结构的GEN3 MCP和传统两级MCP电流输出结构在不同真空度下的对比实验。


图4. 传统两片结构(Bi-planer mode)和滨松最新三级结构(Triode mode)的实测噪声(暗电流)对比


可以明显的看出,在105增益下,传统的2片MCP电流输出型组件在真空度高于10-3pa的情况下即会发生离子反馈,而对于三级结构的GEN3 MCP,即使真空度降低到1pa,仍然不会发生离子反馈。


综上所述,凭借在低真空度下的优异表现,加上小巧的尺寸(如图5),GEN3 MCP将会大大释放束缚在质谱仪真空系统上的缰绳,方便开发者开发更为灵活便携,功耗更低,更适合现场使用的小型质谱仪。


图5. 滨松最新三级结构(Triode mode)MCP的大小示意


# 更多资料


展示了滨松在质谱应用中提供的各类电离源和探测器产品。


滨松应用于质谱分析仪的探测器即光源产品。

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