歡迎您來到,中國質譜學會網!

濱松新型三級結構MCP,解決小質譜儀低真空度難題

要說近年來被公認增長最快的分析儀器,毫無疑問非質譜儀莫屬。據美國acs網站統計,目前國際上排名前十的儀器廠商中,有七家都在從事質譜儀的研發和生產。就中國而言,對質譜儀的需求也在快速增長。


質譜分析是一種測量離子質荷比(質量-電荷比)的分析方法。首先通過電離源將樣品中各組分電離成離子,接著在高真空的質量分析器中,在電磁場的作用下主要根據質荷比(帶電離子質量/所帶電荷的數量)將離子進行分離,使這些離子最后在探測器上產生可以被互相區分的信號。對于不同的組分,電離生成的離子不同——故而質譜可以被用于鑒定樣品中的不同組分。


4副本.jpg

質譜儀基本結構示意圖


質譜技術發展至今已逾百年,質譜工作者們站在彼此的肩頭,將一個簡單的物理現象在理論和實踐上推到如今的高度,使其成為了分析領域最重要的方法之一。目前質譜已不僅是常規化學分析中的重要手段,逐漸也開始被用于生命科學、國土安全、食品安全、臨床醫學檢測和空間技術等熱門領域。


2.jpg

質譜技術的應用領域越來越廣泛


但我們知道,傳統的實驗室臺式質譜儀昂貴、耗能、連接氣路管道、需要強力真空泵,并且經常需要前端的分離系統,機體往往龐大笨重。若要應用于臨床、機場安檢、食品安全等原位現場測量場景,儀器必須小型化。


不過,說小型化就小型化,你問過真空系統的意見了嗎?


3.jpg


沒錯,在小型化質譜儀的設計中,最大的一個挑戰在于真空系統。上面在簡介質譜儀工作原理的時候,已經提到,“真空”是質譜儀內部工作的必要條件。保持高真空度可以防止分子、離子、電子之間發生碰撞,避免噪聲的產生。也就是說,真空度越高,質譜儀的信噪比越好。

 

遺憾的是,真空系統往往比較笨重,小型質譜儀也只能選擇小型的真空泵,而泵速的下降,會直接導致系統真空度降低,這會嚴重影響質量分析器及探測器的正常運行。而從目前的研究結果來看,質譜的背景噪聲主要來自探測器端,這源于一個叫離子反饋的作用。

 



常見的質譜探測器(如mcp、電子倍增器/em)都是將離子轉化為電子;電子被電場加速、倍增并最終檢出。而加速的電子會和殘余氣體分子碰撞,產生正離子。這些正離子在電場中會反向運動,再次轟擊產生電子,這個過程稱為離子反?。╥on feedback,ifb)。




由于正離子反向運動是需要時間的,所以離子反饋所產生的信號與真實信號本身并不會疊加,反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。


10副本.jpg


離子反?。╥on feedback,ifb)過程示意圖


而低真空度下較高濃度的氣體分子是客觀存在的,因此相比于控制離子生成,更為明智的做法是控制生成離子的走向。但如今四級桿及離子阱質譜儀一般采用的電子倍增器(em),卻并沒有辦法解決這一問題。

 

新探測器技術的出現,成為了質譜儀小型化的一個關鍵。

 



小質譜儀不要慌,濱松gen3 mcp來了




微通道板(mcp)也是應用于質譜儀中的一種常用探測器,特別是tof-ms。但傳統的兩片結構的mcp(見下圖a)和電子倍增器(em)等其他傳統質譜探測器一樣,殘留的氣體分子也會發生電離生成正離子,并返回mcp形成離子反饋。


不過,濱松最新推出的擁有三級結構的mcp,通過實現控制離子走向的策略,成功解決了上面說到的問題。


5.jpg

傳統兩片結構(bi-planer mode)和濱松最新三級結構(triode mode)mcp的結構和電位對比


6.jpg

濱松最新推出的適用于小型質譜儀的gen3 mcp

 

濱松gen3 mcp采用了這樣的結構設計:



在mcp出口和打拿極之間加入柵網電極構成三級結構,柵網電極作為陽極(負高壓模式下接地),后端打拿極和mcp入口則被設置為等電位,這樣殘留的氣體分子電離生成的正離子會從柵網電極向打拿極運動,并被打拿極俘獲。這種三級的創新結構設計可以避免電離正離子返回mcp,從而在源頭上解決了暗電流的問題。




下圖是三級結構的濱松gen3 mcp和傳統兩級mcp電流輸出結構在不同真空度下的實驗數據對比。


7.jpg

傳統兩片結構(bi-planer mode)和濱松最新三級結構(triode mode)mcp的實測噪聲(暗電流)對比

 

可以明顯的看出,在105增益下,傳統的2片mcp電流輸出型組件在真空度高于10-3pa的情況下即會發生離子反饋。而對于三級結構的gen3 mcp,即使真空度降低到1pa,仍然不會發生離子反饋。


憑借在低真空度下的優異表現,加上小巧的尺寸(有效面積直徑:14mm),濱松gen3 mcp將會大大釋放束縛在質譜儀真空系統上的韁繩,方便開發者開發更為靈活便攜、功耗更低、更適合現場使用的小型質譜儀。


9.jpg

濱松gen3 mcp有效面積直徑:14mm


濱松致力于光電技術探索60余年,在質譜探測器的研究也已有40余年的歷史,可為質譜應提供mcp、em、離子化光源等產品。2018年我們推出了,并也將繼續推出更多應用于質譜的新品(文章底部的小編傳送門中,有部分新品鏈接)。希望通過探測技術的原始創新,從最底層技術出發,穩定而堅實地推動最終質譜應用的發展。

用戶登錄