质谱离子检测器的类型

质谱分析常用的离子探测器类型有哪些?

这是所有人的关键因素质谱法系统是探测器的类型¹用于将质量分离离子的电流转换为可测量信号的。不同类型的探测器的使用取决于因素，包括动态范围，空间信息保留，噪声和适合质量分析仪。一些常用的类型包括电子倍增器(EM)，法拉第杯(FC)，光电倍增器转换节点和阵列探测器。在本文中，我们将考虑这些检测器。

电子倍增器(EM)

新兴市场的巨大优势²探测器的最大特点是，如果经过适当的校准，它们是无噪声的，并且可以进行单离子计数。

电磁的本质是一个离散的金属板的串行连接，称为dynode，它将离子电流放大到10倍⁸变成可测量的电子电流。当一个单独的次级离子进入电磁，它被第一个转换dynode停止。撞击的能量部分地通过从dynode材料中喷射电子而消散，从而产生电荷。额外的电子通过级联过程通过后续的dynodes喷射出来。在最后一个dynode，累积电荷被测量为电压脉冲。如图1所示。

图1: 示意图说明如何检测到的进入离子转换成一个可测量的信号使用电磁探测器。资料来源:Nikob7，在Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0国际许可．

由一系列次级离子撞击产生的电压脉冲的大小是随机分布的。这些类型的探测器上的脉冲高度分布可以测量，并指出两个不同的区域。在分布的低端观察到的高信号下降到最小值是由于探测器系统中的电子噪声造成的。在这个最小值之后，观察到一个广泛分布的增加信号，这代表了测量的离子电流。通过设置阈值来消除噪声，这些乘法器可以有效地计数单个离子，动态范围为10⁶赫兹。超过这个计数率，探测器将开始遭受两种不同的现象。第一个是“死时间”效应，它指的是探测器在处理已经接收到的信号时(以ns为单位)本质上不工作的时间量。第二种是准同时到达效应，其中两个离子同时撞击电子倍增器的转换节点，但它只被认为是单个离子。

另一种常用的和与电磁密切相关的探测器是通道电子。^3.但它不是使用一系列离散的金属板作为dynode，而是由一个连续的曲面组成，它模仿了离散dynode电子倍增器中用于信号放大的级联效应。

法拉第杯(FC)

FC探测器⁴是相对简单和便宜的设备。它们的主要优势是能够测量电磁难以测量的更高离子流。它由一个空心导电电极通过高电阻与地面连接而成。离子击中集电极导致电子流从地面通过电阻和由此产生的电位差通过电阻被放大。单个离子的基本电荷是1.6 x 10^－19C.因此，计数率为1 × 10⁶c/s(关于电磁检测器使用的现实上限)将产生1.6 x 10的电流^-13年A(图2).即使电阻高达10¹¹W连接到地，放大器必须能够检测到16mv的电位降。因此，测量低电流将变得更加困难，因为电阻和放大器电路中的热噪声和电子噪声将对精度产生很大影响。通常这些部件将被封闭在一个真空的热控制室中。

图2: 法拉第杯离子探测器原理图。图片来源:K. Murray，在创作共用署名相似共享3.0未移植许可．

光电倍增管转换

在一个光电倍增管转换dynode检测器，⁵离子最初撞击一个dynode，导致电子发射。然后产生的电子撞击荧光屏，荧光屏释放光子。然后光子进入倍增器，在倍增器中以级联方式进行放大——很像电子倍增器。使用光子的主要优点是探测器的倍增器部分可以保持密封在真空中，防止污染，并大大延长探测器的寿命。

图3:光电倍增管转换dynode探测器原理图。资料来源:Kkmurray，在创作共用署名相似共享3.0未移植许可．

阵列探测器

质谱仪上的第一个探测器实际上是一个阵列探测器——照相胶片。从那时起，阵列探测器已经发展成使用不同原理的各种类型。阵列探测器可以覆盖一个广泛的探测器类型和系统⁶但通常可以分为两类:

• 可以同时测量不同质量电荷比(m/z)值的许多离子的探测器
• 位置敏感的探测器

有时一种类型的探测器可以或多或少地满足这两种要求。

同时测量不同m/z的几种离子的阵列探测器

也许最简单的“阵列”探测器可以在那些结合了EM和FC探测器的MS系统上找到。对于同位素比值的测量，可以使用FC测量最丰富的同位素，而较弱的丰富同位素产生的离子电流要小得多，更适合在EM上测量。

在采用多采集系统的MS仪器中常见的另一种形式的检测器阵列由几个EMs和/或fc组成，可以移动它们来测量特定m/z值的离子。的示例如图4所示纳米次级离子质谱仪(NanoSIMS)，⁷它有6个可移动的和1个固定的电磁探测器，可以同时分析7个不同的质量。这些与质谱仪有关，质谱仪根据离子的m/z值分散离子，如磁性扇形仪器。

图4: 结合多收集器系统和静态磁场的双聚焦磁切片质谱仪-纳米级二次离子质谱仪(NanoSIMS)的原理图。

用于位置敏感离子检测的阵列检测器

阵列探测器位置敏感测量⁸我们已经使用微通道板(MCP)很多年了。数组由10个以上的数组组成⁶显微玻璃通道，每个5-50个米直径为M，以蜂窝状阵列结合在一起并电连接。每个通道作为一个连续dynode电磁与增益在10的数量级⁴．为了增加增益，2或3个MCP探测器可以串联放置，最终增益从10⁶到10⁸．由于次级电子被限制在原始离子撞击产生它们的通道内，因此只要有一种记录最终电子云分布的方法，就有可能从MCP获得空间分辨率。这通常是使用荧光屏和某种形式的相机，如电荷偶设备(CCD)阵列系统或其他数字技术来实现的。虽然对于离子的位置传感非常有用，但它提供的定性信息比定量信息更多，除非由于老化效应是一个问题(对于MCP和荧光粉屏)而进行非常良好和频繁的校准。

的电阻式阳极编码器(RAE)检测器⁹是一种电荷分割探测器的形式，通常用于成像质谱，特别是二次离子质谱(SIMS)。与一般的电荷分割探测器一样，它们的功能是使用阳极结构拦截并在几个传感器之间划分来自MCP的电子云。基于每个传感器接收到的信号强度的数学算法可以执行，以确定导致测量电荷云的离子电流的原始位置。在RAE的特定情况下，由于负极材料是由电阻半导体制成的，因此使用的信号是电子云在该材料上产生的电压。这种设备的主要局限性是它们不能测量同时到达的离子，因此它们的动态范围被限制在大约10⁴－10⁵赫兹。

您可以通过以下链接阅读更多关于离子源和质量分析仪的文章，了解MS过程中的前面步骤。

参考文献

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