濱松新型三級(jí)結(jié)構(gòu)MCP，解決小質(zhì)譜儀低真空度難題
發(fā)布時(shí)間:2019-06-12 閱讀次數(shù)：1438次
要說近年來被公認(rèn)增長最快的分析儀器，毫無疑問非質(zhì)譜儀莫屬。據(jù)美國acs網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)，目前國際上排名前十的儀器廠商中，有七家都在從事質(zhì)譜儀的研發(fā)和生產(chǎn)。就中國而言，對(duì)質(zhì)譜儀的需求也在快速增長。
質(zhì)譜分析是一種測(cè)量離子質(zhì)荷比（質(zhì)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(zhì)量分析器中，在電磁場(chǎng)的作用下主要根據(jù)質(zhì)荷比（帶電離子質(zhì)量/所帶電荷的數(shù)量）將離子進(jìn)行分離，使這些離子最后在探測(cè)器上產(chǎn)生可以被互相區(qū)分的信號(hào)。對(duì)于不同的組分，電離生成的離子不同——故而質(zhì)譜可以被用于鑒定樣品中的不同組分。
質(zhì)譜儀基本結(jié)構(gòu)示意圖
質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展至今已逾百年，質(zhì)譜工作者們站在彼此的肩頭，將一個(gè)簡單的物理現(xiàn)象在理論和實(shí)踐上推到如今的高度，使其成為了分析領(lǐng)域最重要的方法之一。目前質(zhì)譜已不僅是常規(guī)化學(xué)分析中的重要手段，逐漸也開始被用于生命科學(xué)、國土安全、食品安全、臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)和空間技術(shù)等熱門領(lǐng)域。
質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛
但我們知道，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式質(zhì)譜儀昂貴、耗能、連接氣路管道、需要強(qiáng)力真空泵，并且經(jīng)常需要前端的分離系統(tǒng)，機(jī)體往往龐大笨重。若要應(yīng)用于臨床、機(jī)場(chǎng)安檢、食品安全等原位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)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(tǒng)的意見了嗎？
沒錯(cuò)，在小型化質(zhì)譜儀的設(shè)計(jì)中，最大的一個(gè)挑戰(zhàn)在于真空系統(tǒng)。上面在簡介質(zhì)譜儀工作原理的時(shí)候，已經(jīng)提到，“真空”是質(zhì)譜儀內(nèi)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(fā)生碰撞，避免噪聲的產(chǎn)生。也就是說，真空度越高，質(zhì)譜儀的信噪比越好。
遺憾的是，真空系統(tǒng)往往比較笨重，小型質(zhì)譜儀也只能選擇小型的真空泵，而泵速的下降，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)真空度降低，這會(huì)嚴(yán)重影響質(zhì)量分析器及探測(cè)器的正常運(yùn)行。而從目前的研究結(jié)果來看，質(zhì)譜的背景噪聲主要來自探測(cè)器端，這源于一個(gè)叫離子反饋的作用。
常見的質(zhì)譜探測(cè)器（如mcp、電子倍增器/em）都是將離子轉(zhuǎn)化為電子；電子被電場(chǎng)加速、倍增并最終檢出。而加速的電子會(huì)和殘余氣體分子碰撞，產(chǎn)生正離子。這些正離子在電場(chǎng)中會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，再次轟擊產(chǎn)生電子，這個(gè)過程稱為離子反饋（ion feedback，ifb）。
由于正離子反向運(yùn)動(dòng)是需要時(shí)間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)本身并不會(huì)疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。
離子反饋（ion 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(jí)桿及離子阱質(zhì)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(cè)器技術(shù)的出現(xiàn)，成為了質(zhì)譜儀小型化的一個(gè)關(guān)鍵。
小質(zhì)譜儀不要慌，濱松gen3 mcp來了
微通道板（mcp）也是應(yīng)用于質(zhì)譜儀中的一種常用探測(cè)器，特別是tof-ms。但傳統(tǒng)的兩片結(jié)構(gòu)的mcp（見下圖a）和電子倍增器（em）等其他傳統(tǒng)質(zhì)譜探測(cè)器一樣，殘留的氣體分子也會(huì)發(fā)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(jí)結(jié)構(gòu)的mcp，通過實(shí)現(xiàn)控制離子走向的策略，成功解決了上面說到的問題。
傳統(tǒng)兩片結(jié)構(gòu)（bi-planer mode）和濱松最新三級(jí)結(jié)構(gòu)（triode mode）mcp的結(jié)構(gòu)和電位對(duì)比
濱松最新推出的適用于小型質(zhì)譜儀的gen3 mcp
濱松gen3 mcp采用了這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
在mcp出口和打拿極之間加入柵網(wǎng)電極構(gòu)成三級(jí)結(jié)構(gòu)，柵網(wǎng)電極作為陽極（負(fù)高壓模式下接地），后端打拿極和mcp入口則被設(shè)置為等電位，這樣殘留的氣體分子電離生成的正離子會(huì)從柵網(wǎng)電極向打拿極運(yùn)動(dòng)，并被打拿極俘獲。這種三級(jí)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)結(jié)構(gòu)的濱松gen3 mcp和傳統(tǒng)兩級(jí)mcp電流輸出結(jié)構(gòu)在不同真空度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。
傳統(tǒng)兩片結(jié)構(gòu)（bi-planer mode）和濱松最新三級(jí)結(jié)構(gòu)（triode mode）mcp的實(shí)測(cè)噪聲（暗電流）對(duì)比
可以明顯的看出，在105增益下，傳統(tǒng)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(huì)發(fā)生離子反饋。而對(duì)于三級(jí)結(jié)構(gòu)的gen3 mcp，即使真空度降低到1pa，仍然不會(huì)發(fā)生離子反饋。
憑借在低真空度下的優(yōu)異表現(xiàn)，加上小巧的尺寸（有效面積直徑：14mm），濱松gen3 mcp將會(huì)大大釋放束縛在質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)上的韁繩，方便開發(fā)者開發(fā)更為靈活便攜、功耗更低、更適合現(xiàn)場(chǎng)使用的小型質(zhì)譜儀。
濱松gen3 mcp有效面積直徑：14mm
濱松致力于光電技術(shù)探索60余年，在質(zhì)譜探測(cè)器的研究也已有40余年的歷史，可為質(zhì)譜應(yīng)提供mcp、em、離子化光源等產(chǎn)品。2018年我們推出了，并也將繼續(xù)推出更多應(yīng)用于質(zhì)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(cè)技術(shù)的原始創(chuàng)新，從最底層技術(shù)出發(fā)，穩(wěn)定而堅(jiān)實(shí)地推動(dòng)最終質(zhì)譜應(yīng)用的發(fā)展。