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，使這些離子最後在探測器上產生可以被互相區分的信號。對於不同的組分，電離生成的離子不同——故而質譜可以被用於鑑定樣品中的不同組分。

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，逐漸也開始被用於生命科學、國土安全、食品安全、臨床醫學檢測和空間技術等熱門領域。

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，並且經常需要前端的分離系統，機體往往龐大笨重。若要應用於臨床、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？

沒錯，在小型化質譜儀的設計中，最大的一個挑戰在於真空系統。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，這源於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、倍增並最終檢出。而加速的電子會和殘餘氣體分子碰撞，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饋（ion feedback，ifb）。

由於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並不會疊加，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，因此相比於控制離子生成，更為明智的做法是控制生成離子的走向。但如今四級杆及離子阱質譜儀一般採用的電子倍增器（em），卻並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。

 

微通道板（mcp）也是應用於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，並返回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。

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

濱松最新推出的適用於小型質譜儀的gen3 mcp

 

濱松gen3 mcp採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），後端打拿極和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，並被打拿極俘獲。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。

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於10^-3pa的情況下即會發生離子反饋。而對於三級結構的gen3 mcp，即使真空度降低到1pa，仍然不會發生離子反饋。

憑藉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。

濱松gen3 mcp有效面積直徑：14mm

濱松致力於光電技術探索60餘年，在質譜探測器的研究也已有40餘年的歷史，可為質譜應提供mcp、em、離子化光源等產品。2018年我們推出了，並也將繼續推出更多應用於質譜的新品（文章底部的小編傳送門中，有部分新品連結）。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。