[发明专利]一种用于飞行时间质谱仪的离子信号检测装置和方法

说明书

本发明公开了一种用于飞行时间质谱仪的离子信号检测装置和方法。该装置其包括飞行时间质量分析器、电极组、以及电流或电压测量装置；电极组安装在飞行时间质量分析器的离子引出端，电极组由2个以上相互电绝缘的电极组成，沿着离子运动方向，除了最远的电极外，其它电极上均相应设置小孔，用于从飞行时间质量分析器中分离出的离子的通过；其中：当电极组为2个电极时，电流或电压测量装置直接和这2个电极相连；当电极组为3个以上电极时，工作电源和离飞行时间质量分析器中分离出的离子最近的2个电极相连，电流或电压测量装置和最远的2个电极相连。本发明装置结构简单，成本低，能实现离子质谱信号的高灵敏度测试。

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器技术领域，具体涉及一种用于飞行时间质谱仪的离子信号检测装置和方法。

背景技术

飞行时间质谱仪是最常用的质谱仪器之一，它的分析速度快，灵敏度高，是科学研究和实际应用中常用的科学仪器。在生命科学，材料科学，环境监测，食品安全，国土安全等众多领域内得到广泛的应用。飞行时间质量分析器的基本工作原理是：利用合适的离子源把被检测的样品物质电离成离子，然后把样品离子引入到飞行时间质量分析器的离子加速电极L1和L2中。离子在加速电极中被加速，然后进入一个具有一定长度L3，等电位的所谓离子自由飞行区，如图1所示。在离子自由飞行区的另外一端设置有一离子引出电极，此电极远离离子自由飞行区的一侧安置有离子探测器，一般为微通道板电子倍增器。

飞行时间的基本原理可以简单地描述如下：假定样品离子的质量为m，所带的电荷为e,离子在加速电极中所受到的加速电压为V，则离子被加速后所获得的能量为：E＝eV,根据能量守恒定律，此能量将完全转化为离子的动能，即：

上式中，v为离子加速后所达到的速度。

因此有，

假定离子的飞行距离为L,则离子在飞行L距离所需要的时间为：

由(2)式可以看出，对于不同质荷比的离子，其飞行时间是不同的。因此，测量每一种离子的飞行时间，即可以计算出对应的离子的质荷比，此即飞行时间质谱的基本原理。

离子经过飞行时间质谱的飞行区后将最终到达离子探测器被检测到，记录不同飞行时间所对应的离子电流/电压信号，即得到被分析样品的质谱图，获得被分析样品的化学组成信息。简而言之，飞行时间质谱系统由三个最主要的部分所组成，即，(1)产生样品离子的离子源，(2)对离子进行质荷比分析的飞行时间质量分析器，和(3)可以检测离子的离子探测器及其信号处理系统。

目前飞行时间质谱仪器中最常用的离子探测器为所谓的微通道板电子倍增器(英文简写为MCP)。它由多个微小的通道组成，每个通道都由高效二次电子发射能力的材料所建造，图2是一种微通道板电子倍增器的示意图。在使用过程中，在微通道板电子倍增器的二端之间加载高电压，因此在其内部形成一个电场。当经由飞行时间质量分析器分离的离子在电场作用下撞向微通道板电子倍增器的材料表面时，将产生多个二次电子。这些二次电子在工作电压所产生的电场作用下，将被加速并高速撞向倍增器的表面，产生更多的二次电子。如此反复，电子在倍增器中一再被加速和倍增，产生越来越多的二次电子。最后，所有的二次电子穿过电子倍增器最后端的电子出口，并被安置在电子倍增器后面的电极收集到，获得对应于入射离子的电流信号，这些电流信号也可以被转换成电压信号，最后成为质谱信号。

很显然，电子倍增器是目前所有飞行时间质谱，包括由其它类型的质量分析器，如四极质量分析器，离子阱质量分析器等与飞行时间质量分析器组成的更复杂的质谱系统中所必不可少的主要组成部分之一，它担负着质谱仪记录离子信号和获得质谱图的任务。

假定一个微通道板电子倍增器的电子倍增倍数是10³倍，即一个离子所产生的二次电子经多次倍增后所给出的电子总数为10³个，则最终所测得的电子电荷为：