實驗分析儀器--離子檢測器的結(jié)構(gòu)及原理
質(zhì)量分析將離子按照其質(zhì)荷比m/z分離開來只是質(zhì)譜的一部分工作，如果沒有準確和可靠的離子檢測技術(shù)，之前發(fā)生的一切都將是沒有意義的。離子檢測器能夠?qū)⑷肷涞碾x子轉(zhuǎn)變?yōu)榕c離子豐度成正比的有用信號。常用的檢測器包括照相板、法拉第筒、電子倍增器和電光離子檢測器等。對于檢測器的選擇主要依賴于質(zhì)譜儀器的構(gòu)造以及相應(yīng)的分析應(yīng)用。檢測離子的方法有很多種，但是，通常情況下是基于離子的電量、質(zhì)量或速度實現(xiàn)檢測的。
由于在特定時刻離開質(zhì)量分析器的離子數(shù)目通常都比較少，而且每秒10個入射離子僅相當(dāng)于1.6×10-18A電流，因此需要通過使用傳統(tǒng)的電子倍增器對信號進行放大才能得到有用的信號。除了法拉第筒和鏡像電流檢測，其他檢測器都是通過級聯(lián)效應(yīng)將信號進行放大的。
離子檢測器可以分為兩大類:一類為點離子收集器，即檢測器每次只能對單一質(zhì)量的離子進行計數(shù)，并在同一點對所有到達檢測器的離子按順序依次檢測；另一類為陣列檢測器，例如照相板、鏡像電流檢測器等，可以同時檢測具有不同質(zhì)量的離子并且能同時檢測到達檢測器的所有離子。
1.照相板
世界上第一臺質(zhì)譜儀的離子檢測器就是照相板。具有相同質(zhì)荷比mz的離子會到達照相板的同一區(qū)域。經(jīng)過校正后，人們可以根據(jù)信號斑點的位置來確定離子的m/z值。斑點的黑度則代表離子的豐度。照相板可對具有不同mz的離子同時進行檢測，其曾經(jīng)被使用了很多年，現(xiàn)已被淘汰。
2.法拉第筒
如圖1所示，法拉第筒是由一個具有小孔的金屬杯或圓柱組成的，其通過一個電阻接地。離子進入圓柱后撞擊到筒壁上，通過接受或貢獻一個電子而被中和，這就會引起一個通過電阻的電流。這個電流經(jīng)過放大后被檢測到，信號的強度代表了離子的豐度。
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圖1法拉第筒的示意圖
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由于電子離開管壁和正離子到達管壁所產(chǎn)生的電流是一樣的，因此一個離子撞擊管壁產(chǎn)生的二次離子如果不被抑制的話將會引起很大的測定誤差。因此，這種檢測器的準確度可通過防止反射離子的逃逸及二次離子的進入來提高。許多方法已經(jīng)被用于有效地捕獲離子以及減少二次電子的丟失，例如，在法拉第筒表面涂覆一層難以產(chǎn)生二次電子的炭黑，或利用一個弱的磁場來阻止二次電子的逃逸等。
這種簡單的檢測器具有靈敏度低和響應(yīng)時間慢的缺點。但是，由于法拉第筒的充電不依賴于離子的質(zhì)量、速度和能量，因此其準確度很高目前僅用于同位素比例質(zhì)譜（RMS）中對同位素比例的準確測定。為了得到高準確度的比例值，兩種特定的離子通常被兩個法拉第筒同時測定。
3.電子倍增器
目前，質(zhì)譜中最常用的離子檢測器為電子倍增器在這種檢測器中，通過在轉(zhuǎn)換打拿極上施加一個±3kV到±30kV的高壓，使從質(zhì)量分析器飛出的離子高速運動，從而提高離子的檢測效率，使加電壓的極性與離子所帶電荷的極性相反。一個正離子或負離子撞擊到轉(zhuǎn)換打拿極時會引起數(shù)個二次粒子的發(fā)射。這些二次粒子包括正離子、負離子和中性粒子。當(dāng)正離子撞擊到負高壓轉(zhuǎn)換打拿極時，產(chǎn)生的有用二次粒子為負離子和電子。當(dāng)負離子撞擊到正高壓轉(zhuǎn)換打拿極時，產(chǎn)生的有用二次粒子為正離子。在第一個打拿極上，這些二次顆粒被轉(zhuǎn)換為電子。隨后這些電子在電子倍增器中通過級聯(lián)效應(yīng)被放大并產(chǎn)生一個電流。電子倍增器可以是多個離散的打拿極，也可以是一個連續(xù)的打拿極（通道倍增器、微通道倍增管或微球板）。
（1）離散打拿極電子倍增器???具有離散打拿極的電子倍增器通常是由12~20個打拿極組成的，具有良好的二次發(fā)射性能。如圖2所示，通過一系列的電阻后，這些打拿極上的第負電壓不斷減小。第一個打拿極上的負高壓在-1~-5kV之間，而倍增器的輸出端保持接地。從轉(zhuǎn)換打拿極上產(chǎn)生的二次粒子撞擊到第一個打拿極表面會引起二次電子的產(chǎn)生，進而這些電子被加速到具有較低電壓的下一個打拿極上，從而產(chǎn)生更多的電子。這個過程一直持續(xù)到這些二次電子到達接地電位，從而產(chǎn)生了級聯(lián)放大效應(yīng)，并最終在電子倍增器末端產(chǎn)生一個電流信號。此電流信號再通過傳統(tǒng)的電子倍增而放大。
（2）通道電子倍增器????在另外的電子倍增器中，這些離散的打拿極被一個連續(xù)的打拿極所取代，其中的一種叫作通道倍增器。它是由具有良好二次發(fā)射性能的摻鉛玻璃構(gòu)成的，呈彎曲的管狀，如圖3所示。由于管壁具有均勻的電阻，施加在管子兩端的電壓會沿著管壁產(chǎn)生一個連續(xù)的加速電場。由轉(zhuǎn)換打拿極產(chǎn)生的二次粒子與檢測器入口處的彎曲內(nèi)壁相碰撞時產(chǎn)生二次電子，隨后這些電子被電場加速到管子的出口，并不斷地撞擊管壁，從而產(chǎn)生越來越多的電子。最終這些二次電子所產(chǎn)生的電流在檢測器的末端通過一個金屬陽極被收集和測定。
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圖2離散打拿極電子倍增器示意圖
（第一個打拿極將離子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮樱?
電子倍增器的放大的倍數(shù)是轉(zhuǎn)換因子（每個離子撞擊到轉(zhuǎn)換打拿極上產(chǎn)生的二次粒子的數(shù)量）和打拿極放大因子的乘積。通道電子倍增器的放大倍數(shù)可以達到1185571.gif "CodeCogsEqn(23).gif")
，并且具有較寬的動態(tài)范圍（7230876.gif "CodeCogsEqn(24).gif")
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）。受電極表面污染或真空環(huán)境的影響，通道倍增器的壽命通常只有1~2年。由于電子倍增器的轉(zhuǎn)換因子強烈依賴于被測離子的碰撞速度以及它們的性質(zhì)（包括質(zhì)量、電荷和結(jié)構(gòu)），因此這些檢測器的精確度較法拉第筒差。另外，其對具有相同能量的離子有質(zhì)量歧視效應(yīng)。大質(zhì)量的離子運動速度較小，產(chǎn)生的二次電子也較少，因此其檢測效率隨著離子質(zhì)量的增加會逐漸降低。
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圖3 連續(xù)打拿極電子倍增器及通道倍增器的示意圖
○入射離子；口二次顆粒
（3）微通道板??另外一種具有連續(xù)打拿極的電子倍增器為微通道板（MCP）。它是一個平板，上面有很多平行的圓柱形的通道。通道的直徑在4~25μm之間，相鄰?fù)ǖ赖拈g隔在6~32μm之間，通道的長度為幾毫米（如圖4所示）。相對于微通道板的輸出端，其輸入端通
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圖4 微通道板的截面及一個通道中的電子倍增
電子的倍增是通過在每個通道覆蓋能發(fā)射出二次電子的半導(dǎo)體材料所實現(xiàn)的。彎曲的通道可有效避免將正離子加速到輸入端。兩個板可以被連接成人字形，三個板則可以被連接成Z形。
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圖5? 微通道板的堆積及放大倍數(shù)的增加
在一個通道中電子的數(shù)目可通過級聯(lián)效應(yīng)擴大4453685.gif "CodeCogsEqn(2).gif")
倍。一個板的放大倍數(shù)在3704111.gif "CodeCogsEqn(27).gif")
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之間，而用多個板時放大倍數(shù)可達到8497332.gif "CodeCogsEqn(28).gif")
。由于二次電子在通道中的路徑很短，微通道板的響應(yīng)時間非常短，因此其特別適用于需要測定準確到達時間以及窄脈沖寬度的TOF質(zhì)量分析器。另外，微通道板的檢測面積大，這就能實現(xiàn)從質(zhì)量分析器飛出的大離子束的檢測而不需要額外的聚焦。但是，微通道板也存在一些缺點，它們易碎、對空氣敏感并且價格較高。
（4）微球板??微球板是一種比微通道板更新且更便宜的檢測器。如圖6所示，微球板是由粒徑為20~100μm的玻璃球燒結(jié)而成的，其厚度為0.7mm。這HV個板是多孔的，且通道的形狀是不規(guī)則的。為了使其具有導(dǎo)電性，每個球的表面以及板的兩面都包覆著一層電子發(fā)射材料。微球板的工作原理與微通道板類似。板兩端施加1.5~3.5kV的電壓差。當(dāng)顆粒撞擊到微球板的輸入端時會產(chǎn)生二次電子。這些電子隨后被電場加速通過多孔板，并且與其他的球進行碰撞，從而發(fā)生二次電子的倍增并且最終從板的輸出端發(fā)射出大量的二次電子。
相比于微通道板，微球板更便宜，并且放大倍數(shù)更高，可到達靜電計達到2166917.gif "CodeCogsEqn(25).gif")
~2252755.gif "CodeCogsEqn(23).gif")
。如此高的放大倍數(shù)是因為微球板輸入端的表面幾乎都是活化的并可以發(fā)射出二次電子，這些電子可以被加速通過微球板并給出最終信號。相比之下，微通道板上處于微通道之間的表面都是非活化的，這部分面積約相當(dāng)于整個表面的50％。
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圖6微球板的示意圖和多孔板中的電子倍增
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4.電光離子檢測器
電光離子檢測器是離子和光子檢測裝置的結(jié)合這種檢測器是將離子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮舆M而轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾舆M行工作的。最常用的電光離子檢測器為戴利檢測器。如圖7所示，這種檢測器是由兩個轉(zhuǎn)換打拿極組成的，一個閃爍計數(shù)器或磷光屏一個光電倍增管。這個儀器允許檢測正離子和負離子。電子倍增過程中，從質(zhì)量分析器飛出的離子撞擊到一個打拿極上產(chǎn)生二次電子。發(fā)射出的二次電子被進一步加速到磷光屏從而發(fā)射出光子。這些光子被放置于磷光屏后面的光電倍增管所檢測，并轉(zhuǎn)化為可被放大的電信號。磷光屏的表面涂有很薄的一層鋁導(dǎo)體，從而避免其表面電荷的形成及其對電子的排斥。雖然這種電光離子檢測器需要多種轉(zhuǎn)換（離子→電子→光子→電子），相對復(fù)雜，但是由于光電倍增管密封在玻璃中并維持在真空條件，這有效避免了檢測器的污染，使得其可以在更長的時間內(nèi)保持優(yōu)良的性能，因此其壽命比電子倍增器場。另外，電光檢測器具有很短的響應(yīng)時間以及9730366.gif "CodeCogsEqn(24).gif")
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的放大倍數(shù)，其靈敏度與電子倍增器相似。
圖7 戴利檢測器示意圖
還有一種電光離子檢測器為電光陣列檢測器，其能夠同時測定在質(zhì)譜焦平面空間上具有空間分布的離子，是微通道板和戴利檢測器的結(jié)合。離子在微通道板中被轉(zhuǎn)換為被放大的電子，釋放出的二次電子撞擊到磷光屏上從而發(fā)射出光子，這些光子進而被一個光電二極管陣列或CCD檢測到，這個陣列檢測器的功能與電子照相板類似。
5.新型的離子檢測技術(shù)
隨著生物和納米技術(shù)的發(fā)展，許多大的顆粒物質(zhì)，例如蛋白復(fù)合物、病毒、細菌和細胞等成為了質(zhì)譜測定的對象，但是大多數(shù)商用質(zhì)譜所用的檢測器均為電子倍增器或微通道板。這些檢測器的檢測原理如前所述是基于二次電子的發(fā)射，檢測的效率強烈地依賴于離子的速度。對于具有相同能量的離子而言，其質(zhì)量越大，相應(yīng)的速度和檢測效率則越低。對于一個質(zhì)荷比為1×4138966.gif "CodeCogsEqn(23).gif")
的離子而言，其被檢測到的概率小于0.001。因此，許多新型的離子檢測技術(shù)得以發(fā)展。
（1）電荷檢測器???電荷檢測器是基于對離子誘導(dǎo)電流的檢測。誘導(dǎo)電流的大小與離子的電荷密度相關(guān)而不依賴于離子的質(zhì)量。 Hillenkamp等發(fā)展了一種適用于MALDI--TOF的電荷檢測器，它包含一個直徑為18mm的金屬電極以及一個電荷敏感的FET放大器，其中金屬電極的作用即為法拉第電荷收集器。通過降低電子噪聲，其可以測定的質(zhì)量范圍可達300kDa。 Benner等人發(fā)展了一種無損的電荷感應(yīng)管。這種電荷感應(yīng)管包含一個處于屏蔽圓筒內(nèi)同軸的絕緣漂移管，當(dāng)帶電顆粒從檢測器中通過時會產(chǎn)生一個雙重脈沖信號，其中先出現(xiàn)的正脈沖對應(yīng)于離子進入管時對管的充電，后出現(xiàn)的負脈沖則對應(yīng)于離子離開管時的放電。兩個脈沖之間的時間即為離子的飛行時間，可以轉(zhuǎn)換為離子的m/z。脈沖的幅度則對應(yīng)于離子所帶的電量。此檢測器已被用于納米粒子及病毒的檢測。另外，Peng等提出了一種適用于離子阱質(zhì)譜的電荷檢測器，其包含一個直徑為10mm的法拉第盤。通常，其噪聲水平為500e。由于其具有較長的電荷收集時間（ms級），因此可以實現(xiàn)對較大顆粒所帶電荷的準確測定。目前，利用此電荷檢測器，人們已經(jīng)成功地實現(xiàn)了對聚苯乙烯球和多種細胞質(zhì)量的測定。
（2）能量檢測器??能量檢測器是基于對離子釋放熱能的檢測。它實現(xiàn)了對具有較大m/z離子的檢測，同時其靈敏度不依賴于離子的質(zhì)量。目前，能量檢測器已被成功地用于免疫球蛋白、病毒衣殼以及聚合物的檢測。但是，由于其檢測元件需要維持在很低的溫度（<2K），因此其操作的費用較高。另外，其檢測面積非常小，因此檢測效率也比較低。
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