[发明专利]用于质谱仪的高动态范围离子检测器

说明书

提供了一种用于质谱仪的离子检测器系统以及飞行时间质谱仪。本发明涉及例如飞行时间质谱仪的质谱仪中的离子丰度测量装置的线性动态范围。本发明通过在二次电子倍增器中的放大中间级处产生第二离子测量信号(例如在呈V形布置的两个多通道板之间所产生的信号)来解决离子电流峰值饱和的问题。因为仅在放大后级观测到饱和效应，所以来自所述放大中间级的所述信号将甚至在较高离子强度下维持线性并且将维持外部饱和。就离散倍增检测器而言，可包含例如将检测栅格放置在放大链中间附近的两个倍增极之间。本发明使用对穿过的电子所产生的镜像电流的检测。

技术领域

本发明涉及在质谱仪中的离子丰度测量装置的动态范围。

背景技术

基本上存在两种主要类型的质谱仪：在第一类型中，离子在磁场或电场中被激发成具有质量相关频率的环流或振荡，利用在合适电极中感应的镜像电流来测量所述频率，且使用傅立叶变换(Fourier transformation)将离子电流瞬态变换成可与质量值成比例的频率值。该第一类型主要包括离子回旋共振质谱仪(ICR-MS)和金登(Kingdon)质谱仪，例如，(赛默飞世尔科技公司(Thermo-Fisher Scientific))。

在第二类型的质谱仪中，使用某种“扫描”使来自离子源的离子电流的离子按其质量而在时间或空间上直接分离，对具有高时间分辨率的质量分离的离子电流的测量直接产生质谱。扇形磁场质谱仪、2D RF四极离子阱和3D RF四极离子阱、以及飞行时间质谱仪(TOF-MS)属于该第二类型的质谱仪。

在下文中，注意力主要集中在该第二类型的质谱仪，以及对在时间上按其质量分离的离子的直接测量。

在该第二类型的质谱仪中，通常需要具有传送电信号的离子检测器，所述电信号的强度与在较宽的离子电流强度范围内所检测到的离子数量成线性比例。这个范围被称为“线性动态范围”。在大多数情况下，使用具有离散倍增极(艾伦(Allen)型SEM)和单一通道SEM(通道倍增器)中的一者的二次电子倍增器(SEM)，或使用基于微通道板(MCP)的离子检测器来测量离子电流。SEM前面的离子碰撞产生第一代二次电子，每离子通常产生约三到五个电子，呈现出每离子所产生的电子数量的泊松分布(Poisson distribution)。二次电子在SEM内部被加速且产生二次电子的雪崩，根据SEM的电压调节，通常以每离子产生约一百万的二次电子而结束。通过检测器电极(通常称作阳极)检测二次电子电流。以前，检测器电极连接到离子脉冲计数器；在更现代的实施例中，检测器电极连接到快速模拟放大器。这些快速模拟放大器的输出电流被快速数字转换器数字化。模拟放大器和数字转换器形成最初为雷达技术的特定应用而研发的瞬态记录器。

所有这些类型的二次电子倍增器均具有用于定量测量离子电流的良好特征，然而，在一些应用中，SEM的线性动态范围、或者放大器的线性动态范围、或者数字转换器的线性动态范围不足以用于分析任务。

根据扫描速度和质量分辨率，所需的采样率可以是中等的、高的或甚至极高的。采样率是每时间单位(通常一秒)的离子电流测量(包含放大和数字化)的次数，是精密解析质量峰值所必需的。采样率将测量时间划分成较小时间段，在所述较小时间段中产生一个数字离子电流值。离子阱和扇形磁场质谱仪提供每秒104道尔顿(Dalton)量级的中等扫描速度及中等质量分辨率，需要大约10兆样本/秒(MS/s)的采样率，从而得到约100纳秒的测量时间段。对于这个扫描机制，存在具有约1:106的线性动态范围和18位到20位数字化宽度、一般提供足够大的线性动态测量范围的可供使用的放大器和数字转换器。在这个机制中，SEM通常限制动态测量范围。