用于质谱仪的高动态范围离子检测器的制作方法

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(fouriertransformation)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-fisherscientific))。

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、2drf四极离子阱和3drf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(poissondistribution)。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。

在mcp检测器中，板内的通道通常倾斜几度的角度以使得在正常方向上冲击到mcp上的离子不能太深入地穿入通道，这将产生不确定的离子路径长度。mcp检测器通常包括两个微通道板，其中所述通道的方向形成v形布置。在每一mcp中，通道相对于与板垂直的方向略微地倾斜，且在v形布置中，所述两个mcp的倾斜角相差180°。可由跨通道的电压调节mcp内部的放大；通常使用每初级粒子1000个二次电子的放大，这通过1500伏特与2200伏特之间的电压实现。在两个mcp的布置中，通常在正常操作期间，每离子产生约一百万个二次电子，从而形成长度小于一纳秒的脉冲。来自第二mcp的这些二次电子构成由冲击离子而产生的电“信号”。

如图1所示，其示出了现有技术离子检测器，二次电子通常在阳极被采集，并且例如由包括电放大器和数字转换器的“瞬态记录器”记录所得信号。对于中等快速扫描质谱仪，瞬态记录器的采样率可相当于10兆样本/秒，那么单个采样时间段为约100纳秒长。

因此，检测器的线性动态范围是这样的离子强度范围，在所述离子强度范围内，在采样时间段内由sem产生的电子数量与在这个采样时间段内撞击检测器的离子数量成比例。使用v形mcp作为二次电子倍增器时，高离子强度下阳极处采集的二次电子数量不再与撞击检测器的离子数量成比例，这是因为呈v形布置的第二mcp不能产生所需的电流，也就是说，检测器中的第一mcp甚至在高离子强度下维持每离子1000个电子的增益，然而，第二mcp不能维持每输入一个电子(第一级的二次电子)输出1000个电子的增益。对于从1个初级离子到10⁶个初级离子的期望的线性动态范围，第一mcp必须在采样时间段内针对于10⁶个离子冲击传送10⁹个二次电子(这仍是可能的)，并且第二mcp必须在测量时间段内产生10¹²个二次电子(这可能不再是可能的)。

其它检测器(例如离散倍增检测器(艾伦型sem))以与mcp检测器类似的方式操作，即，具有每输入一个离子输出许多二次电子的形式的增益，但它们具有稍微不同的结构。

与具有中等扫描速度的质谱仪相比，现代的飞行时间质谱仪具有5×10⁷道尔顿/秒的量级的扫描速度及r＝5000到100,000量级的高质量分辨率，且需要2千兆样本/秒(gs/s)到8千兆样本/秒(gs/s)量级的采样率以维持仪器的质量分辨率，从而导致测量时间段在1纳秒的二分之一与八分之一之间。单一光谱数量的总采集时间仅为100微秒，每秒可以采集约10,000个单一质谱。通常，添加数百个单一质谱以得到高质量的总质谱。在飞行时间质谱仪中，微通道板(mcp)通常是优选的，这是因为它们提供平坦平面，其导致在直径约两厘米的小面积上为所有离子提供相等飞行长度。对于这一极高采样率的机制，在很长时间内仅具有8位的数字转换器是可用的。

目前，具有12位宽度和4千兆样本/秒的第一类型的数字转换器是可用的。在这里，放大装置和数字化装置限制单一质谱的线性动态测量范围。这些飞行时间质谱仪的操作需要对每个单一离子进行安全检测，且将其信号相加成总质谱。其中，必须考虑，sem的灵敏度随着离子的质量增加以1/√m而减小。为了不遗漏离子，以具有约500道尔顿质量的离子导致数字转换器的约30个计数的方式来调节sem的和放大器的放大，从而导致用于8位数字转换器的仅1:10的线性动态范围或用于12位数字转换器的约1:100的线性动态范围。这个线性动态范围是极低的。如果必须避免饱和，那么应允许不超过100个离子在0.25纳秒的相应测量时间段内达到。尽管存在通过添加许多单一质谱来增加线性动态范围这一事实，常常发现单一离子质谱的离子信号处于饱和。添加处于饱和的信号损坏了动态测量范围的线性度以使得定量不再是可能的。

在文献us2011/0226943a1(o.raether:离子信号在飞行时间质谱仪中的饱和校正(saturationcorrectionforionsignalsintime-of-flightmassspectrometers)；相当于de102010011974a1和gb2478820a1)中，提出了使用基于其信号宽度所计算的替代值来校正处于饱和的信号的方法；然而，这仅是粗略的估计。仍需要放大离子电流测量的线性动态范围的方法和装置而不管哪种机制限制范围。

在美国专利6,756,587b1(r.h.bateman等人的“飞行时间质谱仪及其双增益检测器”(“time-of-flightmassspectrometeranddualgaindetectortherefor”))中，两级mcp检测器被描述为具有中间收集电极，例如，电子收集栅格，其在电子倍增早期状态下测量电子雪崩的电流的一部分，且使电子电流的另一部分通过并到达第二mcp检测器，在所述第二mcp检测器后面，最终收集电极接收二次电子。由中间收集电极和最终收集阳极俘获的电子电流被各自放大并且数字化。当最终阳极的电流对于与冲击离子线性地成比例来说变得过高时，则反而使用以经校正的放大因数进行倍增的中间电极的电流。这是一种克服问题的巧妙方法，不管饱和是由sem造成、由放大器造成还是由数字转换器造成都可适用。但是，必须提及的是，由于中间收集电极的消耗性质，使得到达后续倍增级的电子数量减少，由此同样影响整体倍增因数在终端阳极处的显露。

原理上，从现有技术中得知经由导电检测元件上的镜像电荷感应对带电物质(例如离子和电子)进行检测。在us5,591,969(park等人)中，通过导电金属栅格获得信号。观测到穿过栅格的离子封包(packet)感应出与离子封包中的电荷数量和离子速度相关的可测量信号。在us5,770,857(fuerstenau等人)中，作者使用导电金属管获得类似结果。有趣地，作者注意到“…对于穿过导电柱的点电荷…在穿过…略微地小于…管的一个直径之后，镜像电荷将是点电荷的95％”。其含义是，通过检测元件的通道的纵横比在测定感应镜像电荷大小中会是重要的，并且由此从带电粒子的通道中观测的信号是重要的。fuerstenau等人的计算表明纵横比(即，通道的长度除以其直径)为2足以保证最大的感应信号。park等人的工作进一步表明，根据其它元件的邻近程度，明显小于2的纵横比也可以是足够的。

技术实现要素：

本发明通过根据二次电子的雪崩产生如现有技术中已知的以极为不同的放大率在雪崩的两个不同位置处生成的两个信号来增加线性动态范围。本发明的特征在于：至少在一个位置处测量通过二次电子雪崩的穿透而在高传输率的栅格状检测元件上感应的镜像电流。中间采集是非消耗性的，因为它是基于通过电子(第一级二次电子)的穿过而感应的镜像电流，其优点在于检测器系统中的整体倍增因子保持(很大程度上)不受影响。在优选的实施例中，在两个测量位置(中间位置和最终位置)处测量镜像电流。使用多通道板(mcp)，可在电子电流的第一次放大之后由一个或两个mcp进行第一镜像电流测量，且在放大之后由另一个mcp进行第二镜像电流测量。因为仅在放大后级中观测到饱和效应，所以来自放大中间级的信号将甚至在高离子电流强度下保持线性且将保持外部饱和。就离散倍增检测器而言，这可包含(例如)将镜像电流检测元件放置在放大链中间附近的两个倍增极之间。

根据本公开的原理的离子检测器系统尤其适用于质谱仪(尤其飞行时间质谱仪)。

用于镜像电流测量的栅格状检测元件优选地具有高传输因数，有利地为大约90％或更高。栅格可由细导线制成。替代地，检测元件的优选版本由具有高敞开面积比的薄导电板组成，所述敞开面积由具有高纵横比的孔组成。高敞开面积比允许高电子传输效率，优选地为90％或更大。孔的纵横比(孔的深度除以其直径)优选地使得在电子通过检测元件期间的某个时刻，几乎100％的电场线终止在检测元件上，因此，产生最大可能的镜像电流。在一个优选实施例中，纵横比大致为1，即，检测元件的厚度大约与通过孔的直径相同。在特定的优选实施例中，这样的高敞开面积比、高纵横比的检测元件采取在导电板中具有六边形形式的孔的六边形阵列的形式。可通过化学或激光蚀刻由金属薄片产生六边形阵列或通过3d打印产生六边形阵列。

附图说明

图1示出了使用呈v形布置的两个微通道板(mcp)的现有技术mcp离子检测器。在正常操作条件下，两个微通道板中的每一个将以约1000的因数放大，从而产生10⁶的总放大，即，对于每次离子冲击所述板，将发射一百万个二次电子。如果超过10⁴个离子在约四分之一纳秒的数字化时段内到达，那么第二mcp可以不再传送与离子电流成比例的信号所需的超过10¹⁰个二次电子。因此线性动态范围被限制为约1:10⁴的最大值。如果mcp以一个离子产生数字转换器的约30个计数的方式被调节，那么线性动态范围减少到仅1:300。使用8位数字转换器，线性动态范围进一步减少到仅1:8；甚至使用最现代的具有12位的数字转换器，线性动态范围仍减少到约1:100。在阳极前方具有高传输率的栅格用于(以已知方式)屏蔽阳极不受即将进入的电子脉冲造成的感应镜像电流影响，所述电子脉冲将导致较短离子脉冲的形状退化。

图2示出现有技术中已知的线性动态范围的改进。除在阳极前方的高传输率屏蔽栅格2以外，在两个微通道板mcp1与mcp2之间安装有约50％传输率的栅格1。来自第一mcp的电子的约50％落到栅格上且产生“信号1”，而剩余的50％的电子冲击mcp2以用于进一步放大。来自mcp2的电子被阳极收集且产生“信号2”。在优选地操作条件下，信号2将是信号1的约1000倍。但是，尽管信号2易于饱和，信号1保持与即将进入的离子电流成线性比例。信号1和信号2的单独放大和数字化允许产生具有高线性动态范围的组合信号。

图3描绘了根据本发明原理的实施例。在mcp1和mcp2之后的电子雪崩在两个高传输率栅格状检测元件1和2中感应其强度极为不同的镜像电流，栅格状检测元件1和2的镜像电流被放大且用于产生具有高线性动态范围的组合信号。

在图4中，三个多通道板用于产生二次电子雪崩，且两个高传输率栅格状检测元件被放置在mcp2与mcp3之间，因此产生呈不同关系的镜像电流信号。

图5示出了使用六边形阵列检测元件而不是线栅格以优化镜像电流的感应。

图6描绘了六边形阵列检测元件前后的屏蔽栅格以使得所述镜像电流信号锐化。

图7a到图7b示意性地示出可配备有根据本公开原理的离子检测器系统的飞行时间质谱仪。

具体实施方式

虽然已经参考其多个不同实施例来示出和描述了本发明，但是所属领域的技术人员将认识到，可以在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下在形式和细节上进行多种变化。

在图3中，两个栅格状检测元件以通常用于mcp检测器中的布置被放置在第二mcp2的前后。检测元件例如可以被配置为90％的传输率以使得来自第一mcp的电子的90％穿过检测元件1且撞击mcp2以用于进一步放大。电子在检测元件1中产生称为“信号1”的镜像电流。来自mcp2的电子穿过检测元件2且产生称为“信号2”的镜像电流(参见例如m.a.park和j.h.callahan，快速通信.质谱(rapidcom.massspectrom.)8(4),317,1994)。穿过的电子在阳极处被中和。信号1和信号2可被独立地(即，在数字转换器的单独通道中)记录，且随后在计算机或在处理器中再组合以产生较高动态范围的质谱。经由基本上相同的检测元件对信号1和信号2两者的镜像电流的测量具有以下优势：两个镜像电流在时间上具有相同的轮廓。

如果细导线阵列用作检测元件，那么会有信号可能由于电子冲击导线而略微失真的危险。如果电子被吸收，那么存在额外的电子电流，但如果所述冲击使得二次电子离开导线，那么镜像电流由于此离开电子的电流而减少。因此，通过所属领域的技术人员已知的方法减少二次电子在栅格导线处的形成是有利的。例如，可以使已知具有高功函数的导体的检测元件的导线(例如，铂)或已知形成已知具有高功函数的薄氧化层(例如，氧化钨)。较高的功函数将导致较低的电子发射率。理想情况下，吸收的电子和产生的二次电子应该是平衡的。

在替代实施例中，可测量通过冲击电子在阳极产生的电流而不是检测元件2的镜像电流，且随后将所述电流与例如处理器中的信号1比较和/或组合。

另外其它实施例可包括两个mcp而不是单个的mcp，如图4的示例中示出。在这种情况下，mcp1,2应通过较低电压操作以避免早期饱和，但这个布置允许在被mcp3进一步放大之前选择较高增益。

可通过使用具有高纵横比的孔的检测元件来优化镜像电流的产生，如借助于图5中的示例所示。纵横比可定义为孔的深度除以其直径。根据图5的实施例，检测元件包含具有较高敞开面积比的较薄导电板，所述敞开面积由具有高纵横比的孔组成。高敞开面积比允许高电子传输效率(优选地为90％或更大)。孔的纵横比(孔的深度除以其直径)优选地使得在电子通过检测元件传输期间的某个时间点，几乎100％的电子场线终止在检测元件上，因此，保证最大可能的镜像电流。然而，应注意，过高的纵横比将导致镜像电流的非高斯(non-gaussian)“平顶”信号。因此，存在优选的纵横比，通过该优选的纵横比，当且仅当电子正好位于检测元件的中间时，产生最大的感应信号。

在一个优选实施例中，纵横比大致为1(即，检测元件的厚度与穿过检测元件的孔的直径大约相同)，从而产生接近最大强度的较短镜像电流脉冲。在图5的实施例中，这一高敞开面积比、高纵横比检测元件采取在导电板中的孔的六边形阵列形式。这类检测元件可通过化学蚀刻或通过激光蚀刻由金属薄片来制造。另一方法是利用金属粉末(例如，钛粉末)的3d打印。这个方法在飞机行业中是已知的。

可通过高传输率栅格围封检测元件以屏蔽检测元件免受即将进入和脱离的电子的影响且由此避免信号中较长的前沿和后沿。该实施例在图6中被呈现。

图7a示出了包括脉冲激光器6的maldi飞行时间质谱仪100。样本位于与加速电极2和加速电极3相对的样本支撑板1上，且可通过激光脉冲的光束4而被离子化。激光器单元6供应激光脉冲，所述激光脉冲的轮廓是形状适宜的并且是光束成形装置5所需的。所得离子通过加速电极2和加速电极3加速以产生离子束8，所述离子束8穿过可填充有碰撞气体的气体室9(如果需要)、母离子选择器10、子离子后加速单元11和母离子抑制器12，且随后从反射器13反射到离子检测器14上，所述离子检测器可实施为根据本公开原理的离子检测器系统。

根据本公开原理的离子检测器系统还可以是类似图7b中所示出的质谱仪的一部分。在大气压下，在具有喷雾毛细管22的离子源21中产生离子，且这些离子经由毛细管23引入到真空系统。传统的rf离子漏斗24将离子引导到第一rf四极杆系统25中，所述第一rf四极杆系统可作为简单的离子导向器来工作以及作为用于选择待碎片化的母离子物质的质量过滤器来工作。未选择或经选择的离子通过环形隔膜26连续地馈入且进入存储装置27；经选择的母离子可在这个过程中通过高能碰撞被碎片化。存储装置27具有几乎不漏气的壳体且通过气体输送器28充有碰撞气体以便借助于碰撞使离子集中且将其聚集在轴线上。离子通过可切换的提取透镜29从存储装置27中被提取。这类透镜以及单透镜30将离子成形为精细初级束31且将其传送到离子脉冲发生器32。离子脉冲发生器32周期性地脉冲输出初级离子束31垂直进入高电势漂移区33(其是飞行时间质谱仪的质量分散区域)的部分，由此每次产生新的离子束34。离子束34在具有二阶能量聚焦的反射器35中被反射，且在可根据本公开的原理操作的离子检测器系统36中被测量。质谱仪被泵37抽成真空。反射器35在所示的以第一强减速场后跟有较弱反射场为特征的实例中代表两级马姆林反射器(mamyrinreflector)。

本发明涉及用于质谱仪的离子检测器系统，其基于具有至少两个连续倍增级的二次电子倍增器，所述倍增级产生用于在倍增级末端产生最终信号的二次电子雪崩。检测器系统具有安装在倍增级之间的栅格状检测元件，所述倍增级在中间放大时产生中间信号，其中至少中间信号是基于在栅格状检测元件中感应的镜像电流。

检测器系统还可包括在倍增级末端的第二栅格状检测元件以基于在第二栅格状检测元件中所感应的镜像电流(正如中间信号)产生最终信号。检测元件可以是具有高敞开面积比的带孔的导电板。在优选实施例中，孔的纵横比(即，深度除以直径)大致一致(针对最大镜像电流和短的镜像电流脉冲而优化)。在一些实施例中，孔可以形成六边形阵列。可以通过高传输率屏蔽栅格在两侧上将检测元件围封。

检测器系统还可包括处理器，所述处理器在最终信号不饱和时使用最终信号以计算与冲击离子电流成比例的值且在最终信号处于饱和时使用中间信号计算与冲击离子电流成比例的值。在替代实施例中，处理器可使用来自中间信号的缩放数据(scaleddata)以替换来自最终信号的饱和数据且可以根据因此校正的最终信号来计算与冲击离子电流成比例的值。

在优选实施例中，栅格状检测元件可以是高传输率线栅格。优选地，线栅格具有高于90％的传输率，且中间信号可以基于在这个线栅格处的镜像电流。

检测器系统还可以包括用于最终信号和中间信号两者的放大器和数字转换器。

已经参照本发明的多个不同实施例示出和描述了本发明。然而，所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，如果可实行的话，本发明的各个方面或细节可进行改变，或不同实施例的各个方面或细节可任意组合。一般而言，前述描述仅仅是出于说明的目的，并且不出于限制本发明的目的，包括任何等效实施(视具体情况而定)的本发明仅由所附权利要求限定。