[发明专利]用于扇形磁场质谱仪的离子信号检测装置和方法

说明书

本发明涉及一种用于扇形磁场质谱仪的离子信号检测装置和方法，包括扇形磁场质量分析器、电极组以及电流和电压测量装置；电极组安装在扇形磁场离子引出一侧，除了距离扇形磁质谱离子引出端最远的电极外，其它电极上均相应设置小孔，用于从扇形磁场质量分析器中分离出的离子的通过；其中：当信号检测装置为2个电极时，电流和电压检测装置直接和这2个电极相连接；当电极组为3个或者3个电极以上时，工作电源和离离子引出电极最近的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的技术领域，具体涉及一种用于扇形磁场质谱仪的离子信号检测装置和方法。

背景技术

扇形磁场质谱仪是最早出现的质谱分析仪器，目前主要分为单聚焦质谱仪和双聚焦质谱仪两种。扇形磁场质谱仪的出现在质谱仪发展史上具有极其重要的意义，它具有可以提供精确的质量数信息，分辨率高低和离子的质量数无关，重现性好，能够较快地进行扫描等优点，是一种技术经典，成熟的质谱分析仪，在科学研究以及实际应用方面有着较为广泛的用途，多用于地质元素以及痕量二恶英的检测等领域。扇形磁场质量分析器的基本原理是：利用电磁铁产生的扇形磁场用于区别不同质荷比的带电离子。当由离子源产生大量的样品离子被引入到扇形磁场时，这些质荷比不同的带电粒子经过扇形磁场会发生不同的偏转，只有一定质量的离子才能够到达检测器，而较重和较轻的离子会将会和飞行导管相碰撞。当保持磁场强度以及从离子源激发出来的离子加速电压保持固定，那么就能够筛选出来一定质荷比的离子。在离子输出端会放置离子探测器，它可以探测和记录选择出来的离子信号，即样品离子的质谱信号，一个扇形磁场质量分析器的结构原理如图1所示。它是由叠片磁铁产生的均一的扇形磁场，磁场的方向由扇形的外弧指向内弧。图1中1是进入磁场的一束不同质荷比的带电离子，假设离子带正电荷，并且进入磁场时的速度相同。在进入磁场之后，由于受到恒定的磁场作用的洛伦兹力，带电离子会向圆弧中心方向发生偏转，由于不同质荷比的离子在磁场中受到的洛伦兹力不同，因此它们在磁场中运动的曲率半径也不同，且符合以下公式：

m/z＝r²B²/2V (8)

其中m是带电离子的质量，z是所带的电荷量，r是离子在磁场中做圆周运动的半径，B是磁场的强度，V是离子进入磁场时的初始速度。当磁场强度以及初始速度恒定不变时，质荷比较大的离子偏转半径会比较大，质荷比较小的离子偏转的半径会比较小，图1中的2由于质荷比较大，会和管壁的上侧发生碰撞，而3由于质荷比较小，因此和管壁的下侧碰撞，4、5表示经过磁场选择能顺利通过的一定质荷比的带电离子，之后到被检测器检测到，最后形成被分析样品的质谱图。

扇形磁场质谱仪的质量分析器的离子探测器为所谓的通道电子倍增器。它所使用的材料具有高效二次电子发射能力，图2是一种通道电子倍增器的示意图。在使用过程中，在通道电子倍增器的二端之间加载高压工作电源，因此在其内部形成一个电场。当经由扇形磁场质量分析器分离的离子在电场作用下撞向通道电子倍增器的表面时，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，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。