滨松入眼推广离子源,三级协会MCP化解低真空度

2020-03-14 05:29 来源:未知

第十七届北京分析测试学术报告会暨展览会已于10月10日-13日在北京国家会议中心举行,科学仪器核心零部件厂商滨松带着众多新产品新技术参展。其中质谱相关器件很是亮眼,就滨松如何看待质谱市场与技术发展趋势等问题,仪器信息网编辑采访了滨松的周旭升先生。

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滨松展位

滨松新型三级结构MCP,解决小质谱仪低真空度难题

滨松用于原子吸收、原子荧光等光谱仪器的光电倍增管盛名已久,其实滨松的质谱相关器件也已经有40多年的历史。不过由于某些原因一直没有“走”出日本,直到这两年,才开始不断在中国等市场宣传推广。

质谱分析是一种测量离子质荷比的分析方法。首先通过电离源将样品中各组分电离成离子,接着在高真空的质量分析器中,在电磁场的作用下主要根据质荷比将离子进行分离,使这些离子最后在探测器上产生可以被互相区分的信号。对于不同的组分,电离生成的离子不同——故而质谱可以被用于鉴定样品中的不同组分。

至于为什么选择这个时候进行推广,以及作为零部件供应商,滨松是如何看待质谱市场的前景、以及技术与应用的发展方向,滨松周旭升谈到,如今质谱技术与应用非常“热”,升势迅猛。尤其是中国市场,由于环境大气颗粒物源解析、以及相关的VOC分析等都需要质谱技术。相关标准制定时,涉及了大量的质谱方法。

质谱仪基本结构示意图

滨松周旭升先生

质谱技术发展至今已逾百年,质谱工作者们站在彼此的肩头,将一个简单的物理现象在理论和实践上推到如今的高度,使其成为了分析领域最重要的方法之一。目前质谱已不仅是常规化学分析中的重要手段,逐渐也开始被用于生命科学、国土安全、食品安全、临床医学检测和空间技术等热门领域。

近年来,解读一些大公司财报时都会发现,质谱业务保持着很好的增长。尤其是2008年金融危机后,质谱市场增长趋势越发迅猛,而且中国市场增长情况更加“剧烈”。几乎各大公司财报中都专门提到,中国环境、健康等相关市场中质谱仪器销售额大幅增长。

质谱技术的应用领域越来越广泛

从另一个角度来看,国产质谱企业的数量越来越多,而且除了像东西分析、普析通用、聚光科技、天瑞仪器、广州禾信等,还出现了很多新企业,如宁波华仪宁创、北京清谱、青岛融智等。这些新型公司从MAIDI或小型便携质谱开始,这也体现着质谱仪器的两个发展方向。小型便携质谱在环境、执法等领域有着很好的前景。MALDI质谱更专注于医疗、临床,而医疗临床领域也是近年来质谱应用的热点;最早奥巴马提出精准医疗战略,去年习主席在G20公告上承诺减少抗生素滥用,MALDI是鉴定身体里细菌、微生物、血细胞、组织的分析一种很好的手段,可以读取细胞中蛋白质的全面信息,是遗传疾病等诊断的好手段。另外,从利益角度来说,国内的三甲医院有实力、也有意愿配备MALDI等仪器设备展开更多的服务。

但我们知道,传统的实验室台式质谱仪昂贵、耗能、连接气路管道、需要强力真空泵,并且经常需要前端的分离系统,机体往往庞大笨重。若要应用于临床、机场安检、食品安全等原位现场测量场景,仪器必须小型化。

“如能将质谱技术用到更多领域或是人们的生活中,那将是对分析技术或仪器市场非常大的革新。”周旭升说到。

不过,说小型化就小型化,你问过真空系统的意见了吗?

“应对这些市场需求,滨松开始大力在中国推广质谱相关器件。”至于滨松推广的手段,周旭升介绍到,国产质谱企业中多数已经是滨松光谱等器件的客户,当知道滨松有这些质谱器件时也都愿意尝试使用。而滨松的产品,如真空器件微通道板产品“身上”有着滨松60多年真空技术的积累,在产品一致性等大批量生产时的品质有很好的保证。

没错,在小型化质谱仪的设计中,最大的一个挑战在于真空系统。上面在简介质谱仪工作原理的时候,已经提到,“真空”是质谱仪内部工作的必要条件。保持高真空度可以防止分子、离子、电子之间发生碰撞,避免噪声的产生。也就是说,真空度越高,质谱仪的信噪比越好。

电子倍增器是目前使用最多的质谱探测器,其形式多样,基本原理是对带电粒子产生的次级电子进行放大。

遗憾的是,真空系统往往比较笨重,小型质谱仪也只能选择小型的真空泵,而泵速的下降,会直接导致系统真空度降低,这会严重影响质量分析器及探测器的正常运行。而从目前的研究结果来看,质谱的背景噪声主要来自探测器端,这源于一个叫离子反馈的作用。

MCP是一种可以二维探测和倍增电子的电子倍增器。MCP也对离子、真空紫外射线、X射线和伽马射线等敏感,因此MCP可以应用在这些物质的位置和能量的探测器件中。

常见的质谱探测器都是将离子转化为电子;电子被电场加速、倍增并最终检出。而加速的电子会和残余气体分子碰撞,产生正离子。这些正离子在电场中会反向运动,再次轰击产生电子,这个过程称为离子反馈。

除了MCP、EM的固有产品,滨松不断进行着革新,几乎在每年的ASMS上都会发布一款最先进的技术信息。周旭升介绍了近两年来推出的几款新技术。如,2016年发布了复合型MCP,由于增加了一个1000倍增的雪崩管使得其使用寿命提升7-10倍。2017年专门针对大分子分析的MALDI质谱推出了另一种复合型MCP,与传统MCP相比其信噪比大幅提高。另外还有一种用于小型化离子肼质谱的检测器CEM在真空度低的情况下仍能耐高压;而且器件不含铅对环保或仪器认证方面具有一定优势。不过,周旭升也提到,“这些新技术目前都还处在开发阶段,不过已提供给国内质谱企业试用,进行评估反馈,直到性能稳定下来能达到用户的要求,才会进行批量生产。”

由于正离子反向运动是需要时间的,所以离子反馈所产生的信号与真实信号本身并不会叠加,反而成为了噪声/杂峰的重要来源。

质谱技术的核心是“制造离子”和“检测离子”,其他所有的一切都是为这个目的服务。因此,在此次BCEIA 2017上,滨松就重点展出了离子源、检测器相关产品。

离子反馈过程示意图

如全新光致电离离子源——VUV氘灯 L13301,基于MgF2窗材的VUV氘灯可以促成一种高电离效率、碎片离子峰产生量少的新型软电离方式。它的电离能可达到10.78eV,电离效率提高,且相对于传统PID灯可以电离出更多的离子,使仪器整体灵敏度有数倍提高,此外还具备低成本、易安装等特点。在VOCs监测等领域有着较好的应用,VUV氘灯最大至10.78ev的电离能可电离绝大多数VOCs。

而低真空度下较高浓度的气体分子是客观存在的,因此相比于控制离子生成,更为明智的做法是控制生成离子的走向。但如今四级杆及离子阱质谱仪一般采用的电子倍增器,却并没有办法解决这一问题。

针对TOF-MS的特点及对MCP探测器的要求,滨松最新的F12396-11、F13446-11、F1094-11作为代表在此次BCEIA中登场。这几款MCP具有响应速度快、极小的后脉冲、鲁棒性无畸变、漏斗型MCP保持更高探测效率的特征,其还可结合荧光屏进行电光转换、后端加CCD相机可显图像。

新探测器技术的出现,成为了质谱仪小型化的一个关键。

近年来,针对冶金、环保、地质矿产、食品等领域越来越多的痕量重金属检测需求,ICP-MS得到更加广泛的应用,ICP-MS面向的是痕量无机元素的测定。针对ICP-MS的特点及对探测器的需求,本次展会滨松展示了具有大动态范围双模式输出的EM R13733。

小质谱仪不要慌,滨松gen3 mcp来了

标签: 探测器

微通道板也是应用于质谱仪中的一种常用探测器,特别是tof-ms。但传统的两片结构的mcp和电子倍增器等其他传统质谱探测器一样,残留的气体分子也会发生电离生成正离子,并返回mcp形成离子反馈。

不过,滨松最新推出的拥有三级结构的mcp,通过实现控制离子走向的策略,成功解决了上面说到的问题。

传统两片结构和滨松最新三级结构mcp的结构和电位对比

滨松最新推出的适用于小型质谱仪的gen3 mcp

滨松gen3 mcp采用了这样的结构设计:

在mcp出口和打拿极之间加入栅网电极构成三级结构,栅网电极作为阳极,后端打拿极和mcp入口则被设置为等电位,这样残留的气体分子电离生成的正离子会从栅网电极向打拿极运动,并被打拿极俘获。这种三级的创新结构设计可以避免电离正离子返回mcp,从而在源头上解决了暗电流的问题。

下图是三级结构的滨松gen3 mcp和传统两级mcp电流输出结构在不同真空度下的实验数据对比。

传统两片结构和滨松最新三级结构mcp的实测噪声对比

可以明显的看出,在105增益下,传统的2片mcp电流输出型组件在真空度高于10-3pa的情况下即会发生离子反馈。而对于三级结构的gen3 mcp,即使真空度降低到1pa,仍然不会发生离子反馈。

我们同样对比了gen3 mcp和连续型电子倍增器。

连续型电子倍增器和滨松最新三级结构mcp在不同真空度下的实测数据对比

可以看到的是,在0.4 mtorr的真空度下,cem即会发生离子反馈。而对于gen3 mcp,即使真空度降低到1.5 mtorr,谱线依然干净,甚至优于高真空度0.06 mtorr下cem的表现。

凭借在低真空度下的优异表现,加上小巧的尺寸,滨松gen3 mcp将会大大释放束缚在质谱仪真空系统上的缰绳,方便开发者开发更为灵活便携、功耗更低、更适合现场使用的小型质谱仪。

滨松gen3 mcp有效面积直径:14mm

滨松致力于光电技术探索60余年,在质谱探测器的研究也已有40余年的历史,可为质谱应提供mcp、em、离子化光源等产品。2018年我们推出了,并也将继续推出更多应用于质谱的新品。希望通过探测技术的原始创新,从最底层技术出发,稳定而坚实地推动最终质谱应用的发展。

要说近年来被公认增长最快的分析仪器,毫无疑问非质谱仪莫属。据美国acs网站统计,目前国际上排名前十的仪器厂商中,有七家都在从事质谱仪的研发和生产。就中国而言,对质谱仪的需求也在快速增长。

[来源:滨松中国]

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