要說近年來被公認(rèn)增長最快的分析儀器，毫無疑問非質(zhì)譜儀莫屬。據(jù)美國acs網(wǎng)站統(tǒng)計，目前國際上排名前十的儀器廠商中，有七家都在從事質(zhì)譜儀的研發(fā)和生產(chǎn)。就中國而言，對質(zhì)譜儀的需求也在快速增長。

質(zhì)譜分析是一種測量離子質(zhì)荷比（質(zhì)量-電荷比）的分析方法。首先通過電離源將樣品中各組分電離成離子，接著在高真空的質(zhì)量分析器中，在電磁場的作用下主要根據(jù)質(zhì)荷比（帶電離子質(zhì)量/所帶電荷的數(shù)量）將離子進(jìn)行分離，使這些離子最后在探測器上產(chǎn)生可以被互相區(qū)分的信號。對于不同的組分，電離生成的離子不同——故而質(zhì)譜可以被用于鑒定樣品中的不同組分。

質(zhì)譜儀基本結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)譜技術(shù)發(fā)展至今已逾百年，質(zhì)譜工作者們站在彼此的肩頭，將一個簡單的物理現(xiàn)象在理論和實踐上推到如今的高度，使其成為了分析領(lǐng)域最重要的方法之一。目前質(zhì)譜已不僅是常規(guī)化學(xué)分析中的重要手段，逐漸也開始被用于生命科學(xué)、國土安全、食品安全、臨床醫(yī)學(xué)檢測和空間技術(shù)等熱門領(lǐng)域。

質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛

但我們知道，傳統(tǒng)的實驗室臺式質(zhì)譜儀昂貴、耗能、連接氣路管道、需要強(qiáng)力真空泵，并且經(jīng)常需要前端的分離系統(tǒng)，機(jī)體往往龐大笨重。若要應(yīng)用于臨床、機(jī)場安檢、食品安全等原位現(xiàn)場測量場景，儀器必須小型化。

不過，說小型化就小型化，你問過真空系統(tǒng)的意見了嗎？

沒錯，在小型化質(zhì)譜儀的設(shè)計中，最大的一個挑戰(zhàn)在于真空系統(tǒng)。上面在簡介質(zhì)譜儀工作原理的時候，已經(jīng)提到，“真空”是質(zhì)譜儀內(nèi)部工作的必要條件。保持高真空度可以防止分子、離子、電子之間發(fā)生碰撞，避免噪聲的產(chǎn)生。也就是說，真空度越高，質(zhì)譜儀的信噪比越好。

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遺憾的是，真空系統(tǒng)往往比較笨重，小型質(zhì)譜儀也只能選擇小型的真空泵，而泵速的下降，會直接導(dǎo)致系統(tǒng)真空度降低，這會嚴(yán)重影響質(zhì)量分析器及探測器的正常運(yùn)行。而從目前的研究結(jié)果來看，質(zhì)譜的背景噪聲主要來自探測器端，這源于一個叫離子反饋的作用。

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常見的質(zhì)譜探測器（如mcp、電子倍增器/em）都是將離子轉(zhuǎn)化為電子；電子被電場加速、倍增并最終檢出。而加速的電子會和殘余氣體分子碰撞，產(chǎn)生正離子。這些正離子在電場中會反向運(yùn)動，再次轟擊產(chǎn)生電子，這個過程稱為離子反饋（ion feedback，ifb）。

由于正離子反向運(yùn)動是需要時間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號與真實信號本身并不會疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。

離子反饋（ion feedback，ifb）過程示意圖

而低真空度下較高濃度的氣體分子是客觀存在的，因此相比于控制離子生成，更為明智的做法是控制生成離子的走向。但如今四級桿及離子阱質(zhì)譜儀一般采用的電子倍增器（em），卻并沒有辦法解決這一問題。

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新探測器技術(shù)的出現(xiàn)，成為了質(zhì)譜儀小型化的一個關(guān)鍵。

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小質(zhì)譜儀不要慌，濱松gen3 mcp來了

微通道板（mcp）也是應(yīng)用于質(zhì)譜儀中的一種常用探測器，特別是tof-ms。但傳統(tǒng)的兩片結(jié)構(gòu)的mcp（見下圖a）和電子倍增器（em）等其他傳統(tǒng)質(zhì)譜探測器一樣，殘留的氣體分子也會發(fā)生電離生成正離子，并返回mcp形成離子反饋。

不過，濱松最新推出的擁有三級結(jié)構(gòu)的mcp，通過實現(xiàn)控制離子走向的策略，成功解決了上面說到的問題。

傳統(tǒng)兩片結(jié)構(gòu)（bi-planer mode）和濱松最新三級結(jié)構(gòu)（triode mode）mcp的結(jié)構(gòu)和電位對比

濱松最新推出的適用于小型質(zhì)譜儀的gen3 mcp

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濱松gen3 mcp采用了這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

在mcp出口和打拿極之間加入柵網(wǎng)電極構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)，柵網(wǎng)電極作為陽極（負(fù)高壓模式下接地），后端打拿極和mcp入口則被設(shè)置為等電位，這樣殘留的氣體分子電離生成的正離子會從柵網(wǎng)電極向打拿極運(yùn)動，并被打拿極俘獲。這種三級的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計可以避免電離正離子返回mcp，從而在源頭上解決了暗電流的問題。

下圖是三級結(jié)構(gòu)的濱松gen3 mcp和傳統(tǒng)兩級mcp電流輸出結(jié)構(gòu)在不同真空度下的實驗數(shù)據(jù)對比。

傳統(tǒng)兩片結(jié)構(gòu)（bi-planer mode）和濱松最新三級結(jié)構(gòu)（triode mode）mcp的實測噪聲（暗電流）對比

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可以明顯的看出，在105增益下，傳統(tǒng)的2片mcp電流輸出型組件在真空度高于10-3pa的情況下即會發(fā)生離子反饋。而對于三級結(jié)構(gòu)的gen3 mcp，即使真空度降低到1pa，仍然不會發(fā)生離子反饋。

憑借在低真空度下的優(yōu)異表現(xiàn)，加上小巧的尺寸（有效面積直徑：14mm），濱松gen3 mcp將會大大釋放束縛在質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)上的韁繩，方便開發(fā)者開發(fā)更為靈活便攜、功耗更低、更適合現(xiàn)場使用的小型質(zhì)譜儀。

濱松gen3 mcp有效面積直徑：14mm

濱松致力于光電技術(shù)探索60余年，在質(zhì)譜探測器的研究也已有40余年的歷史，可為質(zhì)譜應(yīng)提供mcp、em、離子化光源等產(chǎn)品。2018年我們推出了，并也將繼續(xù)推出更多應(yīng)用于質(zhì)譜的新品（文章底部的小編傳送門中，有部分新品鏈接）。希望通過探測技術(shù)的原始創(chuàng)新，從最底層技術(shù)出發(fā)，穩(wěn)定而堅實地推動最終質(zhì)譜應(yīng)用的發(fā)展。