仪器科普 | 质谱仪电子倍增器的工作原理及特点

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质谱作为“精准医疗”领域的重要应用技术，在临床检测中的角色越来越重要，已成为内源性小分子及微量营养素检测的金标准。在硬件上，质谱仪器主要由3部分组成，其中离子源部分将化合物转化成带电离子，质量分析器筛选出目标离子，检测器采集信号并记录交由软件处理成质谱图。目前市场上绝大多数的质谱仪检测器主要使用电子倍增器。

电子倍增器是一个能高倍放大微弱离子信号的检测器件。按打拿极的排列方式区分，有分离打拿极式电子倍增器和通道式电子倍增器。图1为分离打拿极式电子倍增器的结构示意图。当进入电子倍增器的离子轰击第一个电子打拿极（倍增器电极）后，会激发出大量的二次电子，这些电子在电场的作用下会加速继续轰击第二个电极，从而产生更多的电子，而这些电子接着再去轰击第三个电极，如此相继轰击而产生越来越多的二次电子，最后再用一个电子接收器将这些电子信号输出，从而达到放大输入信号的目的。通常一个电子倍增器约有16～20个电子打拿极，可将离子信号放大达10⁴～10⁸倍。

数字采集通常有模拟和计数两种方式。在一些仪器中，模拟放大器部分设计成积分器形式，此时反馈电阻被去掉，能获得更好的信噪比（SNR）。计数方式一般采用宽带前置放大器结合快甄别器。脉冲计数模式的线性范围一般在0~10⁶counts/s，数字模拟模式在10⁴~10⁹counts/s。这两种检测方式有一段交叉检测范围，即从10⁴~10⁶之间，可得到脉冲计数和数字模拟两种检测信号，图2为两种检测信号的交叉检测范围图。这两种信号需要进行归一化处理，使两条直线合并为一条直线。因此需要做一种交叉校准，将模拟和脉冲输出量都统一为每秒脉冲计数。交叉校准一般是根据已知的模拟电压和输出电流，计算出模拟和脉冲之间的转换系数，然后将模拟信号转换为脉冲信号。

通常情况下，倍增检测器在使用过程中增益都会因使用时间的增长而逐渐变小，这就需要根据仪器灵敏度的要求定期调整倍增器的工作电压，使增益保持在适当的水平。最终，电压达到其使用极限值后，如果增益下降显著，就需要立即更换电子倍增器。为了延长电子倍增器的使用寿命，更多的新型技术应运而生，如新型活化膜打拿极材料或者增大电子倍增器表面积等。随着模拟和数字技术的快速发展，智能化数据采集成为一种趋势。来自检测器的模拟信号被快速转换为数字信号，再进行数字滤波、校正以及谱累加等。

英盛生物三重四极杆质谱仪EXT-9050MD和EXT-9900MD，以及电感耦合等离子体质谱仪EXT 8600MD均配置高灵敏度的双模式离散打拿极离子检测系统。

该离子检测系统通过在脉冲计数检测和模拟检测之间自动切换，提高了灵敏度和动态范围，确保高可信度的定量结果。当离子流强度低时, 检测器以脉冲计数模式工作，确保检测到每一个离子信号，以保证高灵敏度，降低测定变异，改善重现性；当离子流强度高时, 检测器以模拟检测模式工作，确保宽动态线性范围。此外，EXT-9900MD质谱仪通过增加电子倍增器的表面积极大程度上延长了使用寿命，同时依然保持出色的线性动态范围。

YS EXACT 9050MD