CN110718443B - 使用光电效应校准电子倍增器增益 - Google Patents

Abstract

一种离子检测器包括：第一级倍增电极，其配置成接收离子束并产生电子；光子源，其布置成向所述第一级倍增电极提供光子，所述光子具有足够能量以使得所述第一级倍增电极发出光电子；电子倍增器，其配置成从所述第一级倍增电极接收所述电子或所述光电子并产生与电子或光电子的数量成比例的输出；以及控制器。所述控制器配置成接收响应于所述光电子而产生的所述输出；基于所述输出计算所述检测器的增益曲线；以及设定所述电子倍增器或所述第一级倍增电极的电压以实现所述离子束的目标增益。

Description

使用光电效应校准电子倍增器增益

技术领域

本公开大体上涉及质谱领域，包含使用光电效应校准电子倍增器增益。

背景技术

质谱(MS)被广泛用于识别和量化样本中的化合物。在质谱中，根据离子的质量/电荷(m/z)比率来分离离子，且依据m/z而测量离子丰度。一般来说，质谱仪具有三个主要组件；用于产生离子的离子源、用于通过m/z分离离子的质量分析器和用于检测经m/z分离的离子的检测器。在示例性实施例中，检测器可包含：第一级倍增电极，用于响应于在其上的正离子的撞击而产生电子；电子倍增器，用于放大从第一级倍增电极释放的电子以产生可检测和可测量的电流；以及静电计，用于测量和记录检测到的电流。

一般来说，电子倍增器的灵敏度可能会在离子倍增器的寿命期间降低。为了保持离子检测器的灵敏度和准确度，可能需要定期重新校准电子倍增器。

确定电子倍增器上的增益通常是通过将离子束发送通过仪器并阻挡光束以使得非常低通量的离子碰撞检测器来完成的。关键是确定可以各种方式完成的离子输入数量。在一些实施方案中，例程寻找碰撞检测器的个别离子以计算电路的增益。在其它实施方案中，例程查看离子束的稳定性并使用离子统计来计算离子束的初始强度。在确定离子的已知输入后，在各种阴极电压下测量输出信号并使用输出信号确定检测器的增益-电压关系。

然而，有效地确定初始离子输入信号可能存在问题。例如，当使用信号稳定性计算离子数时，不稳定的离子源可能会错误地产生低输入。当使用单离子事件方法时，离子堆中的非常少量的充电会使得难以在整个增益校准例程的运行中获得足够低的信号通量。来自灰尘的带电粒子的场发射也导致不正确的增益测量。更具挑战性的是电子倍增器的启动电压和仪器校准使得检测到供应给检测器的离子不足的情况。在离子束不足的情况下不可能执行检测器的增益校准，且在没有来自检测器的可测量信号的情况下不可能对离子束进行调谐。从上述内容，应了解需要改进的用于电子倍增器的增益校准的系统和方法。

发明内容

在第一方面中，离子检测器可包含：第一级倍增电极，其配置成接收离子束并产生电子；光子源，其布置成向第一级倍增电极提供光子；电子倍增器，其配置成从第一级倍增电极接收电子或光电子并产生与电子或光电子的数量成比例的输出；以及控制器。光子可具有足够能量以使得第一级倍增电极发出光电子。控制器可配置成接收响应于光电子而产生的输出；基于输出计算检测器的增益曲线；以及设定电子倍增器或第一级倍增电极的电压以实现离子束的目标增益。

在第一方面的各种实施例中，光子源可以是发光二极管、激光、放电灯等等。在特定实施例中，发光二极管可以是紫外发光二极管。

在第一方面的各种实施例中，离子检测器可进一步包含配置成测量光子源的光子输出的光电二极管。在特定实施例中，控制器可进一步配置成响应于测得的光子输出而调整供应到光子源的电流。

在第一方面的各种实施例中，控制器可进一步配置成获得第二输出，所述第二输出具有供应到光子源的不同电流或电子倍增器的不同电压，且计算出的增益曲线进一步基于第二输出。

在第一方面的各种实施例中，质谱仪可包含离子检测器。

在第二方面中用于校准离子检测器的方法可包含向低功函数材料提供光子。光子可具有足够能量以使得低功函数材料发出光电子。方法可进一步包含使用电子倍增器产生与光电子的数量成比例的输出；基于与光电子的数量成比例的输出来计算检测器的增益曲线；基于增益曲线设定电子倍增器的电压；将离子束导引到第一级倍增电极，所述离子具有足够能量以使得第一级倍增电极发出电子；从电子倍增器获得输出；以及基于来自电子倍增器的输出确定离子束中的离子的数量。

在第二方面的各种实施例中，可利用光子源产生光子。在特定实施例中，光子源可以是发光二极管、激光或放电灯。在特定实施例中，发光二极管可以是紫外发光二极管。

在第二方面的各种实施例中，可使用光电二极管测量光子源的输出。在特定实施例中，可响应于测得的光子输出而调整供应到光子源的电流。

在第二方面的各种实施例中，向低功函数材料提供光子可包含向第一级倍增电极提供光子，且第一级倍增电极可包含低功函数材料。

在第二方面的各种实施例中，所述方法可包含获得第二输出，所述第二输出具有供应到光子源的不同电流或电子倍增器的不同电压，其中计算增益曲线可进一步基于第二输出。

在第三方面中，离子检测器可包含：第一级倍增电极，其配置成接收离子束并产生电子；低功函数材料；光子源，其布置成向低功函数材料提供光子；电子倍增器，其配置成从第一级倍增电极接收电子或从低功函数材料接收光电子并产生与电子或光电子的数量成比例的输出；以及控制器。光子可具有足够能量以使得低功函数材料发出光电子。控制器可配置成接收响应于光电子而产生的输出；基于输出计算检测器的增益曲线；以及设定电子倍增器或第一级倍增电极的电压以实现离子束的目标增益。

在第三方面的各种实施例中，光子源可以是发光二极管。在特定实施例中，发光二极管可以是紫外发光二极管。

在第三方面的各种实施例中，离子检测器可进一步包含配置成测量光子源的光子输出的光电二极管。在特定实施例中，控制器可进一步配置成响应于测得的光子输出而调整供应到光子源的电流。

在第三方面的各种实施例中，控制器可进一步配置成获得第二输出，所述第二输出具有供应到光子源的不同电流或电子倍增器的不同电压，其中计算增益曲线可进一步基于第二输出。

在第三方面的各种实施例中，质谱仪可包含离子检测器。

附图说明

为了更完整地理解本文中所公开的原理和其优势，现在参考下文结合随附和呈现图式进行的描述，在附图中：

图1是根据各种实施例的示例性质谱系统的框图。

图2A和2B是说明根据各种实施例的示例性检测器的图式。

图3是根据各种实施例的说明校准离子检测器的示例性方法的流程图。

图4是说明示例性计算机系统的框图。

应理解，附图不一定按比例绘制，附图中的物体也不一定相对于彼此按比例绘制。图式的描绘意图使得清楚且理解本文中所公开的设备、系统和方法的各种实施例。在可能的情况下，将在整个图式中使用相同参考编号来指代相同或相似部分。此外，应了解，附图并不旨在以任何方式限制本教示的范围。

具体实施方式

在本文和随附呈现图式中描述用于离子分离的系统和方法的实施例。

本文中所用的章节标题仅用于组织目的且不应理解为以任何方式限制所描述的主题。

在各种实施例的此详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将了解，这些各种实施例可以在具有或不具有这些特定细节的情况下实践。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出。此外，本领域技术人员可以容易地了解，呈现和执行方法的具体顺序为说明性的，且预期所述顺序可以改变且仍保持在本文中所公开的各种实施例的精神和范围内。

本申请中引用的所有文献和类似资料，包含但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和因特网网页，出于任何目的以全文引用的方式明确地并入。除非另外描述，否则本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本文中所描述的各种实施例本领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。

应了解，在本发明教示中论述的温度、浓度、时间、压力、流速、横截面面积等之前存在隐含的“约”，使得本发明教示的范围内存在略微和非实质偏差。在本申请中，除非另外明确陈述，否则单数的使用包含复数。此外，“包括(comprise/comprises/comprising)”、“含有(contain/contains/containing)”和“包含(include/includes/including)”的使用并非旨在限制。应理解，前文一般描述和以下详细描述均仅是示例性和解释性的且并不限制本发明教示。

如本文所使用，“一种(a)”或“一个(an)”还可以指代“至少一个/种”或“一个/种或多个/种”。此外，“或”的使用是包含性的，使得当“A”真实、“B”真实或“A”和“B”都真实时，短语“A或B”真实。另外，除非上下文另外需要，否则单数术语应包含复数且复数术语应包含单数。

“系统”阐述一组真实或抽象的组件，包括一整体，其中每个组件与所述整体内的至少一个其它组件相互作用或相关。

质谱平台

质谱平台100的各种实施例可包含如图1的框图中显示的组件。在各种实施例中，图1的元件可并入到质谱平台100中。根据各种实施例，质谱仪100可包含离子源102、质量分析器104、离子检测器106和控制器108。

在各种实施例中，离子源102从样本产生多个离子。离子源可包含但不限于基质辅助激光解吸/电离(MALDI)源、电喷雾电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压光致电离源(APPI)、电感耦合等离子体(ICP)源、电子电离源、化学电离源、光致电离源、辉光放电电离源、热喷雾电离源等等。

在各种实施例中，质量分析器104可基于离子的质荷比分离离子。举例来说，质量分析器104可包含四极质量过滤器分析器、四极离子阱分析器、飞行时间(TOF)分析器、静电阱(例如，轨道阱)质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)质量分析器等等。在各种实施例中，质量分析器104还可配置成使用碰撞诱导解离(CID)、电子转移解离(ETD)、电子俘获解离(ECD)、光诱导解离(PID)、表面诱导解离(SID)等等将离子分段，且进一步基于质荷比分离经分段离子。

在各种实施例中，离子检测器106可检测离子。举例来说，离子检测器106可包含电子倍增器、法拉第杯、微通道板、雪崩光电二极管等。也可具有这些部件的组合，例如雪崩光电二极管前面的微通道板。离开质量分析器的离子可由离子检测器检测到。在各种实施例中，离子检测器可以是定量的，因此可以测定离子的准确数目。

在各种实施例中，控制器108可与离子源102、质量分析器104和离子检测器106通信。举例来说，控制器108可配置离子源或启用/停用离子源。另外，控制器108可配置质量分析器104以选择待检测的特定质量范围。另外，控制器108可例如通过调整增益而调整离子检测器106的灵敏度。另外，控制器108可基于正检测的离子的极性而调整离子检测器106的极性。举例来说，离子检测器106可配置成检测正离子或配置成检测负离子。

离子检测器

图2A是说明离子检测器200A的图式且图2B是说明离子检测器200B的图式，其中的两个可用作质谱平台100的离子检测器106。

在图2A中，离子检测器200A可包含电子倍增器202、第一级倍增电极204、光子发射器206和控制器208。在各种实施例中，光子发射器206可以是例如UV LED的发光二极管(LED)、激光、放电灯等等。当检测来自质谱平台的离子时，离子束210可冲击第一级倍增电极204，以使得第一级倍增电极204射出电子212。电子可进入电子倍增器202，其中电子倍增器可多次产生额外电子，以放大控制器208可测得的信号。当校准离子检测器200A时，来自光子发射器206的光子214可冲击第一级倍增电极204，以使得光电子216射出，其可由电子倍增器202接收。在电子倍增器202内，光电子216可基本上表现的与电子212相同，以允许使用已知通量的光子来确定电子倍增器增益。

在图2B中，离子检测器200B可包含电子倍增器202、第一级倍增电极204、光子发射器206和控制器208。另外，离子检测器200B可包含低功函数材料218。在各种实施例中，低功函数材料218可具有低于光子能量的功函数。表1示出光子波长与光子能量之间的相关性且表2示出示例性材料的功函数。并非将光子导引到第一级倍增电极204，可将光子导引到低功函数材料218，这样可比第一级倍增电极204更高效地产生光电子216B。可将由低功函数材料产生的光电子216B导引到第一级倍增电极204(未示出)或电子倍增器202且光电子216B与图2A中的光电子216以相同方式操作。

表1：各种能量下的光子的波长。

光子能量(eV)	波长(nm)
		2.0	619.9
2.4	516.6
		2.8	442.8
3.0	413.3
		3.4	364.6
3.8	326.3
		4.2	295.2
4.6	269.5
		5.0	248.0
6.0	213.8

表2：各种材料的功函数

元素符号	功函数(eV)
		Yb	2.6
Sm	2.7
		Ca	2.87
Ce	2.9
		Gd	2.9
Tb	3
		Y	3.1
Nd	3.2
		Zn	3.63-4.9
Mg	3.66
		Nb	3.95-4.87
La	4
		Al	4.06-4.26
Mn	4.1
		W	4.32-5.22
Mo	4.36-4.95
		Ti	4.33
Sn	4.42
		Ag	4.52-4.74
Cu	4.53-5.10
		Sb	4.55-4.7
Fe	4.67-4.81
		Re	4.72
Rh	4.98
		Co	5
Ni	5.04-5.35
		Pt	5.12-5.93
Au	5.1-5.47
		Pd	5.22-5.6

在各种实施例中，离子检测器200A或200B可包含光电检测器以提供对光子发射器206的输出的直接测量。光电检测器可用以补偿光子发射器206随时间推移的发射效率改变，例如通过调整供应到光发射器206的电流或将发射效率改变考虑到增益计算中。

图3说明校准离子检测器的示例性方法300。在302处，光子可通过光发射器提供。在各种实施例中，光发射器可以是LED，例如UV LED。在304处，光子可冲击低功函数材料以产生光电子。低功函数材料可并入到检测器的第一级倍增电极中或作为独立组件。在各种实施例中，可将光电子导引到检测器的电子倍增器。在306处，可响应于光电子而测量检测器的输出。输出可与由低功函数材料所释放的光电子的数量成比例。

在308处，可以确定是否需要额外点来计算增益曲线。当需要额外点时，可改变检测器电压或发射器电流，如在310处所指示，且可获得额外输出。替代地，在312处，当无需额外点时，可计算检测器增益曲线。

在314处，可基于计算出的增益曲线设定检测器电压，且在316处，可分析离子。

计算机实施系统

图4是说明计算机系统400的框图，在所述计算机系统上可实施本教示的实施例，因为所述计算机系统可合并系统控制器，例如图1所示的控制器108或与其通信，使得可根据由计算机系统400进行的计算或测定来调节相联质谱仪的组件的操作。在各种实施例中，计算机系统400可包含用于传达信息的总线402或其它通信机制，以及与总线402耦合以用于处理信息的处理器404。在各种实施例中，计算机系统400还可包含耦合到总线402的可为随机存取存储器(RAM)的存储器406或其它动态存储装置，以及待由处理器404执行的指令。存储器406也可用于在执行待由处理器404执行的指令期间存储临时变量或其它中间信息。在各种实施例中，计算机系统400可进一步包含耦合到总线402以便存储用于处理器404的静态信息和指令的只读存储器(ROM)408或其它静态存储装置。可提供存储装置410，例如磁盘或光盘，且将其耦合到总线402以存储信息和指令。

在各种实施例中，计算机系统400可经由总线402耦合到显示器412，例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)以将信息显示给计算机用户。包含字母数字和其它键的输入装置414可耦合到总线402以用于将信息和命令选择传达到处理器404。另一类型的用户输入装置是用于将方向信息和命令选择传达到处理器404并且用于控制显示器412上的光标移动的光标控制件416，例如鼠标、轨迹球或光标方向键。此输入装置通常在两个轴即第一轴(即，x)和第二轴(即，y)上具有两个自由度，这允许所述装置指定平面中的位置。

计算机系统400可实行本教示。与本教示的某些实施方案一致，计算机系统400可响应于处理器404执行存储器406中所含有的一个或多个指令的一个或多个序列而提供结果。可将此些指令从另一计算机可读媒体，例如存储装置410，读取到存储器406中。存储器406中所含指令序列的执行可使处理器404实行本文所描述的过程。在各种实施例中，存储器中的指令可对处理器内可用的逻辑门的各种组合的使用进行排序以执行本文描述的过程。或者，可使用硬接线电路代替或结合软件指令来实施本发明教示。在各种实施例中，硬连线电路可包含以必要序列操作以执行本文所描述的过程的必要逻辑门。因此，本发明教示的实施方案不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

如本文所用的术语“计算机可读媒体”是指参与将指令提供到处理器404以供执行的任何媒体。此类媒体可呈许多形式，包含但不限于非易失性媒体、易失性媒体以及传输媒体。非易失性媒体的实例可包含但不限于光盘或磁盘，例如存储装置410。易失性媒体的实例可包含但不限于动态存储器，例如存储器406。传输媒体的实例可包含但不限于同轴电缆、铜线和光纤，包含包括总线402的电线。

非暂时性计算机可读媒体的常见形式包含例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其它磁性媒体、CD-ROM、任何其它光学媒体、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理媒体、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或盒带，或可被计算机读取的任何其它有形媒体。

根据各种实施例，配置成被处理器执行以执行方法的指令存储在计算机可读媒体上。计算机可读媒体可以是存储数字信息的装置。举例来说，计算机可读媒体包含本领域中已知的用于存储软件的压缩光盘只读存储器(CD-ROM)。计算机可读媒体由处理器存取，所述处理器适合执行配置成被执行的指令。

在各种实施例中，本教示的方法可以在以如C、C++等常规编程语言编写的软件程序和应用程序中实施。

虽然结合各种实施例描述本发明教示，但是并不意图将本发明教示限制于此类实施例。相反，如本领域的技术人员应了解，本发明教示涵盖各种替代方案、修改以及等效物。

另外，在描述各种实施例中，说明书可能将方法和/或过程呈现为特定顺序的步骤。然而，在方法或过程不依赖于本文中所阐述的步骤的特定顺序的程度上，方法或过程不应限于所描述的步骤的特定顺序。如所本领域的普通技术人员将了解，步骤的其它顺序可以是可能的。因此，在说明书中阐述的步骤的特定次序不应解释为对权利要求的限制。另外，针对方法和/或过程的权利要求书不应限于以书写的次序执行其步骤，且本领域技术人员可容易地了解顺序可变化且仍保持在各种实施例的精神和范围内。

本文所描述的实施例可以用包含以下的其它计算机系统配置实践：手持式装置、微处理器系统、基于微处理器或可编程消费型电子装置、微型计算机、大型主机计算机等。实施例也可以在其中任务由经网络连接的远程处理装置执行的分布式计算环境中实践。

还应了解，本文中所描述的实施例可以采用涉及存储在计算机系统中的数据的各种计算机实施的操作。这些操作为需要物理量的物理操纵的操作。通常但未必，这些量呈能够被存储、转移、组合、比较和以其它方式操控的电或磁信号的形式。另外，所执行的控制通常以术语提及，例如产生、识别、确定或比较。

形成本文所描述的实施例的部分的任何操作都是有用的机器操作。本文所描述的实施例也涉及进行这些操作的装置或设备。本文所描述的系统和方法可以出于所需目的专门构筑或其可以是通过存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或配置的通用计算机。确切地说，各种通用机器可以与根据本文中的传授内容编写的计算机程序一起使用，或可能更方便的是构筑更专门设备以进行所需操作。

某些实施例还可体现为计算机可读媒体上的计算机可读代码。计算机可读媒体是可以存储此后可以通过计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读媒体的实例包含硬盘驱动器、网络连接存储装置(NAS)、只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带以及其它光学和非光学数据存储装置。计算机可读媒体还可分布在网络耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布方式存储和执行。

Claims (20)

1.一种离子检测器，其包括：

第一级倍增电极，其配置成接收离子束并产生电子；

光子源，其布置成向所述第一级倍增电极提供光子，所述光子具有足够能量以使得所述第一级倍增电极发出光电子；

光电二极管，其配置成测量所述光子源的光子输出；

电子倍增器，其配置成从所述第一级倍增电极接收所述电子或所述光电子并产生与电子或光电子的数量成比例的输出；以及

控制器，其配置成：

接收响应于所述光电子而产生的所述输出；

基于所接收的输出计算所述检测器的增益曲线；

响应于测得的光子输出而调整供应到所述光子源的电流；以及

设定所述电子倍增器或所述第一级倍增电极的电压以实现所述离子束的目标增益。

2.根据权利要求1所述的离子检测器，其中所述光子源是发光二极管、激光源或放电灯。

3.根据权利要求2所述的离子检测器，其中所述发光二极管是紫外发光二极管。

4.根据权利要求1所述的离子检测器，其中所述控制器进一步配置成获得第二输出，所述第二输出具有供应到所述光子源的不同电流或所述电子倍增器的不同电压，且计算出的增益曲线进一步基于所述第二输出。

5.一种质谱仪，其包括根据权利要求1所述的离子检测器。

6.一种用于校准离子检测器的方法，其包括，

向低功函数材料提供光子，所述光子具有足够能量以使得所述低功函数材料发出光电子；

使用电子倍增器产生与光电子的数量成比例的输出；

基于与光电子的数量成比例的所述输出计算所述检测器的增益曲线；

基于所述增益曲线设定所述电子倍增器的电压；

将离子束导引到第一级倍增电极，所述离子束具有足够能量以使得所述第一级倍增电极发出电子；

从所述电子倍增器获得输出；以及

基于来自所述电子倍增器的所述输出确定所述离子束中的离子的数量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中向所述第一级倍增电极提供光子包括利用光子源产生光子。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述光子源是发光二极管、激光源或放电灯。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述发光二极管是紫外发光二极管。

10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括使用光电二极管测量所述光子源的输出。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括响应于测得的光子输出而调整供应到所述光子源的电流。

12.根据权利要求6所述的方法，其中向所述低功函数材料提供所述光子包括向所述第一级倍增电极提供光子，所述第一级倍增电极包含所述低功函数材料。

13.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括获得第二输出，所述第二输出具有供应到光子源的不同电流或所述电子倍增器的不同电压，其中计算所述增益曲线进一步基于所述第二输出。

14.一种离子检测器，其包括：

第一级倍增电极，其配置成接收离子束并产生电子；

低功函数材料；

光子源，其布置成向所述低功函数材料提供光子，所述光子具有足够能量以使得所述低功函数材料发出光电子；

电子倍增器，其配置成从所述第一级倍增电极接收所述电子或从所述低功函数材料接收所述光电子并产生与电子或光电子的数量成比例的输出；以及

控制器，其配置成：

接收响应于所述光电子而产生的所述输出；

基于所接收的输出计算所述检测器的增益曲线；以及

设定所述电子倍增器或所述第一级倍增电极的电压以实现所述离子束的目标增益。

15.根据权利要求14所述的离子检测器，其中所述光子源是发光二极管、激光源或放电灯。

16.根据权利要求15所述的离子检测器，其中所述发光二极管是紫外发光二极管。

17.根据权利要求14所述的离子检测器，其进一步包括配置成测量所述光子源的光子输出的光电二极管。

18.根据权利要求17所述的离子检测器，其中所述控制器进一步配置成响应于测得的光子输出而调整供应到所述光子源的电流。

19.根据权利要求14所述的离子检测器，其中所述控制器进一步配置成获得第二输出，所述第二输出具有供应到所述光子源的不同电流或所述电子倍增器的不同电压，且计算出的增益曲线进一步基于所述第二输出。

20.一种质谱仪，其包括根据权利要求14所述的离子检测器。

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