CN112868085A - 离子检测器 - Google Patents

Abstract

一种用于质谱仪和/或离子迁移谱仪的双模式离子检测器，所述双模式离子检测器包括：第一转换电极(20)，所述第一转换电极在使用中被维持在负电位，并且被布置用于将入射的正离子(32)转换成二次电子(34)；以及第二转换电极(22)，所述第二转换电极在使用中被维持在正电位，并且被布置用于将入射的负离子(42)转换成二次正离子(44)和/或二次电子(74)。所述检测器还包括电子检测表面(26)和用于将离子吸入所述离子检测器中的入口电极(24)。所述离子检测器能够在用于检测正离子的第一模式与用于检测负离子的第二模式之间切换。

Description

离子检测器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月22日提交的英国专利申请号1817145.4的优先权和权益。本申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及用于质谱仪和/或离子迁移谱仪内的离子检测器，并且具体地涉及能够检测正离子和负离子两者的双模式离子检测器。

背景技术

在质谱仪和/或离子迁移谱仪内，在离子被分离或分析之后，需要能够可靠且灵敏地检测这些离子。许多仪器能够例如根据离子源的配置方式而以正离子模式和负离子模式两者操作。因此，期望能够使用单个所谓的“双模式”(或“双极性”)离子检测器来检测正离子和负离子两者，该“双模式”离子检测器可以例如与仪器和/或离子源一起切换，以便根据操作模式来检测正离子或负离子。然而，现有的双模式离子检测器可能遭受各种问题。因此，期望提供改进的双模式离子检测器。

发明内容

从第一方面，提供了一种用于质谱仪和/或离子迁移谱仪的双模式离子检测器，该检测器包括：

第一转换电极，该第一转换电极在使用中被维持在负电位，并且被布置用于将入射的正离子转换成二次电子；

第二转换电极，该第二转换电极在使用中被维持在正电位，并且被布置用于将入射的负离子转换成二次正离子和/或二次电子；

电子检测表面；以及

入口电极，该入口电极用于将离子吸入到离子检测器中，

其中离子检测器能够在用于检测正离子的第一模式与用于检测负离子的第二模式之间切换，

其中在第一模式中，向入口电极施加负电压以将进入的正离子吸入到离子检测器中，使得进入的正离子通过入口电极被吸入到离子检测器中，然后朝向第一转换电极加速并且被致使初始撞击第一转换电极以产生二次电子，

而在第二模式中，向入口电极施加正电压以将进入的负离子吸入到离子检测器中，使得进入的负离子被吸入到离子检测器中，然后朝向第二转换电极加速并且被致使初始撞击第二转换电极以产生二次正离子和/或二次电子，

其中第一转换电极被布置和成形为使得由撞击第一转换电极的正离子产生的二次电子随后被致使撞击电子检测表面，并且

其中：

(i)第二转换电极被布置和成形为使得由撞击第二转换电极的负离子产生的二次正离子然后被致使撞击第一转换电极以产生二次电子，该二次电子继而被致使撞击电子检测表面，并且/或者

(ii)第二转换电极被布置和成形为使得由撞击第二转换电极的负离子产生的二次电子然后被致使撞击电子检测表面。

因此，离子检测器能够在用于检测正离子的第一模式与用于检测负离子的第二模式之间切换，其中可通过将合适的电压施加到入口电极以致使具有期望极性的离子进入离子检测器中来控制第一模式与第二模式之间的切换。这样，可以简化用于切换离子检测器的控制电子器件。

例如，与其中施加到转换电极中的一者的电压被切换的布置相比，通过提供入口电极，离子检测器可以在正离子检测模式和负离子检测模式之间切换，而不必调整转换电极所需的相对较高的电压。因此，第一转换电极和第二转换电极可以维持在它们相应的电位，然后入口电极被用于提供局部场，以便初始地将离子吸入到检测器中，其中该局部场被设置为根据操作模式将正离子或负离子吸入到检测器中。

这意味着，不必为转换电极提供通常相对较大且昂贵的可切换高压电源，并且用于转换电极的电源因此可以保持相对简单。

另一方面，由于入口电极(仅)用于产生局部“吸入”场，以将具有期望极性的离子吸引到离子检测器中，并且这可以使用相对较低的电压来实现，因此入口电极不需要高压电源。

此外，施加到入口电极的电压可以例如比施加到转换电极的高电压相对快速且更稳定地切换。

因此，除了降低控制电子器件的成本和复杂性之外，使用这种入口电极还可以提供改进的性能(例如，在切换速度方面)。

而且，由于第一转换电极和第二转换电极在两种模式中都看到相同的离子极性，因此这些电极可以被适当地配置用于期望的离子到离子转换和离子到电子转换，从而潜在地允许改进的检测器灵敏度。

例如，第一转换电极通常以两种模式配置，使得以足够高动能撞击在第一转换电极的表面上的正离子生成(被“转换”成)一个或多个二次电子(并且通常单次离子撞击可生成多个二次电子，使得信号在检测器内被有效地放大)。为了提供期望的离子到电子转换所需的动能，第一转换电极可因此保持在相对高的负电位。

例如，在使用中，第一转换电极可以被维持在高于约以下值的绝对电位：(i)1kV；(ii)5kV，(iii)7.5kV，或(iv)10kV(也就是说，第一转换电极可以被维持在小于以下值的负电位：(i)-1kV；(ii)-5kV；(iii)-7.5kV；或(iv)-10kV)。因此可以根据需要选择第一转换电极的电位，以促进正离子向二次电子的望转换。

此外，由于第一转换电极在两种操作模式下(仅)用于将正离子转换成二次电子，所以第一转换电极的表面可以为此目的而设计(优化)。例如，第一转换电极的表面可以适当地涂覆有促进正离子转换为二次电子的材料。

类似地，第二转换电极通常以两种模式配置，使得以足够高的动能撞击在第二转换电极的表面上的负离子生成(被“转换”成)一个或多个二次正离子和/或一个或多个二次电子。再次，第二转换电极因此可以保持在相对高的绝对电位，例如高于大约：(i)1kV；(ii)5kV，(iii)7.5kV，或(iv)10kV。第二转换电极的电位通常可以独立于第一转换电极的电位而设置。如同第一转换电极一样，可以适当地设置第二转换电极的电位，以促进期望的离子到离子的转换和/或离子到电子的转换。而且，再次，由于第二转换电极在两种操作模式中以相同的方式起作用，即或者将负离子转换成二次正离子或者将负离子转换成二次电子(或者两者的某种组合)，因此第二转换电极的表面可以针对这些目的中的一种或两种而设计(优化)，例如，通过在第二转换电极的表面上提供合适的涂层或饰面。各种合适的表面涂层是本领域技术人员已知的。

因此，第一转换电极和第二转换电极的表面材料以及(相对于电子检测表面)施加到第一转换电极和第二转换电极的电位可以针对它们相应的功能而被选择(优化)，所述功能在两种操作模式中是相同的。这样，通过针对其相应目的适当地配置第一转换电极和第二转换电极，可以提高检测器的量子效率(并且因此提高灵敏度)。

此外，由于使用入口电极执行模式之间的切换，所以第一转换电极和/或第二转换电极上的电位在使用中可以(基本上)固定。也就是说，一旦已经根据需要设置电位以实现期望的离子到离子转换和离子到电子转换，则可以不考虑电位。因此，如上所述，这意味着不必切换施加到转换电极的相对高的电位，这允许针对转换电极使用更简单(例如，静态)的电源。然而，还预期的是，可能仍然存在对施加到转换电极的电压的一些(精细)调节(但是仍然不必切换它们的极性)。

相反，施加到入口电极的电压可以相对较低。例如，入口电极用于将离子吸引到离子检测器的位于转换电极之间的高场区域中。因此，入口电极仅需要产生作用以将离子吸入到离子检测器中的局部电场，并且这可以利用相对较低的电位(例如，1kV量级或甚至更低)来实现。例如，施加到入口电极的电压可以根据进入离子的极性在+/-几百V之间切换。

在实施方案中，入口电极可以包括环形电极。因此，进入的离子可由环形电极吸入到离子检测器中，然后穿过环形电极的中心孔隙进入转换电极之间的高场区域中，其中离子接着遵循期望的轨迹到达检测表面上。然而，任何合适的入口电极(或电极组)都可以用作入口电极。

入口电极可以包括静电透镜。入口电极因此可以提供离子的一些初始聚焦(例如，沿着检测器的中心轴线)。

在实施方案中，提供一种控制器，该控制器可操作以通过改变施加到入口电极的电压在第一操作模式与第二操作模式之间切换离子检测器。这可以相对快速地实现。例如，在实施方案中，离子检测器可以以小于1毫秒的时间尺度在第一操作模式与第二操作模式之间切换。

因此，入口电极根据操作模式而起作用，以使正极性或负极性的进入离子初始被吸入到离子检测器中。因此，离子被入口电极吸入到转换电极之间的高场区域中，在该高场区域中，离子由于施加到转换电极的电压而朝向第一转换电极或第二转换电极加速(取决于其极性)。

入口电极与转换电极之间的电位差使得离子被强有力地加速到转换电极上，例如以便促进期望的离子到离子转换或离子到电子转换。因此，在入口电极处的电位与转换电极处的电位之间应当存在相对较大的电位差。例如，在两种操作模式中，入口电极与转换电极之间的电位差可大于约：(i)1kV；(ii)5kV，(iii)7.5kV，或(iv)10kV。

离子通常可以通过离子入口(例如，从质谱仪和/或离子迁移谱仪的上游分析部件)提供给离子检测器。通常沿离子检测器的主轴提供离子。入口电极可以基本上布置在离子入口处或附近。入口电极可以沿着主轴布置，离子沿着主轴被提供到离子检测器。

第一转换电极和第二转换电极可以被布置成在入口电极的任一侧上基本上彼此面对。第一转换电极和第二转换电极可以基本上对称地彼此相对布置(并且例如垂直于主轴间隔开，离子沿着该主轴被提供给离子检测器)。然而，其他布置当然也是可能的。

第一转换电极和第二转换电极可被成形为致使离子和电子趋向于遵循期望的轨迹。例如，第一转换电极和/或第二转换电极可以各自包括成角度部分，该成角度部分作用以引导由撞击这些成角度部分的离子产生的二次离子和电子最终撞击离子检测器的电子检测表面。因此，例如，取决于操作模式，进入的离子可以初始被引导以撞击相应的第一转换电极或第二转换电极的成角度部分。

例如，在第一模式中，正离子可以初始撞击第一转换电极的成角度部分，以产生二次电子，然后二次电子被引导到电子检测表面上。

类似地，在第二模式中，负离子可以初始撞击第二转换电极的成角度部分以产生：(i)二次正离子，该二次正离子然后被引导到第一转换电极的成角度部分上以产生二次电子，该二次电子然后被引导到电子检测表面上；以及/或者(ii)二次电子，该二次电子随后被引导到电子检测表面上。

由第一转换电极生成的二次电子最终被传递到电子检测表面。因此，响应于撞击在电子检测表面上的二次电子而生成信号(其中该信号因此(间接地)与导致二次电子产生的原始进入离子相关联)(也就是说，响应于进入的离子而生成信号，即使该信号仅由离子间接生成，例如由二次离子/电子生成)。

通常，可以使用任何合适的电子检测表面。例如，电子检测表面可以包括能够检测入射电子并生成相关联的信号的金属阳极阵列或类似物。然而，在实施方案中，电子检测表面包括发光材料。撞击在电子检测表面上的电子因此产生光子，然后该光子可以被合适的光敏检测器(诸如光电倍增管)检测到。例如，发光材料可以设置在透明表面(例如，玻璃载片)上，光敏检测器(例如，光电倍增管)定位在该表面下方以检测所产生的光子。

因此，在实施方案中，电子检测表面涂覆有发光材料，诸如磷光体涂层。可以适当地使用硅酸钇P47磷光体涂层。然而，一般来讲，可以使用任何合适的发光(例如，磷光或荧光、或基于半导体的)材料，并且本领域技术人员将知道可以在本文所述类型的离子检测器内使用的合适的发光材料的各种示例。

在实施方案中，电子检测表面可以包括第二转换电极的表面。例如，第二转换电极可以包括平坦的基本上中心的部分，该中心部分包括电子检测表面(该中心部分被例如如上所述的成角度部分围绕，该成角度部分被布置成促进期望的离子到离子转换)。

然而，其他布置当然也是可能的。例如，通过适当地布置和成形第一转换电极，第一转换电极可以另选地被布置成将二次电子引导到与第二转换电极相邻的电子检测表面上，或者甚至与第二转换电极完全分离。

电子检测表面通常可以维持在大于或等于第二转换电极的电位的电位。这可以取决于电子检测表面和第二转换电极的相对布置。

例如，当电子检测表面包括第二转换电极的表面时，电子检测表面通常可以维持在与第二转换电极相同的电位。另一方面，在第二转换电极与电子检测表面分开设置的实施方案中，电子检测表面可以保持在比第二转换电极相对更高的电位，例如以便将由第二转换电极产生的二次电子吸向电子检测表面。在实施方案中，电子检测表面可以维持在高于约以下值的绝对电位：(i)1kV；(ii)5kV，(iii)7.5kV，或(iv)10kV。

离子检测器可以包括真空壳体，其中第一转换电极和第二转换电极、用于第一转换电极和第二转换电极的电源以及电子检测表面、入口电极和电子检测表面被包含在真空壳体内。因此，在使用中，离子检测器可维持在真空压力下。例如，离子检测器可以在低于约以下值的压力下使用：(i)10^-4毫巴；(ii)10^-5毫巴；或(iii)10^-6毫巴。

然而，也可以考虑其他布置。例如，入口电极可以被提供为检测器壳体的一部分，或者甚至在真空壳体的外部，同时仍然作用以将离子吸入到检测器的位于第一转换电极与第二转换电极之间的区域中。类似地，电源的至少一些可以设置在真空壳体的外部。

当使用光敏检测器诸如光电倍增管时，这也可以设置在真空壳体内。另选地，光导可以用于将由电子检测表面产生的光子从真空壳体朝向光敏检测器转移。

根据第二方面，提供一种使用双模式离子检测器检测离子的方法，该双模式离子检测器包括：第一转换电极，该第一转换电极被布置用于将入射的正离子转换为二次电子；第二转换电极，该第二转换电极被布置用于将入射的负离子转换为二次正离子和/或二次电子；电子检测表面；以及入口电极，可以向该入口电极施加电位以将进入的离子吸入到离子检测器中，

该方法包括：

将第一转换电极维持在负电位；

将第二转换电极维持在正电位；以及

以用于检测正离子的第一模式或用于检测负离子的第二模式操作离子检测器，其中：

在第一模式中，负电位被施加到入口电极，使得进入的正离子被吸入到离子检测器中并且被致使初始撞击第一转换电极以产生二次电子，该方法包括使用电子检测表面检测二次电子；以及

在第二模式中，将正电位施加到入口电极，使得：

(i)进入的负离子被吸入到离子检测器中，并且被致使初始撞击第二转换电极以产生二次正离子，该方法包括使用第一转换电极将二次正离子转换成二次电子，然后使用电子检测表面检测二次电子；以及/或者

(ii)进入的负离子被吸入到离子检测器中，被致使初始撞击第二转换电极以产生二次电子，该方法包括使用电子检测表面检测二次电子。

离子检测器可被提供为质量分析仪、质谱仪和/或离子迁移谱仪的一部分。

本文公开的谱仪可以包括离子源，其选自由以下组成的组：(i)电喷雾电离(“ESI”)离子源；(ii)大气压光电电离(“APPI”)离子源；(iii)大气压化学电离(“APCI”)离子源；(iv)基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源；(v)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(vi)大气压电离(“API”)离子源；(vii)硅上解吸电离(“DIOS”)离子源；(viii)电子撞击(“EI”)离子源；(ix)化学电离(“CI”)离子源；(x)场电离(“FI”)离子源；(xi)场解吸(“FD”)离子源；(xii)电感耦合等离子体(“ICP”)离子源；(xiii)快速原子轰击(“FAB”)离子源；(xiv)液体二次离子质谱(“LSIMS”)离子源；(xv)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(xvi)镍-63放射性离子源；(xvii)大气压基质辅助激光解吸电离离子源；(xviii)热喷雾离子源；(xix)大气取样辉光放电电离(“ASGDI”)离子源；(xx)辉光放电(“GD”)离子源；(xxi)撞击器离子源；(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xxiii)激光喷雾电离(“LSI”)离子源；(xxiv)超声喷雾电离(“SSI”)离子源；(xxv)基质辅助入口电离(“MAII”)离子源；(xxvi)溶剂辅助入口电离(“SAII”)离子源；(xxvii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(xxviii)激光烧蚀电喷雾电离(“LAESI”)离子源；以及(xxix)表面辅助激光解吸电离(“SALDI”)离子源。谱仪可以包括一个或多个连续或脉冲离子源。

谱仪可包括一个或多个碰撞、碎裂或反应室，其选自由以下组成的组：(i)碰撞诱导解离(“CID”)碎裂装置；(ii)表面诱导解离(“SID”)碎裂装置；(iii)电子转移解离(“ETD”)碎裂装置；(iv)电子捕获解离(“ECD”)碎裂装置；(v)电子碰撞或撞击解离碎裂装置；(vi)光诱导解离(“PID”)碎裂装置；(vii)激光诱导解离碎裂装置；(viii)红外辐射诱导解离装置；(ix)紫外辐射诱导解离装置；(x)喷嘴-撇渣器界面碎裂装置；(xi)源内碎裂装置；(xii)源内碰撞诱导解离碎裂装置；(xiii)热源或温度源碎裂装置；(xiv)电场诱导碎裂装置；(xv)磁场诱导碎裂装置；(xvi)酶消化或酶降解碎裂装置；(xvii)离子-离子反应碎裂装置；(xviii)离子-分子反应碎裂装置；(xix)离子-原子反应碎裂装置；(xx)离子-亚稳态离子反应碎裂装置；(xxi)离子-亚稳态分子反应碎裂装置；(xxii)离子-亚稳态原子反应碎裂装置；(xxiii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-离子反应装置；(xxiv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-分子反应装置；(xxv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-原子反应装置；(xxvi)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态离子反应装置；(xxvii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态分子反应装置；(xxviii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态原子反应装置；和(xxix)电子电离解离(“EID”)碎裂装置。

谱仪可包括一个或多个滤质器，其选自由以下组成的组：(i)四极滤质器；(ii)2D或线性四极离子阱；(iii)Paul或3D四极离子阱；(iv)Penning离子阱；(v)离子阱；(vi)磁性扇区滤质器；(vii)飞行时间滤质器；以及(viii)Wien过滤器。

谱仪可以包括用于对离子施以脉冲的装置或离子门；和/或用于将基本上连续的离子束转换成脉冲离子束的装置。

谱仪可以包括质量分析仪，其选自由以下组成的组：(i)四极杆质量分析仪；(ii)2D或线性四极杆质量分析仪；(iii)保罗(Paul)或3D四极杆质量分析仪；(iv)彭宁阱(Penning trap)质量分析仪；(v)离子阱质量分析仪；(vi)磁扇形质量分析仪；(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析仪；(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析仪；(ix)被布置成生成具有四次对数电位分布的静电场的静电质量分析仪；(x)傅里叶变换静电质量分析仪；(xi)傅立叶变换质量分析仪；(xii)飞行时间质量分析仪；(xiii)正交加速飞行时间质量分析仪；以及(xiv)线性加速飞行时间质量分析仪。

附图说明

现在将仅通过举例的方式并且参考附图来描述各个实施方案，在附图中：

图1是质谱仪的示意性框图；

图2示意性地示出了现有离子检测器的示例；

图3示意性地示出了根据实施方案的离子检测器的示例；

图4示意性地示出了在正离子检测模式下操作的图3的离子检测器的示例；

图5示意性地示出了在负离子检测模式下操作的图3的离子检测器的示例；

图6示意性地示出了根据另一实施方案的在正离子检测模式下操作的离子检测器的示例；以及

图7示意性地示出了在负离子检测模式下操作的图6的离子检测器的示例。

具体实施方式

图1示出了适于与根据本公开的离子检测器一起操作的典型质谱仪的示例。质谱仪包括离子源1、一个或多个离子引导和/或操纵级2以及质量分析仪3。尽管图1示出了线性布置，但是将理解的是，各种几何形状是可能的。而且，虽然图1示出质谱仪的示例，但是将理解，根据本公开的离子检测器也可在其他离子分析仪器(诸如离子迁移谱仪或混合质谱仪和离子迁移谱仪)中找到效用。

参考图1，离子因此由离子源1生成，然后通过离子引导和/或操纵级2朝向质量分析仪3传输，在那里这些离子根据它们的质荷比被分离，然后进入离子检测器4以进行检测。质谱仪能够分析正离子和负离子两者。例如，离子源1可以被配置为生成正离子和/或负离子，并且仪器然后可以被配置为例如通过适当地配置沿着仪器的电位来传输、分析和检测正离子或负离子。因此，离子检测器必须可操作以检测正离子及负离子两者。

图2示出了现有双模式离子检测器的示例，该双模式离子检测器包括可切换倍增器电极部分10、保持在固定负电位的环形倍增器电极12和保持在固定正电位的磷光体部分14。这些元件在使用中都维持在相对高的电位，例如kV量级。例如，在典型布置中，倍增器电极部分10可以是在约+/-8kV之间可切换的，环形倍增器电极12可以被保持在约-4.5kV，并且磷光体部分14被保持在约+9kV。

为了将图2所示的离子检测器在其正离子检测模式和负离子检测模式之间切换，使用合适的(可切换)高压电源(未示出)相应地设置施加到倍增器电极部分10的电位。

例如，在正离子检测模式中，倍增器电极部分10被设置为负电位(例如，-8kV)，并且进入的正离子初始撞击该倍增器电极部分10，从而产生二次电子，该二次电子然后撞击磷光体部分14，以生成指示正离子已经到达检测器的检测信号。例如，磷光体部分14通常涂覆有合适的磷光材料，诸如P47磷光体或等同物，使得撞击磷光体部分14的二次电子生成随后可由合适的光子检测器(例如，光电倍增管)检测的光子。应当理解，以这种方式将电子转换成光子有助于将检测器电子器件与施加到检测器的电极的较高电压解耦。

因此，用于生成检测信号的二次电子和光子以及由此由离子检测器产生的检测信号与特定的进入离子相关联。

另一方面，在负离子检测模式中，倍增器电极部分10被替代地设置为正电位(例如，+8kV)。撞击该倍增器电极部分10的进入的负离子现在产生二次正离子，该二次正离子然后撞击环形倍增器电极12，由此产生二次电子，该二次电子然后撞击磷光体部分14并且例如以与上述相同的方式生成与进入的离子相关联的信号。

因此，图2所示的检测器依赖于切换施加到倍增器电极部分10的相对高电压的极性。然而，切换高压元件的极性可能是复杂的，通常需要具有相对慢的切换时间的相对复杂(昂贵)的高压电源，其中切换引入大的电压瞬变。这种电源的典型尺寸还意味着这些电源必须典型地定位在检测器真空室的外部，从而需要提供昂贵的高压馈通(high voltagefeed through)。

图3因此示出了根据实施方案的离子检测器的示例。这里，检测器具有倍增器电极部分20和磷光体部分22形式的两个高压转换电极(倍增器电极)，所述两个高压转换电极以已知的方式作用以引起期望的离子到离子转换或离子到电子转换，如下文进一步所述。然而，现在，这些元件两者都保持在固定电位。例如，倍增器电极部分20可以保持在固定的负电位，并且磷光体部分22保持在固定的正电位。为了允许检测器在正离子检测模式和负离子检测模式之间切换，在检测器的入口处提供例如提取透镜形式的入口电极24(这里包括具有中心孔隙的环形电极，离子通过该中心孔隙进入检测器)。通过将适当的电位施加到入口电极24，入口电极24因此能够将进入的离子吸入到离子检测器中。

例如，离子通常将作为例如来自上游四极装置的准直束沿着中心轴线到达离子检测器。如果不存在入口电极24，则由于在转换电极之间的区域中存在高场，因此并非所有的离子都将被吸引到检测器中。例如，在倍增器电极部分20和磷光体部分22上的电位固定的情况下，取决于哪个部分最靠近入口，在离子入口处将存在净电场，使得仅具有一个极性的离子将进入检测器(具有另一个极性的离子经历势垒)。原则上，可以将检测器布置为通过改变施加到转换电极的高电压或者甚至这些元件之间的距离来使该区域吸引正离子或负离子，但是这可能需要复杂的电路并且在期望的切换时间尺度中可能是不切实际的。

入口电极24将离子与该高场区域屏蔽开，并且提供进入检测器的有吸引力的路径。因此，入口电极24的极性在操作模式之间切换，以吸引具有期望极性的离子。当离子经过或穿过入口电极24时，离子随后受到强场的作用，并且根据它们的极性而朝向相关的转换电极(即倍增器电极部分20或磷光体部分22)离轴移动。

如图3所示，倍增器电极部分20和磷光体部分22的布置使得这些部分在入口电极24的任一侧上彼此面对。磷光体部分22包括中心平坦部分，该中心平坦部分使用充当光电发射电子检测器的合适磷光体材料26来涂覆。例如，磷光体材料26通常布置成响应于撞击在其上的电子而发射光子。磷光体材料26可以设置在透明载片上，使得这些光子可以随后例如使用合适的光电倍增管布置28来检测。磷材料26可以包括任何适当的磷光材料。例如，可以包括常规的P47磷光体。然而，也可以使用其他合适的磷光材料。等效地，可以提供荧光材料。在图3所示的示例中，光电倍增管布置28包含在检测器壳体30中。然而，还可以设想，可以使用光导将光子从壳体转移到合适的光检测器上。

倍增器电极部分20和磷光体部分22两者通常被成形为限定待检测的离子(和电子)的轨迹，并且特别地以期望的方式将离子和电子朝向设置在磷光体部分22的平坦部分上的磷光体材料26引导。例如，如图3所示，倍增器电极部分20和磷光体部分22可以关于入口电极24的轴线(离子沿着其进入离子检测器的轴线)基本上对称，并且可以各自包括作用以如所期望地引导离子(电子)的成角度部分。

例如，在正离子检测模式中，将负电位施加到入口电极24以使进入的正离子被吸入检测器中。当正离子通过入口电极24进入检测器的高场区域中时，正离子初始撞击倍增器电极部分20，从而产生二次电子，然后该二次电子撞击磷光体部分22的平坦检测部分中的磷材料26。二次电子撞击在磷材料26上，继而产生光子，然后可以使用适当的光敏检测器诸如光电倍增管28的来适当地检测该光子。图4中示出了正离子模式中的典型离子轨迹，其中进入的正离子32被转换成二次电子34，然后被检测到。

另一方面，当在负离子检测模式下操作时，向入口电极24施加正电位，使得进入的负离子被吸入到检测器中，在检测器中，这些离子然后被致使初始撞击磷光体部分22的成角度部分，从而产生二次正离子，二次正离子然后被致使撞击倍增器电极部分20以产生二次电子，二次电子然后撞击磷光体部分22的平坦检测部分中磷材料26，并且可以以上述方式被检测。图5中示出了负离子模式中的典型离子轨迹，其中进入的负离子42被转换成二次正离子44，该二次正离子又被转换成二次电子46，然后被检测到。

这很好地工作，因为进入的离子束通常已经被径向约束，例如由于上游聚焦的结果，使得进入检测器的离子沿着明确限定的轴线进入检测器壳体，使得设置入口电极24以根据需要将进入的离子吸引到检测器中相对简单。例如，入口电极24可以被布置在离子检测器壳体内部，基本上在离子入口处并且与该轴线对准。因此，相对简单的静电透镜可以用作入口电极24，而不是任何更复杂的布置，例如，可能需要处理从一定角度范围进入的离子。

因此，在图3中，为了在正离子模式和负离子模式之间切换，仅需要切换施加到入口电极24的(相对较低的)电位。这意味着倍增器电极部分20和磷光体22上的相对高的电位可以保持恒定。这允许使用单极性电源用于施加到这些部分的高电压，其通常比快速切换的高电压电源便宜得多且小得多。而且，由于高压电源不被切换，所以它们消耗较少的功率。这可以允许将电源放置在真空内部，例如，从而消除对昂贵的高压馈通的需要。

而且，低压元件诸如入口电极24也可以比典型的高压电源更快地切换(并且在切换时通常更稳定，具有更小的电压瞬变)。因此，检测器的极性切换速度也可以被提高(例如，到亚毫秒切换速度)。

转换电极通常可以包括金属元素。然而，转换电极的表面可以涂覆有合适的材料以促进期望的离子到离子转换和离子到电子转换。而且，由于倍增器电极部分20总是用于正离子的初始转换，并且磷光体部分22用于负离子的转换，因此与图2中倍增器电极部分10用于两种模式下的初始转换不同，这些表面可以更好地针对这些转换进行优化。这可以允许更高的量子效率转换，并且因此允许更高的检测器灵敏度。

图6和图7示出了根据另选实施方案的离子检测器的另一示例。这里，代替如在上述实施方案中那样在磷光体部分22的平坦检测部分上提供磷材料26，将磷材料56涂覆在单独的电子检测表面53上。

因此，以与上述类似的方式，进入的离子通过环形入口电极54被吸入，然后被致使撞击在使用中保持在负电压的倍增器电极部分50或在使用中保持在正电压的环形电极52。例如，倍增器电极部分50可以保持在-8kV的负电压，并且环形电极52可以保持在+8kV的正电压。然后，电子检测表面53可以保持在较高的正电压，例如约+15kV。

图6示出了正离子检测模式下的离子检测器。当处于正离子模式时，离子检测器以与图3中所示的离子检测器的正离子模式类似的方式工作。相对小的负电位(例如，-200V)被施加到入口电极54，以使进入的正离子62被吸入检测器中。当正离子62通过入口电极54进入检测器的高场区域中时，正离子62初始撞击倍增器电极部分50，从而产生二次电子64。

然后，例如由于检测表面53保持在比环形电极52更高的正电压下，二次电子64通过环形电极52被吸引向检测表面53上的磷材料56。

以与上述相同的方式，二次电子撞击在磷材料56上，继而产生光子，然后可以使用合适的光敏检测器(例如,包括上述光电倍增管28)来检测光子。

在负离子检测模式中，如图7所示，正电位(例如，+200V)施加到入口电极54以致使进入的负离子72被吸入检测器中。负离子72进入检测器的高场区域中，并且被致使初始撞击环形电极52，从而产生二次电子74。由于施加到检测表面53的较高电位，这些二次电子74又撞击磷材料56，并且以上述方式检测所产生的光子。

尽管在上述实施方案中描述了负离子初始被转换成二次正离子或二次电子，但是注意到，在一些情况下，单个负离子可以产生二次正离子和二次电子的组合。在这种情况下，通过控制电极的相对布置，检测器可以被布置成检测二次正离子(如图5中所示)、直接检测二次电子(如图7中所示)、或者检测两者的组合。应当理解，负离子是否主要转换为二次位置离子或二次电子，或者转换为两者，这可以通过例如在电极上提供合适的表面涂层或表面饰面来控制，这在本领域中是公知的。

因此，尽管已参考各种实施方案描述本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于质谱仪和/或离子迁移谱仪的双模式离子检测器，所述检测器包括：

第一转换电极，所述第一转换电极在使用中被维持在负电位，并且被布置用于将入射的正离子转换成二次电子；

第二转换电极，所述第二转换电极在使用中被维持在正电位，并且被布置用于将入射的负离子转换成二次正离子和/或二次电子；

电子检测表面；以及

入口电极，所述入口电极用于将离子吸入到所述离子检测器中，

其中所述离子检测器能够在用于检测正离子的第一模式与用于检测负离子的第二模式之间切换，

其中在所述第一模式中，向所述入口电极施加负电压以将进入的正离子吸入到所述离子检测器中，使得进入的正离子通过所述入口电极被吸入到所述离子检测器中，然后朝向所述第一转换电极加速并且被致使初始撞击所述第一转换电极以产生二次电子，

而在所述第二模式中，向所述入口电极施加正电压以将进入的负离子吸入到所述离子检测器中，使得进入的负离子被吸入到所述离子检测器中，然后朝向所述第二转换电极加速并且被致使初始撞击所述第二转换电极以产生二次正离子和/或二次电子，

其中所述第一转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第一转换电极的正离子产生的二次电子随后被致使撞击所述电子检测表面，并且

其中：

(i)所述第二转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第二转换电极的负离子产生的二次正离子然后被致使撞击所述第一转换电极以产生二次电子，所述二次电子继而被致使撞击所述电子检测表面，并且/或者

(ii)所述第二转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第二转换电极的负离子产生的二次电子然后被致使撞击所述电子检测表面。

2.根据权利要求1所述的离子检测器，其中所述第一转换电极和所述第二转换电极在使用中被保持在固定电位。

3.根据权利要求1或2所述的离子检测器，其中所述入口电极包括静电透镜。

4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的离子检测器，其中所述第一转换电极和所述第二转换电极被布置成在所述入口电极的任一侧上基本上彼此面对。

5.根据任一项前述权利要求所述的离子检测器，其中所述电子检测表面被设置为所述第二转换电极的一部分或邻近所述第二转换电极。

6.根据任一项前述权利要求所述的离子检测器，其中所述电子检测表面包括被布置为响应于电子撞击所述电子检测表面而发射光子的发光材料，并且其中提供光敏检测器诸如光电倍增管以检测所发射的光子。

7.根据任一项前述权利要求所述的离子检测器，其包括控制器，所述控制器被配置为通过改变施加到所述入口电极的电压在第一操作模式和第二操作模式之间切换所述离子检测器。

8.根据任一项前述权利要求所述的离子检测器，其包括真空壳体，其中所述第一转换电极和所述第二转换电极、用于所述第一转换电极和所述第二转换电极的电源、所述入口电极和所述电子检测表面被包含在所述真空壳体内。

9.一种质谱仪和/或离子迁移谱仪，其包括根据权利要求1至8中任一项所述的离子检测器。

10.一种使用根据权利要求1至8中任一项所述的双模式离子检测器来检测质谱仪和/或离子迁移谱仪内的离子的方法，所述方法包括：

根据要检测的所述离子的极性将所述离子检测器设置为所述第一模式或所述第二模式；以及

使用所述离子检测器检测所述离子。

11.一种使用双模式离子检测器检测离子的方法，所述双模式离子检测器包括：第一转换电极，所述第一转换电极被布置用于将入射的正离子转换为二次电子；第二转换电极，所述第二转换电极被布置用于将入射的负离子转换为二次正离子和/或二次电子；电子检测表面；以及入口电极，可以向所述入口电极施加电位以将进入的离子吸入到所述离子检测器中，

所述方法包括：

将所述第一转换电极维持在负电位；

将所述第二转换电极维持在正电位；以及

以用于检测正离子的第一模式或用于检测负离子的第二模式操作所述离子检测器，其中：

在所述第一模式中，负电位被施加到所述入口电极，使得进入的正离子被吸入到所述离子检测器中并且被致使初始撞击所述第一转换电极以产生二次电子，所述方法包括使用所述电子检测表面检测所述二次电子；以及

在所述第二模式中，将正电位施加到所述入口电极，使得：

(i)进入的负离子被吸入到所述离子检测器中，并且被致使初始撞击所述第二转换电极以产生二次正离子，所述方法包括使用所述第一转换电极将所述二次正离子转换成二次电子，然后使用所述电子检测表面检测所述二次电子；以及/或者

(ii)进入的负离子被吸入到所述离子检测器中，被致使初始撞击所述第二转换电极以产生二次电子，所述方法包括使用所述电子检测表面检测所述二次电子。

12.根据权利要求11所述的方法，其包括将所述第一转换电极和所述第二转换电极维持在固定电位。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述入口电极包括静电透镜。

14.根据权利要求11、12或13中任一项所述的方法，其中所述第一转换电极和所述第二转换电极被布置成在所述入口电极的任一侧上基本上彼此面对。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述电子检测表面被设置为所述第二转换电极的一部分或邻近所述第二转换电极。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中所述电子检测表面包括被布置为响应于电子撞击所述电子检测表面而发射光子的发光材料，并且其中提供光敏检测器诸如光电倍增管以检测所发射的光子。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其包括通过改变施加到所述入口电极上的电压在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换所述离子检测器。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中所述离子检测器包括真空壳体，其中所述第一转换电极和所述第二转换电极、用于所述第一转换电极和所述第二转换电极的电源、所述入口电极和所述电子检测表面被包含在所述真空壳体内。

19.一种质谱仪和/或离子迁移谱仪的方法，其包括根据权利要求11至18中任一项所述的方法。

20.一种质谱仪和/或离子迁移谱仪，其包括用于质谱仪和/或离子迁移谱仪的双模式离子检测器，所述检测器包括：

第一转换电极，所述第一转换电极在使用中被维持在负电位，并且被布置用于将入射的正离子转换成二次电子；

第二转换电极，所述第二转换电极在使用中被维持在正电位，并且被布置用于将入射的负离子转换成二次正离子和/或二次电子；

电子检测表面；以及

入口电极，所述入口电极用于将离子吸入到所述离子检测器中，

其中所述离子检测器能够在用于检测正离子的第一模式与用于检测负离子的第二模式之间切换，

其中在所述第一模式中，向所述入口电极施加负电压以将进入的正离子吸入到所述离子检测器中，使得进入的正离子通过所述入口电极被吸入到所述离子检测器中，然后朝向所述第一转换电极加速并且被致使初始撞击所述第一转换电极以产生二次电子，

而在所述第二模式中，向所述入口电极施加正电压以将进入的负离子吸入到所述离子检测器中，使得进入的负离子被吸入到所述离子检测器中，然后朝向所述第二转换电极加速并且被致使初始撞击所述第二转换电极以产生二次正离子和/或二次电子，

其中所述第一转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第一转换电极的正离子产生的二次电子随后被致使撞击所述电子检测表面，并且

其中：

(i)所述第二转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第二转换电极的负离子产生的二次正离子然后被致使撞击所述第一转换电极以产生二次电子，所述二次电子继而被致使撞击所述电子检测表面；并且/或者

(ii)所述第二转换电极被布置和成形为使得由撞击所述第二转换电极的负离子产生的二次电子然后被致使撞击所述电子检测表面。

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