Регистрация ионов в масс-спектрометрии представляет собой заключительный этап анализа, определяющий точность, чувствительность и динамический диапазон метода. Детекторы преобразуют поток ионов, прошедших через масс-анализатор, в электрический сигнал, который затем усиливается, обрабатывается и преобразуется в спектр. Ключевая задача детектора заключается в том, чтобы обеспечить линейную зависимость между числом зарегистрированных ионов и интенсивностью выходного сигнала, сохраняя при этом высокую скорость отклика и минимальный уровень шума.
Эффективность детектирования определяется тремя параметрами: коэффициентом регистрации (число зарегистрированных ионов к общему числу попавших в детектор), временем отклика (характеризующим возможность регистрации быстрых импульсов) и долговечностью при длительной эксплуатации.
Электронные умножители (secondary electron multipliers, SEM) представляют собой наиболее распространённый тип детекторов в масс-спектрометрии. Принцип их работы основан на генерации каскада вторичных электронов при попадании иона на поверхность катода. Каждый ион, ударяясь о поверхность, выбивает несколько электронов, которые ускоряются в электрическом поле и, в свою очередь, выбивают новые электроны на последующих ступенях. В результате образуется лавина электронов, которая приводит к значительному усилению сигнала.
Особенности:
Существуют два конструктивных варианта: дискретные умножители (состоящие из последовательности электродов) и сплошные умножители (channel electron multipliers, CEM), где электроны умножаются при движении вдоль изогнутого канала.
В некоторых конфигурациях ионные пучки сначала преобразуются в поток фотонов. При ударе иона о флуоресцентный экран образуется световое излучение, которое затем регистрируется фотомножителем или чувствительной камерой. Такие системы применяются преимущественно в методах, где требуется визуализация распределения ионов, например в ионной микроскопии или при регистрации изображений в масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS).
Преимущества: возможность получения пространственно разрешённых карт распределения ионов. Недостатки: относительно низкая чувствительность и необходимость использования дополнительных преобразователей.
Фарадеев коллектор представляет собой металлический электрод, соединённый с высокочувствительным электроизмерительным устройством. При попадании иона на поверхность электрический заряд нейтрализуется, и фиксируется ток, пропорциональный количеству ионов.
Характерные особенности:
Фарадеевы коллекторы широко используются в изотопной масс-спектрометрии, где требуется высокая точность измерения относительных содержаний изотопов и стабильность сигнала при длительных регистрациях.
Микроканальные пластины (MCP, microchannel plates) представляют собой массив из множества параллельных микроканалов, каждый из которых работает по принципу электронного умножителя. При попадании иона в канал образуется лавина электронов, усиливающая сигнал. Благодаря множественности каналов достигается высокая скорость регистрации и возможность фиксации распределения ионов в пространстве.
MCP часто используются совместно с флуоресцентными экранами и ПЗС-камерами для визуализации масс-спектров в реальном времени. Их применяют в масс-спектрометрах времени пролёта (TOF-MS), где необходимо фиксировать большое количество ионов за короткие промежутки времени.
Современные разработки направлены на повышение долговечности, улучшение линейности отклика и расширение динамического диапазона. Значительное внимание уделяется гибридным системам, сочетающим несколько принципов регистрации, например MCP в комбинации с ПЗС-камерами или электронными умножителями.
Развиваются технологии позиционно-чувствительных детекторов, позволяющих фиксировать не только интенсивность, но и пространственное распределение ионов. В высокоточной изотопной масс-спектрометрии создаются многоколлекторные системы, обеспечивающие одновременную регистрацию сигналов от нескольких изотопов, что существенно повышает точность и снижает погрешность измерений.
Таким образом, выбор детектора в масс-спектрометрии определяется задачами анализа: для предельно высокой чувствительности предпочтительны электронные умножители, для количественного анализа и изотопных измерений — фарадеевы коллекторы, для визуализации и быстрого анализа сложных смесей — микроканальные пластины и фотонные детекторы.