JP2017525095A - 飛行時間質量分析計 - Google Patents

Abstract

飛行時間質量分析計は、電子ビームを受容してイオンを放出するイオン化部と、イオン化部に前記電子ビームを注入する冷電子供給部と、イオン化部から放出されたイオンを感知するイオン検出部と、イオン化部と前記イオン検出部を連結するイオン分離部と、を含むが、冷電子供給部は紫外線を受容して電子ビームを放出するマイクロチャネルプレート（Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）を含み、イオン化部から放出されたイオンはイオン分離部を通過してイオン検出部に到達し、イオン分離部は直管（ｓｔｒａｉｇｔ ｔｕｂｅ）状である。

Description

本発明は質量分析計に関するものであって、詳しくは、冷電子ビームをイオン化源として使用する飛行時間質量分析計に関するものである。

飛行時間質量分析計は、試料における互いに異なる質量を有する分子をイオン化し、発生したイオンの電流を測定する。質量分析計は、イオンを分離する方法によって多様な形態に区分される。

質量分析計のうち一つとして、飛行時間質量分析計がある。飛行時間質量分析計は、イオンの飛行時間を利用して質量を分析する。質量分析の正確性のために、イオン化時間の差を最小化して電子を試料と衝突させる。

本発明が解決しようとする一課題は、正確度の高い飛行時間質量分析計を提供することである。

本発明が解決しようとする一課題は、小型化に適合した飛行時間質量分析計を提供することである。

但し、本発明が解決しようとする課題が前記開示に限られることはない。

前記課題を解決するための本発明の飛行時間質量分析計は、電子ビームを受容してイオンを放出するイオン化部と、前記イオン化部に前記電子ビームを注入する冷電子供給部と、前記イオン化部から放出された前記イオンを感知するイオン検出部と、前記イオン化部と前記イオン検出部を連結するイオン分離部と、を含むが、前記冷電子供給部は紫外線を受容して前記電子ビームを放出するマイクロチャネルプレート（Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）を含み、前記イオン化部から放出された前記イオンは前記イオン分離部を通過して前記イオン検出部に到達し、前記イオン分離部は直管（ｓｔｒａｉｇｔ ｔｕｂｅ）状である。

一実施例によると、前記冷電子供給部は、前記マイクロチャネルプレートで前記紫外線を放出する紫外線ダイオード（ＵＶ ｄｉｏｄｅ）を更に含む。

一実施例によると、前記マイクロチャネルプレートは、前記紫外線を収容して電子を生成する前面板と、前記電子ビームを放出する後面板と、を含み、前記電子ビームは前記マイクロチャネルプレート内で増倍（ｍｕｌｔｉｐｌｙ）された前記電子である。

一実施例によると、前記増倍は１０^４倍乃至１０^９倍である。

一実施例によると、前記冷電子供給部は、前記マイクロチャネルプレートから放出された前記電子ビームを増倍するチャネルトロン電子増倍器（ｃｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を更に含む。

一実施例によると、前記チャネルトロン電子増倍器は、前記マイクロチャネルプレートから放出された前記電子ビームを１０^４倍乃至１０^９倍増倍する。

一実施例によると、前記冷電子供給部は、前記チャネルトロン電子増倍器を介して増倍された前記電子ビームを集積（ｆｏｒｃｕｓｉｎｇ）して前記イオン化部に放出するイオンレンズを更に含む。

一実施例によると、前記冷電子供給部は、前記イオンレンズから放出された前記電子ビームが前記イオン化部に注入されることを遮断するか許容するゲート電極を更に含む。

一実施例によると、前記イオン検出部は前記イオンを受容して電子を生成、増幅及び感知し、前記イオン検出部は前記電子を増幅するマイクロチャネルプレートまたはチャネルトロン電子増倍器を含む。

一実施例によると、内部空間が真空である。

一実施例によると、内部空間の圧力が１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒである。

一実施例によると、前記イオン化部は前記電子ビームと衝突し、前記イオンを発生する試料が配置される試料部と、前記試料部の上に試料を供給する試料供給部と、を含む。

一実施例によると、前記試料供給部は気体試料を前記試料部の上に噴射し、前記気体試料は前記試料部の上面に吸着される。

一実施例によると、前記試料供給部は、前記気体試料をパルス（ｐｕｌｓｅ）方式で前記試料部の上に提供する。

一実施例によると、前記試料供給部は液体試料を前記試料部の上に噴霧し、前記液体試料は前記試料部の上に吸着される。

本発明の一実施例によると、イオンのイオン化時間の差が小さい飛行時間質量分析計が提供される。これによって、飛行時間質量分析計の正確度を高くすることができる。

本発明の一実施例によると、電力の消費が少なく、正確度が高い飛行時間質量分析計が提供される。これによって、小型化に適合した飛行時間質量分析計を提供することができる。

但し、本発明の効果が前記開示に限られることはない。

本発明の実施例による飛行時間質量分析計の断面図である。 本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。 本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。 本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。 本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。

本発明の構成及び効果を十分に理解するために、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。しかし、本発明が以下で開示される実施例に限られることはなく、様々な形態に具現され多様な変更を加えることができる。但し、本実施例の説明を介して本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供されるものである。

図１は、本発明の実施例による飛行時間質量分析計の断面図である。図２は、本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。

図１及び図２を参照すると、冷電子供給部１００が提供される。冷電子供給部１００は熱電子ではなく、紫外線を利用した冷電子を放出する。冷電子供給部１００は紫外線を放出する紫外線ダイオード１１０、前記紫外線を利用してビームｅを生成、増倍及び放出するマイクロチャネルプレート１２０、前記ビームｅを増倍して放出するチャネルトロン電子増倍器１３０、前記電子ビームｅを損失することなく電子増倍器から放出されるようにする入口電極１４０、前記電子ビームｅを集積するイオンレンズ１５０、及び前記電子ビームｅの放出可否を制御するゲート電極１６０を含む。冷電子供給部１００の内部空間は実質的に真空状態である。一例において、冷電子供給部１００の内部空間は約１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒの圧力を有する。

紫外線ダイオード１１０は紫外線をマイクロチャネルプレート１２０に向かって放射する。紫外線ダイオード１１０は数ｍＡ〜数百ｍＡレベルの電流を数ナノ秒乃至数百マイクロ秒の短時間で利用するため、電力消耗が少ない。

紫外線ダイオード１１０と向き合うマイクロチャネルプレート１２０が提供される。マイクロチャネルプレート１２０は紫外線を利用して電子ビームｅを生成、増幅及び放出する。マイクロチャネルプレート１２０は紫外線ダイオード１１０に対向する前面板１２２と、前面板１２２の反対側に配置される後面板１２４を有する。前面板１２２は紫外線ダイオード１１０から供給された紫外線を受容して光電子を生成する。前面板１２２は負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）電圧を有する。例えば、前面板１２２の電圧は約−３０００Ｖ乃至−１０００Ｖである。光電子はマイクロチャネルプレート内で増倍される。増倍された光電子を電子ビームｅと称する。一例において、電子ビームｅは光電子より約１０^４倍乃至１０^９倍増倍される。後面板１２４は増倍された電子ビームｅを放出する。後面板１２４は負電圧を有する。例えば、後面板１２４の電圧は約−３０００Ｖ乃至−１０００Ｖである。後面板１２４はチャネルトロン電子増倍器１３０で電子ビームｅを放出する。

チャネルトロン電子増倍器１３０はマイクロチャネルプレート１２０から供給された電子ビームｅを増倍する。チャネルトロン電子増倍器１３０は順番に配列された注入口１３２、第１電極１３３、増倍管１３６、第２電極１３４及び排出口１３８を含む。電子ビームｅは注入口１３２、増倍管１３６及び排出口１３８を通過して増倍される。一例において、電子ビームｅは１０^４倍乃至１０^９倍まで増倍される。

注入口１３２はマイクロチャネルプレート１２０の後面板１２４に隣接して配置される。注入口１３２はコーン状である。注入口１３２はマイクロチャネルプレート１２０から電子ビームｅを供給されて増倍する。第１電極１３３は注入口１３２に負電圧を印加する。一例において、第１電極１３３はマイクロチャネルプレート１２０の後面板１２４の電圧と実質的に同じ電圧を注入口１３２に印加する。例えば、第１電極１３３が注入口１３２に印加する電圧は約−３０００V乃至−１０００Vである。増倍管１３６と排出口１３８は電子ビームｅを増倍する。第２電極１３４は排出口１３８に負電圧を印加する。一例において、第２電極１３４は後面板１２４の電圧より高い電圧を排出口１３８に印加する。例えば、第２電極１３４が排出口１３８に印加する電圧は約−２００Ｖ乃至０Ｖである。

入口電極１４０は、チャネルトロン電子増倍器１３０内の電子ビームｅの直進性を上げて電子ビームｅが排出口１３８に向かうようにする。これによって、チャネルトロン電子増倍器１３０内の電子ビームｅは排出口１３８の外に損失なく放出される。一例において、入口電極１４０の電圧は約−２００Ｖ乃至０Ｖである。イオンレンズ１５０は排出口１３８から放出される電子ビームｅを集積する。イオンレンズ１５０は負電圧を有する。一例において、イオンレンズ１５０はマイクロチャネルプレート１２０の後面板１２４に印加される電圧より高い電圧を有する。

ゲート電極１６０は、イオンレンズ１５０を通過した電子ビームｅがイオン化部２００に注入されることを遮断するか許容する。例えば、ゲート電極１６０はオン（Ｏｎ）／オフ（Ｏｆｆ）状態を有する。ゲート電極１６０のオン状態において、イオンレンズ１５０を通過した電子ビームｅはゲート電極１６０を通過し、イオン化部２００内に注入される。ゲート電極１６０のオフ状態において、イオンレンズ１５０を通過した電子ビームｅはイオン化部２００内に注入されないことがある。

イオンＩが生成されるイオン化部２００が提供される。イオンＩは冷電子供給部１００から注入される電子ビームｅを利用して形成される。イオン化部２００は冷電子供給部１００と内部空間を共有する。これによって、イオン化部２００は冷電子供給部１００と実質的に同じ真空状態を有する。一例において、イオン化部２００の内部空間は約１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒの圧力を有する。イオン化部２００は、試料が配置される試料部２１０及び試料部２１０と試料部２１０の表面に垂直の方向に離隔されるメッシュ部２２０を含む。メッシュ部２２０は、試料部２１０から放出されたイオンＩが直進性を有するようにする。メッシュ部２２０はグリッド状である。イオンＩはメッシュ部２２０を通過する。

試料部２１０に正電圧が印加され、メッシュ部２２０に負電圧が印加される。これによって、試料部２１０とメッシュ部２２０との間に電場が形成される。電場は試料部２１０からメッシュ部２２０に向かう方向を有する。イオン化部２００内に注入される電子ビームｅは電場によって試料部２１０の方向に力を受け、試料部２１０に向かって曲がる。試料部２１０上の試料は電子ビームｅと衝突し、イオンＩを放出する。

一例において、気体試料Ｇが試料部２１０の上に噴射される。例えば、気体試料Ｇはパルス方式で試料部２１０の上に噴射される。気体試料Ｇは試料部２１０の表面に吸着される。試料部２１０の表面に吸着された試料は冷電子供給部１００から注入された電子ビームｅと衝突する。これによって、イオンＩが試料から放出される。イオンＩは試料の造成に応じて互いに異なる質量を有するイオンＩを含む。イオンＩは正電荷を帯び、試料部２１０からメッシュ部２２０の方向に力を受ける。イオンＩはメッシュ部２２０を通過してイオン分離部３００に移動する。一実施例において、メッシュ部２２０を２つ以上有する。この際、メッシュ部２２０は互いに平行に配置される。

メッシュ部２２０を通過したイオンＩが注入される、イオン分離部３００が提供される。イオン分離部３００は直管状である。イオン分離部３００はイオン化部２００及び冷電子供給部１００と内部空間を共有し、真空状態を有する。一例において、イオン分離部３００の内部空間は約１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒの圧力を有する。イオン化部２００で生成されたイオンＩはイオン分離部３００を介してイオン検出部４００に移動する。イオン分離部３００は試料部２１０の表面から垂直の方向に延長される。相対的に小さい質量を有するイオンＩの移動速力は相対的に大きい質量を有するイオンＩの移動速力より速い。互いに異なる質量を有するイオンＩは互いに異なるイオン分離部３００の通過時間を有する。

イオン分離部３００を通過したイオンＩを感知するイオン検出部４００が提供される。イオン検出部４００はイオン分離部３００、イオン化部２００及び冷電子供給部１００と内部空間を共有し、真空状態を有する。一例において、イオン検出部４００の内部空間は約１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒの圧力を有する。一例において、イオン検出部４００はマイクロチャネルプレート（図示せず）及び／またはチャネルトロン電子増倍器（図示せず）を含む。この際、マイクロチャネルプレート、チャネルトロン電子増倍器は冷電子供給部１００に含まれたマイクロチャネルプレート１２０、チャネルトロン電子増倍器１３０と実質的に同じである。例えば、イオンＩはマイクロチャネルプレート及び／またはチャネルトロン電子増倍器に注入されて電子を誘導する。電子はマイクロチャネルプレート及び／またはチャネルトロン電子増倍器内で増幅され、検出回路（図示せず）によって感知される。相対的に小さい質量を有するイオンＩと相対的に大きい質量を有するイオンＩが同時にイオン分離部３００内に進入した場合、相対的に小さい質量を有するイオンＩが相対的に大きい質量を有するイオンより先にイオン検出部４００に検出される。イオン分離部３００の長さが長いほど、互いに異なる質量を有するイオンＩが検出される時間の差が大きい。

互いに異なる質量を有する分子が電子ビームｅと衝突し、イオンを放出するイオン化時間の差が小さいほど飛行時間質量分析計の正確度が高い。冷電子をイオン化源（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）として利用すると、互いに異なる質量を有するイオンのイオン化時間の差は数〜数百ナノ秒の範囲になる。これによって、冷電子供給部１００を含む飛行時間質量分析計は正確度が高くなる。

冷電子をイオン化源として使用し、冷電子ではなく他のイオン化源を使用する場合よりイオン分離部３００の長さを短くしても所望の正確度を有する飛行時間質量分析計が得られる。これによって、小型化に適合した飛行時間質量分析計が提供される。また、本発明の飛行時間質量分析計は紫外線ダイオードを利用するため電力の消耗が少ない。

図３乃至図５は、本発明の実施例による飛行時間質量分析計の冷電子供給部とイオン化部の断面図である。簡潔な説明のために、図１及び図２を参照して説明した内容と実質的に同じものに関する説明は省略する。

図３を参照すると、試料部２１０の上に液体試料Ｌが提供される。液体試料Ｌは試料供給ノズル５１０を介して試料部２１０の上に噴霧される。液体試料Ｌは試料部２１０の表面に吸着される。液体試料Ｌは電子ビームｅと衝突してイオンＩを生成する。イオンＩはイオン分離部を通過し、イオン検出部で検出される。

図４を参照すると、試料として固体試料棒５２０が使用される。固体試料棒５２０は電子ビームｅと衝突してイオンＩを生成する。イオンＩはイオン分離部を通過し、イオン検出部で検出される。

図５を参照すると、試料部２１０の上にマトリックスサンプル（Ｍａｔｒｉｘ Ｓａｍｐｌｅ）、炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ、ＣＮＴ）またはグラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）５３０が提供される。マトリックスサンプル、炭素ナノチューブまたはグラフェン５３０は電子ビームｅと衝突してイオンＩを生成する。イオンＩはイオン分離部を通過し、イオン検出部で検出される。

本発明の実施例に関する以上の説明は、本発明を説明するための例示を提供するものである。よって、本発明が以上の実施例に限られることはなく、本発明の技術的思想内で該当技術分野の通常の知識を有する者によって前記実施例を組み合わせて実施するなど、様々な修正及び変更が可能であることは明らかである。

Claims (15)

1. 電子ビームを受容してイオンを放出するイオン化部と、
   前記イオン化部に前記電子ビームを注入する冷電子供給部と、
   前記イオン化部から放出された前記イオンを感知するイオン検出部と、
   前記イオン化部と前記イオン検出部を連結するイオン分離部と、を含むが、
   前記冷電子供給部は紫外線を受容して前記電子ビームを放出するマイクロチャネルプレート（Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）を含み、
   前記イオン化部から放出された前記イオンは前記イオン分離部を通過して前記イオン検出部に到達し、
   前記イオン分離部は直管（ｓｔｒａｉｇｔ ｔｕｂｅ）状である飛行時間質量分析計。
2. 前記冷電子供給部は、前記マイクロチャネルプレートで前記紫外線を放出する紫外線ダイオードを更に含む請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
3. 前記マイクロチャネルプレートは、前記紫外線を収容して電子を生成する前面板と、
   前記電子ビームを放出する後面板と、を含み、
   前記電子ビームは前記マイクロチャネルプレート内で増倍（ｍｕｌｔｉｐｌｙ）された前記電子である請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
4. 前記増倍は１０^４倍乃至１０^９倍である請求項３に記載の飛行時間質量分析計。
5. 前記冷電子供給部は、前記マイクロチャネルプレートから放出された前記電子ビームを増倍するチャネルトロン電子増倍器（ｃｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）を更に含む請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
6. 前記チャネルトロン電子増倍器は、前記マイクロチャネルプレートから放出された前記電子ビームを１０^４倍乃至１０^９倍増倍する請求項５に記載の飛行時間質量分析計。
7. 前記冷電子供給部は、前記チャネルトロン電子増倍器を介して増倍された前記電子ビームを集積（ｆｏｒｃｕｓｉｎｇ）して前記イオン化部に放出するイオンレンズを更に含む請求項５に記載の飛行時間質量分析計。
8. 前記冷電子供給部は、前記イオンレンズから放出された前記電子ビームが前記イオン化部に注入されることを遮断するか許容するゲート電極を更に含む請求項７に記載の飛行時間質量分析計。
9. 前記イオン検出部は前記イオンを受容して電子を生成、増幅及び感知し、
   前記イオン検出部は前記電子を増幅するマイクロチャネルプレートまたはチャネルトロン電子増倍器を含む請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
10. 内部空間が真空である請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
11. 内部空間の圧力が１０^−１０〜１０^−４Ｔｏｒｒである請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
12. 前記イオン化部は前記電子ビームと衝突し、前記イオンを発生する試料が配置される試料部と、
    前記試料部の上に試料を供給する試料供給部と、を含む請求項１に記載の飛行時間質量分析計。
13. 前記試料供給部は気体試料を前記試料部の上に噴射し、
    前記気体試料は前記試料部の上面に吸着される請求項１２に記載の飛行時間質量分析計。
14. 前記試料供給部は、前記気体試料をパルス（ｐｕｌｓｅ）方式で前記試料部の上に提供する請求項１３に記載の飛行時間質量分析計。
15. 前記試料供給部は液体試料を前記試料部の上に噴霧し、
    前記液体試料は前記試料部の上に吸着される請求項１３に記載の飛行時間質量分析計。

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