KR100691404B1 - 비선형 이온 후가속 장치 및 이를 이용한 질량분석 시스템 - Google Patents

비선형 이온 후가속 장치 및 이를 이용한 질량분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 먼지 입자에 포함된 성분의 구성요소를 보다 정밀하게 분석하기 위해 비선형 이온 후가속 장치를 통해 질량분해능을 증대시키는 질량분석 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 입자를 도입하는 도입부와, 상기 도입된 입자를 이온화하는 이온화부와, 상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 가속부, 및 상기 가속된 이온의 질량을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템을 제공한다. 본 발명에 의하면, 질량분석 시스템에서 비선형 후가속 장치를 사용하여 서로 다른 초기 에너지와 다른 방향으로 움직이는 이온의 경우에도 같은 시간에 TOF 이온 센서로 입력되기 때문에 이온의 질량 대 전하의 분해능을 높일 수 있다.
질량분석, 후가속 장치, 질량분해능, 비선형, 전기장

Description

비선형 이온 후가속 장치 및 이를 이용한 질량분석 시스템{Non-linear Ion Post-Focusing Apparatus And Mass Spectrometer Which Uses The Apparatus}
도 1은 일반적인 에어로졸 질량분석기의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 이온을 추출/가속/재가속하는 장치의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 2차 후가속을 수행하기 전의 이온군들의 위치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 2차 후가속을 수행하기 전의 이온군들의 에너지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 2차 후가속을 위해 사용하는 가속판의 전압분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 초기 에너지 및 방향이 다른 여러 가지 이온의 TOF 신호를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 질량분석 방법의 흐름도를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 에어로졸 102: 에어로졸 도입용 노즐
103, 104: 스키머
105: 연속 발진 레이저 106: 광센서
107: 이온 반사용 전극판 108: 이온 추출용 전극판
109: 이온 가속용 전극판 110: 고출력 펄스형 레이저
111: TOF 자유 전기장 튜브 112: 자유 전기장 전극판
113: 이온 센서
201: 양이온 반사판 202: 이온 추출판
203: 1차 이온 가속판 204-1, 204-2: 이온
205: 2차 후가속판 206: TOF 자유 전자장 전극판
207: 이온 센서
301: 초기 이동 방향이 90도인 이온의 위치
302: 초기 이동 방향이 0도인 이온의 위치
303: 초기 이동 방향이 180도인 이온의 위치
401: 0도 및 180도 방향으로 진행하는 이온의 에너지
402: 90도 방향으로 진행하는 이온의 에너지
601: m = 65 이온의 TOF 신호
602: m = 64 이온의 TOF 신호
603: 일정한 전압에서 얻어지는 m = 65 이온의 TOF 신호
604: 일정한 전압에서 얻어지는 m = 64 이온의 TOF 신호
본 발명은 공기 중에 포함된 먼지의 성분을 분석하는 질량분석 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 먼지 입자에 포함된 성분의 구성요소를 보다 정밀하게 분석하기 위해 비선형 이온 후가속 장치를 통해 질량분해능을 증대시키는 질량분석 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 공기 중에 포함된 먼지의 성분을 실시간으로 측정하는 장치가 개발되어 이를 환경이나 기상 연구에 많이 적용하고 있는 추세이다. 또한, 이러한 측정 장치의 성능 중에서 특히 질량분석 분해능을 향상시키는 방안에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 질량분석 분해능을 향상시키는 방안은 대기 중에 부유하는 고체 또는 액체의 미립자인 에어로졸(aerosol)이 주위 환경을 대표하기 때문에 이를 실시간으로 보다 정확하게 분석함으로써 오염 원인에 대한 신속한 대처를 가능하도록 하기 위한 것이다.
일반적으로 질량분석기는 이온을 가속시켜 전기장이나 자기장을 지나게 함으로써 그 진행방향을 변화시켜 질량 스펙트럼을 분석한다. 질량분석기는 입자를 구성하는 원자를 입자로부터 레이저나 기타의 방법으로 떼어내고, 이를 다시 이온화시켜서 전기적인 힘을 가하여 가속시킨다. 질량분석기는 가속된 이온들이 그 질량과 이온화 정도에 비례하여 가속되며, 그 비가 일정하면 상기 질량분석기의 자유전기장내에서 등속으로 움직이기 때문에 도달시간을 이온센서로 측정하면 그 물질의 성분을 파악할 수 있다.
도 1은 일반적인 에어로졸 질량분석기의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에어로졸 질량분석기는 에어로졸(101)을 진공 펌프를 이용하여 두 개 이상의 스키머(103, 104)를 통과하여 원하는 공간으로 도입시킨다. 상기 에어로졸 질량분석기는 도입되는 에어로졸의 속력을 측정하여 입자의 크기를 얻고, 동시에 측정된 속도를 통하여 입자의 경로를 예측하여 원하는 고에너지의 레이저를 입자의 궤적에 조사하여 입자의 크기에 따른 입자 성분을 분석한다. 상기 에어로졸 질량분석기는 고출력 펄스형 레이저(110)에 의하여 입자를 이루고 있는 각 성분들을 탈입자화(desorption) 및 이온화(ionization)하는 과정을 거친다. 상기 과정은 다른 레이저 유도 매질분석 시스템의 이온화 과정과 달리 에어로졸이 공간에 놓여 있기 때문에 이온이 360도 방향으로 전파되어 나간다. 즉, 상기 과정에서 이온화된 입자는 360도 방향으로 퍼지게 되고, 초기 에너지가 레이저의 출력에 의하여 결정되는 플라즈마의 온도에 의하여 정해진다. 따라서, 종래 TOF 질량분석기의 관점에서 본다면 다른 초기 에너지를 가지는 여러 입자가 동시에 존재하는 것과 같다.
이와 같이 다양한 방향으로 다양한 초기 에너지를 가지고 생성된 이온들은 종래 TOF 질량분석기의 분해능 저하를 초래한다.
종래 질량분석기는 원하는 이온 무리들을 TOF 챔버로 도입시키기 위하여 일반적으로 전위차가 있는 두 전극판(107, 108) 사이에서 에어로졸을 이온화시킨다. 두 전극판(107, 108) 사이에 걸리는 전압을 최대의 초기 에너지를 가진 입자의 운동 에너지보다 전위차가 크도록 가하면, 모든 이온들은 그 전위차에 의하여 한 방 향으로 이동하게 된다.
하지만, 종래 질량분석기는 추출판 사이의 공간이 레이저가 조사되는데 필요한 만큼 확보되어야 하기 때문에 거리가 멀어져서 이온들을 충분히 가속하기 힘들어진다. 그러므로, 종래 질량분석기는 한 방향으로 방향성을 지닌 이온들을 온 가속용 전극판(109)에 의하여 충분히 가속하여 TOF 질량분석기의 자유 전기장 튜브(111) 영역으로 도입시킨 후 이온 센서(113)로 입력한다.
이와 같이, 종래 질량분석기는 상기 도입된 이온들이 초기 운동 방향이나 운동 에너지의 크기에 따라 다양한 자유 전기장 튜브(111) 영역을 지나 이온 센서(113)로 입력되는 시간이 달라지게 되어 이온의 질량 대 전하 비(q/m, q: 전하, m: 질량)에 따른 구별이 어려워지기 때문에 분해능의 저하가 초래되는 문제점이 있다. 즉, 종래 질량분석기는 같은 질량을 지니고 같은 전하를 띠고 있더라도 초기 에너지와 초기 운동 방향에 따라서 이온 센서에 도달하는 시간이 달라서 질량 크기를 정확하게 알 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법이 제시되고 있으나 종래 반사형인 미국등록특허 5,742,049호는 그 주조가 복잡한 문제점이 있다. 또한, 종래 다른 방법은 빠른 시간에 가속 전압을 바꾸어야 하며, 일정한 전압을 걸 경우 넓은 에너지 영역에서 우수한 분해능을 개선하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 정적(static)인 후가속(Post Focusing) 전기장을 가하여 충분히 넓은 영역의 초기 에너 지를 가진 입자군의 질량에 대하여 우수한 분해능을 얻을 수 있는 이온 후가속 장치를 포함하는 질량분석 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전체 이온을 모두 사용하여 시스템의 감도를 향상시키기 위해 이온을 가속시키는 부분을 보완한 이온 후가속 장치를 이용하는 질량분석 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입자를 도입하는 도입부와, 상기 도입된 입자를 이온화하는 이온화부와, 상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 가속부, 및 상기 가속된 이온의 질량을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 질량분석 시스템에서의 질량 분석 방법은 입자를 도입하는 단계와, 상기 도입된 입자를 이온화하는 이온화하는 단계와, 상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 단계, 및 상기 가속된 이온의 질량을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 질량분석 시스템 및 그 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 질량분석 시스템의 입자 도입 장치는 도 1에 도시된 것과 같은 일반적인 질량분석기와 같은 원리로 구현된다.
입자 도입 장치는 대기압 상태에서 존재하는 입자를 10-7mbar 정도의 고진공 상태에 도입하기 위하여 차등 펌핑 방법을 사용한다. 상기 입자 도입 장치는 도 1에 도시된 것과 같이 하나의 노즐(101)과 두 개의 스키머(103, 104)로 구성된다. 본 발명에 따른 질량분석 시스템은 상기 도입되는 입자들을 연속 발진 레이저(105) 및 광센서(106)로 구성된 광학계를 통하여 그 속도를 측정하고, 상기 측정된 속도를 통하여 입자를 이온화시키는 고출력 펄스형 레이저(110)를 활성화시킨다. 고출력 펄스형 레이저(110)는 상기 입자를 구성하는 원소의 탈입자화 및 이온화가 동시에 이루어지도록 하며, 수 나노초 정도에만 동작하는 나노초 레이저가 가장 많이 사용된다. 고출력 펄스형 레이저(110)는 나노초 레이저인 경우 예비 동작시간(lamp)과 실제 동작시간(Q-switching)에 100~300usec 이상의 시간지연이 있기 때문에 이를 미리 적절히 제어해야만 입자의 이온화 확률을 높일 수 있다. 또한, 상기 레이저의 동작을 안정적으로 함으로써 레이저의 보호 및 에너지의 안정적인 공급이 이루어진다.
본 발명에 따른 질량분석 시스템은 이온의 질량분해능을 증가시키기 위하여 다른 형태의 입자 이온화 및 이온 추출/가속 장치를 구현한다.
이온화 장치는 상기 입자 도입 장치에서 얻은 입자의 속도를 이용하여 상기 입자를 전자적으로 이온화시킨다. 상기 이온화 장치는 먼저 두 개의 연속 발진 레이저(105)의 광원으로부터 상기 입자에 의하여 산란된 광신호를 직각 방향으로 높여진 두 광센서(106)로 입력하여 두 산란 신호를 측정한다. 두 신호 간격과 두 연 속 광원 사이의 거리에 의하여 입자의 속력을 계산할 수 있고, 이로부터 두 레이저 간격의 두 배에 해당하는 위치에 초점이 맞추어진 고출력 펄스형 레이저(110)를 동작시키기 위하여 각각 다른 신호 지연(delay)을 지닌 TTL 신호를 발생시킨다. 본 발명은 상기 램프와 스위칭 신호 사이의 신호 지연이 고출력 펄스형 레이저(110)의 종류에 따라 달라지기 때문에 소프트웨어(S/W)적으로 제어가 가능하도록 한다.
고출력 펄스형 레이저(110)에 의하여 생성된 이온의 초기 속력은 레이저 유도 플라즈마의 온도 특성에 의하여 결정되는데 모든 이온이 같은 속도로 생성되더라도 다른 분석장치(LA-TOF-MS)와는 다르게 모든 방향으로 이온이 진행하기 때문에 다른 효과를 지닌다. 즉, TOF 챔버와 반대 방향(180도)으로 진행하는 이온은 그 방향에 놓여있는 이온 반사용 전극판(107)에 의하여 반사되어 다시 원래 지점으로 돌아오기 때문에 0도 방향으로 진행하는 이온과 비교할 때 같은 지점에 다른 시간에 발생한 이온과 같은 효과를 지닌다. 그러나, 임의의 각도로 진행하는 이온의 경우는 이온 센서(113)의 크기가 충분히 클 경우 직각 방향의 이온 속도를 무시하면, 서로 다른 시간에 같은 지점에서 다른 초기 에너지로 발생한 이온으로 간주할 수 있다.
레이저에 의해서 유도된 이온은 이온 반사용 전극판(107)과 이온 추출용 전극판(108) 사이에 있는 전압 차이로 TOF 방향으로 추출되어 진행하게 된다. 다양한 초기 에너지와 이온 발생 시간의 차이로 같은 질량과 같은 전하를 띄고 있더라도 다른 시간에 이온 센서(113)로 도달하게 되어서 결국 분해능이 줄어들게 된다.
따라서, 본 발명은 분해능을 향상시키기 위하여 같은 질량을 가지고 같은 전하를 띈 모든 이온이 같은 시간에 이온 센서로 도달되도록 설계한다.
도 2는 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 이온 후가속 장치의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 이온은 양이온 반사판(201)과 이온 추출판(202) 사이의 고출력 펄스형 레이저(도면에 도시되어 있지 않음)에 의하여 발생된다. 양이온 반사판(201)은 전자를 흡수하고, 양이온을 반사한다. 양이온 반사판(201)에서 반사된 양이온은 가속되면서 이온 추출판(202)으로 이동된다. 상기 이동된 이온들은 1차 이온 가속판(203)을 통과하면서 가속되어 에너지를 얻게 된다. 각각의 이온은 그 초기 방향에 따라 다른 시간에 1차 이온 가속판(203)을 빨리 투과하여 2차 후가속판(205) 영역으로 진입한다. 같은 에너지를 지닌 이온의 경우에도 0도 방향의 이온(204-2)은 2차 이온 가속판(205) 경계영역까지 가장 빨리 도달하게 되고, 180도 방향으로 출발한 이온(204-1)은 1차 이온 가속판(203)을 가장 나중에 투과하여 입구에 존재하게 된다. 모든 이온이 2차 후가속판(205) 영역 내에 들어오게 되면, 두 가속판(203, 205) 사이에 비선형적인 전압이 인가된다. 이때, 가해지는 전기장은 매우 중요하며, 그 크기 및 범위가 적절히 정해져야 한다. 그런 후 모든 이온들은 전기장이 없는 영역(205, 206)을 지나 이온 센서(207)로 입사된다. 이온 센서(207)는 상기 입사된 이온의 질량을 검출한다.
본 발명에 따른 이온 후가속 장치는 가속 전압을 각 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하여 후가속 영역에 있는 입자들 각각 다른 에너지가 더해지도록 하여 서로 다른 초기 에너지를 가지고 서로 다른 360도 방향으로 움직이던 이온 들이 동시에 이온 센서(207)로 도달되도록 한다.
1차 이온 가속판(203)을 통과한 이온은 등속 운동을 수행하게 되고, 마지막 이온이 도착했을 때의 위치 및 에너지는 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같다.
도 3은 초기 에너지가 0인 이온에서 20eV인 이온이 TOF 챔버 방향과 각각 0도, 90도, 및 180도로 진행할 경우 마지막 이온이 1차 이온 가속판을 통과한 시간을 기준으로 그 위치 차이를 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 180도 방향으로 20eV의 초기 에너지로 출발한 이온이 1차 이온 가속판(203)을 가장 늦게 통과한다. 1차 이온 가속판(203)을 통과한 이온은 아직 마지막 이온이 도착하기 전에는 후가속 전기장이 걸려 있지 않기 때문에 각각 등속 운동을 수행하게 한다. 따라서, 각 이온들은 1차 이온 가속판(203)을 통과할 때와 같은 속력으로 후가속 영역을 지나게 된다. 각각의 경우에 해당하는 이온의 위치를 이론적으로 계산할 수 있다. 금속판에 레이저를 조사하는 것과 같이 90-180도 방향으로 진행하는 이온이 존재하지 않을 경우 1차 이온 가속판(203)을 통과한 각 이온의 위치 분포는 에너지가 큰 것이 앞쪽 속도와 공간 분포가 일정하게 배열하게 되어 일정한 전압을 가해도 그 효과를 얻을 수 있다.
반면에 모든 방향으로 흩어져서 2차 후가속판(205)에 도달되는 이온들의 공간 분포는 도 3에 도시된 것과 같다.
도 3을 참조하면, 0도 방향으로 입사된 이온(302)은 가장 많이 진행된 상태이고, 180도 방향으로 진행한 이온(303)은 가장 늦게 진행된 상태이고, 90도 방향으로 진행한 이온(301)은 초기 에너지와 관계없이 모두 같은 시간에 같은 장소에 존재하는 상태이다.
본 발명에 따른 2차 후가속 장치를 사용하는 경우, 임의의 방향으로 임의의 속도로 출발한 모든 이온들이 이온 센서(207)에 도착하는 시간은 후가속을 하기 바로 직전에 각 이온들의 위치, 운동 에너지, 및 후가속 전기장의 크기에 관계된다.
도 4를 참조하면, 0도 방향으로 출발한 이온의 운동 에너지는 180도 방향으로 출발한 이온의 에너지(401)와 같고, 90도 방향으로 출발한 이온의 운동 에너지(402)가 가장 작다. 초기 운동 방향이 90도에서 180도 방향으로 움직이는 이온 무리들의 운동 에너지와 위치는 0도에서 90도 방향으로 움직였던 이온 무리들과는 같은 전기장에서 다른 효과를 보임을 알 수 있다. 즉, 공간적으로 일정한 전기장에서 운동 에너지를 감소시키는 방향으로 전기장을 걸면, 0도 방향의 이온 무리의 입자들의 시간 차이가 줄어들고, 반대로 90도에서 180도 방향의 입자들의 시간 차이가 늘어난다. 다시 말하면, 일정한 전기장을 가하는 경우 일정한 방향의 이온 무리들의 도달 시간만 그 시간차이를 줄일 수 있음을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 0도에서 90도로 출발한 이온 무리와 90-180도로 출발한 이온 무리에 대하여 걸어주는 전압의 크기를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명은 종래 방법과 달리 90도를 중심으로 서로 다른 전기장 방향으로 전압이 걸리도록 설계한다. 본 발명은 각각 다른 이온 무리에서 다른 전압을 비선형적으로 걸어주면, 두 이온 무리를 같은 시간에 이온 센서로 도달시킬 수 있다. 즉, 이온 후가속 장치는 TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온에 대한 감속의 크기와 90-0도 방향으로 움직이는 이온에 대한 가속의 크기가 비선형적인 전기장을 이용한다.
도 6은 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 초기 에너지 및 방향이 다른 여러 가지 이온의 TOF 신호를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제1 신호(601)는 질량이 65인 이온 무리에 대해 비선형적 전압을 가했을 때 얻어지는 TOF 신호이고, 제2 신호(602)는 질량이 64인 이온 무리에 대해 비선형적 전압을 가했을 때 얻어지는 TOF 신호이다. 제1 신호(601) 및 제2 신호(602)는 각각 도 5와 같은 비선형적 전압을 가했을 때 얻어지는 TOF 시간을 이론적으로 계산될 수 있다. 제3 신호(603)는 질량이 65인 이온 무리에 대해 일정한 전압을 가했을 때 얻어지는 TOF 신호이고, 제4 신호(604)는 질량이 64인 이온 무리에 대해 일정한 전압을 가했을 때 얻어지는 TOF 신호이다. 제3 신호(603) 및 제4 신호(604)가 초기 운동 방향에 따라 크게 변하는 것은 전기장을 일정하게 2차 후가속 전위판에 걸어준 경우이다.
본 발명은 도 5에 도시된 것과 같이 비선형적으로 전압을 가하는 경우 도 6에 도시된 것과 같이 이온의 초기 에너지와 입자의 초기 방향에 관계없이 모두 시간대에 도달하여 질량이 다른 이온들은 서로 변별력이 있는 시간에 도달함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 초기 이온의 크기와 방향에 관계없이 90도 방향으로 움직이는 이온 무리를 중심으로 서로 180도와 0도 방향의 이온이 존재하는 각 방향 즉 반대 방향의 전기장을 가함으로써 모든 에너지 및 방향성을 가진 이온을 같은 시간에 이온 센서로 도달시킬 수 있다. 즉, 이온 후가속 장치는 TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온인 경우 감속시키는 전기장을 가하고, 90-0도 방향으로 움직이는 이온인 경우 가속시키는 전기장을 가해준다.
이와 같이, 본 발명은 이온 후가속 장치를 통해 가속 전압을 각 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하여 후가속 영역에 있는 입자들에 각각 다른 에너지를 더하여 서로 다른 초기 에너지를 가지고 서로 다른 방향으로 움직이던 이온들을 동시에 이온 센서로 도달시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 질량분석 시스템에 있어서, 질량분석 방법의 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 단계(710)에서 질량분석 시스템은 분석하고자 하는 입자를 도입한다.
단계(720)에서 상기 질량분석 시스템은 상기 도입된 입자를 이온화한다.
단계(730)에서 상기 질량분석 시스템은 상기 이온화된 입자의 각 위치에 따라 가속전압을 다른 전기장으로 가속한다. 상기 질량분석 시스템은 TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온인 경우 감속시키는 전기장을 가하고, 90-0도 방향으로 움직이는 이온인 경우 가속시키는 전기장을 가할 수 있다. 상기 질량분석 시스템은 TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온 에 대한 감속의 크기와 90-0도 방향으로 움직이는 이온에 대한 가속의 크기가 비선형적인 전기장을 이용할 수 있다. 따라서, 상기 질량분석 시스템은 후가속 영역에 있는 입자들 각각에 다른 에너지를 더하여 서로 다른 초기 에너지를 가지고 서로 다른 360도 방향으로 움직이던 이온들이 동시에 이온 센서에 도달되도록 한다.
단계(740)에서 상기 질량분석 시스템은 상기 이온 센서에 도달된 이온들을 분석한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
본 발명에 따르면, 질량분석 시스템에서 비선형 후가속 장치를 사용하여 서로 다른 초기 에너지와 다른 방향으로 움직이는 이온의 경우에도 같은 시간에 TOF 이온 센서로 입력되기 때문에 이온의 질량 대 전하의 분해능을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 질량분석 시스템에서 정적인 전압을 가하기 때문에 동적인 전기장을 가하는 것에 비하여 시스템 구성이 간단하기 때문에 제작이 간단하고 저렴하게 구성할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 질량분석 시스템에서 다른 방향으로 진행하는 이온 도 같은 시간에 이온 센서로 도달할 수 있도록 구현 가능하기 때문에 전체 시스템의 효율을 증가시킬 수 있어 나노 크기의 작은 입자인 경우 이온 수가 적어도 분석할 수 있다.

Claims (11)

  1. 질량분석 시스템에 있어서,
    입자를 도입하는 도입부;
    상기 도입된 입자를 이온화하는 이온화부;
    상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 가속부; 및
    상기 가속된 이온의 질량을 검출하는 검출부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속부는,
    초기 에너지에 따라 다르게 공간적으로 분포된 입자에 각각 다른 에너지를 가하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 이온 센서를 포함하고,
    상기 가속부는,
    서로 다른 초기 에너지를 가지고 다른 방향으로 움직이던 이온들이 동시에 상기 이온 센서로 도달되도록 상기 이온을 가속하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가속부는,
    TOF(Time Of Flight) 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온을 감속하고, 90-0도 방향으로 움직이는 이온을 가속하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가속부는,
    TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온에 대한 감속의 크기와 90-0도 방향으로 움직이는 이온에 대한 가속의 크기가 비선형적인 전기장을 이용하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가속부는,
    상기 이온화된 입자를 통과시켜 1차 가속하는 제1 가속판; 및
    상기 제1 가속판을 통과한 이온들을 2차 가속하는 제2 가속판
    을 포함하고,
    상기 제1 가속판 및 상기 제2 가속판의 사이에 비선형적인 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 질량분석 시스템.
  7. 질량분석기의 비선형 후가속 장치에 있어서,
    상기 질량분석기에 도입된 입자들의 이온을 통과시켜 1차 가속하는 1차 이온 가속판; 및
    상기 1차 이온 가속판을 통과한 이온을 상기 이온의 각 위치에 따라 다른 후가속 전기장으로 2차 가속하는 2차 후가속판
    을 포함하고,
    상기 후가속 전기장은,
    TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온의 경우 감속하고, 90-0도 방향으로 움직이는 이온의 경우 가속하는 것을 특징으로 하는 비선형 후가속 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 후가속 전기장은,
    TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온의 감속 크기와 90-0도 방향으로 움직이는 이온의 가속 크기가 비선형적인 전기장인 것을 특징으로 하는 비선형 후가속 장치.
  9. 질량분석 시스템에서의 질량 분석 방법에 있어서,
    입자를 도입하는 단계;
    상기 도입된 입자를 이온화하는 단계;
    상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 단계; 및
    상기 가속된 이온의 질량을 검출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량분석 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이온화된 입자의 위치에 따라 다른 전기장으로 가속하는 상기 단계는,
    TOF(Time Of Flight) 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온을 감속하고, 90-0도 방향으로 움직이는 이온을 가속하는 것을 특징으로 하는 질량분석 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전기장은,
    TOF 챔버 방향에 대하여 90도 방향으로 초기에 움직이는 입자군을 중심으로 90-180도로 움직이는 이온에 대한 감속의 크기와 90-0도 방향으로 움직이는 이온에 대한 가속의 크기가 비선형적인 전기장인 것을 특징으로 하는 질량분석 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8513598B2 (en) * 2007-12-21 2013-08-20 Lawrence Livermore National Security, Llc Aerosol mass spectrometry systems and methods
US8288716B2 (en) * 2009-04-06 2012-10-16 Ut-Battelle, Llc Real-time airborne particle analyzer
KR102310123B1 (ko) * 2014-09-05 2021-10-08 삼성전자주식회사 반도체 소자의 패턴 분석방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002184349A (ja) 2000-12-14 2002-06-28 Shimadzu Corp イオントラップ型質量分析装置
JP2003346705A (ja) 1998-02-06 2003-12-05 Perseptive Biosystems Inc 遅延引き出し付きタンデム飛行時間型質量分析計および使用方法
JP2005063770A (ja) 2003-08-08 2005-03-10 Shimadzu Corp 質量分析装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5464985A (en) * 1993-10-01 1995-11-07 The Johns Hopkins University Non-linear field reflectron
US7381945B2 (en) * 2002-05-30 2008-06-03 The Johns Hopkins Univeristy Non-linear time-of-flight mass spectrometer
US6953928B2 (en) * 2003-10-31 2005-10-11 Applera Corporation Ion source and methods for MALDI mass spectrometry

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003346705A (ja) 1998-02-06 2003-12-05 Perseptive Biosystems Inc 遅延引き出し付きタンデム飛行時間型質量分析計および使用方法
JP2002184349A (ja) 2000-12-14 2002-06-28 Shimadzu Corp イオントラップ型質量分析装置
JP2005063770A (ja) 2003-08-08 2005-03-10 Shimadzu Corp 質量分析装置

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