KR100744006B1 - 단일 입자 질량 분석기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 입자 질량 분석기를 개시한다. 본 발명은, 진공펌프에 의해 내부가 진공 상태로 유지되는 챔버와, 상기 챔버와 연통되도록 설치되는 원통형의 비행 튜브와, 상기 챔버에 설치되어 외부로부터 투입되는 에어로졸 입자를 포커싱하는 공기역학렌즈와, 상기 공기역학렌즈에 의해 포커싱된 입자에 레이저 빔을 조사하여 이온을 방출시키는 레이저 발생수단과, 상기 방출된 이온들을 상기 비행 튜브를 따라 비행하도록 가속시키는 추출가속수단과, 상기 비행 튜브를 따라 가속되는 이온들을 검출하도록 상기 비행 튜브의 끝단에 설치된 이온검출기를 포함하는 단일 입자 질량 분석기에 있어서, 상기 추출가속수단은, 반구형상을 가지는 전도성 소재로 이루어지며, 상대적으로 고전압이 인가되는 리플렉터; 및 상기 리플렉터로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 리플렉터에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 적어도 하나 이상의 메쉬 형상의 그리드;를 포함하고, 상기 리플렉터와 그리드 사이의 전압차에 의해 상기 이온이 바이어스되어 상기 비행 튜브를 따라 상기 이온검출기를 향해 비행하는 구성을 가진다.

질량분석기, 이온검출기, 이온 가속수단

Description

단일 입자 질량 분석기{Single-particle mass spectrometer}

본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 추출가속수단 및 원통형 전극을 나타낸 일부 사시도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 아인젤 렌즈의 구성을 보여주는 일부 절개 사시도이다.

도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기에 있어서, 에어로졸 입자가 공기역학렌즈에 의해 포커싱되는 동작을 나타낸 보인 단면도이고, 도 4b는 공기역학렌즈에 의해 포커싱된 에어로졸 입자를 광산란을 이용하여 가시화한 사진이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 동작에 있어서, 추출가속수단 및 원통형 전극에 의해 이온이 포커싱되는 원리를 시뮬레이션하여 나타낸 개략적인 도면으로서, 여기에서 점선은 전기장을 실선은 이온의 궤 적을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 동작에 있어서, 아인젤 렌즈에 의해 이온이 중심축 방향으로 포커싱되는 원리를 시뮬레이션하여 나타낸 개략적인 도면이다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 동작에 있어서, 이온의 초기 운동에너지에 따라 이온이 포커싱되는 원리를 시뮬레이션하여 나타낸 개략적인 도면이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 동작에 있어서, 이온의 초기 운동에너지에 따라 이온의 비행 시간을 나타내 보인 그래프이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

11,12....진공챔버 13....비행튜브

14....이온검출기 20....공기역학렌즈

31....리플렉터 32....제1 그리드

33....제2 그리드 34....원통형 전극

40....아인젤 렌즈 25....전위계

본 발명은 단일 입자 질량 분석기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온의 포커싱 효율을 높임으로써 비행시에 이온이 비행튜브 벽면과의 충돌에 의해 손실되는 량을 줄여 이온검출기에 의한 측정 효율을 향상시킬 수 있도록 개선된 단일 입자 질량 분석기에 관한 것이다.

일반적으로 단일 입자 질량 분석기는 대기 중에 부유하는 고체나 액체 등의 에어로졸을 분석함으로써 대기 오염도를 측정하는데 사용되고 있다. 종래의 단일 입자 질량 분석기의 동작을 살펴보면, 진공펌프에 의해 진공 상태로 된 챔버 내에 에어로졸을 투입하면, 에어로졸 입자가 압력차에 의해 챔버 중심으로 가속되는 동시에 공기역학렌즈(Aerodynamic Lens)에 의해 포커싱된다.

공기역학렌즈에 의해 포커싱된 에어로졸 입자는 다시 레이저빔이 조사됨으로써 이온화되고, 이러한 이온들은 다시 추출 및 가속된 후 등속으로 원통형의 비행 튜브를 따라 비행하여 검출기에 입사된다.

종래의 분석기는 고전압이 인가되는 평판 리플렉터(Reflector), 및 상기 평판 리플렉터와 나란하게 배열되는 메쉬 형상의 이온 추출 그리드(Ion Extraction Grids)와 대부분 접지되는 이온 가속 그리드(ion acceleration grid)를 포함한다. 이온은 상기 평판 리플렉터와 이온 추출 그리드 사이의 전압차에 의해 추출되고, 이온 추출 그리드와 이온 가속 그리드 사이의 전압차에 의해 가속된 후, 이온의 질량에 따라 다른 속도로 전기적으로 중성으로 유지되는 비행 튜브 내부를 등속 비행하는데 레이저에 의해 방사상으로 방출되는 이온의 궤적은 집속되지 못하고 대부분 비행 튜브의 내벽에 충돌하여 소멸되는 문제점이 있다.

특히, 검출기의 크기는 대부분이 약 25㎜ 이내로 작은 영역이므로 검출기에 도달하는 이온의 비율은 매우 낮다. 실제로, 초기 이온의 운동에너지가 100eV인 경우 측정 효율은 1% 미만으로 매우 낮은 것으로 나타났다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 이온이 과당 포커싱되거나 비행 튜브 내벽에 충돌하여 소멸됨이 없이 검출기에 도달할 수 있도록 함으로써 측정 효율을 향상시킬 수 있는 단일 입자 질량 분석기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단일 입자 질량 분석기는, 진공펌프에 의해 내부가 진공 상태로 유지되는 챔버와, 상기 챔버와 연통되도록 설치되는 원통형의 비행 튜브와, 상기 챔버에 설치되어 외부로부터 투입되는 에어로졸 입자를 포커싱하는 공기역학렌즈와, 상기 공기역학렌즈에 의해 포커싱된 입자에 레이저 빔을 조사하여 이온을 방출시키는 레이저 발생수단과, 상기 방출된 이온들을 추출하여 상기 비행 튜브를 따라 비행하도록 가속시키는 추출가속수단과, 상기 비행 튜브를 따라 비행하는 이온들을 검출하도록 상기 비행 튜브의 끝단에 설치된 이온검출기를 포함하는 단일 입자 질량 분석기에 있어서,

상기 추출가속수단은,

반구형상을 가지는 전도성 소재로 이루어지며, 상대적으로 고전압이 인가되는 리플렉터; 및 상기 리플렉터로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 리플렉터에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 적어도 하나 이상의 메쉬 형상의 그리드;를 포함하고,

상기 리플렉터와 그리드 사이의 전압차에 의해 상기 이온이 추출 및 가속되어 상기 비행 튜브를 따라 상기 이온검출기를 향해 등속 비행하도록 구성된다.

바람직하게, 본 발명의 단일 입자 질량 분석기는 상기 추출가속수단과 동심축 상에 배열되어, 상기 추출가속수단에 의해 비행하는 이온을 중심축 상으로 굴절시켜 상기 비행튜브 내에서 평행하게 비행하도록 하는 원통형 전극을 더 포함한다.

여기에서, 상기 그리드는,

상기 리플렉터로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 리플렉터에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 메쉬 형상의 제1 그리드; 및 상기 제1 그리드로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 제1 그리드에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 메쉬 형상의 제2 그리드;를 포함한다.

더욱 바람직하게, 상기 제2 그리드는 접지된다.

바람직하게, 상기 원통형 전극은, 제1 그리드와 제2 그리드 사이에 배열되도록 구성된다.

더욱 바람직하게, 상기 원통형 전극에는 상기 제1 그리드에 인가되는 전압 이하의 전압이 인가된다.

본 발명에 따른 단일 입자 질량 분석기는, 상기 비행 튜브 내에서 상기 추출가속수단으로부터 소정 간격 이격된 채로 배열되어, 상기 추출가속수단에 의해 가속되어 비행하는 이온을 상기 비행 튜브의 중심축 방향으로 포커싱하는 아인젤 렌 즈를 더 포함한다.

상기 아인젤 렌즈는,

연속적으로 배열된 세 개의 전도성 튜브로 구성되며, 양쪽의 튜브는 전기적으로 중성인 반면 중앙의 튜브에는 전압이 인가됨으로써 각 튜브 사이에 전기장이 형성된다.

바람직하게, 본 발명에 있어서 상기 챔버는, 상기 공기역학렌즈가 설치되는 제1 챔버와, 상기 추출가속수단이 설치되며, 상기 비행 튜브와 연통되는 제2 챔버를 포함한다.

또한, 상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이에는 상기 공기역학렌즈로부터 방출된 에어로졸 입자를 더욱 가속하는 동시에, 전송가스와 분리시키는 스키머가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 공기역학렌즈는, 감압 오리피스 주입구가 형성된 입구 및 출구를 가진 원통형의 케이스; 및 상기 케이스 내에 소정 간격으로 이격되어 설치되며, 중심부에 상기 에어로졸 입자가 통과하면서 집속되는 오리피스공이 형성된 복수의 포커싱 렌즈부재;를 포함한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 입자 질량 분석기의 개략적인 구성이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명의 단일 입자 질량 분석기는 내부가 진공상태로 유지되는 챔버(11)(12)를 포함한다. 상기 챔버는 분석 대상인 에어로졸 입자가 진행하는 방향을 따라 배열되는 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12)로 나눌 수 있으며, 이들 제1 및 제2 챔버(11)(12)는 터보 펌프와 같은 진공펌프(10)에 의해 내부가 진공 상태로 유지된다.

상기 제1 챔버(11)의 입구에는 공기역학렌즈(20)가 설치된다. 상기 공기역학렌즈(20)는 입구와 출구를 가진 원통형의 케이스(21)를 구비하며, 상기 케이스(21)의 입구에는 감압 오리피스 주입구(22)가 마련된다. 또한, 상기 케이스(21) 내에는 중심부에 오리피스공(23a)이 형성된 복수의 포커싱 렌즈부재(23)들이 소정간격으로 이격되어 동심축 상에 배열되어 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 감압 오리피스 주입구(22)를 통해 입자가 투입되면, 투입된 입자들은 상기 포커싱 렌즈부재(23)들에 형성된 오리피스공(23a)을 통과하면서 단일 입자빔으로 포커싱된다.

상기 제1 챔버(11)와 제2 챔버(12) 사이에는 스키머(skimmer)(24)가 개재된다. 상기 스키머(24)의 중심부에는 관통공이 형성되어 있으며 상기 공기역학렌즈 (20)에 의해 포커싱된 입자빔을 다시 한번 가속시키는 동시에 입자빔과 전송가스를 분리하는 역할을 한다.

상기 제2 챔버(12)에는 포커싱된 입자에 대해 레이저 빔을 조사하는 레이저 발생수단(미도시)이 구비된다. 바람직하게, 상기 레이저 발생수단은 Nd:YAG 레이저로서 100mJ의 녹색 레이저를 10Hz 간격으로 입자에 조사할 경우 모두 이온화되는 것으로 알려져 있다.

또한, 상기 제2 챔버(12)에는 입자가 공기역학렌즈, 스키머 및 제2 챔버를 통과할 때의 손실을 측정하기 위하여 전위계(electrometer)(25)가 더 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 제2 챔버(12)내에는 상기 레이저 발생수단에 의해 이온화됨으로써 생성된 이온을 그 질량에 따라 추출하여 가속시키는 추출가속수단이 구비된다.

상기 추출가속수단은, 도 2에 도시된 바와 같이, 리플렉터(31)와 제 1 및 제2 그리드(32)(33)를 포함한다. 상기 리플렉터(31)는 반구형상을 가지는 전도성 소재로서 상대적으로 고전압이 인가되어, 전술한 바와 같이 방사상으로 방출되는 이온들을 검출기 방향으로 굴절시키는 기능을 한다.

상기 제1 그리드(32)는 전도성 금속으로 이루어진 메쉬 형상으로서, 상기 리플렉터(31)로부터 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격된 채로 배열된다. 상기 제1 그리드(32)에는 상기 리플레터(31)에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되어 레이저에 의해 이온화된 이온들을 질량에 따라 추출하는 기능을 하게 된다.

상기 제2 그리드(33) 역시 전도성 금속의 메쉬 형상으로서, 제1 그리드(31)와 소정 간격 이격되어 있으며, 제2 그리드(32)에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되거나, 바람직하게는 접지된다. 상기 제1 그리드(32)의 작용에 의해 추출된 이온들은 상기 제2 그리드(33)와 상기 리플렉터(31) 사이의 전압차에 의해 바이어스되어 가속되며, 상기 그리드(32)(33)의 메쉬 사이를 통과하여 비행 튜브 내를 등속 비행하게 된다.

상기 리플렉터(31)와 제1 및 제2 그리드(32)(33)의 전압차에 의해 바이어스된 이온들은 리플렉터(31)로부터 제1 및 제2 그리드(32)(33)를 관통하여 후술하는 검출기를 향해 가속된다.

또한, 상기 제1 그리드(32)과 제2 그리드(33) 사이에는 원통형 전극(34)이 개재된다. 이 원통형 전극(34)은 상기 추출가속수단과 동심축 상에 배열된 채로, 상기 가속되는 이온들을 포커싱하여 비행튜브와 평행으로 비행할 수 있도록 하는 것으로서, 상기 제1 그리드(32)에 인가되는 전압 이하의 전압, 바람직하게는 동일한 전압이 인가된다.

상기 제2 챔버(12)에는 상기 가속된 이온이 비행하는 원통형의 비행 튜브(13)가 연통되도록 설치된다. 상기 비행 튜브(13)는 전기적으로 중성이 되도록 유지되며, 그 내부에서 이온은 등속 운동을 하게 된다.

상기 비행 튜브(13)의 끝단에는 도달하는 이온을 검출하여 질량 분광을 하기 위한 이온검출기(14)가 설치된다. 상기 이온검출기(14)로는 미국의 알. 엠. 죠단사(R. M. JORDAN COMPANY, INC.)로부터 입수가능한 MCP(Microchannel Plate) 검출 기가 사용될 수 있으며, 이러한 이온검출기의 구성은 이미 잘 알려진 바 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

상기 비행 튜브(13) 내에는 상기 가속 수단에 의해 가속되어 평행비행하는 이온을 비행 튜브(13)의 중심축 방향으로 포커싱하는 아인젤(EINZEL) 렌즈(40)가 구비된다.

상기 아인젤 렌즈(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 연속적으로 배열된 세 개의 전도성 튜브(41)(42)(43)로 구성되며, 양쪽의 튜브(41)(43)는 전기적으로 중성인 반면 중앙의 튜브(42)에는 고전압, 예를 들어 +1,000V 이상의 전압이 인가된다. 따라서, 각 튜브(41)(42)(43) 사이에는 전기장(EF)이 형성되어 비행하는 이온을 검출기로 집속시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 단일 입자 질량 분석기의 동작을 살펴보기로 한다.

먼저, 진공펌프(10)의 작동으로 챔버(11)(12) 내에 진공이 유지되는 상태에서, 공기역학렌즈(20)의 감압 오리피스 주입구(22)를 통해 분석 대상인 에어로졸을 투입한다.

투입된 에어로졸은 챔버 내부와의 진공 압력차에 의해 공기역학렌즈(20)를 통해 챔버(11)(12) 내로 진입하게 된다. 이때, 에어로졸 입자는 상기 공기역학렌즈(20)의 오리피스공(23a)을 차례로 통과하면서 입자빔 형태로 집속되는데, 이것은 도 4a에 도시되어 있는 바와 같다.

상기 도면들을 참조하면, 공기역학렌즈(20) 내부를 유동하는 에어로졸 입자 는 포커싱 렌즈부재(23)에 부딪히면서 오리피스공(23a)을 통해 빠져나가게 되는데, 이 과정에서 입자들이 중심축 방향으로 집속되고 이러한 작용은 다단계의 포커싱 렌즈부재(23)를 통과하면서 최종적으로 입자빔 형태로 포커싱된다. 즉, 에어로졸의 전송가스는 오리피스공(23a)을 거치면서 수축팽창을 반복하지만 관성을 가지는 입자는 유체로부터 분리되어 점차 중심축으로 포커싱되는 것이다. 상기와 같은 동작의 결과, 도 4b에서 보듯이, 나노입자가 제2 챔버 내에서 0.8㎜ 정도의 입자빔을 형성하는 것을 알 수 있다.

상기 공기역학렌즈(20)에 의해 집속된 에어로졸 입자는 스키머(24)를 통과하면서 더욱 집속되어 화살표로 도시된 바와 같이 추출가속수단에 도달하게 된다.

이어서, 상기 에어로졸 입자는 반구형 리플렉터(31)와 제1 그리드(32) 사이에 도달하고, 그러면 레이저 발생수단으로부터 레이저가 방출되어 상기 입자를 조사하게 된다.

상기 레이저 조사에 의해 에어로졸 입자는 이온화되는데, 이때 이온들은 방사상으로 방출된다. 방출된 이온들은 상기 리플렉터(31)와 제1 그리드(32)에 의해 추출되고, 상기 제2 그리드(33)와 리플렉터(31) 사이의 전압차에 의해 바이어스되어 비행 튜브(13)를 통해 이온검출기(14)를 향해 가속된다. 이때, 상기 제1 및 제2 그리드(32)(33) 사이에 개재된 원통형 전극(34)에 의해 이온들은 더욱 집속되어 이온검출기(14)를 향해 평행 운동을 하게 된다.

상기 제1 그리드(32), 원통형 전극(34) 및 제2 그리드(33)를 통과한 이온들은 계속해서 아인젤 렌즈(40)를 통과하면서 전기장에 의해 중심축 방향으로 더욱 포커싱이 이루어진다(도 3 참조).

따라서, 이온들은 비행 튜브(13)를 통과하는 동안 내벽에 부딪히거나 소멸되지 않고 대부분이 이온검출기(14)에 도달할 수 있게 된다.

본 발명의 특징적인 효과들은 다음의 실험예를 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

<실험예>

본 발명에 따른 단일 입자 질량 분석기의 각 조건을 설정한 후 SIMION 3D 7.0 이온 옵틱스 프로그램(U.S. INEEL)을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 이때, 리플렉터(31)의 내경은 1.1인치, 두께는 0.05인치이고, 제1 그리드(32)는 리플렉터(31)로부터 0.45인치 이격되도록 설정되었다. 상기 제1 그리드(32)로부터 0.5인치 이격된 지점에는 높이 0.5인치, 두께 0.05인치의 원통형 전극(34)이 설치되고, 그로부터 0.5인치 이격된 지점에는 제2 그리드(33)가 배열된다. 상기 리플렉터(31)에는 14,000V의 전압이 인가되고, 상기 제1 전극 메쉬(32)와 원통형 전극(34)에는 6,000V의 전압이 인가된다. 상기 제2 그리드(33)는 접지된 상태이다.

또한, 아인젤 렌즈(40)는 상기 제2 그리드(33)로부터 9.5인치 이격된 지점에 설치되고, 전도성 튜브(41)(42)(43) 각각은 높이 4인치, 내경 3.7인치, 두께 0.05인치이며, 각각의 이격 거리는 0.25인치이다. 상기 중앙의 전도성 튜브(42)에는 1,000V의 전압이 인가되는 것으로 한다.

상기 리플렉터(31)와 제1 그리드(32) 사이의 중심에서 MCP 이온검출기까지의 거리는 49.9인치이고, 이온이 입사되는 이온검출기의 입사 영역의 직경은 18㎜로 설정된다.

상기와 같은 조건에서, 리플렉터(31)와 제1 그리드(32) 사이에서 레이저 빔에 의해 이온화된 이온들의 궤적에 대한 시뮬레이션이 도 5에 도시되어 있다. 본 도면은 전기장(점선)의 영향을 받는 초기 운동에너지가 10, 50, 100, 200eV인 이온들의 궤적을 동시에 도시한 것이다. 도면에서 알 수 있듯이, 방사상으로 방출된 이온들은 리플렉터(31)에 의해 반대 방향 즉, 이온검출기 방향으로 가속되는 동시에 원통형 전극(34)에 의해 집속된다.

집속된 이온은 도 6에 도시된 바와 같이 아인젤 렌즈(40)를 통과하면서 중심축 방향으로 더욱 집속되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 반구형의 리플렉터(31)와 제1 그리드(32) 사이의 전기장은 90°~ 270°로 방사되는 이온들의 궤적이 MCP 이온검출기 방향으로 향할 수 있도록 직선 비행을 하게 하는 역할을 한다. 이들 이온들은 아인젤 렌즈(40)를 지나면서 포커싱이 됨을 알 수 있으며 과다 포커싱 없이 모든 이온이 MCP 이온검출기에 도달하게 된다.

또한, 입자가 이온화될 때 이온의 초기 운동에너지의 차이에 따라 궤적을 구분하여 도시한 그림이 도 7a 내지 도 7d에 도시되어 있다.

도면에서 알 수 있듯이, 초기 운동에너지가 크면 클수록 이온은 중심축으로부터 퍼져서 진행함을 알 수 있다. 그러나, 200eV 이하의 운동에너지를 가진 이온들에 대해서는 모두 이온검출기의 측정 영역을 벗어나지 않음을 알 수 있고, 따라서 이 범위 내에서 측정효율을 향상시킬 수 있다. 본 시뮬레이션에 따르면, 운동에 너지 200eV 이하의 이온에 대해서는 거의 100%의 측정 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 여기서 300㎚ 이하의 입자의 경우 실시예의 경우 200eV 정도의 최대 초기 운동에너지를 가지는 것으로 밝혀졌고, 이때 이온의 초기 운동에너지에 무관한 측정효율로써 입자의 질량분석이 가능하다면, 입자의 표면과 내부에 존재하는 미량 성분을 정확하게 검출할 수 있다. 통상적인 입자 질량분석기의 경우 이온의 초기 운동에너지의 증가에 따라 급격히 감소하는 측정효율을 나타내고, 표면의 이온이 내부의 이온보다 더 큰 운동에너지를 가지므로, 내부와 외부의 조성이 다른 입자의 성분을 분석할 경우 내부의 조성이 훨씬 많은 것처럼 과대평가되는 단점이 있다.

도 8은 방사상으로 방출되는 이온들에 대해서 이온검출기에 도달하는 비행 시간(Time of Flight)을 각 운동에너지 별로 도시한 것이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 비행 시간은 대략 3.525 ~ 3.465 μsec의 범위로 시간차 Δt = 0.06 μsec 정도로 양호함을 알 수 있다. 비행 시간차가 작을수록 질량분석의 분해능이 높아져서 더욱 정밀한 조성 분석이 가능하다.

본 발명의 단일 입자 질량 분석기에 따르면, 레이저에 의해 방출된 이온들을 효과적으로 집속시킴으로써 비행 튜브 등의 내벽에 부딪혀 손실됨이 없이 이온검출기에 도달할 수 있도록 하고, 그에 따라 측정 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면을 참조로 설명되었으나, 이하 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (11)

1. 진공펌프에 의해 내부가 진공 상태로 유지되는 챔버와, 상기 챔버와 연통되도록 설치되는 원통형의 비행 튜브와, 상기 챔버에 설치되어 외부로부터 투입되는 에어로졸 입자를 포커싱하는 공기역학렌즈와, 상기 공기역학렌즈에 의해 포커싱된 입자에 레이저 빔을 조사하여 이온을 방출시키는 레이저 발생수단과, 상기 방출된 이온들을 추출하여 상기 비행 튜브를 따라 비행하도록 가속시키는 추출가속수단과, 상기 비행 튜브를 따라 비행하는 이온들을 검출하도록 상기 비행 튜브의 끝단에 설치된 이온검출기를 포함하는 단일 입자 질량 분석기에 있어서,

   상기 추출가속수단은,

   반구형상을 가지는 전도성 소재로 이루어지는 리플렉터; 및

   상기 리플렉터로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되는 적어도 하나 이상의 메쉬 형상의 그리드;를 포함하고,

   상기 리플렉터에는 상기 그리드에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되고, 상기 리플렉터와 그리드 사이의 전압차에 의해 상기 이온이 추출 및 가속되어 상기 비행 튜브를 따라 상기 이온검출기를 향해 등속 비행하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 추출가속수단과 동심축 상에 배열되어, 상기 추출가속수단에 의해 비행하는 이온을 중심축 상으로 굴절시켜 상기 비행튜브 내에서 평행하게 비행하도록 하는 원통형 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 그리드는,

   상기 리플렉터로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 리플렉터에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 메쉬 형상의 제1 그리드; 및

   상기 제1 그리드로부터 상기 이온검출기 방향으로 소정 간격 이격되어 배열되며, 상기 제1 그리드에 비해 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 메쉬 형상의 제2 그리드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 그리드는 접지되는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
5. 제3항에 있어서,

   상기 원통형 전극은, 제1 그리드와 제2 그리드 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 원통형 전극에는 상기 제1 그리드에 인가되는 전압 이하의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 비행 튜브 내에서 상기 추출가속수단으로부터 소정 간격 이격된 채로 배열되어, 상기 추출가속수단에 의해 가속되어 비행하는 이온을 상기 비행 튜브의 중심축 방향으로 포커싱하는 아인젤 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 아인젤 렌즈는,

   연속적으로 배열된 세 개의 전도성 튜브로 구성되며,

   양쪽의 튜브는 전기적으로 중성인 반면 중앙의 튜브에는 전압이 인가됨으로써 각 튜브 사이에 전기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 챔버는,

   상기 공기역학렌즈가 설치되는 제1 챔버와,

   상기 추출가속수단이 설치되며, 상기 비행 튜브와 연통되는 제2 챔버를 포함 하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제1 챔버와 제2 챔버 사이에는 상기 공기역학렌즈로부터 방출된 에어로졸 입자를 더욱 가속하는 동시에, 전송가스와 분리시키는 스키머가 구비되는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.
11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공기역학렌즈는,

    감압 오리피스 주입구가 형성된 입구 및 출구를 가진 원통형의 케이스; 및

    상기 케이스 내에 소정 간격으로 이격되어 설치되며, 중심부에 상기 에어로졸 입자가 통과하면서 집속되는 오리피스공이 형성된 복수의 포커싱 렌즈부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 입자 질량 분석기.

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