KR100748617B1

KR100748617B1 - 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프―질량분석기

Info

Publication number: KR100748617B1
Application number: KR1020060099971A
Authority: KR
Inventors: 박창준
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-08-10

Abstract

본 발명은 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스크로마토그래프부에서 시료가스에 전자충격을 가해 이온을 발생시키고, 이온을 질량분석부로 이송시키는 과정에서 이온화되지 않은 중성입자를 제거하여 사중극자 질량분석기에 이송함으로서 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기에 관한 것이다.

본 발명은 시료가스를 이온화시키고, 다극필터에 의해 불순물인 중성입자를 제거한 이온을 검출하는 가스크로마토그래프-질량분석기에 있어서, 이온원 관형몸통의 일단에 형성된 시료가스주입구와, 상기 시료가스주입구와 근접설치되고 열전자를 발생하도록 하여 유입된 시료가스와 열전자의 충돌로 이온이 형성되도록 하는 필라멘트와, 전장을 형성시키기 위한 양전극과, 발생된 이온을 추출하기위한 추출렌즈와, 추출된 이온을 집속시키기 위한 집속렌즈와, 집속된 이온빔으로부터 불순물인 중성입자를 제거하기 위한 다극필터가 동일축 상에 설치되도록 한다.

상기한 구조를 갖는 가스크로마토그래프-질량분석기는 열전자와 중성입자 충돌에 의해 발생되는 이온의 이동경로를 동일축선 상에서 이루어지도록 하여 이온의 추출이 용이하게 이루어지도록하고, 집속된 이온빔에 포함되어 있는 불순물인 중성입자를 제거하기 위해 다중전극필터를 통해 전압 차에 의해 이온빔만 직각으로 꺾여 진행되도록 하여 검출기 노이즈와 사중극자 오염의 원인인 중성입자를 제거하고, 각 부의 외측으로는 관형의 자석을 장착해 열전자와 이온빔의 집속도를 향상시 켜 사중극자 질량분석기로 전달되도록 함으로써 이온빔의 집속도 향상과 이온빔에 포함된 중성입자의 제거를 통해 분석의 검출한계는 낮추고 사중극자의 오염은 감소시키는 유용한 장치의 제공이 가능하게 된 것이다.

가스크로마토그래프, 질량분석기, GC/MS, 다극필터, 관형자석

Description

검출한계를 개선한 가스크로마토그래프―질량분석기{Gas Chromatograph-Mass Spectrometer having improved detection limit}

도 1은 본 발명에 따른 가스크로마토그래프-질량분석기를 개략적으로 도시한 평면도.

도 2는 본 발명에 따른 가스크로마토그래프-질량분석기의 일부분을 개략적으로 도시한 부분평면도.

도 3은 본 발명에 따른 다극필터의 작동상태를 도시한 상태도.

도 4는 종래 가스크로마토그래프-질량분석기에 일반적으로 사용되는 크로스빔 이온원을 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가스크로마토그래프-질량분석기

11 : 시료주입구 20 : 이온원 관형몸통

30 : 필라멘트 40 : 양전극

41 : 통공 50 : 추출렌즈

60 : 집속렌즈 61 : 보조집속렌즈

70 : 다극필터 71 : 1/4원형전극

72 : 이온빔 유로 73 : 유입유로

74 : 배출유로 80 : 관형자석

90 : 사중극자 질량분석기

일반적으로 가스크로마토그래프-질량분석기(Gas Chromatograph-Mass Spectrometer ; 이하, ‘GC/MS’라 함)는 혼합물 중에 들어있는 기화될 수 있는 성분들을 시간에 따라 분리하는 기술이다.

이러한 GC/MS에서의 가스크로마토그래프부에서는 운반가스와 시료가 혼합된 시료가스에 필라멘트에서 발생된 열전자를 조사하여 전자충격이 이루어지도록 하고, 상기 전자충격으로 발생된 이온은 4중극필터를 통과하여 질량분석부로 전달되며, 상기 질량분석부에서 각 질량에 따라 이온을 측정하여 시료의 분자량과 구조에 대한 정보를 얻을 수 있는 분석장비이다.

상기 GC/MS는 도 4를 참조한 바와 같이 이온원의 필라멘트(1)에서 열전자를 방출하고, 평면형 리펠러(2)에서 전장이 형성되도록 하여 주입되는 시료가스가 전장에서 열전자와 충돌하여 이온이 발생되고 발생된 이온은 일측으로 방출되면서 이온렌즈(3)를 통해 집속이 이루어지도록 하여 질량분석부로 이송되게 한다.

특히 상기 종래 장치에는 필라멘트에서 발생된 열전자는 외측으로 설치된 영구자석(4)의 자력에 의해 도면의 수직선상으로 진행되며, 충동에 의해 발생된 이온은 리펠러의 전장에 의하여 수평 상으로 이동되도록 하여 이온렌즈에 의해 집속이 이루어져 질량분석부로 이동되도록 한다. 이때 자기력은 수직방향으로 이루어지는데 반하여 이온은 수평상으로 배출됨으로 이온빔은 사중극자의 중앙 축에서 약간 휘어지는 힘을 받게 되어 질량분석기의 감도가 감소하는 단점이 있다.

또한, 이온빔과 함께 이온화되지 않은 중성입자도 함께 배출이 이루어지게 되는데 질량분석기를 통하여 검출기에 도달한 중성입자는 질량분석 시 노이즈로 나타남과 함께 사중극자의 표면오염을 일으키므로 이러한 문제를 해결하기 위해서는 불필요한 중성입자를 제거하는 과정이 필요하다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

열전자와 중성입자 충돌에 의해 발생되는 이온의 이동경로를 전자의 이동경로와 동일축선 상에서 이루어지도록 하여 이온화 효율과 함께 이온빔의 집속이 향상되도록 하고, 집속된 이온빔에 포함되어 있는 불순물인 중성입자를 제거하기 위 해 다중전극을 통해 전압 차에 의해 이온빔만 직각으로 꺾여 진행되도록 하여 노이즈의 원인인 중성입자를 제거하고, 이온원의 외측으로는 관형의 자석을 장착해 열전자와 이온빔의 집속도를 향상시켜 사중극자 질량분석기로 전달되도록 함으로써 이온화효율의 향상과 함께 이온빔의 집속도 향상, 그리고 중성입자의 제거를 통해 성능이 향상되도록 하는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기는,

이온원 관형몸통의 일단에 형성된 시료가스주입구와, 상기 시료가스주입구와 근접 설치되고 열전자를 발생하도록 하여 유입된 시료가스와 열전자의 충돌로 이온이 형성되도록 하는 필라멘트와, 전장을 형성시키기 위한 양전극과, 발생된 이온을 추출하기위한 추출렌즈와, 추출된 이온을 집속시키기 위한 집속렌즈와, 집속된 이온빔으로부터 불순물인 중성입자를 제거하기 위한 다극필터가 동일축 상에 설치되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 필라멘트와 양전극의 외측에 관형의 자석을 설치하여 열전자가 효율적으로 집속되어 진행되도록 할 수 있다. 또한, 상기 추출렌즈와 집속렌즈의 외측에도 관형의 자석을 설치하여 추출 및 집속된 이온빔의 집속력을 더 향상되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 다극필터는 중심에 십자형태로 이온빔유로가 형성되고 이온빔 유로에 의해 분리된 네 1/4원형전극은, 대각선으로 대향된 1/4원형전극에는 동일한 전압이 인가하고, 인접된 1/4원형전극에는 상반된 전압을 인가하도록 하여 일측으로부터 유입된 이온빔이 전압 차에 의해 꺽이도록 할 수 있다.

이러한 다극필터는 이온빔이 유입되는 유입유로와 상기 유입유로와 수직방향으로 교차된 배출유로 사이에 위치하는 1/4원형전극은 -전압을 인가하고, 인접된 1/4원형전극은 +전압을 인가하여 이온빔이 다극필터에서 직각으로 부드럽게 꺾여 진행하도록 할 수 있다. 이 때 -전압과 +전압의 절대값은 질량에 따라 올려주어야 한다.

또한, 상기 다극필터의 배출유로와 근접된 부분에는 보조집속렌즈를 설치하여 다극필터로부터 불순물인 중성입자를 제거한 이온빔을 재집속하여 사중극자로 전달되도록 한다.

이하, 상기한 바와 같은 향상된 성능의 가스크로마토그래프-질량분석기를 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스크로마토그래프-질량분석기의 일부분을 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스크로마토그래프-질량분석기의 이온원을 개략적으로 도시한 부분평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 다극필터의 작동상태를 도시한 상태도이다.

본 발명의 가스크로마토그래프-질량분석기(10)는 주입된 시료와 운반가스를 혼합한 시료가스를 이온원 관형몸통(20)의 일단에 형성된 시료주입구(11)를 통해 주입시키고, 주입된 시료가스에 열전자를 충돌시켜 이온을 발생시키며, 발생된 이온은 다극필터(70)를 통해 중성입자를 제거한 후 사중극자 질량분석기(90)로 주입되어 분석되도록 하고 있다.

상기 시료가스는 도시되지 않았지만 시료는 운반가스(일반적으로 헬륨가스 사용)와 혼합하여 주입되는 것으로, 주입된 시료가스는 칼럼을 통과하여 이온원 관형몸통(20)의 내부로 공급되는데 상기 칼럼을 통과하는 동안 시료의 각 성분은 시간적으로 분리되는 것이다.

이와 같이 성분이 분리된 시료가스는 이온원 관형몸통(20)의 시료주입구(11)를 통하여 주입되고, 상기 이온원 관형몸통에는 열전자를 발생시키는 필라멘트(30)와, 양전극(40)과, 추출렌즈(50)가 동일축선 상에 위치하도록 설치되며, 시료가스의 주입구(11)는 상기 필라멘트(30) 앞부분에 위치하여 시료가스가 필라멘트(30)를 통과한 다음 필라멘트(30)와 양전극(40) 사이를 지나서 추출렌즈(50)를 지나도록 하여서 필라멘트(30)에서 발생된 열전자와 충돌이 용이하게 이루어지도록 한다.

또한, 필라멘트(30)와 인접된 부분에 설치되는 양전극(40)은 내측에 통공이 형성되며, 상기 통공(41)은 필라멘트가 위치하는 방향으로부터 타측방향으로 직경이 커지는 테이퍼면으로 형성된다. 상기한 바와 같이 구성된 양전극(40)에 전압이 인가되면 전장이 형성되어 필라멘트(30)의 열전자는 통공을 통해 일측방향으로 진행된다.

즉, 상기 필라멘트(30)에는 -40V의 전압을 인가하여 열전자가 발생하도록 하고, 동시에 양전극(40)에는 +33V의 전압을 인가하여 통공의 일측인 직경이 큰 부분 에 전장이 발생되도록 하고, 발생된 전장에 의해 필라멘트(30)의 열전자는 통공을 통해 이동되어 유입된 시료가스와 전장분위기에서 전자충돌이 이루어지게 되면서 시료성분이 이온화된다. 이 때 양전극(40)의 전압은 질량에 따라 약간 변화하여 인가하는 것이 바람직하다.

이와 같이 전자충돌에 의해 발생된 이온은 추출렌즈(50)에 의해 추출되어 이동이 이루어지도록 한다. 상기 추출렌즈(50)는 중앙에 추출통공(51)이 형성되어 추출통공으로 이온을 추출하여 이동되게 하는 것으로, 전자충돌이 발생되는 부분과 근접될 수 있도록 전면부가 원뿔형태로 돌출되어 추출이 용이하게 이루어지도록 하고 있다.

상기 추출렌즈(50)에서 추출된 이온은 집속렌즈(60)를 통과하여 집속이 이루어진다. 즉, 상기 집속렌즈(60)는 다수개로 분리형성 또는 하나로 형성될수 있는 것으로, -100V의 전압을 인가하면 전장이 발생되어 이온과 같이 추출되어 이동되는 전자는 차단시키고, 이온빔은 중심축에 집속되도록 한다.

아울러 상기 집속된 이온빔은 포함된 불순물인 중성입자를 제거하기 위해 다극필터(70)를 통과하게 된다.

상기 다극필터(70)는 중심에 십자형태의 이온빔유로가 형성되어 이온빔유로(72)에 의해 네 모서리에 각각 전극이 위치하게 된다. 상기 다극필터(70)는 교차되는 이온빔유로(72) 중심부분의 면은 1/4원 모양을 형성하여 전압에 의해 이온빔이 전극의 곡면을 따라 꺾이도록 하며, 특히 네 모서리에 위치하는 1/4원형전극(71)을 동일한 형태로 형성하여 동일한 조건에서는 동일한 전기장이 발생되도록 한다.

이와 같이 배치된 다극필터의 1/4원형전극(71)은 대각선으로 대향된 원형전극에는 동일한 전압을 인가하고, 인접한 원형전극에는 상반된 전압을 인가하여 유입된 이온빔이 굴절되도록 하였다.

즉, 도 3을 참조한 바와 같이 이온빔이 유입되는 유입유로(73)의 양측에는 각각 -전압과 +전압을 인가하고, 상기 1/4원형전극(71)과 대각선으로 대향된 원형전극에는 동일한 전압을 인가하도록 하면 전기장이 +전압에서 -전압으로 작용함에 따라 유입유로(73)로 유입된 이온빔은 -전압을 갖는 전극방향으로 굴절되면서 배출유로(74)를 따라 사중극자 질량분석기(90)로 이동된다. 이 과정에서 중성입자는 굴절되지 아니하므로 직진하여서 결과적으로는 사중극자 질량분석기(90)로 들어가지 못하고 제거되어서 순수한 이온만 배출유로(74)를 사중극자 질량분석기(90) 안으로 주입되는 것이다.

또한, 상기 다극필터(70)를 통과한 이온빔은 전압 차에 의한 굴절 시 진행방향이 사중극자 중심축에서 약간 벗어날 수 있으므로 이를 재집속 하도록 다극필터(70)의 배출유로(74)와 근접된 부분에 보조집속렌즈(61)를 장착할 수 있다.

한편, 상기 필라멘트(30)와 양전극(40)의 외측에는 관형자석(80)이 더 설치될 수 있다. 상기 관형자석(80)은 이온원의 관형몸통(20) 외측에 설치되며, 상기 관형자석에서 발생된 자력에 의해 필라멘트(30)에서 생성된 열전자는 효율적으로 집속되어 이온화효율이 증가된다.

이러한 기능을 갖는 관형자석(80)은 추출렌즈(50)와 집속렌즈(60)의 외측에도 설치되어 자력에 의해 이온빔의 집속력을 더욱 향상시킬 수 있다.

따라서, 전자충돌에 의해 발생된 이온은 집속되어 이동됨으로 이동과정에서의 손실을 최소화할 수 있고, 다극필터(70)의 전압 차에 의한 굴절과정에서 이온빔에 포함된 많은 양의 중성입자를 제거할 수 있으므로, 사중극자 질량분석기(90)에는 순수한 이온만이 전달되어 감도는 향상되고 바탕값은 감소된 분석결과를 얻을 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명의 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기는,

열전자와 전자충돌에 의해 발생되는 이온의 이동경로를 동일축선 상에서 이루어지도록 하여 이온의 추출 및 집속이 용이하게 이루어지도록하고, 집속된 이온빔에 포함되어 있는 불순물인 중성입자를 제거하기 위해 다중전극을 통해 전압 차에 의해 이온빔만 직각으로 꺾여 진행되도록 하여 노이즈의 원인인 중성입자를 제거하고, 이온원인 관형몸통의 외측으로는 관형의 자석을 장착해 열전자의 집속도를 향상시키는 동시에 사중극자로 전달되는 이온빔의 집속도도 향상시키며 중성입자를 제거시킨 순수한 이온빔을 사중극자로 주입시킴을 통해 성능이 향상된 유용한 장치의 제공이 가능하게 된 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

Claims

시료가스를 이온화시키고, 다극필터에 의해 불순물인 중성입자를 제거한 이온빔을 검출하는 가스크로마토그래프-질량분석기에 있어서,

이온원 관형몸통(20)의 일단에 형성된 시료가스주입구(11)와, 상기 시료가스주입구와 근접 설치되고 열전자를 발생하도록 하여 유입된 시료가스와 열전자의 충돌로 이온이 형성되도록 하는 필라멘트(30)와, 전장을 형성시키기 위한 양전극(40)과, 발생된 이온을 추출하기위한 추출렌즈(50)와, 추출된 이온을 집속시키기 위한 집속렌즈(60)와, 집속된 이온빔으로부터 불순물인 중성입자를 제거하기 위한 다극필터(70)가 동일축 상에 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기.
제 1항에 있어서,

상기 필라멘트(30)와 양전극(40)의 외측으로는 관형자석(80)을 설치하여 열전자가 효율적으로 집속되어 진행되도록 한 것을 특징으로 하는 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기.
제 1항에 있어서,

상기 추출렌즈(50)와 집속렌즈(60)의 외측으로는 관형자석(80)을 설치하여 추출 및 집속된 이온빔의 집속력을 더 향상되도록 한 것을 특징으로 하는 검출한계 를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기.
제 1항에 있어서,

상기 다극필터(70)는 중심에 십자형태로 이온빔유로(72)가 형성되고 이온빔유로에 의해 분리된 네 1/4원형전극(71)은, 대각선으로 대향된 전극에는 동일한 전압이 인가하고, 인접된 전극에는 상반된 전압을 인가하도록 하여 일측으로부터 유입된 이온빔이 전압 차에 의해 부드럽게 꺽이도록 한 것을 특징으로 하는 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기.
제 4항에 있어서,

상기 다극필터(70)의 배출유로(74)와 근접된 부분에는 보조집속렌즈(61)를 설치하여 다극필터로부터 불순물인 중성입자를 제거한 이온빔을 재집속시켜 사중극자 질량분석기(90)로 전달되도록 한 것을 특징으로 하는 검출한계를 개선한 가스크로마토그래프-질량분석기.