KR100786621B1

KR100786621B1 - 석영 재질의 백금족금속 도금한 쌍곡선면 사중극자 질량분석기

Info

Publication number: KR100786621B1
Application number: KR1020050125083A
Authority: KR
Inventors: 박창준; 윤세원
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-12-21
Also published as: KR20070064706A; JP2007173232A; US20070138389A1; US7453061B2

Abstract

본 발명은 대부분의 질량분석기 핵심 장치인 사중극자 질량분석기에 관한 것으로서, 특히 질량분석기의 분해능과 내구성 및 제반성능을 향상시킬 수 있도록 쌍곡선 면을 갖는 석영 재질의 사중극자 질량 분석기에 대한 것이다.

본 발명에 따른 사중극자 질량분석기는 소정의 거리로 이격되어 회전대칭 형상을 이루며 서로 평행하게 구비되는 4개의 원형 석영관; 상기 석영관의 회전대칭축 방향 원주 표면에 백금족금속 막이 석영관의 길이방향으로 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부로 구획되어 소정의 면적으로 형성되며, 대향되는 석영관의 백금족금속 막 단면이 실질적으로 쌍곡선면을 이루는 전극부; 석영관과 동일 곡률반경을 갖는 형상으로 좌우 모따기 처리되어 인접 석영관들 사이에 밀착 고정되는 석영핀; 대향되는 석영관의 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부 각각을 전기적으로 연결하여 RF 및 DC전원이 인가되도록 하는 띠 형상의 도전성 접속부재; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

석영 재질의 백금족금속 도금한 쌍곡선면 사중극자 질량분석기 {A HYPERBOLIC QUADRUPOLE MASS FILTER MADE OF PLATINUM GROUP METAL COATED QUARTZ TUBE}

도 1은 이상적인 쌍곡선 면을 갖는 사중극자 질량분석기

도 2는 이상적인 쌍곡선 면과 원형 면을 비교하여 원형 면은 쌍곡선 면의 중 심 일부분만을 대체할 수 있다는 것을 보여주는 개념도.

도 3은 종래의 원형 금속봉으로 조립된 사중극자 질량분석기.

도 4는 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기의 쌍곡선면 석영관 조립 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기의 쌍곡선면 석영관 분해 사시도.

도 6은 도 4의 A-A단면도.

도 7은 대향되는 석영관의 전극부를 연결하는 접속부재의 사시도.

도 8은 도 4의 B-B단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1, 2: 쌍곡선면 사중극자의 대향전극의 전기적 연결

3: 쌍곡선 면을 이루는 금속봉

4: 원형 봉의 단면

5: 쌍곡선 면의 단면

6: 원형봉 사중극자 주필터(main filter) 전극부

7: 원형봉 사중극자 전 필터(prefilter) 전극부

8: 이온빔 9: RF/DC 사중극자 전원

10: 직류 전압을 제거하는 캐패시터(capacitor)

11: 전 필터(Prefilter) 직류전압 인가용 저항

12: 석영관 13: 석영핀

14: 백금족금속 막 15: 도전대

16: 도전성 접속부재 17: RF+DC 전선 연결용 탭

18: 결합공 19: 고정볼트/너트

본 발명은 대부분의 질량분석기 핵심 장치인 사중극자 질량분석기에 관한 것으로서, 특히 질량분석기의 분해능과 특성을 향상시킬 수 있도록 한 쌍곡선 면을 갖는 석영 재질의 사중극자 질량 분석기에 대한 것이다.

사중극자 질량분석기는 4개의 전극으로 구성되며 서로 대향되는 2개의 전극 을 연결하여 생성되는 2 쌍의 전극에 전기장을 가하여 통과하는 이온의 질량을 분리하는 장치인데, 중앙 공간의 단면이 쌍곡선일 때 가장 이상적이다.

도 1은 이상적인 쌍곡선 면 사중극자 질량분석기이다.

도 1에 도시된 바와 같이 사중극(Quadrupole)은 X² - Y² = 상수로 표시되는 쌍곡선 면을 가지는 4개의 평행한 금속 봉(3)으로 제조되는 것이 이상적이다. 대향되는 2개의 봉들을 연결하여 2쌍(1, 2)을 제조하고 한쌍에 U + V cos ( 2 pi ft) , 다른쌍에는 - U - Vcos ( 2 pi ft) 를 걸어주며(여기서 U는 직류전압, V는 라디오주파수 (RF) 전압의 peak값 그리고 f는 RF 전압의 주파수이다.), 특정 이온이 사중극자 안으로 들어오면 진행 축에 수직인 방향으로 진동 운동을 한다. 이 운동은 Mathieu 방정식이라는 두개의 미분 방정식에 의하여 결정된다. 어느 선택된 질량의 이온은 안정된 운동을 하면서 사중극을 통과하지만 다른 질량의 이온들은 진동운동의 진폭이 커지는 불안정한 운동을 함으로써 봉에 충돌하여 없어지게 된다. 쌍곡선 면 사중극자는 정밀한 제작이 어려워서 현재까지도 많은 질량분석기에서 원형 봉으로 제작된 사중극자 질량분석기를 사용한다.

원형 봉(4)은 도 2에서 보는 바와 같이 쌍곡선 면(5)의 정 중앙 일부분만을 대체할 수 있고 중앙에서 벗어날수록 이상적인 쌍곡선 전기장과 크게 차이가 난다. 따라서 사중극자 내부를 통과하는 이온들의 비선형 운동에 의하여 발생하는 질량스펙트럼 피크의 갈라짐 현상과 분해능의 감소가 일어난다.

도 3은 원형 봉으로 구성된 일반적인 사중극자 질량분석기와 각 봉의 전기적 연결 상태를 보여준다. 일반적인 사중극자 질량분석기는 길이 100 mm 이상인 주필터(main filter) 전극부(6), 와 길이 약 20 mm인 전필터(prefilter) 전극부(7)로 구성된다. 사중극자 주필터 전극부(6)와 전필터 전극부(7)의 간격은 약 2 mm이다. 사중극자 주필터 전극부(6)에 RF/DC 전원(9)을 연결하는데, 한 쌍에는 U + Vcos( 2 pi ft) , 다른 쌍에는 정반대 위상인 - U - Vcos ( 2 pi ft) 를 가해준다. 각 쌍의 같은 위치에 해당하는 주필터 전극부(6)와 전필터 전극부(7)는 캐패시터(10)로 연결하여서 DC 전압 U를 차단한 RF 전압 Vcos( 2 pi ft) 를 가해준다. 사중극자 전필터 전극부(7)에는 약 10 MΩ저항(11)을 통하여 적절한 DC 전압을 가해주어서 사중극자 안으로 이온빔(8)이 쉽게 들어오도록 한다. 이온빔(8)이 RF 전압만 가해진 사중극자 전필터 전극부(7) 안을 통과할 때 사중극자 주필터 전극부(6)에서 통과시키는 이온 질량의 약 30% 이하로 작은 이온들을 미리 제거해 주는 역할을 한다.

기체크로마토그라피-질량분석기(GCMS)와 같이 유기물 시료를 분석하는 질량분석기는 시료기체가 도입되는 이온원과 사중극자 질량분석기에 유기물이 흡착되지 않도록 카트리지 히터를 사용하여 약 200 - 250℃온도를 유지하도록 열을 가해주며, 또한 진공부품 및 기체 분석에 사용되는 잔류가스분석(residual gas analyzer, RGA) 질량분석기도 배경피크(background peak)를 낮추기 위하여 전체 진공 챔버를 약 200℃로 가열해준다. 이 경우 금속 봉으로 제작된 종래의 사중극자 질량분석기는 열에 의한 팽창 및 수축이 심하여 처음의 조립 정밀도를 점점 잃게 되는 것과 동시에 금속 표면의 산화 때문에 성능이 점차 감소하게 된다. 이와 같이 종래의 원 형 금속 봉으로 조립된 사중극자 질량분석기는 원형 봉을 사용하여 발생하는 이온들의 비선형운동에 의한 피크의 갈라짐 현상과 분해능 감소, 그리고 성능의 점진적인 감소뿐만 아니라 사중극자 주필터 외에 전필터를 별도로 제작하여 주필터와 동축 상에 평행하도록 정밀하게 부착해야 하는 어려움도 있다.

4 개의 원형 봉을 정밀하게 조립하는 어려움과 금속 재질의 팽창 및 수축에 의한 점진적인 비틀림 문제를 해결하기 위한 첫 시도가 1967년 미국특허 (US Patent No. 3,328,146)에 처음 공지되었으며, 상기 발명에서는 오목한 실린더 면 4개를 갖는 맨드릴(心軸, mandrel)을 Cr-Ni 강 혹은 스텐리스강으로 제작하고 이 맨드릴에 유리 튜브를 끼워 넣어서 유리가 변형될 수 있는 온도로 가열하면서 유리 튜브 안을 진공펌프로 펌핑한다. 그러면 유리는 수축하면서 심축 표면에 붙고, 맨드릴온도가 상온으로 내려간 후에 맨드릴을 뽑아내면 일체형 사중극자 형태가 유리 튜브 내부에 형성되며, 이 유리 내부의 실린더 4 면을 금도금하여 사중극자로 사용한다. 이 방법에 사용되는 유리 튜브는 열팽창계수가 맨드릴로 사용되는 철강의 열팽창계수와 비슷한 특수유리를 사용해야 한다. 열팽창계수가 조금이라도 다르면 온도가 내려갈 때 조각조각 깨어진다. 이러한 방법으로 무게가 가벼운 일체형 사중극자를 만들 수 있으나 유리의 열팽창계수가 철강 수준으로 높고 당시의 금도금 능력 및 제작상의 어려움 때문에 4 개의 금속 봉으로 조립 제작된 사중극자에 비하여 상업적으로 판매가 되지 못하였다.

1988년에는 유리관 대신에 석영관을 사용하고 쌍곡선 면을 갖는 몰리브덴 맨드릴을 사용하여 같은 방법으로 일체형 석영 사중극자 질량분석기를 제조하는 방법 을 Hewlett-Packard 사에 의하여 공지되었다(US Patent 4,885,500). 이 방법에서는 좁은 공간의 일체형 석영 내부에 위치하는 길이 약 200 mm인 쌍곡선 면 4개를 정밀하게 금 도금하는 어려움 때문에 맨드릴에 스텐리스강 판 4 개를 두어서 석영관이 맨드릴에 붙을 때 눌려져서 석영관 내부에 붙어서 4개의 쌍곡선 면 전극이 구성되도록 하였다. 그러나 석영관과 스텐리스강 판의 열팽창계수가 다르므로 석영관이 쌍곡선 면을 갖도록 변형될 수 있는 온도인 약 1550℃으로 가열되었다가 다시 상온으로 온도가 내려갈 때 석영관이 깨어지기 쉽고 몰리브덴 맨드릴과 스텐리스강 판의 산화가 심하고, 스텐리스강 판 전극 사이의 골 부분에 전하가 쌓여서 전극 부분의 쌍곡선 전장을 변형시키는 문제도 발생한다. 따라서 이 방법으로 사중극자를 제작하는 것은 실제적으로 매우 어려워서 Hewlett-Packard 사에서 판매되는 질량분석기에서 이러한 형태의 사중극자는 장착된 적이 없다.

따라서 본 발명의 목적은 낮은 열팽창계수를 갖는 4개의 석영관 표면에 백금족금속 막으로 이루어진 쌍곡선면을 형성함으로서 사중극자의 팽창 및 수축에 의한 점진적 성능 감소가 적은 사중극자 질량분석기를 제공하는 것이며, 또 다른 목적으로서 각 석영관의 쌍곡선 면에 정밀한 형태의 백금족금속 막을 형성하여 치밀하며 단단한 조직을 갖도록 하여 쉽게 손상 받지 않는 쌍곡선 면을 갖는 사중극자 질량분석기를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 하나의 석영관에 주필터 전극과 전필터 전극을 형성함으로서 정밀조립의 수고가 없이 정확한 위치에 전필터를 장착할 수 있으며, 최종적으로, 고분해능, 고성능과 함께 좋은 내구성을 갖는 사중극자 매스필터(mass filter)를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기는 소정거리 이격되고 소정 반경을 가지는 원의 원주 상에 등각간격으로 배치되며, 서로 길이방향으로 평행하게 마주보도록 구비된 4개의 원통형 석영관; 상기 석영관은, 다른 석영관과 대향하는 원주 표면에 백금족금속 막이 석영관의 길이방향으로 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부로 구획되어 소정의 면적으로 형성되며, 대향되는 석영관의 금 또는 백금족금속 막 단면이 실질적으로 쌍곡선면을 이루는 전극부; 석영관과 동일 곡률반경을 갖는 형상으로 좌우 모따기 처리되어 인접 석영관들 사이에 밀착 고정되는 석영핀; 대향되는 석영관의 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부 각각을 전기적으로 연결하여 RF 및 DC전원이 인가되도록 하는 띠형상의 도전성 접속부재; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 석영핀과 인접한 석영관은 세라믹 접착체로 고정되어 고정되며, 대향되는 석영관들의 지름이 동일하며, 또한 4개의 석영관의 지름이 동일할 수 있다.

대향되는 석영관끼리 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부 각각이 전기적으로 연결되어 RF 및 DC전원이 인가되도록 띠형상의 도전성 접속부재가 대향되는 석영관에 대하여 동일한 위치이고, 대향되지 않는 석영관에 대해서는 이격되어 상이한 위치가 되도록 띠형상의 도전대가 석영관의 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부 각각에 대하여 구비되며, 상기 도전대 상에 전성 접속부재가 밀착되어 위치하도록 함으로서 대향되는 석영관들이 상기 도전대를 통하여 전기적으로 연결되도록 하는 것도 본 발명의 특징이다.

상기 도전성 접속부재는 구리재질로서 폐곡선 또는 개곡선 형태 모두 가능하나 3개의 석영관을 감싸도록 'C' 형상이 바람직하며, 특히 상기 'C' 형상의 도전성 접속부재의 내측 면에는 3개의 석영관이 동시에 밀착되도록 석영관의 곡률반경과 동일하게 3개의 원호가 형성되는 것이 바람직하다.

도전성 접속부재에는 외부 전원이 용이하게 접속되도록 접속용 텝이 구비되고, 도전성 접속부재와 석영관의 접촉위치에 각각 결합공이 구비되어 도전성 접속부재와 석영관이 너트-볼트 등의 결합부재에 의하여 밀착되어 고정된다.

이하 첨부한 도면을 바탕으로 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기의 실시예를 설명하나, 이는 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 예시일 뿐이고, 본 발명이 이에 한점 됨을 의미하는 것은 아니며, 당 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이를 바탕으로 본 발명의 추가적인 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

도 4는 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기의 쌍곡선면 석영관 조립 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 사중극자 질량분석기의 쌍곡선면 석영관 분해 사시도이며, 도 6은 도 4의 A-A 단면도로서 석영관 사중극자 질량분석기의 중앙부 쌍곡선 단면과 4개 석영관의 조립에 사용되는 석영핀의 결합 형태를 보여주는 단면도이고, 도 7은 대향되는 석영관의 전극부를 연결하는 접속부재의 사시도이며, 도 8은 도 4의 B-B 단면도로서 접속부재와 석영관의 결합단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 석영 재질의 쌍곡선 면 사중극자 질량분석기는 소정거리 이격되고 소정 반경을 가지는 원의 원주 상에 등각간격으로 배치되며, 서로 길이방향으로 평행하게 마주보도록 구비되며, 5x10^-7 cm/cm℃로 낮은 열팽창계수를 갖고 지름이 동일한 4개의 원형 석영관(12)을 정밀하게 가공한 후, 상기 석영관(12)은, 다른 석영관(12)과 대향하는 원주 표면에 백금족금속을 석영관(12)의 길이방향으로 전필터(prefilter) 전극부(7)와 주필터(main filter) 전극부(6)를 전기적으로 절연되도록 전필터(prefilter) 전극부(7)와 주필터(main filter) 전극부(6)로 구획하기 위하여 2mmm 정도를 도금하지 않는 부분이 존재하도록 하여 소정의 면적으로 도금하여 대향되는 석영관(12)의 백금족금속 막(14) 단면이 실질적으로 쌍곡선면을 이루도록 전극부를 형성한다. 이때 백금족금속 도금 폭은 석영관(12) 원주의 약 1/3 면 정도가 바람직하다.

백금족금속이 도금된 상기 4개의 석영관(12)은 몰리브덴 맨드릴에 위치를 맞춘 다음 상기 석영관(12)과 동일 곡률반경을 갖는 형상으로 좌우 모따기 처리되어 석영관(12)에 밀착되도록 가공한

형상 약 10 mm 넓이의 석영핀(13)을 4방향 4개씩 모두 8개를 500℃ 이상의 고온에서도 견디는 세라믹 접착제를 이용하여 인접한 석영관(12) 사이에 밀착 고정시킴으로서 4개의 석영관(12)이 서로 이격되어 고정되도록 한다.

한편 서로 대향되는 석영관(12)의 전필터(prefilter) 전극부(7)와 주필터(main filter) 전극부(6) 각각을 전기적으로 연결하여 RF 및 DC전원이 인가되도록 하는 띠형상의 도전성 접속부재(16)를 4개가 구비되며, 상기 도전성 접속부재(16)는 구리 재질이 바람직하며, 도 7에 도시된 바와 같이 'C' 형상으로 된 것으로 도 전성 접속부재(16)의 내측 면에는 3개의 석영관(12)이 동시에 밀착되도록 석영관(12)의 곡률반경과 동일하게 3개의 원호가 형성된 것이다.

상기 띠 형상의 도전성 접속부재(16)는 대향되는 석영관(12)의 전필터(prefilter) 전극부(7)와 주필터(main filter) 전극부(6) 각각을 전기적으로 연결하여 RF 및 DC전원이 인가되도록 하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 서로 대향되는 한 쌍의 석영관(12) 전필터(prefilter) 전극부(7)와 주필터(main filter) 전극부(6) 각각의 소정의 위치에 약 8 mm 정도의 띠형상의 백금족금속으로 도금된 도전대(15)가 형성되고, 상기 도전성 접속부재(16)가 도전대(15) 상에 구비되도록 함으로서 하나의 도전성 접속부재(16)가 대향되는 석영관(12) 2개의 특정 전극부만 통전되도록 한다.

도전성 접속부재(16)에는 외부 전원의 접속을 위하여 외부 전원 접속용 M3 탭(17)을 구비된다.

상기 쌍곡선 면 석영관(12)과 도전성 접속부재(16)가 접촉되는 위치인 쌍곡선 면의 반대 편에 쌍곡선 면 석영관(12)과 도전성 접속부재(16)가 통공되도록 각각 직경 약 3 mm결합공(18)이 구비되어 상기 결합공(18)에 고정볼트/너트(19)로 고정함으로써 도전대(15)와 도전성 접속부재(16)사이에 RF+DC 전압이 원활히 이루어지도록 한다. 이때, 고정방법은 M2 혹은 M2.5 너트를 석영 관의 빈 공간 안으로 넣어서 M2 혹은 M2.5 볼트로 고정하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 석영 재질의 쌍곡선 면 사중극자 질량분석기는 금속 봉 대신에 백금족금속을 도금한 석영 관을 사용하고 이 석영 관을 석영 핀과 세라믹 본드를 사용하여 결합함으로써 질량분석하는 동안 약 200℃ 온도로 가열하여도 열팽창에 의한 변형 혹은 성능 감소가 없는 장점이 있다. 또한, 백금족금속 막 표면은 산화되지 않으므로 무기산 및 유기물을 장시간 분석하여도 표면 변화가 없어서 처음 성능이 유지된다. 그리고 원형 봉 대신에 쌍곡선 면을 사용하므로 사중극자 전기장의 비선형 불완전성이 감소되어서 피크의 쪼개짐 현상이 없는 깨끗한 피크를 얻고 분해능이 향상된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims

소정거리 이격되고 소정 반경을 가지는 원의 원주 상에 등각간격으로 배치되며, 서로 길이방향으로 평행하게 마주보도록 구비된 4개의 원통형 석영관;

상기 석영관은, 다른 석영관과 대향하는 원주 표면에 백금족금속 막이 석영관의 길이방향으로 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부로 구획되어 소정의 면적으로 형성되며, 대향되는 석영관의 백금족금속 막 단면이 실질적으로 쌍곡선면을 이루는 전극부;

석영관과 동일 곡률반경을 갖는 형상으로 좌우 모따기 처리되어 인접 석영관들 사이에 밀착 고정되는 석영핀;

대향되는 석영관의 전필터(prefilter) 전극부와 주필터(main filter) 전극부 각각을 전기적으로 연결하여 RF 및 DC전원이 인가되도록 하는 띠 형상의 도전성 접속부재;

로 구성되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.
제 1 항에 있어서,

상기 석영핀과 인접한 석영관은 세라믹 접착체로 고정되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.
제 2 항에 있어서,

대향되는 석영관들은 동일위치에 상기 전극부와 통전되도록 띠형상의 도전대가 형성되며, 상기 도전성 접속부재가 도전대 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.
제 3 항에 있어서,

도전성 접속부재는 'C' 형상이며, 도전성 접속부재의 내측 면에는 3개의 석영관이 동시에 밀착되도록 석영관의 곡률반경과 동일하게 3개의 원호가 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.
제 4 항에 있어서,

도전성 접속부재에는 외부 전원 접속용 탭이 구비되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.
제 5항에 있어서,

도전성 접속부재와 석영관은 접촉위치에 결합공이 구비되어 결합부재로 고정되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기.