KR101041369B1 - 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

초고속 대량 시료 분석을 위한 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원에 의해 조사된 레이저를 복수 개의 집속된 레이저 빔으로 집속하는 렌즈 어레이; 및 상기 렌즈 어레이와 시료 사이에 위치하며, 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의하여 시료로부터 생성된 이온들을 복수 개의 이온 빔으로 집속하는 집속부를 포함할 수 있다. 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법은, 레이저를 집속하여 복수 개의 집속된 레이저 빔을 생성하는 단계; 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔을 시료에 조사하여 시료를 이온화하는 단계; 및 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의해 시료로부터 생성된 이온들을 집속하여 복수 개의 이온 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
대량 시료, 이온화, 레이저, MALDI, 분자 이미지, 질량 분석

Description

초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법{HIGH THROUGHPUT APPARATUS AND METHOD FOR MULTIPLE SAMPLE ANALYSIS}
실시예들은 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization) 질량 분석법이란, 레이저를 이용하여 시료를 이온화한 후, 이온화된 시료의 질량을 분석하는 질량 분석법이다. MALDI 질량 분석법은 단백질, 펩타이드(peptide) 및 당(sugar)을 포함하는 생체 분자(biomolecule)의 분석에 이용될 수 있다. 또한, MALDI 질량 분석법은 폴리머(polymer), 덴드리머(dendrimer) 및 고분자(macromolecule)를 포함하는 유기 분자(organic molecule)의 분석에도 이용될 수 있다.
MALDI 질량 분석법을 위해서는, 이온화를 촉진하기 위한 매트릭스(matrix)를 시료에 섞고 시료에 레이저를 인가할 수 있다. 레이저에 의하여 시료가 이온화되면, 이온화된 성분들이 질량 분석기로 전달될 수 있다. 질량 분석기를 사용하여 이온들을 분석함으로써, 해당 영역의 시료의 질량을 측정할 수 있다. 이때 시료에 레이저가 인가된 영역에서 이온이 발생하므로, 시료의 전체 질량 분포를 알기 위해서는 시료의 전 영역에 대하여 이상의 과정을 반복적으로 수행하여야 한다.
실시예들은, 레이저를 집속(focusing)하여 어레이 형태의 복수 개의 집속된 레이저 빔을 생성하고, 이를 시료에 조사(irradiate)함으로써 시료의 넓은 영역 또는 많은 수의 시료를 동시에 이온화할 수 있는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원에 의해 조사된 레이저를 복수 개의 집속된 레이저 빔으로 집속하는 렌즈 어레이; 및 상기 렌즈 어레이와 시료 사이에 위치하며, 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의하여 시료로부터 생성된 이온들을 복수 개의 이온 빔으로 집속하는 집속부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법은, 레이저를 집속하여 복수 개의 집속된 레이저 빔을 생성하는 단계; 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔을 시료에 조사하여 시료를 이온화하는 단계; 및 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의해 시료로부터 생성된 이온들을 집속하여 복수 개의 이온 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법을 이용하면, 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 복수 개의 집속(focusing)된 레이저 빔을 어레이 형태로 시료에 조사(irradiate)함으로써, 시료의 넓은 영역 또는 많은 수의 시료로부터 동시에 이온을 발생시킬 수 있다.
또한 전술한 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법을 MALDI(matrix-assisted laser desorption/ionization) 질량분석법에 응용할 경우, 여러 개의 시료를 동시에 분석하여 고속분석처리가 가능한 이점이 있다. 또한, 상기 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치 및 방법은 시료에 레이저를 조사하면서 시료를 미세 이동제어함으로써 시료의 질량 분포에 대응되는 이미지를 얻는 MALDI 이미징(imaging) 기술에 응용될 수도 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치(1)는 레이저 광원(10), 렌즈 어레이(40) 및 집속(focusing)부(60)를 포함할 수 있다. 상기 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치(1)에 의하여 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)이 어레이의 형태로 시료(2)에 조사(irradiate)될 수 있다. 레이저 빔(12)이 조사되면 시료(2)가 이온화되어 이온들이 발생될 수 있으며, 이때 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치(1)는 이온들을 복수 개의 이온 빔(미도시)의 어레이로 집속할 수 있다.
본 명세서에서 어레이란, 복수 개의 구성 요소가 하나 이상의 열 및/또는 하 나 이상의 행에 따라 배열된 형태를 지칭하도록 의도된다. 상기 어레이는 복수 개의 구성 요소가 하나의 열 또는 하나의 행으로 배열된 형태를 포함한다. 또한 복수 개의 열 및/또는 복수 개의 행을 포함하는 어레이에 있어서, 각각의 열 및/또는 행에 배열되는 구성 요소의 개수는 반드시 일정하지 않을 수도 있다.
레이저 광원(10)은 시료(2)의 이온화를 위한 에너지원인 레이저(11)를 조사하기 위한 장치이다. 레이저 광원(10)은 특정 종류의 레이저를 인가하기 위한 장치 또는 특정한 형태의 장치 구성에 제한되지 않으며, 임의의 파장의 레이저를 조사하는 장치일 수 있다. 예컨대, 레이저 광원(10)의 구성은 시료(2) 및 시료(2)에 포함된 매트릭스(matrix)의 종류 등에 따라 적절한 파장 및/또는 세기의 레이저를 출력하도록 결정될 수 있다.
레이저 광원(10)에 의해 조사된 레이저(11)는 렌즈 어레이(40)를 향하여 전파될 수 있다. 일 실시예에서, 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치(1)는 레이저 광원(10)과 렌즈 어레이(40) 사이에 배치되는 분산 렌즈(20) 및/또는 중간 조절 렌즈(30)를 더 포함할 수도 있다. 분산 렌즈(20) 및/또는 중간 조절 렌즈(30)는 유리(glass) 등 실질적으로 투명한 물질로 이루어질 수 있다.
분산 렌즈(20)는 레이저 광원(10)에 의하여 조사된 레이저(11)가 도달되는 영역의 크기가 증가되도록 레이저(11)를 분산시킬 수 있다. 예컨대, 분산 렌즈(20)는 레이저(11)가 렌즈 어레이(40)의 실질적으로 전 영역에 입사될 수 있을 만큼 레이저(11)를 분산시킬 수 있다. 분산 렌즈(20)는 오목 렌즈, 비구면 렌즈(aspheric lens) 또는 다른 적당한 광학 소자일 수 있다.
중간 조절 렌즈(30)는 분산된 레이저(11)를 적어도 부분적으로 집속하여 렌즈 어레이(40)에 인가할 수 있다. 예컨대, 중간 조절 렌즈(30)는 레이저(11)가 렌즈 어레이(40)의 표면에 실질적으로 수직하게 입사되도록 레이저(11)를 집속할 수 있다. 중간 조절 렌즈(30)는 볼록 렌즈, 비구면 렌즈 또는 다른 적당한 광학 소자일 수 있다.
레이저 광원(10)에 의해 조사되는 레이저(11)의 파장 또는 세기, 레이저 광원(10)과 렌즈 어레이(40)의 거리 또는 배열 등에 따라서는 전술한 분산 렌즈(20) 및/또는 중간 조절 렌즈(30)는 필요하지 않을 수도 있다. 즉, 레이저 광원(10)의 레이저(11)가 추가적인 광학 소자를 거치지 않고 바로 렌즈 어레이(40)에 조사될 수도 있다.
렌즈 어레이(40)는 어레이 형태로 배열된 복수 개의 렌즈를 포함할 수 있다. 즉 렌즈 어레이(40)는, 전체 표면이 볼록하거나 오목하게 구면 형상의 굴곡을 갖는 대신, 평면상에 복수 개의 렌즈가 배열된 비구면 렌즈일 수 있다. 렌즈 어레이(40)에 레이저(11)가 조사되면, 각 렌즈가 레이저(11)를 집속하여 집속된 레이저 빔(12)을 생성할 수 있다. 따라서, 어레이 형태로 배열된 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)이 렌즈 어레이(40)로부터 출력될 수 있다.
일 실시예에서, 렌즈 어레이(40)와 시료(2) 사이에는 프리즘(50)이 위치할 수도 있다. 프리즘(50)은 렌즈 어레이(40)에 의해 생성된 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)을 반사하여 방향을 전환함으로써, 집속된 레이저 빔(12)이 시료(2)로 향하게 하기 위한 장치이다. 그러나, 시료(2), 레이저 광원(10) 및/또는 렌즈 어레 이(40)의 배열에 따라서는 프리즘(50)은 필요하지 않을 수도 있다.
렌즈 어레이(40)에 의해 집속된 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)은 시료(2)에 조사될 수 있다. 이때, 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)은 집속부(60) 및/또는 이온 트랩(70)을 통과하여 시료(2)에 조사될 수 있다. 이를 위하여, 집속부(60) 및/또는 이온 트랩(70)은 레이저가 투과 가능한 영역을 적어도 부분적으로 포함할 수 있다.
본 명세서에서 시료란, 이온화를 촉진하기 위한 물질인 매트릭스(matrix)를 포함하여 레이저에 의해 이온화될 수 있는 물질을 지칭하도록 의도된다. 예컨대 시료(2)는 단백질, 펩타이드(peptide) 또는 당(sugar) 등과 같은 생체 분자(biomolecule), 폴리머(polymer), 덴드리머(dendrimer) 또는 고분자(macromolecule) 등과 같은 유기 분자, 무기 분자, 또는 다른 적당한 물질에 적당한 매트릭스를 섞은 물질일 수 있다.
시료(2)에 소정의 파장을 갖는 레이저가 인가되면, 시료(2) 내의 매트릭스가 레이저에 의한 에너지를 흡수하여 시료(2)의 이온화를 촉진할 수 있다. 이를 위하여, 매트릭스는 결정화된(crystallized) 분자 구조를 가지는 물질일 수 있다. 예를 들어, 3,5-디메톡시-4-하이드록시시나믹산(3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamic acid), α-시아노-4-하이드록시시나믹산(α-cyano-4-hydroxycinnamic acid), 2,5-디하이드록시벤조익산(dihydroxybenzoic acid) 또는 다른 적당한 물질이 매트릭스로 사용될 수 있다.
집속된 레이저 빔(12)이 시료(2)에 조사되면, 집속된 레이저 빔(12)이 조사 된 영역에서 시료(2)가 이온화되어 이온들이 발생될 수 있다. 이때 집속된 레이저 빔(12)은 복수 개가 어레이 형태로 배열되므로, 시료(2)의 넓은 영역에서 동시에 이온을 발생시킬 수 있다. 또는, 시료(2)의 크기에 따라서는 복수 개의 시료(2)를 동시에 이온화할 수도 있다.
집속부(60)는 시료(2)가 이온화되어 생성된 이온들을 복수 개의 이온 빔(미도시)으로 집속할 수 있다. 예를 들어, 집속부(60)는 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)의 어레이와 동일한 형태의 어레이로 복수 개의 이온 빔을 집속할 수도 있다. 집속부(60)는 전자기장을 이용하여 이온들을 집속하기 위한 장치로서, 예컨대 아인젤 렌즈(Einzel lens) 등을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치(1)는 시료(2)와 집속부(60) 사이에 위치하는 이온 트랩(ion trap)(70)을 더 포함할 수도 있다. 이온 트랩(70)은 레이저에 의해 시료(2)가 이온화되어 발생된 이온들을 트래핑(trapping)하기 위한 장치일 수 있다. 이온과 같이 전하를 갖는 입자는 전기장에 의하여 힘을 받게 되므로, 이온 트랩(70)은 적당한 트래핑 필드(trapping field)를 가함으로써 이온을 트래핑할 수 있다. 예를 들어, 이온 트랩(70)은 파울 트랩(Paul trap) 또는 다른 적당한 장치일 수 있다.
레이저에 의하여 시료(2)가 이온화된 직후의 이온들은 매우 높은 온도를 갖게 된다. 이는 추후 이온들을 이용하여 시료(2)에 대한 질량 분석 등의 처리를 수행하는 경우 단점으로 작용할 수도 있다. 그러나, 이온 트랩(70)에서 전자기장을 이용하여 이온들을 트래핑함으로써, 트래핑된 이온들의 온도를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
일 실시예에서, 이온 트랩(70)은 인가된 신호에 따라 트래핑한 이온들을 선택적으로 토출하여 집속부(60)로 전달할 수도 있다. 예컨대, 이온 트랩(70)에는 외부의 전원 장치(미도시)에 의하여 무선 주파수(Radio Frequency; RF) 신호가 인가될 수 있다. 이온 트랩(70)은 트래핑한 이온 중 인가된 RF 신호에 대응되는 특정 질량의 이온만을 토출하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 이물질을 제외하고 특정 물질의 이온만을 출력함으로써, 이온을 이용한 시료(2)의 질량 분석 등을 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 렌즈 어레이의 개략적인 사시도이다.
도 2를 참조하면, 렌즈 어레이(40)는 평면상에 어레이 형태로 배열되는 복수 개의 렌즈(400)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 렌즈(400)는 평판 형상의 플랫폼(410)상에 어레이 형태로 배열될 수도 있다. 각각의 렌즈(400)는 렌즈(400)에 조사된 레이저를 집속하여 집속된 레이저 빔을 생성할 수 있다. 렌즈(400)는 복수 개가 어레이 형태로 배열되므로, 결과적으로 어레이 형태로 배열된 복수 개의 집속된 레이저 빔이 렌즈 어레이(40)로부터 출력될 수 있다.
일 실시예에서, 각 렌즈(400)는 마이크로미터(㎛) 수준의 직경을 가질 수 있다. 또한 도 2에 도시된 렌즈(400)의 개수는 예시적인 것으로서, 예컨대 복수 개의 렌즈(400)는 가로 및 세로 방향으로 약 200개의 렌즈(400)를 갖는 정사각형 형태의 어레이로 배열될 수도 있다. 복수 개의 렌즈(400)의 크기, 개수 및 배열 형태는 레이저 빔을 조사하고자 하는 영역의 크기 및 형상에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
플랫폼(410) 및/또는 렌즈(400)는 레이저가 통과할 수 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 실질적으로 투명한 물질로 이루어질 수도 있다. 예컨대, 플랫폼(410) 및/또는 렌즈(400)는 유리(glass), 셀렌화 아연(ZnSe), 또는 다른 적당한 물질로 이루어질 수 있다. 각 렌즈(400)는 다이아몬드 툴을 이용하여 절삭하는 등의 방법에 의해 원하는 형상으로 미세 가공될 수 있다. 또한 렌즈(400)의 형상은 출력하고자 하는 레이저 빔의 초점 거리 등에 기초하여 적절하게 결정될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 집속부(60)의 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 집속부(60)의 정면도이다. 도 3은 레이저 빔 및 이온의 진행 방향에 수직한 방향의 집속부(60)의 단면을 나타낸다.
도 3 및 도 4에 도시된 집속부(60)는 이온들의 집속을 위하여 아인젤 렌즈(Einzel lens)를 응용한 형태를 도시한 것이다. 도 3 및 4를 참조하면, 집속부(60)는, 서로 이격되며, 일 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 복수 개의 판(600)을 포함할 수 있다. 각 판(600)은 금속 또는 다른 적당한 도전 물질로 이루어질 수 있다. 각 판(600)의 직경과 두께, 및 각 판(600) 사이의 간격 등은 집속시키고자 하는 이온 빔의 특성에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
각 판(600)에는 복수 개의 홀(610)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 복수 개의 홀(610)은 어레이 형태로 배열될 수 있다. 예컨대, 복수 개의 홀(610)은 렌즈 어레이의 복수 개의 렌즈의 배열 형태와 동일한 형태의 어레이로 배열될 수도 있다. 즉, 렌즈 어레이의 각 렌즈의 위치에 상응하는 위치에 상기 홀(610)이 배치될 수 있다. 또한, 각 홀(610)은 마이크로미터(㎛) 수준의 직경을 가질 수도 있다.
렌즈 어레이에 의하여 복수 개의 집속된 레이저 빔이 전파되면, 각각의 집속된 레이저 빔은 홀(610)을 통과하여 시료에 조사될 수 있다. 또한, 조사된 레이저 빔에 의해 시료가 이온화되어 이온이 발생되면, 발생된 이온들은 다시 홀(610) 내를 통과하게 된다.
이때 복수 개의 판(600) 사이에는 전력이 인가될 수 있으며, 인가되는 전력을 조절함으로써 홀(610)을 통과하는 이온들을 이온 빔으로 집속할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 판(600) 중 가운데에 위치하는 판(600)에 대해서는 나머지 판(600)들에 비하여 상대적으로 큰 전압이 인가될 수 있다. 이상과 같은 아인젤 렌즈(Einzel lens)의 동작에 대해서는 당업자들에게 잘 알려져 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 실시예에서는 아인젤 렌즈(Einzel lens)를 이용한 집속부(60)의 구성을 예시로서 설명하였으나, 집속부(60)의 구성은 전술한 것으로 제한되지 않는다. 예컨대, 집속부(60)의 판(600)의 개수 및 형상과, 각 홀(610)의 형상 및 배치 형태 등은 도시된 것과 상이할 수 있다. 또한 집속부(60)는 아인젤 렌즈 외에 이온들을 이온 빔으로 집속하기에 적당한 다른 구성으로 되어있을 수도 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 집속부를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 실시예에서는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치가 복수 개의 집속부(61, 62)를 포함할 수도 있다. 각 집속부(61, 62)는 도 3 및 4를 참조하여 전술한 것과 같이 복수 개의 판(600) 및 각 판(600)에 형성되며 어레이 형태로 배열된 복수 개의 홀(610)을 포함할 수 있다. 집속부(61, 62)를 제외한 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치의 다른 구성은 도 1을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.
상기 실시예에 다른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에서는, 각 집속부(61, 62)에 인가되는 전력을 조절함으로써 각 집속부(61, 62)를 서로 상이한 용도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 시료(2)에 상대적으로 인접하여 위치하는 제1 집속부(61)는 이온들을 가속하기 위한 용도로 사용하고, 시료(2)로부터 상대적으로 멀리 위치하는 제1 집속부(62)는 가속된 이온들을 집속하기 위한 용도로 사용할 수도 있다.
이와 같이 집속부(61, 62)를 서로 상이한 용도로 사용하는 것은, 각 집속부(61, 62)를 구성하는 복수 개의 판(600)에 인가되는 전력을 조절함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 제1 집속부(61)의 복수 개의 판(600)에는 이온들의 가속을 위한 전력을 인가하고, 제2 집속부(62)의 복수 개의 판(600)에는 전술한 것과 같이 이온 빔의 집속을 위한 전력을 인가할 수 있다. 이온을 가속 또는 집속하기 위하여 요구되는 전력의 형태에 대해서는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
일 실시예에서 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치는 시료로부터 생성된 이온들을 트래핑하기 위한 이온 트랩을 더 포함할 수 있다. 이온 트랩은 이온과 같이 전하를 갖는 입자를 전자기장을 이용하여 이온 트랩 내에 트래핑하기 위한 장치일 수 있다. 예컨대, 이온 트랩은 파울 트랩(Paul trap)일 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 이온 트랩(70)을 도시한 단면도이며, 도 7은 도 6에 도시된 이온 트랩(70)의 개략적인 분해 사시도이다. 도 6은 레이저 빔 및 이온의 진행 방향에 수직한 방향의 이온 트랩(70)의 단면을 나타낸다.
도 6 및 7을 참조하면, 이온 트랩(70)은 서로 이격되며, 일 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 복수 개의 제1 판(701) 및 복수 개의 제1 판(701) 사이에 위치하는 제2 판(702)을 포함할 수 있다. 제1 판(701) 및 제2 판(702)은 금속 또는 다른 적당한 도전 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 판(701, 702)의 직경과 두께, 제1 및 제2 판(701, 702) 사이의 간격 등은 트래핑하고자 하는 이온의 특성 등에 기초하여 적절히 결정될 수 있다.
각 제1 판(701)에는 어레이 형태로 배열된 복수 개의 제1 홀(710)이 형성되어 있을 수 있다. 또한, 제2 판(702)에는 어레이 형태로 배열된 복수 개의 제2 홀(720)이 형성되어 있을 수 있다. 복수 개의 제1 홀(710) 및 복수 개의 제2 홀(720)의 어레이의 형태는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 또한, 복수 개의 제1 홀(710) 및 복수 개의 제2 홀(720)의 어레이 형태는, 렌즈 어레이의 복수 개의 렌즈의 배열 형태 및/또는 집속부의 복수 개의 홀의 배열 형태에 대응될 수 있다.
이상과 같이 구성된 이온 트랩(70)에서, 복수 개의 제1 판(701) 및 제2 판(702)에 인가되는 전자기장을 조절함으로써, 시료로부터 생성된 이온들을 이온 트랩(70) 내에 트래핑할 수 있다.
일 실시예에서는, 이온을 트래핑하기 위한 트래핑 필드(trapping field)를 형성하기 위하여, 제2 판(702)의 제2 홀(720)의 직경은, 제2 판(702)을 둘러싸고 위치하는 각 제1 판(701)의 제1 홀(710)의 직경보다 클 수 있다. 제1 판(701) 및 제2 판(702)에 동일한 전압이 인가되면, 제2 홀(720) 내의 영역에 인가되는 전기장이 제1 홀(710) 내의 영역에 인가되는 전기장보다 상대적으로 작아지게 되어 이온들이 제2 홀(720) 내의 영역에 트래핑될 수 있다.
이상에서 설명한 트래핑 필드의 형태 및 이를 생성하기 위한 이온 트랩(70)의 구성은 예시적인 것으로서, 이온 트랩(70)의 구성은 전술한 실시예로 제한되지 않으며 이온을 트래핑하기에 적당한 다른 상이한 구성을 가질 수도 있다.
한편, 이온 트랩(70)은 트래핑된 이온들을 선택적으로 토출할 수도 있다. 예컨대, 제1 판(701) 및 제2 판(702)에는 외부의 전원 장치(미도시)에 의하여 무선 주파수(Radio Frequency; RF) 신호가 인가될 수 있다. 이 경우, 인가된 RF 신호에 대응되는 특정 질량의 이온만이 제2 판(702)의 홀(720)을 통하여 이온 트랩(70)을 빠져나오도록 구성할 수 있다.
이상에서 살펴본 실시예들에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치를 이용하면, 집속된 레이저 빔을 어레이 형태로 시료에 조사할 수 있으므로, 시료의 넓은 영역 또는 많은 수의 시료로부터 동시에 이온을 발생시킬 수 있다.
초고속 대량 시료 분석을 위한 장치를 MALDI((matrix-assisted laser desorption/ionization) 질량분석법에 적용할 경우, 시료의 넓은 영역 또는 많은 수의 시료로부터 동시에 이온을 발생시킬 수 있어 질량분석의 속도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 의해 시료로부터 발생된 이온들을 마이크로채널플레이트(Microchannel Plate; MCP)와 같은 검출기를 이용하여 검출함으로써, 이온들로부터 시료의 질량 분포를 분석할 수 있다.
또한, 집속된 이온 빔들을 소정의 거리만큼 전파시키고, 전파 시간에 따라 이온들의 질량을 분석하는 TOF(time of flight) 방식으로 질량 분석을 수행할 수 있다. 한편, 이온 트랩을 이용하는 경우에는 특정 질량을 가지는 이온들만을 선택적으로 이온 트랩으로부터 추출하여 분석할 수도 있다.
나아가, 상기 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치는 레이저를 조사하면서 시료를 미세 이동제어함으로써 시료의 질량 분포에 대응되는 이미지를 얻는 MALDI 이미징(imaging) 기술에 응용될 수도 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법을 도시한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여 도 1 및 8을 참조하여 상기 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법에 대해 설명한다.
도 1 및 8을 참조하면, 레이저 광원(10)으로부터 조사된 레이저(11)를 집속시켜 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)을 생성할 수 있다(S1). 이때 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)은 평면상에 어레이 형태로 배열될 수도 있다.
다음으로, 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)을 시료(2)에 조사할 수 있다(S2). 시료(2)에는 레이저에 의한 이온화를 촉진하기 위한 물질인 매트릭스(matrix)가 미리 포함되어 있을 수 있다. 복수 개의 집속된 레이저 빔(12)이 시료(2)에 조사되면, 각 레이저 빔(12)이 조사된 영역의 시료(2)가 이온화되어 이온이 발생될 수 있다.
일 실시예에서는, 시료(2)로부터 발생된 이온들을 이온 트랩(70)에 의하여 트래핑할 수 있다(S3). 시료(2)로부터 발생된 이온들은 높은 온도를 가지는데, 이온 트랩(70)에 이온을 트래핑함으로써 온도를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
다음으로, 이온 트랩(70) 내에 트래핑된 이온들을 선택적으로 토출할 수도 있다(S4). 예를 들어, 이온 트랩(70) 내에 트래핑된 이온 중 특정 질량의 이온만을 선택적으로 토출시킬 수도 있다. 그러나, 이온을 선택적으로 추출할 필요가 없을 경우 상기 단계(S4)는 생략될 수도 있다. 나아가, 전술한 단계(S3, S4)를 제외하고 이온들을 트래핑하지 않고 바로 후술하는 단계로 진행할 수도 있다.
다음으로, 이온들을 집속하여 복수 개의 이온 빔을 생성할 수 있다(S5). 복수 개의 이온 빔은 평면상의 어레이 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 이온 빔의 어레이 형태는, 시료에 인가되는 복수 개의 집속된 이온 빔의 어레이의 형태와 동일할 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이 와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 렌즈 어레이의 개략적인 사시도이다.
도 3은 일 실시에에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 집속부의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 집속부의 정면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 집속부의 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치에 포함되는 이온 트랩의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 이온 트랩의 개략적인 분해 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법의 순서도이다.

Claims (13)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에 의해 조사된 레이저를 복수 개의 집속된 레이저 빔으로 집속하는 렌즈 어레이; 및
    상기 렌즈 어레이와 시료 사이에 위치하며, 상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의하여 시료로부터 생성된 이온들을 복수 개의 이온 빔으로 집속하는 집속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 어레이는 어레이 형태로 배열되는 복수 개의 렌즈를 포함하되,
    상기 각 렌즈는 상기 레이저 광원에 의해 조사된 레이저를 상기 집속된 레이저 빔으로 집속하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 집속부는,
    서로 이격되며 일 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 복수 개의 판; 및
    상기 각 판에 형성되며 어레이 형태로 배열된 복수 개의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 집속부는, 시료로부터 생성되는 이온들을 상기 복수 개의 판에 인가되는 전력을 이용하여 상기 복수 개의 이온 빔으로 집속하며,
    상기 각 이온 빔은 상기 각 홀을 통과하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수 개의 판은,
    시료로부터 생성되는 이온들을 가속하기 위한 전력이 인가되는 복수 개의 제1 판; 및
    상기 복수 개의 제1 판을 통과한 이온들을 상기 복수 개의 이온 빔으로 집속하기 위한 전력이 인가되는 복수 개의 제2 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 집속부와 시료 사이에 위치하며 시료로부터 생성된 이온들을 트래핑하는 이온 트랩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 이온 트랩은,
    서로 이격되며 일 방향을 따라 서로 대향하여 배열된 복수 개의 제1 판;
    상기 각 제1 판에 형성되며 어레이 형태로 배열된 복수 개의 제1 홀;
    상기 복수 개의 제1 판 사이에 위치하는 제2 판; 및
    상기 제2 판에 형성되며 어레이 형태로 배열된 복수 개의 제2 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 이온 트랩은, 시료로부터 생성되는 이온들을 상기 복수 개의 제1 판 및 상기 제2 판에 인가되는 전자기장을 이용하여 트래핑하며,
    상기 각 제2 홀의 직경은 상기 각 제1 홀의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 이온 트랩은 상기 이온 트랩에 인가되는 전력에 따라 트래핑된 이온들을 선택적으로 토출하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 장치.
  10. 레이저를 집속하여 복수 개의 집속된 레이저 빔을 생성하는 단계;
    상기 복수 개의 집속된 레이저 빔을 시료에 조사하여 시료를 이온화하는 단계; 및
    상기 복수 개의 집속된 레이저 빔에 의해 시료로부터 생성된 이온들을 집속하여 복수 개의 이온 빔을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 복수 개의 집속된 레이저 빔 및 상기 복수 개의 이온 빔은 각각 어레이 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 시료를 이온화하는 단계 후에,
    시료로부터 생성된 이온들을 이온 트랩에 의하여 트래핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 이온 트랩에 의하여 트래핑하는 단계 후에,
    트래핑된 이온들을 상기 이온 트랩으로부터 선택적으로 토출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 대량 시료 분석을 위한 방법.
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