KR101176382B1 - Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer using ultra-wideband rf amplifier and method for improving signal of fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer - Google Patents

Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer using ultra-wideband rf amplifier and method for improving signal of fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer Download PDF

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Abstract

푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)는, 직류 오프셋을 갖는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 신호 생성부로부터 상기 제1 전압 신호를 수신하며, 상기 제1 전압 신호를 증폭하여 제2 전압 신호를 생성하는 전압 증폭기; 및 상기 제2 전압 신호를 수신하고, 상기 직류 오프셋에 의해 결정되는 위치를 중심으로 한 이온 싸이클로트론 운동을 발생시키기 위한 이온 싸이클로트론 공명 트랩을 포함할 수 있다. A Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) includes: a signal generator configured to generate a sinusoidal first voltage signal having a DC offset; A voltage amplifier receiving the first voltage signal from the signal generator and amplifying the first voltage signal to generate a second voltage signal; And an ion cyclotron resonance trap for receiving the second voltage signal and generating ion cyclotron motion about a position determined by the DC offset.

Description

초광대역 ＲＦ 증폭기를 이용한 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기 및 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기의 신호 개선 방법{FOURIER TRANSFORM ION CYCLOTRON RESONANCE MASS SPECTROMETER USING ULTRA-WIDEBAND RF AMPLIFIER AND METHOD FOR IMPROVING SIGNAL OF FOURIER TRANSFORM ION CYCLOTRON RESONANCE MASS SPECTROMETER}FOURIER TRANSFORM ION CYCLOTRON RESONANCE MASS SPECTROMETER USING ULTRA-WIDEBAND RF AMPLIFIER AND METHOD FOR IMPROVING SIGNAL OF FSONIER MASS SPECTROMETER}

실시예들은 새로 제안된 초광대역 RF 증폭기를 이용한 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS) 및 FT-ICR MS의 신호 개선 방법에 관한 것이다. Embodiments relate to a signal improvement method of a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) and a FT-ICR MS using a newly proposed ultra-wideband RF amplifier.

푸리에변환 이온 싸이클로트론 공명 질량분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)는 분자 이온과 조각 이온의 질량을 측정함으로써 분자의 구조를 밝혀내기 위한 장비이다. FT-ICR MS는 고해상도 광대역 질량 분석의 기본적인 표준이 되어 왔다. FT-ICR MS는 일반적으로 원통형의 트랩 전극, 활성화 전극 및 측정 전극 등으로 구성되고, 이온을 여기시킬 RF 증폭기를 사용하여 이온 싸이클로트론 공명(Ion Cyclotron Resonance; ICR) 트랩 내에서 이온의 사이클로트론 회전 반경을 증가시켜 측정 전극에 유도되는 신호로 이온의 질량을 측정하도록 구성된다. The Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) is a device for determining the structure of molecules by measuring the mass of molecular ions and fragment ions. FT-ICR MS has become the basic standard for high resolution broadband mass spectrometry. The FT-ICR MS typically consists of a cylindrical trap electrode, an activating electrode, a measuring electrode, and the like, and uses an RF amplifier to excite the ions to reduce the cyclotron rotation radius of the ions in the ion cyclotron resonance (ICR) trap. It is configured to measure the mass of ions with a signal that is induced to increase the measuring electrode.

ICR 트랩 내의 이온들은 싸이클로트론 회전, 마그네트론 회전, 및 축방향 트래핑 진동 등의 싸이클로트론 운동을 보여준다. 싸이클로트론 회전은 이온이 갖는 질량과 자기장의 세기에 따라 서로 다른 주파수를 갖는다. 자기장에 수직 방향으로 가해지는 전기장(고전압 RF 신호)이 측정하는 이온의 질량과 자기장에 따라 정해지는 고유 주파수를 갖는 경우, 이온이 에너지를 흡수하여 회전 반경이 증가하고 이 회전 주파수를 측정하여 이온 질량으로 환산한다. 이때 이온들의 운동은 정적 자기장하에서 움직이며 전하를 갖는 이온들에 대해 인가되는 로렌츠(Lorentz)의 힘에 기인한다. 또한, 마그네트론 회전은 ICR 트랩의 정전기 트래핑(trapping) 전압에 의해 생성되는 방사상의 전기장 경사도로부터 야기되는데, 마그네트론 운동에 의한 이온의 위치 이동은 이온 손실로 이어진다. 또한, 이온들은 트래핑 진동 주파수에서 자기장의 축 방향을 따라 선형 진동을 일으킨다. Ions in the ICR trap show cyclotron motion, such as cyclotron rotation, magnetron rotation, and axial trapping vibration. Cyclotron rotation has different frequencies depending on the mass of the ions and the strength of the magnetic field. If the electric field (high-voltage RF signal) applied to the magnetic field in the direction perpendicular to the magnetic field has a mass of ions to be measured and a natural frequency determined by the magnetic field, the ions absorb energy to increase the radius of rotation and measure the rotation frequency to determine the ion mass. Convert to The movement of the ions is then due to the force of Lorentz applied to the charged ions moving under a static magnetic field. In addition, magnetron rotation results from the radial electric field gradient generated by the electrostatic trapping voltage of the ICR trap, where position shift of ions by magnetron motion leads to ion loss. The ions also cause linear vibrations along the axial direction of the magnetic field at the trapping vibration frequency.

FT-ICR MS는 이와 같이 ICR 트랩 내에서 발생하는 이온의 싸이클로트론 운동의 주파수를 측정하여 이온의 질량을 측정할 수 있다. 따라서 이온의 싸이클로트론 운동을 발생시키는 RF신호의 주파수 대역은 측정 가능한 이온의 질량 영역과 직접적으로 관련이 되는데, 기존에 사용하는 고주파 소자(예컨대, FET)가 갖는 주파수 영역은 상대적으로 좁아 부분적인 측정만이 가능했다. 그리고, 이때 이온의 싸이클로트론 운동의 중심 위치가 측정에 적합한 위치, 예컨대 ICR 트랩의 중심에 인접한 영역으로부터 벗어날 경우, 마그네트론 운동에 의한 이온 손실이 빨리 일어날 수 있어 측정되는 신호 크기가 작아지며 측정 중 이온 손실이 증가하여 전체적인 측정 시간이 줄어들게 되므로 분해능이 나빠지는 등의 문제점이 있다. The FT-ICR MS can thus measure the mass of ions by measuring the frequency of cyclotron motion of ions occurring in the ICR trap. Therefore, the frequency band of the RF signal that generates cyclotron motion of ions is directly related to the mass range of ions that can be measured. The frequency range of conventional high-frequency devices (eg, FETs) is relatively narrow, so only partial measurements can be made. This was possible. At this time, if the center position of the cyclotron motion of ions deviates from a position suitable for measurement, for example, an area adjacent to the center of the ICR trap, ion loss due to magnetron motion may occur quickly, and thus the measured signal size is reduced and the ion loss during measurement. This increases the overall measurement time is reduced, there is a problem such as poor resolution.

본 발명의 일 측면에 따르면, OP 앰프(OP amp)에 기반한 초광대역 전압 증폭기를 이용하여 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)를 구성함으로써, 이온 싸이클로트론 공명(Ion Cyclotron Resonance; ICR) 트랩에 가해지는 고전압 RF 신호의 주파수 대역을 DC영역까지 크게 확장하였고, 이를 통하여, 기존의 RF 증폭기를 사용하는 경우에 비해 큰 질량의 이온(큰 분자량의 이온)의 측정이 가능하다. 또한, 전압 증폭기에서 직류까지 증폭할 수 있는 넓은 동작 주파수 대역을 갖는 점을 이용하여 고전압 신호에 직류 오프셋(DC offset)을 추가할 수 있고, 이를 이용하여 자기장과 수직한 방향의 DC 전기장을 가해 이온의 EⅹB운동을 이용하여 ICR 트랩 내에서의 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치를 조절할 수 있는 FT-ICR MS의 신호 개선 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, by constructing a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) using an ultra-wideband voltage amplifier based on an OP amp, an ion cyclotron The frequency band of the high voltage RF signal applied to the Ion Cyclotron Resonance (ICR) trap has been greatly extended to the DC region, thereby allowing the mass of large mass ions (large molecular weight ions) to be exceeded when using conventional RF amplifiers. Measurement is possible. In addition, a DC offset can be added to a high voltage signal by using a point having a wide operating frequency band capable of amplifying from a voltage amplifier to a direct current, and by using this, a DC electric field perpendicular to the magnetic field is applied to the ion. It is possible to provide a signal enhancement method of the FT-ICR MS that can adjust the central position of the ion cyclotron motion in the ICR trap by using the EⅹB motion of.

일 실시예에 따른 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)는, 직류 오프셋을 갖는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하는 신호 생성부; 상기 신호 생성부로부터 상기 제1 전압 신호를 수신하며, 상기 제1 전압 신호를 증폭하여 제2 전압 신호를 생성하는 전압 증폭기; 및 상기 제2 전압 신호를 수신하고, 상기 직류 오프셋에 의해 결정되는 위치를 중심으로 한 이온 싸이클로트론 운동을 발생시키기 위한 이온 싸이클로트론 공명 트랩을 포함하여 구성될 수 있다.A Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) according to an embodiment may include a signal generator configured to generate a sinusoidal first voltage signal having a DC offset; A voltage amplifier receiving the first voltage signal from the signal generator and amplifying the first voltage signal to generate a second voltage signal; And an ion cyclotron resonance trap for receiving the second voltage signal and generating ion cyclotron motion about the position determined by the DC offset.

일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 신호 개선 방법은, 직류 오프셋을 갖는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 전압 신호를 증폭하여 제2 전압 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제2 전압 신호를 이온 싸이클로트론 공명 트랩에 인가하여, 상기 직류 오프셋에 의해 결정되는 위치를 중심으로 한 이온 싸이클로트론 운동을 발생시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to one or more exemplary embodiments, a signal improving method of an FT-ICR MS includes: generating a sinusoidal first voltage signal having a DC offset; Amplifying the first voltage signal to generate a second voltage signal; And applying the second voltage signal to an ion cyclotron resonance trap to generate ion cyclotron motion about a position determined by the DC offset.

본 발명의 일 측면에 따른 초광대역 RF 증폭기를 사용한 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS) 및 FT-ICR MS의 신호 개선 방법에 따르면, 초광대역 증폭기가 갖는 상대적으로 넓은 동작 주파수 영역으로 인해 이온 싸이클로트론 공명(Ion Cyclotron Resonance; ICR) 트랩에 인가되는 신호의 주파수 범위가 확장된다. 고분자량 이온(큰 질량의 이온)일수록 저주파수에서 공진하여 싸이클로트론 공명을 일으키므로, ICR 트랩에 인가되는 RF 전압 신호 주파수의 저주파 영역을 크게 확장하여 보다 고분자량 이온을 측정할수 있다.According to the Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) and the FT-ICR MS signal improvement method using an ultra-wideband RF amplifier according to an aspect of the present invention, The relatively wide operating frequency range with which the frequency range of the signal applied to the Ion Cyclotron Resonance (ICR) traps is extended. Since the higher molecular weight ions (large mass ions) resonate at low frequencies to cause cyclotron resonance, the high molecular weight ions can be measured by greatly expanding the low frequency region of the RF voltage signal frequency applied to the ICR trap.

또한, 확장된 주파수 영역이 DC 영역에까지 이름을 이용하여 전압의 직류 오프셋(DC offset)을 출력되는 고전압 RF 신호에 추가 할 수 있어, 이를 조절함으로써 ICR 트랩 내에서 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치를 조절할 수 있다. 그 결과, 이온들이 측정 범위를 벗어나 측정 신호가 작아지거나 측정 중 이온 손실이 발생하는 현상을 방지 또는 감소시킬 수 있어 FT-ICR MS의 감도 및/또는 분해능을 개선할 수 있다. In addition, the extended frequency domain can add a DC offset of the voltage to the output high voltage RF signal using the name up to the DC domain, thereby adjusting the center position of the ion cyclotron motion within the ICR trap. have. As a result, the ions can be prevented or reduced from being outside the measurement range, in which the measurement signal becomes small or ion loss occurs during measurement, thereby improving the sensitivity and / or resolution of the FT-ICR MS.

또한, 상기 FT-ICR MS의 전압 증폭기는 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기에 비해 제어 파형에 따른 동작 속도가 빠르며, 입력 주파수에 따른 출력 전압 이득을 능동적으로 보정할 수 있어 안정된 출력을 얻을 수 있는 이점이 있다. In addition, the voltage amplifier of the FT-ICR MS has a faster operating speed according to the control waveform than the voltage amplifier of the conventional FT-ICR MS, and can actively compensate the output voltage gain according to the input frequency, thereby obtaining a stable output. There is an advantage to that.

도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)의 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS에서 전압 증폭기의 회로도이다.
도 3a 내지 3d는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS에서 직류 오프셋(DC offset)에 따라 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치를 나타내는 도면들이다.
도 4a는 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 파형 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 파형 변화에 따른 출력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 주파수에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 주파수에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다. 1 is a conceptual diagram of a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) according to an embodiment.
2 is a circuit diagram of a voltage amplifier in an FT-ICR MS according to an embodiment.
3A to 3D are diagrams illustrating center positions of ion cyclotron motion according to a DC offset in an FT-ICR MS according to an embodiment.
Figure 4a is a graph showing the output change according to the input waveform change in the voltage amplifier of the conventional FT-ICR MS.
4B is a graph illustrating an output change according to an input waveform change in a voltage amplifier of an FT-ICR MS according to an embodiment.
Figure 5a is a graph showing the output voltage according to the input frequency in the voltage amplifier of the conventional FT-ICR MS.
5B is a graph illustrating an output voltage according to an input frequency in a voltage amplifier of an FT-ICR MS according to an embodiment.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer; FT-ICR MS)의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer (FT-ICR MS) according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 FT-ICR MS는 신호 발생부(10), 전압 증폭기(20) 및 이온 싸이클로트론 공명(Ion Cyclotron Resonance; ICR) 트랩(30)을 포함할 수 있다. 신호 발생부(10)는 이온의 질량 측정을 위하여 ICR 트랩(30)에 트래핑 전압 등 전력을 인가하기 위한 부분이다. 신호 발생부(10)는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하여 전압 증폭기(20)에 전달할 수 있다. 전압 증폭기(20)는 신호 발생부(10)로부터 제1 전압 신호를 수신하며, 제1 전압 신호를 증폭함으로써 제2 전압 신호로 변환하여 ICR 트랩(30)에 인가할 수 있다. 그 결과, ICR 트랩(30) 내에서는 인가된 전압에 따라 이온들의 싸이클로트론 운동이 발생될 수 있다.Referring to FIG. 1, the FT-ICR MS according to the embodiment may include a signal generator 10, a voltage amplifier 20, and an ion cyclotron resonance (ICR) trap 30. The signal generator 10 is a portion for applying power such as a trapping voltage to the ICR trap 30 to measure the mass of ions. The signal generator 10 may generate a sinusoidal first voltage signal and transmit the generated first voltage signal to the voltage amplifier 20. The voltage amplifier 20 receives the first voltage signal from the signal generator 10, converts the first voltage signal into a second voltage signal, and applies it to the ICR trap 30. As a result, cyclotron motion of ions can occur in the ICR trap 30 in accordance with the applied voltage.

일 실시예에서, 제1 전압 신호 및 제2 전압 신호의 주파수는 직류(DC)에서부터 약 1MHz 이하의 값을 가질 수 있다. 고분자량 이온(큰 질량의 이온)일수록 저주파수에서 공진하여 싸이클로트론 공명을 일으키는데, 상기 실시예에서는 ICR 트랩(30)에 인가되는 RF 전압 신호 주파수의 저주파 영역을 크게 확장하여 보다 고분자량 이온을 측정할수 있다.In one embodiment, the frequency of the first voltage signal and the second voltage signal may have a value of about 1 MHz or less from a direct current (DC). Higher molecular weight ions (large mass ions) resonate at low frequencies to cause cyclotron resonance. In the above embodiment, the high molecular weight ions can be measured by greatly extending the low frequency region of the RF voltage signal frequency applied to the ICR trap 30. .

일 실시예에서, 신호 발생부(10)는 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(110), 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)(120) 및 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog converter; DA)(130)를 포함할 수 있다. PC(110)에서 설계된 파형에 따라 MCU(120)에서 전압을 출력하여 전압 신호를 생성하게 되며, DA(130)는 생성된 전압 신호를 아날로그 신호로 변환하여 제1 전압 신호를 생성할 수 있다. 이때, PC(110)에 의하여 설계되는 파형은 미리 설정된 직류 오프셋(DC offset)을 가질 수 있으며, 그 결과 DA(130)에서 출력되는 제1 전압 신호는 직류 오프셋을 갖는 신호가 된다. 상기 직류 오프셋에 의해 추후 ICR 트랩(30) 내에서 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치가 결정되며, 이는 상세히 후술한다.In one embodiment, the signal generator 10 may include a personal computer (PC) 110, a micro controller unit (MCU) 120, and a digital-analog converter (DA). 130 may be included. The MCU 120 generates a voltage signal by outputting a voltage according to a waveform designed by the PC 110, and the DA 130 may generate a first voltage signal by converting the generated voltage signal into an analog signal. In this case, the waveform designed by the PC 110 may have a preset DC offset. As a result, the first voltage signal output from the DA 130 may be a signal having a DC offset. The DC offset later determines the central position of the ion cyclotron motion in the ICR trap 30, which will be described later in detail.

이상과 같은 신호 발생부(10)의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 신호 발생부는 정현파 형태의 전압 신호를 출력할 수 있는 상이한 구성을 가질 수도 있다. The configuration of the signal generator 10 as described above is merely exemplary, and in another embodiment, the signal generator may have a different configuration capable of outputting a sinusoidal voltage signal.

신호 발생부(10)에 의해 생성된 제1 전압 신호는 전압 증폭기(20)로 전달될 수 있다. 도 2는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS에서 전압 증폭기를 상세하게 도시한 회로도이다. The first voltage signal generated by the signal generator 10 may be transferred to the voltage amplifier 20. 2 is a circuit diagram illustrating in detail a voltage amplifier in an FT-ICR MS according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 전압 증폭기는 OP 앰프(OP amp)(200), 가변 저항(VR) 및 제1 내지 제3 저항(R1, R2, R3)을 포함할 수 있다. OP 앰프(200)의 반전 입력 단자(-IN)는 전압 증폭기의 입력단으로서 제1 저항(R1) 및 가변 저항(VR) 등에 전기적으로 연결될 수 있으며, OP 앰프(200)의 비반전 입력 단자(+IN)는 접지에 연결될 수 있다. 또한, OP 앰프(200)의 출력 단자(OUT)는 전압 증폭기의 출력단으로서 제4 저항(R4) 등에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, OP 앰프(200)의 각 전원 단자(+Vs, -Vs)는 해당 전원(+Vss, -Vss)에 전기적으로 연결되어 OP 앰프(200)의 동작을 위한 전력을 공급받을 수 있다. Referring to FIG. 2, the voltage amplifier may include an OP amp 200, a variable resistor VR, and first to third resistors R 1 , R 2 , and R 3 . The inverting input terminal (-IN) of the OP amplifier 200 may be electrically connected to the first resistor R 1 and the variable resistor VR as an input terminal of the voltage amplifier, and the non-inverting input terminal of the OP amplifier 200 ( + IN) can be connected to ground. In addition, the output terminal OUT of the OP amplifier 200 may be electrically connected to the fourth resistor R 4 as an output terminal of the voltage amplifier. In addition, each power supply terminal (+ Vs, -Vs) of the OP amplifier 200 may be electrically connected to the corresponding power supply (+ Vss, -Vss) to receive power for the operation of the OP amplifier 200.

제1 저항(R1)은 전압 증폭기의 입력단과 가변 저항(VR) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 가변 저항(VR)은 OP 앰프(200)의 반전 입력 단자(-IN)에 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 제2 저항(R2)은 OP 앰프(200)의 반전 입력 단자(-IN)와 출력 단자(OUT) 사이에 전기적으로 연결될 수 있다. 이상과 같이 구성된 전압 증폭기에서, 제1 저항(R1) 및 가변 저항(VR)의 저항값의 합에 대한 제2 저항(R2)의 저항값의 비율에 따라 전압의 증폭율이 결정된다. 따라서, 가변 저항(VR)의 저항값을 조절함으로서 전압 증폭기의 출력 전압을 목적하는 값으로 조절할 수 있다. The first resistor R 1 may be electrically connected between the input terminal of the voltage amplifier and the variable resistor VR. In addition, the variable resistor VR may be electrically connected to the inverting input terminal (-IN) of the OP amplifier 200. Meanwhile, the second resistor R 2 may be electrically connected between the inverting input terminal -IN and the output terminal OUT of the OP amplifier 200. In the voltage amplifier configured as described above, the amplification ratio of the voltage is determined according to the ratio of the resistance value of the second resistor R 2 to the sum of the resistance values of the first resistor R 1 and the variable resistor VR. Therefore, the output voltage of the voltage amplifier may be adjusted to a desired value by adjusting the resistance value of the variable resistor VR.

일 실시예에서, 전압 증폭기에 입력되는 제1 전압 신호의 크기는 0 내지 약 20 Vpp[피크 대 피크 볼트(peak to peak voltage)]일 수 있다. 또한, 전압 증폭기에 의해 증폭된 제2 전압 신호의 크기는 약 120 내지 900 Vpp일 수 있다. 그러나 상기 전압 크기는 단지 예시적인 것으로서, 제1 전압 신호 및/또는 제2 전압 신호의 크기는 이에 한정되는 것은 아니다. 증폭된 전압은 제3 저항(R3)을 거쳐 전압 증폭기로부터 출력될 수 있다. In one embodiment, the magnitude of the first voltage signal input to the voltage amplifier may be 0 to about 20 Vpp (peak to peak voltage). In addition, the magnitude of the second voltage signal amplified by the voltage amplifier may be about 120 to 900 Vpp. However, the voltage magnitude is merely exemplary, and the magnitude of the first voltage signal and / or the second voltage signal is not limited thereto. The amplified voltage may be output from the voltage amplifier via the third resistor R 3 .

한편, 전압 증폭기는 OP 앰프(200)의 반전 입력 단자(-IN)와 접지 사이에 전기적으로 연결되는 제1 내지 제4 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 더 포함할 수도 있다. 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)는 서로 동일한 방향으로 배열된다. 즉, 제1 다이오드(D1)의 캐소드(cathode) 전극이 제2 다이오드(D2)의 애노드(anode) 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)는 서로 동일한 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)의 배열 방향은 제3 및 제4 다이오드(D3, D4)의 배열 방향과 상이할 수 있다. 이상과 같이 배열된 제1 내지 제4 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 OP 앰프(200)에 과전압이 입력되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. Meanwhile, the voltage amplifier may further include first to fourth diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 electrically connected between the inverting input terminal (-IN) of the OP amplifier 200 and the ground. have. The first diode D 1 and the second diode D 2 are arranged in the same direction. That is, a cathode (cathode) electrode of the first diode (D 1) may be electrically connected to the anode (anode) electrode of the second diode (D 2). Similarly, the third diode D 3 and the fourth diode D 4 may be arranged in the same direction. In this case, an arrangement direction of the first and second diodes D 1 and D 2 may be different from an arrangement direction of the third and fourth diodes D 3 and D 4 . The first to fourth diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 arranged as described above may serve to prevent an overvoltage from being input to the OP amplifier 200.

다시 도 1을 참조하면, 도 1에서 신호 생성부(10)의 각 구성요소 및 전압 증폭기(20)는 별개의 블록으로 도시되었으나, 이는 단지 기능적인 구분을 나타내는 것으로서 장치의 물리적인 구성에 대응되지 않을 수 있다. 일 실시예에서는, 신호 생성부(10)의 하나 이상의 부분 및/또는 전압 증폭기(20)가 단일 장치로 집적화될 수 있다. 예를 들어, 신호 생성부(10)의 MCU(120), DA(130) 및 전압 증폭기(20)가 하나의 장치 내에 집적화되며, 집적화된 장치는 PC(110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 그러나 이는 단지 예시적인 것으로서, 본 명세서에서 기술하지 않은 다른 설계의 변형이 가능하다는 점이 당업자에게 용이하게 이해될 것이다.Referring again to FIG. 1, in FIG. 1, each component of the signal generator 10 and the voltage amplifier 20 are shown as separate blocks, but they are merely functional and do not correspond to the physical configuration of the device. You may not. In one embodiment, one or more portions of the signal generator 10 and / or the voltage amplifier 20 may be integrated into a single device. For example, the MCU 120, the DA 130, and the voltage amplifier 20 of the signal generator 10 may be integrated in one device, and the integrated device may be electrically connected to the PC 110. However, it will be readily understood by those skilled in the art that these are merely exemplary and that modifications to other designs not described herein are possible.

이상에서 설명한 바와 같이 직류 오프셋을 갖는 제1 전압 신호를 전압 증폭기(20)에 의해 증폭하고, 증폭된 신호는 제2 전압 신호로서 전압 증폭기(20)로부터 출력되어 ICR 트랩(30)에 인가될 수 있다. ICR 트랩(30)에서는 전압 증폭기(20)에 의해 인가된 제2 전압 신호를 트래핑(trapping) 전압으로 이용하여 이온의 싸이클로트론 운동을 발생시킬 수 있다. 이때, ICR 트랩(30) 내에서 발생되는 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치는 제2 전압 신호의 직류 오프셋에 의하여 조절될 수 있다. As described above, the first voltage signal having the DC offset may be amplified by the voltage amplifier 20, and the amplified signal may be output from the voltage amplifier 20 as a second voltage signal and applied to the ICR trap 30. have. In the ICR trap 30, the cyclotron motion of the ions may be generated using the second voltage signal applied by the voltage amplifier 20 as a trapping voltage. In this case, the center position of the ion cyclotron motion generated in the ICR trap 30 may be adjusted by the DC offset of the second voltage signal.

도 3a 내지 3d는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS에서 전압 증폭기에서의 직류 오프셋에 따른 ICR 트랩에서의 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치를 나타내는 개략도이다. 도 3a 내지 3d는 각각 전압 증폭기에서의 직류 오프셋이 약 0 V, 약 -10 V, 약 -30 V 및 약 -50 V일 경우 ICR 트랩에서의 이온 싸이클로트론 운동의 경로를 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 직류 오프셋의 크기에 감소함에 따라 ICR 트랩에서 이온들의 위치가 도면에서 우측 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 직류 오프셋의 크기를 적절히 조절함으로써, ICR 트랩 내에서 이온들의 위치를 질량 측정을 위한 적정 위치(예컨대, ICR 트랩 중앙에 인접한 영역)으로 조절할 수 있다. 3A-3D are schematic diagrams showing the center positions of ion cyclotron motion in an ICR trap according to a DC offset in a voltage amplifier in an FT-ICR MS according to one embodiment. 3A-3D show the path of ion cyclotron motion in the ICR trap when the DC offsets in the voltage amplifier are about 0 V, about −10 V, about −30 V, and about −50 V, respectively. As shown, it can be seen that the position of the ions in the ICR trap moves in the right direction in the drawing as the magnitude of the DC offset decreases. By appropriately adjusting the magnitude of the DC offset, the position of the ions in the ICR trap can be adjusted to an appropriate position for mass measurement (eg, an area adjacent to the center of the ICR trap).

따라서, 상기 실시예에 따른 FT-ICR MS를 이용하면, 보다 넓은 측정 영역을 가지면서 이온의 싸이클로트론 운동의 중심 위치가 측정에 적합한 위치, 예컨대 ICR 트랩의 중심에 인접한 영역으로부터 벗어나 측정되는 신호 크기가 작아지거나, 측정 중 이온 손실이 증가하여 전체적인 측정 시간이 줄어드는 등의 현상을 감소시키거나 방지할 수 있다. 그 결과, FT-ICR MS의 감도 및/또는 분해능을 개선할 수 있는 이점이 있다.Therefore, using the FT-ICR MS according to the above embodiment, the center position of the cyclotron motion of the ions while having a wider measurement area is measured so that the signal magnitude measured outside the region adjacent to the center of the ICR trap is measured. This can reduce or prevent phenomena such as smaller or increased ion loss during measurement, which reduces the overall measurement time. As a result, there is an advantage that can improve the sensitivity and / or resolution of the FT-ICR MS.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 전압 증폭기가 갖는 추가적인 이점을 보여주는 그래프들이다. 4 and 5 are graphs showing additional advantages of the voltage amplifier of the FT-ICR MS according to an embodiment of the present invention.

도 4a는 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 제어 신호(410)의 변화에 따른 전압 증폭기의 출력(420)의 변화를 시간(초)에 따른 전압(V) 변화로 나타내는 그래프이다. 본 명세서에서 제어 신호란, 신호 발생부로부터 전압 증폭기에 입력되는 제1 전압 신호에 대응된다. 도시되는 바와 같이, 펄스 형태의 제어 신호(410)가 로우 레벨 신호로 전환된 후로부터 실제로 전압 증폭기의 출력(420)이 감소하기까지 일정한 시간 지연(Δt)이 존재한다. 즉, 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기는 제어 파형에 따른 동작 속도가 상대적으로 느리다는 것을 알 수 있다. FIG. 4A is a graph illustrating a change in the output 420 of the voltage amplifier according to the change of the control signal 410 in the voltage amplifier of the conventional FT-ICR MS as a change in voltage V over time (seconds). In the present specification, the control signal corresponds to the first voltage signal input from the signal generator to the voltage amplifier. As shown, there is a constant time delay [Delta] t after the control signal 410 in the form of a pulse is converted to a low level signal until the output 420 of the voltage amplifier actually decreases. That is, the voltage amplifier of the conventional FT-ICR MS can be seen that the operation speed according to the control waveform is relatively slow.

도 4b는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 제어 신호(430)의 변화에 따른 전압 증폭기의 출력(440) 변화를 시간(초)에 따른 전압(V) 변화로 나타내는 그래프이다. 도시되는 바와 같이, 제어 신호(430)가 하이 레벨 상태에서 로우 레벨 상태로 천이하는 것과 실질적으로 동시에 전압 증폭기의 출력(440)의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 실시예에 따른 FT-ICR MS는 제어 파형에 따른 동작 속도가 상대적으로 빠른 이점이 있다. 4B is a graph illustrating a change in the output 440 of the voltage amplifier according to the change of the control signal 430 in the voltage amplifier of the FT-ICR MS as a change in voltage V over time (seconds). As shown, it can be seen that the magnitude of the output 440 of the voltage amplifier decreases substantially at the same time as the control signal 430 transitions from the high level state to the low level state. That is, the FT-ICR MS according to the embodiment has an advantage that the operation speed according to the control waveform is relatively fast.

도 5a는 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 주파수의 변화에 따른 전압 증폭기의 출력 전압(510)을 나타내는 그래프이다. 본 명세서에서 입력 주파수란, 신호 발생부로부터 전압 증폭기에 입력되는 제1 전압 신호의 주파수에 대응된다. 도 5a에 도시된 실험예에서 제1 전압 신호의 전압 크기는 약 0.1 V 였다. 종래의 FT-ICR MS의 전압 증폭기의 경우 입력 주파수가 약 10 kHz 이하인 영역에서는 안정적인 출력값을 얻을 수 없었다. 또한, 입력 주파수가 변화함에 따라 출력 전압(510)이 크게 변화하여 출력 전력은 약 5W에서 약 13W까지 변화한다. 그 결과, 출력 전력이 약 8W인 경우에는 전압이 고점 대비 약 20% 감소하였으며, 출력 전력이 약 5W인 경우에는 전압이 고점 대비 약 38% 감소하는 등 출력 전압이 안정되지 않은 것을 알 수 있다. 5A is a graph illustrating an output voltage 510 of a voltage amplifier according to a change in input frequency in a voltage amplifier of a conventional FT-ICR MS. In this specification, the input frequency corresponds to the frequency of the first voltage signal input from the signal generator to the voltage amplifier. In the experimental example shown in FIG. 5A, the voltage magnitude of the first voltage signal was about 0.1 V. FIG. In the case of the conventional voltage amplifier of the FT-ICR MS, a stable output value cannot be obtained in the region where the input frequency is about 10 kHz or less. In addition, as the input frequency changes, the output voltage 510 is greatly changed, so that the output power varies from about 5W to about 13W. As a result, when the output power is about 8W, the voltage was reduced by about 20% from the high point, and when the output power is about 5W, the voltage was reduced by about 38% from the high point.

반면, 도 5b는 일 실시예에 따른 FT-ICR MS의 전압 증폭기에서 입력 주파수에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다. 도 5b에서 3개의 그래프(520, 530, 540)는 각각 전압 증폭기에 입력되는 제1 전압 신호의 전압 크기가 약 400 V, 약 300 V 및 약 200 V인 경우의 전압 증폭기의 출력 전압을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 각각의 그래프(520, 530, 540)에서 출력 전압은 입력 주파수가 변화하더라도 거의 대부분의 영역에서 일정하게 유지되며, 입력 주파수가 약 1000 kHz로서 직류에 근접한 영역에서도 안정된 출력 전압을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. On the other hand, Figure 5b is a graph showing the output voltage according to the input frequency in the voltage amplifier of the FT-ICR MS according to an embodiment. In FIG. 5B, the three graphs 520, 530, and 540 represent output voltages of the voltage amplifier when the voltage magnitudes of the first voltage signal input to the voltage amplifier are about 400 V, about 300 V, and about 200 V, respectively. As shown, the output voltage in each of the graphs 520, 530, and 540 remains constant in most areas even when the input frequency changes, and the output frequency is about 1000 kHz, which results in a stable output voltage even in a region close to direct current. It can be confirmed that it can be obtained.

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, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (10)

직류 오프셋을 갖는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하는 신호 생성부;
상기 신호 생성부로부터 상기 제1 전압 신호를 수신하며, 상기 제1 전압 신호를 증폭하여 제2 전압 신호를 생성하는 전압 증폭기; 및
상기 제2 전압 신호를 수신하고, 상기 직류 오프셋에 의해 결정되는 위치를 중심으로 한 이온 싸이클로트론 운동을 발생시키기 위한 이온 싸이클로트론 공명(Ion Cyclotron Resonance; ICR) 트랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
A signal generator configured to generate a sinusoidal first voltage signal having a DC offset;
A voltage amplifier receiving the first voltage signal from the signal generator and amplifying the first voltage signal to generate a second voltage signal; And
A Fourier transform ion cyclotron for receiving the second voltage signal and generating an ion cyclotron resonance (ICR) trap for generating an ion cyclotron motion about a position determined by the direct current offset Resonance mass spectrometer.
제 1항에 있어서,
상기 직류 오프셋은, 상기 ICR 트랩에서 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치가 상기 ICR 트랩의 중심과 인접하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
The method of claim 1,
And the direct current offset is determined such that a center position of an ion cyclotron motion in the ICR trap is adjacent to a center of the ICR trap.
제 1항에 있어서,
상기 전압 증폭기는,
OP 앰프;
상기 OP 앰프의 반전 입력 단자에 전기적으로 연결되는 가변 저항;
상기 가변 저항과 상기 신호 생성부 사이에 전기적으로 연결되는 제1 저항; 및
상기 OP 앰프의 반전 입력 단자와 상기 OP 앰프의 출력 단자 사이에 전기적으로 연결되는 제2 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
The method of claim 1,
The voltage amplifier,
OP amplifier;
A variable resistor electrically connected to the inverting input terminal of the OP amplifier;
A first resistor electrically connected between the variable resistor and the signal generator; And
And a second resistor electrically connected between the inverting input terminal of the op amp and the output terminal of the op amp.
제 3항에 있어서,
상기 제1 저항 및 상기 가변 저항의 저항값의 합에 대한 상기 제2 저항의 저항값의 비율에 따라 상기 제1 전압 신호의 증폭율이 결정되는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
The method of claim 3, wherein
And amplification factor of the first voltage signal is determined according to a ratio of the resistance value of the second resistor to the sum of the resistance values of the first resistor and the variable resistor.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전압 신호의 크기는 20 Vpp 이하이며,
상기 제2 전압 신호의 크기는 120 Vpp 내지 900 Vpp인 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
The method of claim 1,
The magnitude of the first voltage signal is 20 Vpp or less,
The magnitude of the second voltage signal is from 120 Vpp to 900 Vpp Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호의 주파수는 1 MHz 이하인 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기.
The method of claim 1,
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer, characterized in that the frequency of the first voltage signal and the second voltage signal is 1 MHz or less.
직류 오프셋을 갖는 정현파 형태의 제1 전압 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 전압 신호를 증폭하여 제2 전압 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제2 전압 신호를 이온 싸이클로트론 공명 트랩에 인가하여, 상기 직류 오프셋에 의해 결정되는 위치를 중심으로 한 이온 싸이클로트론 운동을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기의 신호 개선 방법.
Generating a sinusoidal first voltage signal having a direct current offset;
Amplifying the first voltage signal to generate a second voltage signal; And
Applying the second voltage signal to an ion cyclotron resonance trap to generate ion cyclotron motion about a position determined by the direct current offset; improving signal of a Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer Way.
제 7항에 있어서,
상기 제1 전압 신호를 생성하는 단계는, 상기 이온 싸이클로트론 공명(ICR) 트랩에서 이온 싸이클로트론 운동의 중심 위치가 상기 ICR 트랩의 중심과 인접하도록 상기 직류 오프셋의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기의 신호 개선 방법.
8. The method of claim 7,
Generating the first voltage signal includes determining a magnitude of the DC offset such that the center position of ion cyclotron motion in the ion cyclotron resonance (ICR) trap is adjacent to the center of the ICR trap. Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry to improve the signal.
제 7항에 있어서,
상기 제1 전압 신호의 크기는 20 Vpp 이하이며,
상기 제2 전압 신호의 크기는 120 Vpp 내지 900 Vpp인 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기의 신호 개선 방법.
8. The method of claim 7,
The magnitude of the first voltage signal is 20 Vpp or less,
The second voltage signal has a magnitude of 120 Vpp to 900 Vpp, Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer method of improving the signal.
제 7항에 있어서,
상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호의 주파수는 1 MHz 이하인 것을 특징으로 하는 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기의 신호 개선 방법.8. The method of claim 7,
The frequency of the first voltage signal and the second voltage signal is 1 MHz or less, characterized in that the signal improvement method of the Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer.
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