KR101434496B1 - 검출 장치 - Google Patents

Abstract

IMS 장치는 반응 영역(3, 103)으로 개방되는 예비-농축기(9)를 구비하는 유입구를 가지며, 상기 반응 영역에서 분석 대상 분자들이 이온화되고 수집 및 분석을 위해 셔터(11)를 경유하여 표류 영역(2, 102)으로 통과한다. 펌프(21) 및 필터(22, 23) 배열체는 이온 유동과는 반대되는 방향에서 하우징(1, 101)으로 청결한 가스로된 분출 유동을 제공한다. 압력 펄서(8)가 하우징(1, 101)과 연결되며 순간적으로 절환되어 하우징 내에서 압력의 짧은 강하를 유발하여 예비-농축기(9)로부터의 분석 대상 샘플의 덩어리를 흡인한다. 샘플 덩어리의 유입을 허용하기 직전에, 펌프(21)는 턴오프되어, 분출 유동이 실질적으로 제로로 떨어지도록 하며 그에 따라 분석 대상 분자들이 반응 영역(3) 내에 체류하는 시간을 증가시킨다.

IMS 장치, 예비-농축기, 압력 펄서

Description

검출 장치{Detection Apparatus}

본 발명은 반응 영역과 이 반응 영역에서 생성된 이온 종들이 검출되는 분석 영역 및 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 공급하기 위한 배열체를 포함하는 종류의 검출 장치에 관한 것이다.

이온 이동도 분광계(ion mobility spectrometers) 또는 IMS 장치는 폭발물, 약물, 수포 및 신경 작용제들 등과 같은 물질을 검출하기 위해 종종 사용된다. IMS 장치는 전형적으로 검출 셀을 포함하며, 이 검출 셀에는 의심되는 물질 또는 분석 대상 물질을 포함하는 공기 샘플이 가스 또는 증기로서 연속적으로 공급된다. 상기 셀은 대기압에서 또는 대기압 근처에서 작동하고, 상기 셀을 따라 전압 기울기를 생성하도록 전류가 공급되는 전극들을 포함한다. 공기 샘플 내의 분자들은 방사능 공급원, 자외선 공급원 또는 코로나 방전에 의해 이온화되며, 일단에 있는 정전기 게이트에 의해 셀의 표류 영역으로 유입된다. 상기 이온화된 분자들은 이온의 이동도에 따르는 속도로 셀의 대향 단부로 표류한다. 상기 셀을 따른 흐름 시간을 측정함으로써, 이온을 식별하는 것이 가능하다. 통상적인 IMS 장치에 있어서는, 청결한 건조 가스가 반응 또는 이온화 영역을 통하여 연속적으로 유동한다. 이러한 배열은 연속적인 샘플링 및 짧은 복원 시간을 허용한다. 상기 분석 대상 물질 샘플이 샘플 가스 내에 단지 작은 농도로만 존재하는 경우, 비교적 작은 신호 대 잡음 비가 얻어질 수 있고, 이 경우 신뢰성 있는 검출이 매우 어렵게 될 수 있다.

본 발명의 목적은 대안적인 검출 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 견지에 따라, 상기한 종류의 검출 장치가 제공되고: 이 검출 장치는, 분석 대상 가스 또는 증기가 반응 영역으로 유입되는 것을 순간적으로 허용하는 배열체를 포함하며, 상기 공급 배열체는 상기 분석 대상 가스 또는 증기가 상기 반응 영역으로 유입되기 직전에 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 실질적으로 제로로 감소시키도록 배열되어 상기 반응 영역 내에서의 분석 대상 가스 또는 증기의 체류 시간이 증가되도록 하고, 상기 공급 배열체는 그 후에 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 증가시키도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

분석 대상 가스 또는 증기를 순간적으로 유입시키기 위한 상기 배열체는 바람직하게는 상기 장치 내의 압력을 순간적으로 감소시키도록 배열되는 압력 펄서를 포함한다. 상기 장치는 예비-농축기를 포함하는 유입 배열체를 포함할 수 있다. 반응 영역을 통하여 청결한 가스를 유동시키기 위한 상기 배열체는 실질적으로 상기 장치의 길이를 따라 상기 청결한 가스를 유동시키도록 배열될 수 있다. 대안적으로, 반응 영역을 통하여 청결한 가스를 유동시키기 위한 상기 배열체는 유입구로부터 이격된 장치의 단부와 상기 유입구로부터 이격된 반응 영역의 단부 사이에 연결되는 제 1 가스 유동 회로를 포함할 수 있고, 상기 장치는 상기 제 1 회로로부터 상기 유입구에 근접한 반응 영역의 단부로 연장되는 제 2 회로를 포함하며, 상기 제 2 회로는 샘플이 유입될 때 폐쇄된다. 상기 장치는 이온 이동도 분광계일 수 있다.

본 발명의 다른 일 견지에 따라, 물질들을 검출하기 위한 방법이 제공되고: 이 방법은, 반응 챔버 내로 물질의 샘플을 유입시키는 단계; 상기 반응 영역을 통하여 가스를 유동시키는 단계; 상기 샘플로부터 이온들을 생성하는 단계; 이온들을 상기 반응 챔버로부터 검출용 수집기로 통과시키는 단계; 및 상기 반응 챔버를 통한 가스의 유동을 주기적으로 감소시켜 상기 반응 챔버 내에서 상기 샘플이 존재되는 시간을 연장시키는 단계;를 구비한다.

상기 이온들은 바람직하게는 상기 반응 챔버로부터 그 길이를 따라 전압 기울기를 갖는 표류 영역을 경유하여 상기 수집기로 통과된다.

본 발명에 따른 IMS 장치를 첨부한 도면을 참조하여 일 예로서 이하에 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 대안적인 장치를 개략적으로 나타낸다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 검출 장치는 이온 이동도 분광계(IMS)의 형태를 취하며, 상기 이온 이동도 분광계는 대체로 관형인 하우징(1)을 갖고, 하우징(1)은 그 우측 단부를 향하여 마련되는 표류 또는 분석 영역(2) 및 대향되는 좌측 단부를 향하여 마련되는 반응 또는 이온화 영역(3)을 갖는다.

유입 도관(4)이 그 일 단부(5)에서, 샘플링되고 분석될 공기 또는 다른 가스 또는 증기 공급원으로 개방된다. 공기 또는 가스는 상기 도관(4)의 대향 단부에 연결되는 펌프(6)에 의해 상기 도관(4)을 통하여 흡입된다. 도관(4)을 따른 특정 지점에서, 모세관 통로(7)는 도관(4)과 상기 반응 영역(3)의 내부 사이에 연통되어, 관심의 대상이 되는 분자들이 상기 도관(4)으로부터 상기 반응 영역(3) 내로 통과할 수 있도록 한다. 물질들이 장치 내로 유입될 수 있도록 하는, 핀 홀, 막 등을 포함하는, 다양한 다른 통상적인 배열체들이 있다. 확성기와 유사한 압력 펄서(pressure pulser)(8)가 미국 특허 제 6,073,498 호에 기재된 방식으로 하우징(1)에 연결된다. 펄서(8)는 간헐적으로 그리고 순간적으로 작동하여 하우징 내의 압력을 낮추고 그에 따라 샘플 증기 또는 가스를 덩어리로서 반응 영역(3) 내로 흡인한다. 예비-농축기(9)가 장치의 유입 도관(4) 내에 또는 통로(7) 내에 포함될 수 있다.

상기 반응 영역(3)은, 높은 전위에서의 코로나 방전 지점(10)과 같은, 분석 대상 물질의 분자들을 이온화하기 위한 특정 수단을 포함한다. 상기 반응 영역(3) 및 표류 영역(2)은 모두 대기압에서 또는 대기압보다 약간 아래인 압력에서 작동한다. 상기 반응 영역(3) 및 표류 영역(2)은, 상기 표류 영역(2)으로의 이온들의 유동을 제어하는 브래드버리 닐슨 게이트(Bradbury Nielson gate)(11)와 같은, 임의적인 통상의 정전기 셔터에 의해 서로로부터 격리된다. 표류 영역(2)은, 대향 측 면들 상에서 표류 영역(2)의 길이를 따라 서로 격설되는, 일련의 쌍들을 이루는 전극들(12)을 갖는다. 전압 공급기(13)는 표류 영역(2)의 길이를 따라 우측으로 증가하는 전압을 각 전극 쌍(12)에 인가하여, 상기 게이트(11)를 통과한 이온들이 전압 기울기의 영향을 받도록 하고 이에 따라 이온들이 표류 영역(2)의 길이를 따라 끌어당겨지도록 한다. 표류 영역(2)의 우측 단부에 장착되는 수집판(14)은 표류 영역(2)을 따라 통과한 이온들을 수집한다. 각 이온이 수집판(14)에 충돌할 때 각 이온에 의해 생성되는 전하는 전기적인 신호로서 프로세서 유닛(15)으로 공급된다. 프로세서 유닛(15)은 신호들을 분석하여 검출되는 서로 다른 이온들의 이동도를 나타내는 스펙트럼들을 생성하며, 이들 스펙트럼들을 디스플레이 또는 다른 이용 수단(16)에 공급한다.

통상적인 IMS 장치에 있어서와 같이, 가스 유동 시스템(20)은 이온들의 유동에 반대되도록 하우징(1)의 내부를 따라 청결한 건조 공기 유량을 제공한다. 상기 가스 유동 시스템(20)은 펌프(21)를 포함하고, 펌프(21)는 그 유입구 및 유출구에서 분자 체 필터(22 및 23)를 갖는다. 유입구 필터(22)는 유입 파이프(24)와 연결되며, 유입 파이프(24)는 반응 영역(3)의 좌측 유입 단부를 향하여 하우징(1) 내로 개방된다. 배출구 필터(23)는 배출 파이프(25)와 연결되고, 배출 파이프(25)는 표류 영역(2)의 우측 하류 단부를 향하여 하우징(1) 내로 개방된다. 상기 펌프(21)는 상기 반응 영역(3)으로부터 가스를 빨아들이도록 작동하여, 가스가 표류 영역(2)의 우측 단부에서 하우징(1) 내로 다시 도입되기 전에 제 1 필터(22), 펌프(21) 및 제 2 필터(23)를 관통하여 유동하도록 한다.

상기 장치는 통상적인 IMS 장치와는 구별된다. 본 발명에 따른 장치는, 초기에는 상기 가스 유동 시스템(20)이 샘플 가스 또는 증기가 유입되기 전에 상기 하우징(1)으로 청결한 건조 공기를 공급하도록, 배열된다. 샘플 가스 또는 증기의 덩어리를 도입시키기 위해 상기 압력 펄서(8)를 트리거링하기 직전에, 상기 하우징(1) 및 특히 상기 반응 영역(3)으로의 가스 유동은 상기 펌프(21)를 턴오프시킴으로써 제로 또는 제로 가까이로 감소된다. 그 후, 상기 펄서(8)가 순간적으로 트리거링되어 분석 대상 가스 또는 증기의 샘플을 상기 반응 영역(3) 내로 분사한다. 대안적으로, 상기 펄서(8)는 생략될 수 있고, 샘플 가스 또는 증기만이 상기 반응 영역 내로 확산하도록 허용될 수 있다. 연속적인 가스 유동을 갖는 장치와 비교하여 현저히 증가된 체류 시간을 갖는 실질적으로 고정적인 샘플 운체(cloud)로부터, 이온들이 코로나 지점(10)에서 연속적으로 생성된다. 이것은 상기 프로세스 유닛(15)으로 하여금 연속적인 이온 이동도 스펙트럼들을 생성할 수 있도록 한다. 상기 이온화 과정은 샘플 가스 또는 증기를 현저히 고갈시키지는 않으며 따라서 훨씬 긴 평균 이온 이동도 스펙트럼들이 얻어질 수 있다. 이는 신호 대 잡음 비를 증가시킨다. 다음 분석이 요구되기 직전에, 펌프(21)가 재가동되어 장치를 통하여 청결한 건조 가스를 구동시키며 반응 영역(3) 내의 이전 샘플을 방출시킨다.

샘플 가스 또는 증기가 이온화에 처하여지는 체류 시간을 증가시키기 위해 상기 반응 영역을 통한 가스 유동을 정지시키거나 또는 실질적으로 감소시키는 것 만이 필요하기 때문에, 전체 하우징을 통한 가스 유동을 정지시키는 것이 필수적이지는 않다. 특정의 IMS 장치는 표류 영역 및 반응 영역 내에 별도의 가스 유동 경 로들을 갖는다. 본 발명에 적합화되는 이러한 종류의 IMS 장치를 도 2에 도시하며, 도 1의 요소들과 등가인 요소들은 100을 추가한 동일한 도면부호들로서 표기된다. 제 1 필터(122)와 연결된 유입 파이프(124)가 셔터(111)에 근접하여 반응 영역(103)의 우측 하류 단부를 향하여 배치된다는 것을 알 수 있다. 지선(spur) 파이프(126)는 이차 회로의 일부를 형성하고 펌프(121)의 배출구와 제 2 필터(123)의 사이에 연결된다. 파이프(126)는 제 3 분자 체 필터(127)의 유입구로 연장한다. 제 3 필터(127)의 배출구는 이차 배출 파이프(128)로 연결되며, 상기 이차 배출 파이프(128)는 반응 영역(103)의 좌측 단부를 향하여 밸브(129)를 경유하여 하우징(101) 내로 개방된다. 밸브(129)는 케이블(130)을 경유하여 프로세서 유닛(115)에 의해 전기적으로 제어된다. 이러한 배열체에 있어서, 펌프(121)는 연속적으로 작동되어 청결한 공기가 표류 영역(102)의 수집기 단부로 유동하고 반응 영역(103)의 하류 단부에서 셔터(111)에 근접하여 유출되도록 한다. 프로세서(115)가 상기 밸브(129)를 개방시킬 때, 가스는 지선 파이프(126), 제 3 필터(127) 및 이차 배출 파이프(128)을 경유하여 상기 반응 영역(103) 내로 유동한다. 이 가스는 우측으로 유동하며 배출 파이프(124)를 경유하여 반응 영역(103)의 외부로 통과한다. 샘플이 유입될 때, 프로세서(115)는 상기 밸브(129)를 폐쇄시켜 가스가 파이프(128)를 경유하여 반응 영역(103)으로 들어가는 것을 방지한다. 특정 가스는 여전히 상기 표류 영역(102)으로부터 반응 영역(103)을 통하여 유동하게 되는데, 그 이유는 이러한 일부 가스 유동은 여전히 작용하기 때문이며, 그렇지만 이러한 일부 가스 유동은 반응 영역의 더욱 작은 부분을 통하여 이루어져서 샘플이 이온화 효과에 노출 되는 체류 시간이 연장되도록 한다.

본 발명은 샘플이 예비-농축기 유입 시스템과 같은 수단에 의해 덩어리의 형태로 장치로 유입되는 검출 배열체들에 특히 적합하다. 본 발명은 IMS 장치에 필연적으로 한정되는 것은 아니며 다른 검출 장치에도 적용될 수 있다.

Claims (8)

1. 하우징 내에 위치하는 반응 영역과 상기 반응 영역에서 생성된 이온 종들이 검출되는 분석 영역 및 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 공급하기 위한 공급 배열체를 포함하는 검출 장치에 있어서,

   분석 대상 가스 또는 증기가 상기 반응 영역으로 유입되는 것을 순간적으로 허용하는 유입 배열체를 포함하며,

   상기 공급 배열체는 상기 분석 대상 가스 또는 증기가 상기 반응 영역으로 유입되기 직전에 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 감소시키도록 배열되어 상기 반응 영역 내에서의 상기 분석 대상 가스 또는 증기의 체류 시간이 증가되도록 하고, 그 후에 상기 반응 영역을 통한 청결한 가스의 유동을 증가시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 분석 대상 가스 또는 증기를 순간적으로 유입시키기 위한 상기 유입 배열체는 상기 하우징 내의 압력을 순간적으로 감소시키도록 배열되는 압력 펄서를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유입 배열체는 예비-농축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공급 배열체는 상기 하우징의 길이를 따라 상기 청결한 가스를 유동시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공급 배열체는 유입구로부터 이격된 상기 하우징의 단부와 상기 유입구로부터 이격된 반응 영역의 단부 사이에 연결되는 제 1 회로; 및

   상기 제 1 회로로부터 분기되어 상기 유입구에 근접한 상기 반응 영역의 단부로 연장되는 제 2 회로를 포함하며,

   상기 제 2 회로는 샘플이 유입될 때 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 검출 장치는 이온 이동도 분광계인 것을 특징으로 하는 검출 장치.
7. 물질들을 검출하기 위한 방법에 있어서,

   반응 챔버 내로 물질의 샘플을 유입시키는 단계;

   상기 반응 챔버를 통하여 가스를 유동시키는 단계;

   상기 샘플로부터 이온들을 생성하는 단계;

   상기 이온들을 상기 반응 챔버로부터 검출용 수집기로 통과시키는 단계; 및

   상기 반응 챔버를 통한 가스의 유동을 주기적으로 감소시켜 상기 반응 챔버 내에서 상기 샘플이 존재되는 시간을 연장시키는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 이온들은 상기 반응 챔버로부터 그 길이를 따라 전압 기울기를 갖는 표류 영역을 경유하여 상기 수집기로 통과되는 것을 특징으로 하는 방법.

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