KR101453287B1 - 이온 이동도 분광계들 - Google Patents

Abstract

이온 이동도 분광계는 정전기 게이트(21)에 의해 표류 영역(20)으로부터 분리된 반응 영역(5)을 갖는다.　 도핑 회로(8)는 반응 영역(5)에 도펀트를 공급하지만, 표류 영역(20)은 도펀트가 제거된다.　 두 개의 높은 전기장 이온 개질기(30 및 31)가 표류 영역(20) 내에 차례로 배치된다.　 하나의 개질기(30)가 유입된 이온들로부터 도펀트 부가 생성물들을 제거하기 위해 턴온될 수 있거나 또는 두 개의 개질기(30 및 31) 모두가 턴온되어 이온들도 분해되도록 할 수 있다.　 이러한 방식으로, 수 개의 서로 다른 응답들이 생성되어 분석 대상 물질의 특성에 관한 부가적인 정보를 제공할 수 있고 분석 대상 물질을 간섭 물질들로부터 구별할 수 있다.

이온 이동도 분광계, 정전기 게이트, 표류 영역, 반응 영역, 개질기

Description

이온 이동도 분광계들{Ion Mobility Spectrometers}

본 발명은 표류 영역 및 반응 영역을 갖는 종류의 이온 이동도 분광계들에 관한 것이다.

이온 이동도 분석은 폭발물, 위험한 화학물질 및 다른 증기들의 존재를 검출하기 위해 통상적으로 사용되는 기법이다.　 이온 이동도 분광계(ion mobility spectrometer: IMS)는 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, 그 셀을 따라 전압 기울기를 생성하도록 전류가 공급되는 전극들을 포함한다.　 공기 샘플 내의 분자들은 방사능 소스, 자외선 소스 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.

도핑되지 않은(undoped) IMS 시스템에 있어서, 특정의 신경 작용제들은 높은 전기장에 의해 이온 개질에 처하여질 때 식별가능한 항복(breakdown) 피크들을 생성한다는 것이 밝혀졌다.　 이는 스펙트럼으로부터 얻어질 수 있는 정보의 증가로 이어지고 분석 대상물 검출에 있어서 증가된 신뢰도로 이어진다.

분석 대상 물질에 도펀트 물질을 첨가하여 검출 효율을 향상시킴으로써 유사한 스펙트럼 출력을 생성하는 간섭 물질로부터 구분하는 것은, 통상적인 관행이다.　 도펀트는, 식별가능한 쌍을 이루는 스펙트럼 피크들이 도핑되지 않은 그리고 도핑된 분석 대상 물질에 관하여 생성되도록, 관심의 대상이 되는 물질과 결합하기 위해 선택된다.　 도펀트는 또한, 간섭 물질과 결합하지 않도록 또는 관심의 대상이 되는 물질과는 다른 정상적으로 구별가능한 출력을 생성하는 방식으로 간섭 물질과 결합하도록, 선택된다.

도핑된 시스템 내에서는 이온 개질이 가능하지 않은 것으로 밝혀졌다.　 대신에, 이온 개질 공정은 이온 자체의 특정 개질을 유발하지 않으면서 어떤 이온들로부터 도펀트 부가 생성물들을 제거한다.　 이는, 도펀트 부가 생성물이 개질기를 통한 도정(way)의 대부분을 통과하였을 때에만 이온으로부터 제거되고 더 이상의 이온 개질이 발생되도록 하기에는 불충분한 거리가 개질기 내에 남아 있기 때문이다.　 부가 생성물이 제거된 이온들은 이온 개질기의 영역에 도펀트가 없을 경우에만 이런 식으로 잔류하며 그렇지 않으면 재결합이 발생된다.

본 발명의 목적은 대안적인 이온 이동도 분광계를 제공함에 있다.

본 발명의 일 견지에 따라, 표류 영역 및 반응 영역을 갖는 종류의 이온 이동도 분광계가 제공되고: 상기 이온 이동도 분광계는, 상기 분광계가 상기 표류 영역을 도핑하지 않으면서 상기 반응 영역을 도핑하도록 배열되고; 상기 분광계가 이온 유동 경로를 따라 차례로 배치되는 두 개 이상의 선택적으로 작동가능한 이온 개질기를 포함하여, 이온들로부터 도펀트 부가 생성물들을 제거하기 위해 작동되었을 때 하나 이상의 개질기가 유효하게 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 이온 개질기 중의 하나 이상은 바람직하게는 상기 이온들을 분해하기에 충분한 높은 전기장을 설정하도록 배열된다.　 대안적으로, 상기 이온 개질기 중의 하나 이상은 상기 이온들을 분해하기에 충분한 레벨로 온도를 상승시키는 데 효과적일 수 있다.　 상기 분광계는 바람직하게는 상기 표류 영역으로부터 특정 도펀트를 제거하기 위해 상기 표류 영역을 관통하여 연장되는 여과 가스 유동 경로를 포함한다.　 상기 분광계는, 상기 표류 영역에 근접한 상기 반응 영역의 영역에 도펀트 증기를 공급하고 상기 반응 영역의 대향 단부에서 상기 도펀트 증기를 제거하도록 배열되어 도펀트가 표류 영역으로부터 멀어지는 방향으로 유동하도록 하는, 도핑 회로를 포함할 수 있다.　 상기 분광계는 상기 반응 영역 및 상기 표류 영역 사이에 정진기 게이트를 포함할 수 있다.　 상기 분광계는 알려진 간섭 물질에 대응하는 피크의 검출에 응답하여 상기 이온 개질기를 작동시키도록 배열되어, 그리고나서 도펀트 부가 생성물들이 제거되도록 할 수 있다.　 상기 분광계는 모든 이온 개질기가 오프되었을 때 제 1 출력을, 하나의 이온 개질기만 온되었을 때 제 2 출력을 그리고 모든 이온 개질기가 온되었을 때 제 3 출력을 유도하도록 배열될 수 있다.

본 발명에 따른 이온 이동도 분광계를, 동 분광계의 개략적인 다이어그램인, 첨부 도면을 참조하여 일 예로서 이하에 설명하기로 한다.

분광계는 좌측 단부에 유입구(2)를 갖는 관형 표류 셀(1)을 가지며, 샘플 분석 대상 가스 또는 증기는 상기 유입구(2)를 통하여, 막, 핀홀 등(도시 안됨)과 같은, 선택적인 배리어를 경유하여 상기 관형 표류 셀(1)로 도입된다.　 상기 유입구(2)는, 코로나 이온화 지점, 방사능 소스, 자외선 광이온화 소스 등과 같은, 특정의 통상적인 이온화 소스(4)를 포함하는 이온화 영역(3)으로 개방된다.　 상기 이온화 영역(3)은 반응 영역(5)으로 개방되며, 상기 이온화 소스(4)에 의해 생성된 이온들은 상기 반응 영역(5) 내에서 분석 대상 분자들과 반응한다.　 상기 반응 영역(5)은 수 개의 전극 쌍들(6)을 포함하고, 상기 전극 쌍들(6)은 상기 반응 영역(5)을 따라 격설되고(spaced) 전압 소스(7)에 의해 구동되어 이온들을 우측으로 끌어당기는 전위 기울기를 상기 반응 영역(5)을 따라 생성한다.　 상기 반응 영역(5)은, 통상적인 도펀트 소스(9) 및 펌프(10)를 포함하는 도핑 회로(8) 내로 연결된다.　 상기 도핑 회로(8)의 배출구(11)는 상기 반응 영역(5)의 우측 단부에서 상기 관형 표류 셀(1)로 연결되며; 그 유입구(12)는 상기 반응 영역(5)의 좌측 단부에 연결되어, 도펀트 가스가 상기 반응 영역(5)을 따라 우측에서 좌측으로 유동하도록 한다.

상기 반응 영역(5)의 우측 단부는 통상적인 정전기 게이트(21)를 경유하여 표류 영역(20)과 연통되고(communicates), 상기 정전기 게이트(21)에 의해 상기 반응 영역(5)로부터의 이온들이 상기 표류 영역(20) 내로 유입되거나 상기 표류 영역(20)으로부터 유출된다.　 게이트(21)의 작동은 프로세싱/컨트롤 유닛(22)에 의해 제어된다.　 표류 영역(20)은 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)를 포함하며, 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)의 출력은 상기 프로세싱/컨트롤 유닛(22)의 입력부에 연결되어 상기 플레이트 상에 입사되는 이온들을 나타내는 출력 스펙트럼을 통상적인 방식으로 생성한다.　 이러한 출력은 디스플레이(24) 또는 다른 이용 수단으로 공급된다.　 표류 영역(20)을 따라 격설되는 전극 쌍들(25)이 전압 소스(26)와 연결되어, 좌측으로부터 우측으로 상기 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)를 향하여 이온들을 끌어당기기에 효과적인 전위 기울기를 상기 표류 영역(20)의 길이를 따라 제공한다.

두 개의 이온 개질기(30 및 31)가 표류 영역(20)의 내부에서 상기 게이트(21)에 인접하여 장착되고, 이온 개질기(30 및 31)가 상기 관형 표류 셀(1)을 따라 축방향으로 연장되는 이온 유동 경로의 측방향으로 연장되는 한 쌍의 평행한 전극 그리드들의 형태를 취한다.　 상기 그리드들은 이온들이 그들을 관통하여 자유롭게 통과하도록 구성되며, 이러한 관점에서, 상기 그리드들은 바람직하게는 사이에 공간을 가지면서 전기적으로 전도성을 띠는 와이어들로된 메시로 형성되고, 상기 공간들을 통과하여 상기 이온들이 유동할 수 있다.　 상기 이온 개질기(30 및 31)는 상기 프로세싱/컨트롤 유닛(22)에 연결되고, 상기 프로세싱/컨트롤 유닛(22)은 상기 그리드들 사이 공간 내에서 특정 이온들의 특성을 개질하기에 충분하도록 상기 그리드들 사이에 높은 전압을 인가하도록 작동가능하다.　 이러한 높은 전기장의 부가적인 효과는 이온들로부터 도펀트 부가 생성물들을 제거하는 것이다.　 가열, 복사, 전기 방전, 자기장들 또는 레이저들과 같은 수단을 포함하는 대안적인 이온 개질기도 사용 가능하다.　 상기 이온 개질기(30 및 31)가 서로 가까운 것으로 도시되었지만 서로 격설될 수 있으며, 하류의 우측 개질기는 표류 영역(20)을 따라 거리를 두고 배치된다.

청결한 건조 공기는 공기 유동 시스템(32)에 의해 표류 영역(20)을 따라 순환되고, 상기 공기 유동 시스템(32)은 상기 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)에 근접하여 상기 관형 표류 셀(1) 내로 개방되는 배출구(33)를 갖는다.　 상기 시스템(32)의 유입구(34)는 게이트(21)의 조금 좌측에 배치된다.　 공기 유동 시스템(32)은 펌프(35) 및 상기 유입구(34)와 배출구(33) 사이에서 직렬로 연결되어 분자 체(molecular sieve)(36)의 형태를 취하는 필터를 포함한다.　 그러므로 공기는 상기 표류 영역(20)을 따라 우측으로부터 좌측으로 유동하도록 순환되며 상기 분자 체(36)의 작용에 의해 건조 및 정화된다.　 상기 공기 유동 시스템(32)은 상기 반응 영역(5)으로부터 그 내부로 스며들 수 있는 특정의 도펀트 증기를 제거하기에 효과적이다.　 이러한 방식으로, 반응 영역(5)은 도핑되고 표류 영역(20)은 도핑이 제거된다(undoped).

작동에 있어서, 분석 대상 샘플 증기가 유입구(2)를 경유하여 상기 관형 표류 셀(1) 즉, 셀 조립체로 유입되며 반응 영역(5) 내에서 도핑되고 이온화된다.　 결과적으로 생성되는 이온들은 그리고나서 상기 전극 쌍들(6)에 의해 생성되는 전기장에 의해 상기 게이트(21)를 향하여 이동된다.　 상기 도핑된 이온들은 프로세싱/컨트롤 유닛(22)의 제어하에 게이트(21)에 의해 시기 적절하게 유입되며 상기 표류 영역(20)으로 들어간다.　 정상적인 작동에 있어서, 이온 개질기(30 및 31)가 여자되지 않은 비작동적인 상태에서, 도핑된 이온들은 상기 표류 영역(20)을 따라 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)로 이동하고 상기 프로세싱/컨트롤 유닛(22)에서 대응되는 응답들을 생성한다.　 그러나, 만약 상기 출력이 공지된 간섭 물질이 있는 피크를 포함하면, 모든 이온 개질기(30 및 31)가 턴온되어 작동된다.　 이에 따른 효과는, 상류의 좌측 개질기(30)가 그 것을 통과하는 이온들로부터 특정의 도펀트 부가 생성물을 제거한다는 데에 있다.　 도핑이 제거된 이온들은 하류 개질기(31)로 통과하여 더욱 개질됨으로써 상기 이온들의 이온 화학에 있어서 분해 또는 다른 변화들이 유발된다.　 상기 표류 영역(20)이 언도핑되기(undoped) 때문에, 언도핑되고 개질된 이온들이 특정의 도펀트에 노출되지 않고 상기 표류 영역(20)을 따라 이동한다.　 이것은 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)에서의 출력 응답에 변화를 초래하여, 상기 이온 개질기(30 및 31)가 턴온되었을 때 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질 및 그 간섭 물질에 의해 생성되는 응답이 일반적으로 다르게 되도록 한다.　 그러므로, 분석 대상 물질 및 그 간섭 물질과 함께 사용하기 전에 장치를 특성화함으로써, 상기 분석 대상 물질 및 간섭 물질을 구별하는 것이 가능하게 된다.

초기에 단지 하나의 개질기(30)가 작동하는 상태에서 상기 이온 수집기 또는 검출 플레이트(23)의 출력이 모니터링되도록 상기 시스템이 배열되어, 변화가 단지 도펀트 부가 생성물들의 제거만을 수반하도록 할 수 있다.　 그리고나서, 다른 하나의 개질기(31)가 턴온될 수 있다.　 이러한 방식으로, 세 개의 다른 출력들이 생성된다. : 하나의 출력은 어떠한 개질기도 온되지 않은 상태에서 도핑된 이온들로부터 유도되고, 제 2 출력은 하나의 개질기가 온된 상태에서 도핑이 해제되고 개질되지 않은 이온들로부터 유도되고, 제 3 출력은 모든 이온 개질기가 온된 상태에서 도핑이 해제되고 개질된 이온들로부터 유도된다.

상기 분광계가 두 개 보다 많은 이온 개질기를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

Claims (8)

1. 표류 영역(20) 및 반응 영역(5)을 갖는 이온 이동도 분광계에 있어서,

   상기 표류 영역(20)을 도핑하지 않으면서 상기 반응 영역(5)을 도핑하도록 이온의 유동 경로를 따라 차례로 배치된 두 개의 이온 개질기;를 포함하며,

   상기 이온 개질기는 전도성을 가진 와이어들로 구성된 격자무늬의 형태의 그물망으로 구성되고,

   두 개의 상기 이온 개질기 중 어느 하나 이상이 선택되어 작동이 가능하며,

   상기 이온 개질기 중의 하나 이상은 상기 이온들을 분해하는 전기장을 설정하도록 배열되어 상기 이온들로부터 도펀트 부가 생성물들을 제거하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 개질기 중의 하나 이상은

   상기 이온들을 분해시킬 수 있는 레벨로 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
4. 제1항에 있어서, 상기 표류 영역으로부터 특정 도펀트를 제거하기 위해 상기 표류 영역(20)을 관통하여 연장되는 여과 가스 유동 경로(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
5. 제1항에 있어서,

   상기 반응 영역(5)에 도펀트 증기를 공급하고 상기 반응 영역(5)의 대향 단부에서 상기 도펀트 증기를 제거하도록 배열되어 도펀트가 상기 표류 영역(20)으로부터 멀어지는 방향으로 유동하도록 하는 도핑 회로(8)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
6. 제1항에 있어서,

   상기 반응 영역(5) 및 상기 표류 영역(20) 사이에 정전기 게이트(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
7. 제1항에 있어서,

   알려진 간섭 물질에 대응하는 피크의 검출에 응답하여 상기 이온 개질기(30, 31)를 작동시키도록 배열되어, 상기 도펀트 부가 생성물들이 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이온 개질기가 모두 오프되었을 때 제 1 출력을 유도하도록 배열하고,

   상기 이온 개질기 중 어느 하나만 온되었을 때 제 2 출력을 유도하도록 배열하며,

   상기 이온 개질기가 모두 온되었을 때 제 3 출력을 유도하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 분광계.

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