KR101957808B1 - 비행시간에서의 필드 자유 영역을 이용한 제1 및 제2 오더 초점 - Google Patents

Abstract

일부 실시예에서, 비행시간형 질량 분석계는 이온들을 받아들이는 입력 오리피스, 제1 경로를 따라서 상기 이온들을 가속시키는 제1 이온 가속기 스테이지, 상기 가속된 이온들을 받아들이고 상기 이온들을 상기 제1 경로와 상이한 제2 경로를 따라서 방향전환시키는 적어도 하나의 이온 반사기, 및 상기 적어도 하나의 이온 반사기에 의해 방향전환된 이온들 중 적어도 일부를 검출하는 검출기, 및 상기 제1 가속 스테이지와 상기 검출기 사이에 배치된 적어도 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역을 포함하고, 여기서 상기 제2 필드 자유 영역은 상기 검출기의 근방에 배치된다. 일부 실시예에서, 상기 필드 자유 표류 영역의 길이는 이온들의 최초 위치에서의 변동에 대해 상기 이온들의 비행시간의 제1 및 제2 오더 보정을 제공하도록 선택될 수 있다.

Description

비행시간에서의 필드 자유 영역을 이용한 제1 및 제2 오더 초점{FIRST AND SECOND ORDER FOCUSING USING FIELD FREE REGIONS IN TIME­OF­FLIGHT}

본 출원은 전체 교시가 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 2011년 12월 23일 출원된 미국가출원 번호 제61/579,895호의 효익 및 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 비행시간("TOF")형 질량 분석에 관한 것이다.

TOF 질량 분석계는 이온이 검출기에 도달하기 위해 필드 자유 영역을 통해서 이동하는 데에 필요한 시간에 기초하여 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하도록 사용될 수 있다.

실무에서, TOF 분석계의 해상도는 그중에서도 TOF 축을 따라서 있는 이온의 초기 위치 분포, 이온들이 TOF 분석계에 들어갈 때 이온의 운동 에너지의 스프레드, 및 필드 자유 영역의 길이와 같은 다양한 요인에 의해 제한될 수 있다. TOF 분석계의 분해능에서의 개선시 다수의 진보가 이루어졌을 지라도, 여전히 추가적인 개선의 요구가 있다.

본 발명의 교시의 일부 양태에 따르면, 이온들을 받아들이는 입력 오리피스, 제1 경로를 따라서 상기 이온들을 가속시키는 제1 이온 가속 스테이지, 가속된 이온들을 받아들이고 상기 이온들을 상기 제1 경로와 상이한 제2 경로를 따라서 방향전환시키는(redirecting) 적어도 하나의 이온 반사기(본문에서는 또한 "이온 미러" 또는 "리플렉트론(reflectron)"이라고 한다), 및 상기 이온 반사기에 의해 방향전환된 이온들 중 적어도 일부를 검출하는 검출기를 포함할 수 있는 비행시간("TOF")형 질량 분석계가 개시된다. TOF 질량 분석계는 상기 제1 가속 스테이지와 상기 검출기 사이에 배치된 적어도 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역을 더 포함하고, 여기서 상기 제2 필드 자유 영역은 상기 검출기의 근방에 배치된다.

일부 실시예에서, 적어도 하나의 이온 반사기는 제1 및 제2 이온 반사기를 포함하고, 여기서 상기 제1 이온 반사기는 상기 제1 경로를 따라서 상기 제2 경로 상으로 진행하는 상기 이온들을 반사하도록 구성되고, 상기 제2 이온 반사기는 상기 제2 경로를 따라서 제3 경로 상으로 진행하는 상기 이온들을 반사하도록 구성된다. 이 일부 실시예에서, 상기 검출기는 상기 제3 경로를 따라서 진행하는 이온들을 받아들이도록 배치된다.

일부 실시예에서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 상기 제1 필드 자유 영역의 길이보다 더 큰 길이를 가진다. 추가로, 일부 실시예에서, 상기 제1 가속 스테이지는 선택된 거리만큼 분리된 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있고, 여기서 2개의 전극 사이의 전압 차이의 적용은 상기 이온들을 가속시키기 위한 전기장을 생성시킨다. 이온들로 하여금 통과할 수 있도록 상기 제2 전극은 그리드가 될 것이다. 일부 실시예에서, 제3 전극(또한 그리드)은 상기 제2 전극에 대해 일정한 거리로 배치될 수 있고, 여기서 상기 제2 및 제3 전극은 그 사이에 상기 제1 필드 자유 표류 영역을 생성하도록 공통 전압으로 유지된다.

일부 실시예에서, 제3 그리드가 상기 제3 전극/제2 그리드및 상기 제1 이온 반사기 사이에 배치될 수 있고, 여기서, 상기 제3 전극/제2 그리드 및 상기 제3 그리드는 상기 제1 경로를 따라서 이동하는 이온에 대해 제2 가속 스테이지를 제공하기 위해 일정한 전압 차로 유지된다. 추가로, 또한 상기 제1 이온 반사기로의 입구 그리드(entrance grid)인 제3 그리드는 상기 제3 그리드로부터 이온 반사기로 이온들이 진행할때 이온을 감속시키고 이온들이 상기 제1 이온 반사기를 통해 상기 제2 경로를 따라 상기 제3 그리드로 다시 진행할때 역 방향으로 가속하도록 구성되는 일정한 전압 차이으로 유지될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 제3 그리드는 상기 이온들이 상기 제1 이온 반사기로부터 상기 제2 경로를 따라서 상기 제2 이온 반사기로 진행할 때 상기 이온들이 상기 그리드와 교차하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 동일한 그리드는 또한 상기 제2 반사기로의 입구 그리드가 된다.

일부 실시예에서, 상기 제3 그리드와 상기 제2 이온 반사기는 이온들이 상기 제2 경로를 따라 상기 그리드로부터 상기 제2 이온 반사기로 진행할 때 상기 이온들이 감속하도록 구성된 전압 차이로 유지되고, 여기서 상기 제2 이온 반사기는 상기 제3 경로를 따라 다시 상기 그리드를 향해 상기 이온을 방향전환하도록 구성된다. 상기 제2 이온 반사기와 상기 그리드 사이의 전압 차이는 상기 이온들이 상기 제3 경로를 따라 상기 제2 이온 반사기로부터 상기 그리드로 이동할 때 상기 이온이 가속되도록 할 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 상기 그리드로부터 상기 검출기로 뻗어있다.

일부 실시예에서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기에 더 제시된 수학식(4)에 의해 제공되고, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d6)는 하기에 더 제시된 수학식(5)에 의해 제공된다.

일부 실시예에서, 제2 그리드는 상기 제1 그리드와 상기 제1 그리드로부터 일정한 거리(dff)에 있는 상기 제1 이온 반사기 사이에 배치되고, 여기서 상기 제1 및 제2 그리드는 그 사이에서 제3 필드 자유 표류 영역을 생성하기 위해 공통 전압으로 유지된다. 일부 이 실시예에서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 수학식(11)에 의해 제공되고, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d6)는 상기 제 필드 자유 표류 영역의 길이(dff)에 대한 선택에 기초하여 하기의 수학식(12)에 의해 제공된다.

본 발명의 추가적인 양태에 따라, 입력 어퍼처(오리피스)를 통해 받아들여진 이온들을 가속시키는 제1 이온 가속 스테이지, 상기 제1 가속 스테이지로부터 가속된 이온들을 받아들이는 제1 필드 자유 표류 영역, 상기 제1 필드 자유 표류 영역을 빠져나온 이온들을 가속시키는 제2 이온 가속 스테이지, 상기 제2 가속 스테이지로부터 상기 가속된 이온들을 받아들이는 제2 필드 자유 표류 영역, 및 상기 이온들이 상기 제2 필드 자유 표류 영역을 통과한 후 상기 이온들을 받아들이는 검출기를 포함할 수 있는 비행시간형 질량 분석계가 개시되고, 여기서 상기 필드 자유 표류 영역들은 상기 이온의 최초 위치에 대한 상기 분석계를 통과한 이온들의 비행시간의 1차 및 2차 도함수가 0이 되는(vanish) 것을 보장하도록 구성된다.

상기 비행시간형 질량 분석계의 일부 실시예에서, 상기 입력 어퍼처는 상기 분석계의 종축에 대해 직교하는 방향으로 이온들을 받아들이도록 구성될 수 있다. 추가로, 일부 실시예에서, 제1 전극은 상기 어퍼처의 근방에 배치될 수 있고, 상기 인입 이온들에 전압(예를 들면, 전압 펄스)을 인가하여 종축 상으로 자신들의 공핍을 일으키도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 전극은 상기 제1 전극에 대해 일정한 거리(d1)로 배치될 수 있고, 여기서 상기 제1 전극과 제2 전극 사이의 전압 차이는 제1 이온 가속 스테이지를 제공한다. 제2 전극은 이온들이 통과할 수 있도록 하는 그리드가 될 것이다. 일부 실시예에서, 그리드가 될 수도 있는 제3 전극이 상기 제2 전극/그리드에 대해 일정한 거리(d2)에 배치되고, 여기서 상기 제2 및 제3 전극/그리드는 그 사이에 공간에서 상기 제1 필드 자유 표류 영역을 생성하도록 공통 전압으로 유지된다. 일부 실시예에서, 제4 전극(또한 그리드라고도 할 수 있는)은 제3 전극에 대해 일정한 거리(d3)에 배치될 수 있고, 여기서 상기 제3 및 제4 전극(그리드) 사이의 전압 차이는 상기 제2 이온 가속 스테이지를 생성한다. 일부 실시예에서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 길이(d4)를 가지고, 상기 제3 전극으로부터 상기 검출기로 뻗어있다. 일부 실시예에서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 수학식(13)에 의해 제공되고, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d4)는 하기의 수학식(14)에 의해 제공된다.

본 발명의 추가적인 양태에 따라, 비행시간(TOF)형 질량 분석을 수행하는 방법으로서, 이온 인입 어퍼처와 이온 검출기 사이에 하나 이상의 이온 가속 스테이지를 설치하는 단계, 상기 인입 어퍼처와 상기 검출기 사이에 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 제공하는 단계로서, 상기 필드 자유 표류 영역 중 적어도 하나는 상기 가속 스테이지 중 하나와 상기 검출기 사이에 배치되는, 상기 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 제공하는 단계, 및 최초 이온 위치로부터 상기 검출기로 이동하는, 상기 최초 위치에 대한 상기 이온의 비행시간의 1차 및 2차 도함수가 0이 되도록(vanish) 상기 필드 자유 표류 영역의 길이를 선택하는 단계를 포함할 수 있는 방법이 개시된다.

상기의 방법의 일부 실시예에서, 상기 필드 자유 표류 영역 중 하나의 길이는 수학식(8)에 따라 선택될 수 있고, 기타 필드 자유 표류 영역의 길이는 수학식(9)에 따라 선택된다.

추가적인 양태에서, 비행시간(TOF)형 질량 분석계로서, 복수의 이온을 받아들이는 어퍼처, 제1 경로를 따라 상기 받아들여진 이온들을 가속시키기 위한 적어도 하나의 이온 가속 스테이지, 및 선택된 위치에서 가속된 이온들의 공간 포커싱을 제공하도록 구성된 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 포함할 수 있는 비행시간형 질량 분석계가 개시된다. 질량 분석계는 상기 공간 포커싱 위치로부터 상기 이온들을 받아들이고 상기 이온들을 상기 제1 경로와 상이한 제2 경로를 따라 방향전환시키는 적어도 하나의 이온 반사기를 더 포함할 수 있다. 상기 이온 반사기는 상기 이온의 운동 에너지 스프레드를 감소시키도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 TOF 질량 분석계에서, 상기 2개 이상의 필드 자유 표류 영역은 상기 이온들의 상기 공간 포커싱을 제공하도록 최초 이온 위치에 대해 이온 비행시간의 제2 오더 보정을 제공하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 상기 이온 반사기는 상기 공간 포커싱 위치에서 상기 이온들의 운동 에너지 변동의 제2 오더 보정을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 이온 반사기는 예를 들면 2스테이지와 같은 멀티-스테이지 이온 반사기를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 최초 이온 위치에서의 변동에 대한 보정을 하도록 활용되는 2개 필드 자유 표류 영역의 길이(d2 및 d4)는 수학식(36) 및 (37)을 채용함으로써 획득될 수 있다. 일부 이 실시예에서, 2 스테이지 이온 반사기가 이온들의 운동 에너지의 변동을 보정하는 데에 채용될 수 있고, 여기서 이온 반사기의 파라미터는 하기에 제공된 수학식(57 및 58)을 채용함으로써 선택될 수 있다.

당업자는 하기에 설명되는 도면은 예시만을 목적임을 이해할 것이다. 도면은 어떤 방식으로도 본 출원인의 교시의 범위를 한정할 것을 의도하지 않는다.
도 1은 출원인 교시의 실시예에 따른 비행시간형 질량 분석계의 개략도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 TOF 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 829amu 이온에 대한 이온의 최초 위치의 함수로서 이론적으로 연산된 비행시간(TOF)을 도시한다.
도 2b는 도 2a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 최초의 이온 위치에 대한 TOF의 이론적으로 연산된 1차 도함수(first derivative)를 도시한다.
도 2c는 도 2a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 최초의 이온 위치에 대한 TOF의 이론적으로 연산된 2차 도함수(second derivative)를 도시한다.
도 3은 도 2a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 시뮬레이션된 이온 궤적을 도시한다.
도 4는 도 2a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 이온의 시뮬레이션된 공간 포커싱을 도시한다;
도 5는 도 2a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 이온들의 궤적을 따라서 있는 복수의 이온의 시뮬레이션된 포텐셜 에너지를 도시한다;
도 6은 출원인의 교시에 따른 TOF 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 7은 출원인의 교시에 따른 TOF 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 8a는 도 7에 도시된 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 이온 위치의 함수로서 이론적으로 연산된 TOF를 도시한다;
도 8b는 도 8a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 TOF 축을 따라서 있는 이온 위치에 대해 이론적으로 연산된 TOF의 1차 도함수를 도시한다;
도 8c는 도 8a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 TOF 축을 따라서 있는 최초의 이온 위치에 대해 이론적으로 연산된 TOF의 2차 도함수를 도시한다;
도 9는 도 8a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 복수의 이온에 대한 이론적으로 연산된 궤적을 도시한다;
도 10은 도 8a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 이온들의 궤적을 따라서 있는 복수의 이온의 시뮬레이션된 포텐셜 에너지를 도시한다;
도 11은 출원인의 교시에 따른 TOF 질량 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 12는 출원인의 교시에 따른 TOF형 질량 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 13은 출원인의 교시에 따른 TOF 질량 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 14는 출원인의 교시에 따른 TOF 질량 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 15는 도 14에 도시된 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 최초 이온 위치의 함수로서 이론적으로 연산된 TOF를 도시한다;
도 16은 출원인의 교시에 따른 TOF 질량 분석계의 다른 실시예의 개략도이다;
도 17a는, 속도에 상호관련된 이온 위치에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정을 가지지만 829amu의 질량을 가진 이온에 대한 제2 오더 에너지 보정은 없는, 도 16에 도시된 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 이온 속도에 상호관련된 이온 위치의 함수로서 허초점(virtual focus)에서 이론적으로 연산된 TOF를 도시한다;
도 17b는 속도에 상호관련된 이온 위치에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정을 가지지만 제2 오더 에너지 보정은 없는 829amu의 질량을 가진 이온에 대해 도 17a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 이온 속도에 상호관련된 이온 위치의 함수로서 허초점(virtual focus) 위치에서 이론적으로 연산된 TOF의 1차 도함수를 도시한다;
도 17c는 상호관련된 이온 위치에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정을 가지지만 제2 오더 에너지 보정은 없는 829amu의 질량을 가진 이온에 대해 도 17a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 시뮬레이션된 TOF 축에서의 이온 속도에 상호관련된 이온 위치의 함수로서 허초점(virtual focus) 위치에서 이론적으로 연산된 TOF의 2차 도함수를 도시한다;
도 18 a는 운동에너지 변동에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정을 가지고 도 16에 도시된 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 허초점 위치에서 이온 운동에너지의 함수로서 이론적으로 연산된 TOF를 도시하고, 상기 속도 상호관련된 이온 위치의 제1 및 제2 오더 초점으로부터 발생하는 전체 운동 에너지 분포가 도시된다;
도 18b는 운동에너지 변동에 대한 TOF의 제2 오더 보정을 가지고 도 18a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 허초점 위치에서 이온 운동에너지에 대한 이론적으로 연산된 TOF의 1차 도함수를 도시하고, 상기 속도 상호관련된 이온 위치의 제1 및 제2 오더 초점으로부터 발생하는 전체 운동 에너지 분포가 도시된다;
도 18c는 운동에너지 변동에 대한 TOF의 제2 오더 보정을 가지고 도 18a와 연결하여 상술된 시뮬레이션된 TOF에서의 허초점 위치에서 이온 운동에너지에 대한이론적으로 연산된 TOF의 2차 도함수를 도시하고, 상기 속도 상호관련된 이온 위치의 제1 및 제2 오더 초점으로부터 발생하는 전체 운동 에너지 분포가 도시된다;
도 19는 최초 이온 위치 뿐만이 아니라 운동 에너지에서의 변동에 모두 관련하여 제2 오더 보정을 가지고 도 16에 도시된 실시예에 기초하여 시뮬레이션된 TOF에서의 속도 상호관련 이온 위치의 함수로서 이론적으로 연산된 포괄적인 TOF를 도시한다;
도 20은 도 16에 기술된 실시예를 이용하는 TOF 분석계를 이용하여 기록된 질량 스펙트럼을 도시한다;
도 21은 도 12에 표시된 실시예를 이용하는 TOF 분석계를 이용하여 기록된 질량 스펙트럼을 도시한다.

일부 실시예에서, 이온 최초 위치 변동에 대해 이온의 비행 시간의 적어도 제1 및 제2 오더 보정을 제공하기 위해, 2개 이상의 필드 자유 표류 영역(field free drift region)을 사용할 수 있는 비행시간형("TOF") 질량 분석 분석계가 개시된다. 일부 실시예에서, 필드 자유 표류 영역의 길이는 하기에 제공되는 수학 관계식에 기초하여 연산될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 이온 반사기로부터 선택된 거리에 이온의 위치 포커싱을 제공하는 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 채용하는 TOF 질량 분석계가 개시되고, 여기서 이온 반사기는 이온들이 검출기에 도달하기 전에 이온들의 운동 에너지 스프레드에 의해 발생되는 비행시간 분포에 대한 영향을 감소시키도록 채용될 수 있다. 출원인의 교시에 따른 예시적인 실시예를 설명하기 위해 본 명세서에 사용되는 다양한 용어 및 구문은 본 기술 분야에서의 그 일반적인 의미와 일치하여 사용된다. 특히, 본 명세서에서 사용되는 용어로서 "필드 자유 표류 영역"은 이온의 운동 방향을 따라서 전기장 컴포넌트가 2000 V/m의 주어진 임계치 이하의 크기를 갖는 영역을 가리키고, 다수의 실시예에서, 이온의 운동 방향을 따라서 있는 필드 자유 표류 영역에서의 전기장 컴포넌트는 0이 된다(vanish). 추가로, "이온 반사기", "이온 미러", 및 "리플렉트론"이라는 용어는 질량 분석계에서 이온의 진행 방향을 반대로하도록 구성된 장치를 가리키도록 본 기술 분야에서 그 일반적인 의미에 따라 상호교체가능하게 사용된다.

도 1은 업스트림 유닛(104)으로부터의 이온을 받아들이는 오리피스(어퍼처)(102)를 포함하는 출원인의 교시에 따른 비행시간형(TOF) 질량 분서계(100)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 일부 경우, TOF 분석계(100)는 예를 들면 무엇보다도 전자분무 이온화("ESI") 소스, 탈착 전자분무 이온화(desorption electrospray ionization)("DESI") 소스, 또는 소닉 분무 이온화(sonic spray ionization)("SSI") 소스와 같은 이온 소스로부터 직접 이온들을 받아들일 수 있다. 기타 경우에, TOF 분석계(100)는 필터링, 조각화(fragmentation), 및/또는 트랩핑의 다양한 스테이지를 수행한 이온들을 받아들일 수 있다. 예를 들면, 일부 구현에서, 업스트림 유닛은 이온 소스(104)를 포함할 수 있다. 이온 소스(104)에 의해 생성된 이온들은 질량 분석을 위해 TOF 분석계(100)로 들어갈 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 이온은 하기에 기술된 바와 같이 분석계의 축 방향(본문에서는 "종축 방향"이라고도 함)에 실질적으로 직교할 수 있는 방향(106)(본문에서는 AD 방향으로 표기됨)을 따라서 질량 분석계로 들어간다. 특히, 질량 분석계(100)는 분석계로 들어가는 이온의 진행 방향에서 90도의 변동을 가져오도록 전압(예를 들면, 펄스 전압)이 인가될 수 있는, 예를 들면 플레이트 형태로 되어있는 전극(108)을 포함할 수 있다. 분석계는 2개의 추가적인 전극(110 및 112)을 포함할 수 있고, 이는 거리(d2) 만큼 서로로부터 분리되고 공통 DC 전압(V2)으로 유지된다. 전극(110 및 112)은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 전극은 이온들이 통과할 수 있는 중심 개구를 가진 플레이트 형태가 될 수 있다. 하기의 설명에서, 기준 점(예를 들면, 전극(108))에 대한 분석계 내에서의 이온의 위치는 x로 표기된다.

전극(108 및 110)의 쌍은 이온에 대해 제1 이온 가속 스테이지(Z1)를 제공한다. 특히, 전극(108 및 110) 사이의 전압 차이(V2-V1)는 전극(110)을 향하고 전극(110 및 112) 사이의 공간으로의 이온의 가속을 야기한다. 전극(110 및 112)은 그리드이거나 또는 이온으로 하여금 통과할 수 있도록 슬릿을 가진다. 전극(110 및 112)이 공통 전압으로 유지될 때, 이들 2개 전극 사이의 공간은 필드 자유 표류 영역(Z2)이 된다. 즉, 전극(110 및 112) 사이의 영역에 축방향 전기장이 없고, 따라서 이온들이 가속력 또는 감속력에 노출되지 않고 이 영역에서 표류하도록 허용된다. 전극(108 및 112)의 개구의 근방에서, 축방향 컴포넌트를 가지는 프린지 필드(fringing field)가 될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 다수의 실시예에서, 전극(110 및 112) 사이의 거리(d2)는, 존재하는 경우, 임의의 프린지 필드가 이 제1 필드 자유 표류 영역 내에서 이온의 진행에 미미한 영향을 미치도록 전극들 내에서의 개구보다 매우 더 클 수 있다. 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 이 필드 자유 표류 영역은 본 예시적인 TOF 분석계(100)에 제공되는 2개의 필드 자유 표류 영역 중 제1의 것이다.

도 1을 참조하여 계속하면, 그리드(114)는 전극(112)과 이온 미러(116) 사이에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 그리드(114)는 예를 들면 전극(112)내의 개구를 통해 필드 자유 표류 영역(Z2)을 빠져나가는 이온을 가속시키도록 V2와 상이한 DC 전압 V3으로 유지될 수 있다. 즉, 그리드(114)와 전극(112) 사이의 전압 차이가 제2 이온 가속 스테이지를 제공한다. 즉, 이온이 그리드(114)를 통과할 때, 이온 미러(116)와 그리드 사이에 나타나는 감속 전기장은 이온이 감속하고, 정지하도록 하여, 이온 미러(116)에 의해 다시 그리드(114)를 향해 반사되도록 한다.

이온 미러(116)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 본 예시적인 실시예에서, 이온 미러(116)는 전압(V4)(예를 들면, DC 전압)으로 유지될 수 있는 단일 스테이지 이온 미러로서 구현될 수 있다. 미러(116)는 이온으로 하여금 자신의 최초 경로(120)로부터 상이한 경로(122)로 이온의 진행 경로를 변경시키도록 한다.

본 예시적인 실시예에서, 그리드(114)는 이온들이 경로(120)를 따라서 진행하는 필드 자유 표류 영역(Z2)을 빠져나갈 때 뿐만 아니라 이온들이 이온 미러(116)에 의한 자신들의 반사에 후속하여 경로(122)를 따라서 진행할 때 또한 이온들을 교차시키도록 구성될 수 있다. 보다 특정하여, 이온들은 그리드(114)를 향한 이온 미러(116)에 의한 이온 반사에 후속하여 가속된다. 즉, 그리드(114)와 이온 미러(116) 사이에 구축된 전기장은 이온들이 이온 미러(116)를 향해 이동할 때 이온의 감속을 야기하지만, 이온들이 이온 미러(116)로부터 벗어나서 그리드(114)로 향해 이동할 때에는 이온의 가속을 야기하지 않는다.

본 예시적인 실시예에서, 분석계(100)는 이온들이 경로(122)를 따라 진행할 때 이온들의 그리드 통과후 제1 이온 미러에 의해 반사되는 이온들을 받아들이는 또다른 이온 미러(124)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 제1 이온 미러(116)와 유사하게, 제2 이온 미러(124)는 단일 스테이지 이온 미러가 될 수 있다. 제2 이온 미러(124)는 일정한 전압(V5)으로 유지될 수 있고, 이는 제1 이온 미러(116)가 유지될 수 있는 전압(V4)과 동일하거나 상이할 수 있다. 제2 이온 미러(124)와 그리드(114) 사이의 전압 차이는 이온들이 그리드(114)로부터 제2 이온 미러(124)로 경로(122)를 따라 이동할 때 이온의 감속을 야기한다. 제2 이온 미러(124)는 이들 이온들을 제3 경로(126)로 반사한다. 반사된 이온들이 경로(126)를 따라 이동할 때, 그리드(114)와 제2 미러(124) 사이의 전기장이 이온의 가속을 야기한다. 그리드(114)를 통과할 때, 제2 이온 미러(124)에 의해 반사된 이온들이 길이(d6)를 가진 제2 필드 자유 표류 영역(Z6)으로 들어간다. 검출기(130)는 이온들을 검출하기 위해 제2 필드 자유 표류 영역(Z6)의 단부에 배치될 수 있다.

2개의 필드 자유 표류 영역의 길이(d2, d6)는 최초 이온 위치에 대해 이온 비행시간의 제1 및 제2 오더 보정을 제공하기 위해 하기에 기술된 바와 같이 판정될 수 있다. 즉, 2개의 필드 자유 영역은 이온의 위치 포커싱을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 하기의 수학적 관계식은 길이(d2 및 d6)에 대한 값을 유도하기 위해 채용된다.

본 명세서에서 약술된 수학식에서, 생략부호(...)의 사용은 수학식이 하기의 라인에서 계속된다는 것을 나타낸다. 생략부호의 사용은 수학식의 일부가 의도적으로 생략되었다는 표시가 아니다. 부가하여, 일부 예시에서, 들여쓰기된(indented) 수학식의 라인은 바로 직전의 라인의 연속이다.

상기 수학식 1 및 수학식 2에서,

x는 기준에 대한(예를 들면, 전극(108)에 대한) 이온 경로(예를 들면 TOF 축)을 따라서 있는 최초 이온 위치를 가리키고,

mass는 이온 질량을 가리키고,

q는 전자의 전하를 가리키고,

는 TOF 축을 따라서 있는 최초 이온 속도를 가리키고,

E1은 하기의 수학식 6에 의해 정의된 바와 같이, 제1 스테이지의 가속에서의 전기장을 가리킨다.

E3는 하기의 수학식 7에 의해 정의된 바와 같은 제2 이온 가속기 스테이지에서의 전기장을 가리킨다.

E4는 제1 단일 스테이지 이온 미러에서의 전기장을 가리키고, 상기 수학식 1-5에 대해 E4=E5.

E5는 d4에 의해 정의된 제2 단일 스테이지 이온 미러에서의 전기장을 가리킨다,

d2는 제1 필드 자유 표류 영역의 길이를 가리키고,

d3은 제2 이온 가속기 스테이지의 길이를 가리키고,

d6은 제2 필드 자유 표류 영역의 길이를 가리킨다.

다양한 실시예에서, 상기 수학식에서 반영된 바와 같이 상기 2개의 이온 미러는 같다. 대안의 실시예에서, 2개의 이온 미러는 상이할 수 있다. 즉, 2개의 이온 미러에 의해 생성된 디멘션 및 필드는 상이할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 차이는 더 높은 오더 보정 또는 추가적인 에너지 보정을 제공하기 위해 채용될 수 있다.

제1 및 제2 오더 보정을 제공할 때 상기의 수학 관계식을 사용하는 것을 예시하기 위해, 도 2a는 d2=6.74mm 및 d6=1.752mm를 가진 상기 TOF(100)에서 829amu에 대한 이온 최초 위치(이는 전극(108)에 대해 21mm 내지 29mm의 범위가 되도록 선택된)의 함수로서 연산된 비행시간(TOF)을 도시하고, 이온 미러 길이는 100mm가 되도록 선택되고 총 이온 비행 거리는 2.23m이다. 도 2b 및 2c는 각각 이온 경로를 따라서 있는 이온 위치에 대한 TOF의 2차 도함수(second derivative)(d²TOF/dx²) 뿐만이 아니라 이온 경로를 따라서 있는 이온 위치에 대한 TOF의 1차 도함수(first derivative)(dTOF/dx)를 도시한다. 빔 폭은 8mm(w=8mm)라고 가정된다. 기타 파라미터의 값들은 도 2a-2c에 도시되고, d1=50mm, d3=50mm, d4=100mm, d5=100mm, V1=2000V, V3=-8100V, V4=1100V, V5=1100V, E1=40V/mm, E3=162V/mm, E4=-92V/mm, E5=-92V/mm, res=1413897.84, delta t=21.49ps, L(전체 길이)=1.86m.

도 2a-2c는 이온 비행시간이 빔 폭(본 예시에서 8mm)에 대해 x 범위의 값으로서 4차 함수(quartic function)를 추적하는 것을 도시한다. 이는, 제3 오더 보정을 제공하기 위해 d2 및 d6이 명시적으로 선택되지 않았을 지라도, 제1 오더 및 제2 오더 뿐 만이 아니라 제3 오더 보정이 달성되었다는 것을 나타낸다. 다수 경우에, 검출기의 한계, HV(고압) 안정성, 및 신호 획득 기술을 감안하면 제3 오더 보정은 필수적이지 않다. 그러나, 필요한 경우, 제3 오더 보정은 상기 수학적 형식주의의 문맥에서 고려될 수 있다.

도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 오더 보정은 이온 위치에 대한 TOF의 1차 및 2차 도함수가 0이 되는 최초 이온 위치(예를 들면 이 경우 전극(108)에 대해 24와 26mm 사이) 폭넓고 평평한 영역을 제공한다. 이온 위치를 제외하고는 변동이 없고 TOF를 따라서 최초 운동 에너지가 없는 이상적인 조건이 주어진다면, 이 TOF는 이론상으로는 8mm 폭의 이온 빔을 21ps 폭의 이온 비행시간 분포(모두 포함하지만, FWHM은 포함하지 않음)에 포커싱하여, 1.4백만 해상도(mass/Δmass, Δmass=max-min, FWHM은 아님)를 제공할 수 있다.

도 3은 이온 가속 및 이온 미러 섹션에서의 이 예시적인 TOF 분석계에서의 시뮬레이션된 이온 궤적을 도시하고, 도 4는 초점에 대한 이온 궤적(긴 필드 자유 궤적이 분석계의 종축에 대해 10.5도의 각도로 되어있다)들을 도시한다. 도 5는 TOF(100)를 이온들이 통과할 때의 이온들의 궤적을 따라서 있는 이온들의 시뮬레이션된 포텐셜 에너지를 도시한다. 시뮬레이션은 이온들이 분석계로 들어갈 때 200eV의 운동 에너지에 직교하는 이온을 가지고 수행된다. TOF 축을 따라서 있는 이온들의 최초 위치가 상이한 위치에서 시뮬레이션 될지라도, 이온들은 검출기에 조밀하게 포커싱된다.

도 6은 추가적인 필드 자유 영역을 포함하는 도 1의 실시예로부터 변동되는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 TOF 분석계(600)를 개략적으로 도시한다. 보다 특정하여, 다양한 실시예에서, 2개의 그리드(602 및 604)가 2개의 이온 미러(606 및 608) 사이에 배치된다. 그리드(602 및 604)는 그리드 사이에서의 필드 자유 표류 영역(Zff)을 생성하도록 공통 전압(V3)으로 유지된다. 이전의 실시예와 유사하게, 전극(612)에 인가된 전압(V1)(예를 들면, 펄스 전압)은 분석계로 들어가는 이온들이 전극(616 및 618) 사이에서 인가된 전압들의 차이(V2-V1)에 의해 가속되면서 제1 필드 자유 표류 영역(Z2)을 향해 방향전화되도록 한다. 필드 자유 영역(Z2)을 빠져나간 후, 이온들은 그리드(602)와 전극(618) 사이에 인가된 전압 차이(V3-V2)에 의해 그리드(602)를 향해 가속된다. 이온들은 그런다음 제2 필드 자유 표류 영역(Zff)을 통과하여 이온 미러(606)를 향해 계속 진행한다. 이온 미러(606)와 그리드(604) 사이의 전압 차이(V4-V3)는 이온들이 이온 미러(606)를 향해 진행할 때 이온들을 감속시키고, 이는 다시 그리드(604)를 향한 이온들의 반사를 야기한다. 반사된 이온들은 이온들이 이온 미러(606)로부터 그리드(604)를 향해 이동할 때 가속된다. 반사된 이온들은 2개의 그리드(602 및 604) 사이에 구축된 필드 자유 표류 영역(Zff)을 통과하고 제2 이온 미러(608)를 향해 진행한다. 이온들은 이온들이 제2 이온 미러(608)를 향해 이동할 때 감속되고 그 이온 미러에 의해 2개의 그리드(602 및 604) 사이의 필드 자유 표류 영역(Zff)을 향해 다시 반사된다. 필드 자유 영역(Zff)을 통과한 후에, 이온들은 검출기(622)를 향해 뻗어있는 길이(d6)를 가진 긴 필드 자유 표류 영역(Z6)으로 들어간다. 다양한 실시예에서, 여기서 도시된 바와 같이, 다른 실시예들에서 이온 미러들 중 하나 또는 양 이온 미러들이 멀티-스테이지(예를 들면, 2 스테이지) 이온 미러가 될 수 있을 지라도, 양 이온 미러들은 단일 스테이지 미러가 될 수 있다. 본 실시예의 일부 구현에서, 최종 필드 자유 표류 영역(d6)의 길이는 다른 실시예의 TOF(100)에서의 각각의 필드 자유 표류 영역의 대응하는 길이 보다 더 짧을 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 추가적인 필드 자유 영역(Zff)의 각각의 mm 길이에 대해, 최종 필드 자유 영역(Z6)은 3mm만큼 짧을 수 있다.

필드 자유 영역(Z2 및 Z6)의 길이(d2 및 d6)는 dff가 파라미터인 하기의 수학적 관계식을 채용함으로써 결정될 수 있다. dff의 값을 선택함으로써, 수학식(11 및 12)이 길이(d2 및 d6)에 대한 값을 얻기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에, dff에 대한 최초 선택은 d2 및 d6에 대한 적절한 값(예를 들면, 양의 값이 아닐 수 있음)을 제공하지 않을 수 있다. 이러한 경우, d2 및 d6에 대한 적절한 값들이 획득될 때까지 dff에 대한 기타 값들이 반복하여 선택될 수 있다. 이전의 실시예에서 처럼, 이온 위치(x)에 대한 TOF의 1차 도함수가 d6의 값을 획득하기 위해 채용될 수 있고, 이온 위치(x)에 대한 TOF의 2차 도함수가 d2에 대한 값을 획득하기 위해 채용될 수 있다. d2의 값은 d6과 dff에 독립적이지만 d6의 값은 d2와 dff에 종속적이다.

상기 수학식 8-14에서:

x는 기준에 대한(예를 들면, 전극(612)에 대한) 이온 경로(예를 들면 TOF 축)을 따라서 있는 최초 이온 위치를 가리키고,

mass는 이온 질량을 가리키고,

q는 전자의 전하를 가리키고,

는 TOF 축을 따라서 있는 최초 이온 속도를 가리키고,

E1은 수학식 6에 의해 정의된 바와 같이, 제1 스테이지의 가속에서의 전기장을 가리키고,

E3는 수학식 7에 의해 정의된 바와 같은 제2 이온 가속기 스테이지에서의 전기장을 가리키고,

E4는 제1 단일 스태이지 이온 미러에서의 전기장을 가리키고,

E5는 제2 단일 스테이지 이온 미러에서의 전기장을 가리키고,

d2는 제1 필드 자유 표류 영역의 길이를 가리키고,

d3은 제2 이온 가속기 스테이지의 길이를 가리키고,

d6은 제2 필드 자유 표류 영역의 길이를 가리킨다.

도 7은 이전의 실시예와 유사하게 그 사이에 필드 자유 표류 영역(Zff)이 구축될 수 있는 2개의 그리드(702 및 704)를 포함하는 본 출원인의 교시에 따른 또다른 실시예에 따른 TOF(700)를 개략적으로 도시한다. 추가하여, 이전의 2개의 실시예와 유사하게, 필드 자유 표류 영역(Z2)은 2개의 전극(710 및 712) 사이에 구축될 수 있다. 이전의 2개의 실시예와는 상이하게, TOF(700)는 그리드 중 하나로부터 검출기까지 뻗어있는 긴 필드 자유 영역이 없다. 오히려, 본 실시예에서, 검출기(714)는 검출기의 충격 표면(impact surface)이 그리드(704)와 평면을 공유하도록(즉, 검출기의 충격 표면이 그리드(704)와 공면(coplanar)일 수 있도록) 배치될 수 있다. 따라서, 제2 이온 미러(716)에 의해 반사된 이온들은 그리드(702 및 704) 사이의 필드 자유 표류 영역(Zff)을 통과하는 이온들의 통로 끝단에서 검출기(714)와 부딪힌다. 이온들은 어퍼처를 통해 TOF(700)로 들어가고 전압(V1)에서 유지되는 전극(718)에 의해 반사된다. 일부 실시예에서, 길이(d3, d4, 및 d5)는 같을 수 있지만, 다른 실시예에서 이들 길이들 중 적어도 2개는 상이할 수 있다.

상기 TOF(700)에 대해 d2 및 dff의 값을 얻기 위해, d6는 이전의 실시예들과 연결하여 제시된 상기 수학식 10에서 0으로 설정되고, dff가 d6 대신에 풀이될 수 있다.

TOF(700)의 일부 구현에서, 이온 미러 길이(즉, d4 및 d5)는 제2 이온 가속기 스테이지의 길이(즉, d3)와 같게되도록 선택될 수 있다.

d1=50mm, d2=6.38mm, d3=45mm, d4=45mm, d5=45mm, V1=1500볼트(V), V2=0, V3=-5000V, V4=900V, V5=900V, 및 dff=364.6mm의 파라미터를 가지는 상기 TOF(700)의 가설의 구현을 통해 829amu를 가지는 이온들의 비행시간 및 궤적을 시뮬레이션 하기 위해 상기 수학 관계식들이 활용되었고, 이온 빔은 8mm 폭이라고 가정된다. 이온 비행경로는 1.35m이고, 고 성능을 구현하는데에 충분히 길며(8mm는 25ps, 최대 해상도 904,454로 포커싱된다), 분석계의 전체 길이는 약 500mm이다. 추가로, E1=30V/mm, E3=111.11V/mm, E4=-131.11V/mm, 및 E5=-131.11 V/mm.

도 8a는 TOF 축(AD)를 따라서 있는 이온 위치의 함수로서 이온 TOF를 도시하고, 도 8b는 TOF 축(AD)를 따라서 있는 이온 위치에 대한 TOF의 1차 도함수를 도시하고, 도 8c는 TOF 축(AD)를 따라서 있는 이온 위치에 대한 TOF의 2차 도함수를 도시한다. 도 8b 및 8c에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 오더 보정은 1차 및 2차 도함수가 0이 되는 최초 이온 위치(예를 들면, 이 경우, 718에 대한 24mm와 26mm 사이의 이온 위치에 대해)에 대한 폭넓고 평평한 영역을 제공한다.

본 출원인의 교시의 일부 실시예에 따라, 도 9는 이온들이 TOF(700)에 기초하여 상기 시뮬레이션된 TOF 분석계로 들어갈 때 30eV의 직교 에너지를 가진 복수의 이온의 연산된 궤적 뿐만 아니라 최초(시작) 위치의 범위 또한 도시한다. 도 10은 포텐셜 에너지 다이어그램에 대해 중첩된 연산된 이온 궤적을 도시한다. 이온들은 검출기의 충격 표면들이 제1 이온 미러로의 그리드의 입구과 공유하는 평면에서 조밀한 포커싱을 한다.

본 출원인의 교시에 따른 TOF 분석계의 기타 실시예는 추가적인 필드 자유 표류 영역을 포함할 수 있다. 추가로, 일부 실시예에서, 이온 미러들 중 하나 이상은 2스테이지 미러가 될 수 있다. 이 실시예들 중 일부는 더 높은 오더의 보정을 제공하고 및/또는 공간 및 에너지 포커싱을 조합하는것을 허용할 수 있다.

예를 들면, 도 11은 2개의 필드 자유 영역(Z2 및 Z4)과 2개의 이온 미러(1108 및 1110) 사이에 배치된 그리드(1106)를 포함하는 도 1의 실시예와 유사한 하나의 실시예에 따른 TOF 분석계(1100)를 개략적으로 도시한다. 그러나, 이온 미러가 단일 스테이지 이온 미러인 도 1의 실시예와는 달리, 본 실시예에서, 이온 미러는 2스테이지 이온 미러이다.

또다른 예시에 의해, 도 12는 그 사이에 필드 자유 표류 영역(Zff)이 필드 자유 표류 영역(Z2 및 Z6)에 추가하여 구축될 수 있는 2개의 그리드(1202 및 1204)을 가지는 상기 도 6에 도시된 실시예와 유사한 또다른 TOF 분석계(1200)를 개략적으로 도시한다. 그러나, 이온 미러가 단일 스테이지 이온 미러인 도 6의 상기 실시예와는 달리, TOF(1200)는 2개의 이온 미러(1212 및 1214)를 포함하고, 이들 2개의 이온 미러는 2스테이지 이온 미러들이다.

도 13은 2개의 2 스테이지 이온 미러(1302 및 1304)와 4개의 필드 자유 표류 영역(Z2, Zff, Zm1 및 Zm2)을 포함하는 또다른 실시예에 따른 TOF 분석계(1300)를 개략적으로 도시한다. 2개의 추가적인 필드 자유 표류 영역(Zm1 및 Zm2)의 각각은 2스테이지 이온 미러 중 하나와 그 사이에 필드 자유 표류 영역(Zm1 및 Zm2)이 배치될 수 있는 그리드(1314 및 1316) 중 하나의 사이에 배치될 수 있다.

예를 들면 필드 자유 표류 영역의 길이들을 판정하기 위해, 이들 추가적인 실시예들을 분석하기 위한 상기 수학적 형식주의가 채용될 수 있다.

이온 빔 경로를 폴딩하기 위한 상술한 것들과 같은 다양한 실시예에서의 이온 미러의 사용은 컴팩트한 구성으로 본 교시를 구현하고, 멀티 필드 자유 영역의 사용을 포함하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들면, 이온 미러의 사용은 원하는 범위내에서 분석계의 물리적 디멘션을 유지하면서 다중 필드 자유 영역을 활용하는 것을 허용할 수 있다.

그러나, 출원인의 교시는 상기 실시예에 한정되지 않고 임의의 TOF 지오메트리에 적용될 수 있다. 예를 들면, 도 14는 이온들이 분석계 축(AD)에 직교하여 분석계로 통과하여 들어가는 입구 어퍼처(1402)를 포함할 수 있는 또다른 실시예에 따른 선형 TOF 분석계(1400)를 개략적으로 도시한다. 전극(1404)에 인가되는 펄스 전압은, 이온들의 90도 편향(deflection)이 이온들로 하여금 분석계 축(AD)을 따라 진행하도록 한다, 전극(1404)과 전극(1406) 사이에 인가된 전압 차이는 이온의 가속을 가져온다(제1 이온 가속 스테이지(Z1)). 가속된 이온들은 그런다음 공통 전압으로 유지되는 전극(1406)과 또다른 전극(1408) 사이에 구축된 제1 필드 자유 표류 영역(Z2)으로 들어간다. 제1 필드 자유 표류 영역(Z2)을 통과한 후에, 이온들은 전극(1408)과 전극(1412) 사이에 인가된 전압 차이에 의해 생성될 수 있는 제2 이온 가속 스테이지(Z3)에 놓인다. 이온들은 그런다음 제1 필드 자유 표류 영역(Z2) 보다 더 클 수 있고, 검출기(1414)로 뻗어있는 제2 필드 자유 영역(Z4)으로 들어간다.

이전 실시예와는 달리, TOF 분석계(1400)는 이온들이 분석계의 입구로부터 검출기로 이동할 때 이온 궤적을 폴딩하도록 하는 이온 미러들을 포함하지 않는다.

2개의 필드 자유 영역의 길이(즉, d2 및 d4)는 하기에 기술된 바와 같이 최초 이온 위치에 대해 이온 비행시간의 제1 및 제2 오더 보정을 제공하도록 판정될 수 있다. 즉, 2개의 필드 자유 영역이 이온의 위치 포커싱을 제공하기 위해 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 하기의 수학 관계식은 길이(d2 및 d4)에 대한 값들을 유도하기 위해 채용된다.

여기서,

이고,

도 15는 상기 수학식 15-19를 이용하여 TOF(1400)를 따라서 있는 이온 위치에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정이 제공되는 상기 선형 TOF 분석계의 이론적인 구현을 통해 이동하는 이온들에 대한 연산된 TOF를 도시한다. 이 TOF의 파라미터는 하기와 같다: d1=20mm, d2=3.25mm, d3=25mm, d4=339.4mm, V1=1500V, V2=0V, V3=6000V.

일부 실시예에서, 2개 이상의 필드 자유 영역이 최초 이온 위치에서의 스프레드에 대해 이온들의 TOF에 대한 제1 및 제2 오더 보정을 제공하기 위해 채용될 수 있고, 하나 이상의 이온 미러들이 이온들의 운동 에너지에서의 스프레드에 대해 제1(및 일부 경우 제2 오더) 보정을 제공하기 위해 채용될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 필드 자유 표류 영역과 함께 하나 이상의 이온 가속 스테이지가 이온 미러의 입구에서의 허초점(virtual focus) 위치에서 이온 위치 또는 속도에 상호관련된 이온 위치에 대한 보정을 통해 일시적으로 이온들을 포커싱하고(이온들을 공간적으로 한묶음으로 묶도록(bunch up)) 채용될 수 있고, 이온 미러는 그런다음 이온 운동 에너지에서의 변동에 대해 이온 비행 시간의 제2 보정을 달성하도록 구성될 수 있다.

예를 들면, 도 16은 이온 위치와 이온 에너지 모두에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정이 제공되는 이 실시예에 따르지만, 분석계에서는 상이한 위치에 있는 TOF 분석계(1600)를 개략적으로 도시한다. 위치 보정은 최초 이온 위치에 대한 것일 수 있고, 에너지 보정은 본 실시예에서 이온 미러로의 입구에 있을 수 있는 이온 위치의 일시적 초점(temporal focus)에서의 이온 에너지 변동에 대한 것일 수 있다. TOF 분석계(1600)는 이온들이 분석계의 TOF 축에 직교하는 방향(이온들의 속도 벡터에 평행한 방향)을 따라서 분석계로 들어갈 수 있는 입구 어퍼처(1602)를 포함한다. 예를 들면, 펄스 전압과 같은 전압이 인가될 수 있는 편향 전극(1604)은 TOF 축으로 들어가는 이온들의 편향을 야기한다. 편향 전극(1604)과 또다른 전극(1606) 사이에 인가된 전압 차이는 제1 가속도 스테이지(Z1)를 제공한다 전극(1606)에 대해 일정한 거리(d2)에 배치된 또다른 전극(1608)은 2개의 전극 사이의 공간이 제1 필드 자유 표류 영역(d2)이 되도록 전극(1606)을 가지고 공통 전압으로 유지될 수 있다. 제2 이온 가속 스테이지(Z3)는 전극(1608)과 전극(1608)에 대해 일정한 거리(d3)에 배치되는 또다른 전극(1610) 사이에 인가된 전압 차이에 의해 제공될 수 있다. 분석계(1600)는 전극(1610)에 대해 거리 d4+d5에 배치되는 또다른 전극(1612)을 포함하고, 그 전극을 가지고 공통 전압으로 유지되어 제2 필드 자유 표류 영역(Z4+Z5)을 생성시킬 수 있다.

하기에 기술되는 바와 같이, 필드 자유 표류 영역의 길이(d3) 및 (d4+d5)는 최초 이온 위치에 대해 TOF의 제1 및 제2 보정을 얻기 위해 예를 들면 가속 영역내에서의 전기장과 같은 기타 파라미터에 기초하여 구성되어, 제2 필드 자유 표류 영역(Z4+Z5)의 중간에 이온들을 일시적으로 포커싱할 수 있다.

제2 필드 자유 표류 영역(Z4+Z5)을 빠져나올 때, 이온들은 2스테이지 이온 이온 미러(1614)로 들어간다. 2 스테이지 이온 미러(1614)는 전극(1612)으로부터 일정한 거리(d6)에 배치된 전극(1616A) 및 전극(1616A)으로부터 일정한 거리(d7)에 배치된 또다른 전극(1616B)을 포함할 수 있다. 전극(1616A)과 전극(1616B) 사이의 전압 차이는 이온의 제1 감속을 제공하고, 전극(1612)과 전극(1616A) 사이의 전압 차이는 이온들이 정지 및 역방향이 되도록 이온들의 제2 감속을 제공한다. 반사된 이온들은 그런다음 검출기(1618)로 뻗어있는 필드 자유 표류 영역(Z8)으로 들어가도록 전극(1616B)과 전극(1616A) 및 전극(1616A)과 전극(1612) 사이의 영역들을 횡단함으로써 가속된다. 제1 초점은 2개의 그리드 엘리먼트(1610 및 1612) 사이에 있을 수 있다.

일부 실시예에서, 하기의 수학 관계식은 필드 자유 영역의 길이 및 허초점에서의 이온 에너지 스프레드와 같은 다양한 시스템 파라미터를 얻기 위해 채용될 수 있다. 제1 가속 스테이지로부터 허초점 위치(도 16에서 제1 초점으로 라벨링됨)로 제2 오더 보정 포커싱을 달성하고, 그런다음 허초점 위치로부터 검출기로 제2 오더 에너지 포커싱을 달성하도록 수학 관계식이 설계된다. 이를 달성하기 위해, 이온들이 선형 가속 필드와 필드 자유 영역(d2, z4, z5, 및 z8)에 놓이는 영역들(z1, z3, z6, 및 z7)을 이온들이 통과하여 진행할 때 뉴튼의 운동 방정식들이 이온들에 적용된다.

가속 영역에서의 필드 강도는 하기와 같은 포텐셜 차이로 유지되는 2개의 평행한 컨덕터 사이의 정전기장으로서 판정된다:

이들(또는 임의의) 전기장에서의 이온에 가해지는 힘은 하기와 같이 주어질 수 있다:

따라서, 이온은 하기에 의해 주어진 가속을 수행한다:

여기서, 가속도 a는 하기와 같이 쓰여질 수 있다:

상호관계 포커싱에 대해, 하기의 관계식은 위치 x에 대해 치환될 수 있다:

새로운 항 mc는 상호관계의 기울기이고, mc에 대한 측정 단위는 시간이다. 하기의 관계식은 그런다음 다양한 영역에서 비행시간에 대해 획득될 수 있다:

따라서, 최초 이온 위치로부터 허초점까지의 총 비행 시간은 하기와 같다:

t1, t2, t3, t4, tof에 대한 값들을 치환하면 다음과 같을 수 있다:

v1에 대한 tof의 1차 및 2차 도함수가 연산되어 0으로 설정될 수 있다:

수학식 34 및 35를 0으로 설정함으로써, d2 및 d4의 값들은 하기와 같이 판정될 수 있다:

일부 실시예에서, 상기 수학식에서 파라미터로서 활용되는 다양한 전압 및 디멘션은 제1 허초점 위치에서 제2 오더에 대해 속도 상호관련된 이온 위치에 대한 보정을 얻기 위해 d2 및 d4의 결과 값이 실수이고, 양의 값이고, 적절한 것인 한은 적절한 값으로 설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 속도 상호관련된 이온 위치가 아닌 이온 위치가 상기 수학관계식에서 채용될 수 있다.

분석계의 나머지가 그런다음 제2 오더에 대한 이온 에너지에서의 스프레드에 대해 보정하기 위해 활용될 수 있다. 다시, 뉴튼의 운동 방정식이 TOF 분석계의 잔여부에서 이온 비행시간을 판정하기 위해 채용된다. 분석계의 제2 부분에 대한 수학식은 에너지 항에서 구축되고 그런다음 에너지에 대해 미분될 수 있거나, 또는 위치 및 속도의 항에서 구축되고 그런다음 위치 또는 속도에 대해 미분될 수 있다. 양 유형의 수학식이 하기에 제공된다:

분석계의 제2 부분을 통해 TOF에 대한 상기 수학식은 그런다음 U5(1차 및 2차 도함수)에 대해 미분되고 하기의 파라미터들을 얻기 위해 0으로 설정될 수 있다:

실제로는 필드 값을 설정하지 못하고 전압을 설정하기 때문에, 전압에 대해 해를 구할 수 있다:

상기 수학식에 따라 파라미터 합과 미러를 설정함으로써, 허초점에서의 이온 에너지 스프레드가 제2 오더에 대해 보정될 수 있다. 전체 TOF 수학식은 하기의 관계식에 의해 주어질 수 있다:

도 17a는 이온 속도 상호관련 최초 위치(배치된 최초 이온은 편향 전극(1604)에 대해 참조될 수 있다)의 함수로서 TOF를 도시하고, 도 17b는 이온 속도 상호관련 최초 위치에 대한 TOF의 1차 도함수를 도시하고, 도 17c는 최초 이온 위치에 대한 TOF의 제1 및 제2 오더 보정을 가지지만 829amu의 질량을 가진 이온에 대한 제2 오더 에너지 보정은 가지지 않은, 하기의 파라미터를 가진 상기 TOF 분석계의 이론적인 구현에 대한 이온 속도 상호관련 최초 위치에 대한 TOF의 2차 도함수를 도시한다: d1=20mm, d2=3mm, d3=50mm, d4=500mm, d5=400mm, d6=100mm, d7=50mm, d8=678mm, V1=1184V, V2=0, V3=-7000V, V4=-1000V, V5=974V, 이온 비행 길이=1.941m, 분석계 길이=1123m, 빔 중앙부(waist)=8mm, 인입 이온의 운동 에너지:474eV.

도 18a, 18b, 및 18c는, 829amu의 질량을 가진 이온에 대해 하기의 파라미터를 가진 상기 TOF 분석계의 이론적인 구현에 대한 최초 이온 속도 상호관련 변동에 대해 이전의 TOF의 2차 도함수의 보정의 결과로서 허초점 위치에서의 운동 에너지 스프레드의 범위가 주어지면, 허초점 위치로부터 검출기로의 이온 운동 에너지, 허초점 위치에서의 이온 운동 에너지에 대한 TOF의 1차 도함수, 및 운동 에너지의 변동에 대해 TOF의 제2 오더 보정을 가진 허초점 위치에서의 이온 운동 에너지에 대한 TOF의 2차 도함수의 함수로서, 각각의 TOF를 도시한다: d1=20mm, d2=3mm, d3=50mm, d4=500mm, d5=400mm, d6=100mm, d7=50mm, d8=678mm,V1=1184V, V2=0, V3=-7000V, V4=-1000V, V5=974V, 이온 비행 길이=1.941m, 분석계 길이=1123m, 빔 중앙부(waist)=8mm, 인입 이온의 운동 에너지: 474eV. 도 19는 속도 상호관련 위치 및 에너지에 대한 양측의 제2 오더 보정이 구현될 때 속도 상호관련 이온 위치들의 범위가 주어지는 경우 개선된 성능을 나타내는 포괄적인 TOF를 도시한다. 이 분석계는 검출기에서 35 피코초에 대해 ±20m/s의 속도 범위(715,000의 이론적 해상도 제한)를 가지는 속도 상호관련 빔을 포커싱할 수 있다. 이 빔은 약 3mm의 디멘션을 가질 것이다.

도 20은 도 16 및 수학식 59에 의해 기술된 실시예를 이용하여 829.5의 질량을 가진 양성자화된(protonated) ALILTLVS 펩티드의 TOF 분석계를 이용하여 기록된 예시적인 질량 스펙트럼을 도시한다.

도 21은 도 12에 의해 기술된 실시예를 이용하여 609.3의 질량을 가진 양자화된 레서핀의 TOF 분석계를 이용하여 기록된 예시적인 질량 스펙트럼을 도시한다.

본문에서 사용된 머릿글 섹션은 구조 상의 목적일 뿐이며, 어떠한 방식으로건 기술된 주제를 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 출원인의 교시가 다양한 실시예와 함께 기술되었지만, 출원인의 교시는 이 실시예들에 한정되는 것을 의도하지 않는다. 반대로, 출원인의 교시는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 대안, 변형 및 등가물을 포함한다.

Claims (24)

1. 이온들을 받아들이는 입력 오리피스(input orifice);
   제1 경로를 따라서 상기 이온들을 가속시키는 제1 이온 가속 스테이지;
   상기 가속된 이온들을 받아들이고 상기 이온들을 상기 제1 경로와 상이한 제2 경로를 따라서 방향전환시키는(redirecting) 제1 이온 반사기;
   제3 경로 상으로 상기 제2 경로를 따라 진행하는 이온들을 방향전환시키도록 구성된 제2 이온 반사기;
   상기 제2 이온 반사기에 의해 방향전환된 이온들의 적어도 일부를 검출하는 검출기;
   상기 제1 이온 가속 스테이지와 상기 검출기 사이에 배치된 적어도 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역으로서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 상기 검출기의 근방에 배치되는 상기 적어도 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역; 및
   상기 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역 사이에 배치된 제2 가속 스테이지;
   를 포함하고,
   상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
   

   

   
   에 의해 제공되고,
   상기 제2 필드 자유 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
   

   

   
   에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 필드 자유 표류 영역은 기준 위치에 대하여 상기 분석계로 들어가는 이온들의 최초 위치에서의 스프레드에 대해 보정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
3. 제2 항에 있어서, 상기 검출기는 상기 제3 경로를 따라서 진행하는 이온들을 받아들이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
4. 제3 항에 있어서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이보다 더 큰 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
5. 제4 항에 있어서, 상기 제1 이온 가속 스테이지는 선택된 거리만큼 분리된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 2개의 전극 사이의 전압 차이의 적용은 상기 이온들을 가속시키기 위한 전기장을 생성시키는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
6. 제5 항에 있어서, 상기 제2 전극에 대해 일정한 거리로 배치되는 제3 전극을 더 포함하고, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에서 상기 제1 필드 자유 표류 영역을 생성시키도록 공통 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
7. 제6 항에 있어서, 상기 제3 전극과 상기 제1 이온 반사기 사이에 배치되는 제1 그리드를 더 포함하고, 상기 제3 전극과 상기 제1 그리드는 상기 제1 경로를 따라서 이동하는 이온에 대해 상기 제2 가속 스테이지를 제공하도록 일정한 전압차로 유지되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
8. 제7 항에 있어서, 상기 제1 그리드 및 상기 제1 이온 반사기는 이온들이 상기 제1 그리드로부터 상기 제1 이온 반사기로 진행할 때 상기 이온들을 감속시키도록 구성된 전압차이로 유지되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
9. 제8 항에 있어서, 상기 이온들이 상기 제1 이온 반사기로부터 상기 제2 이온 반사기로 상기 제2 경로를 따라서 진행할 때 상기 이온들이 상기 제1 그리드와 교차하도록 상기 제1 그리드가 구성되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
10. 제9 항에 있어서, 상기 제1 그리드와 상기 제1 이온 반사기 사이의 상기 전압 차이는 이온들이 상기 제2 경로를 따라서 상기 제1 이온 반사기로부터 상기 제1 그리드로 진행할 때 상기 제1 이온 반사기에 의해 반사된 이온들이 가속하도록 하는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
11. 제10 항에 있어서, 상기 제1 그리드와 상기 제2 이온 반사기는 이온들이 상기 제2 경로를 따라 상기 제1 그리드로부터 상기 제2 이온 반사기로 진행할 때 상기 이온들이 감속하도록 구성된 전압 차이로 유지되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
12. 제11 항에 있어서, 상기 제2 이온 반사기는 상기 제3 경로를 따라 상기 제1 그리드를 향해 상기 이온들을 방향전환시키도록 구성되고, 상기 제2 필드 자유 표류 영역은 상기 제1 그리드로부터 상기 검출기로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제9 항에 있어서, 상기 제1 그리드와 상기 제1 그리드로부터 일정한 거리(dff)에 있는 상기 제1 이온 반사기 사이에 배치된 제2 그리드를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 그리드는 상기 제1 그리드와 상기 제2 그리드 사이에 제3 필드 자유 표류 영역을 생성하도록 공통 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
16. 제15 항에 있어서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
17. 제16 항에 있어서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
18. 비행시간(TOF)형 질량 분석을 수행하는 방법으로서,
    이온 인입 어퍼처(entrance aperture)와 이온 검출기 사이에 하나 이상의 이온 가속 스테이지를 제공하는 단계;
    상기 인입 어퍼처와 상기 검출기 사이에 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 제공하는 단계로서, 상기 필드 자유 표류 영역 중 적어도 하나는 상기 가속 스테이지 중 하나와 상기 검출기 사이에 배치되는, 상기 2개 이상의 필드 자유 표류 영역을 제공하는 단계; 및
    최초 이온 위치로부터 상기 검출기로 이동하는, 상기 최초 이온 위치에 대한 상기 이온의 비행시간의 1차 및 2차 도함수가 0이 되도록(vanish) 상기 필드 자유 표류 영역의 길이를 선택하는 단계;
    를 포함하고,
    제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되고,
    제2 필드 자유 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석을 수행하는 방법.
19. 비행시간(TOF)형 질량 분석계로서,
    복수의 이온을 받아들이는 어퍼처;
    제1 경로를 따라 상기 받아들여진 이온들을 가속시키기 위한 적어도 하나의 이온 가속 스테이지;
    선택된 위치에서 상기 가속된 이온들의 공간 포커싱을 제공하도록 구성된 2개 이상의 필드 자유 표류 영역; 및
    상기 선택된 위치로부터 상기 이온들을 받아들이고 상기 제1 경로와 상이한 제2 경로를 따라 상기 이온들을 방향전환시키는 적어도 하나의 이온 반사기;
    를 포함하고,
    상기 이온 반사기는 상기 공간 포커싱 위치에서 상기 이온들의 운동 에너지 스프레드를 감소시키도록 구성되고,
    제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되고,
    제2 필드 자유 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
20. 제19 항에 있어서, 상기 이온 반사기는 2 스테이지 이온 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
21. 제18 항에 있어서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석을 수행하는 방법.
22. 제21 항에 있어서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석을 수행하는 방법.
23. 제19 항에 있어서, 상기 제1 필드 자유 표류 영역의 길이(d2)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.
24. 제23 항에 있어서, 상기 제2 필드 자유 표류 영역의 길이(d6)는 하기의 관계식:
    

    

    
    에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 비행시간형 질량 분석계.

Images