KR102031968B1

KR102031968B1 - 동기된 이온 개질

Info

Publication number: KR102031968B1
Application number: KR1020147025636A
Authority: KR
Inventors: 스테판 제이 테일러; 조나단 알 에킨슨
Original assignee: 스미스 디텍션-워트포드 리미티드
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2019-10-14
Also published as: KR20140140030A; RU2014132208A; CN108279264A; CA2862770A1; US20170089863A1; EP3617697B1; US11630080B2; MX338306B; US20190041360A1; WO2013121287A1; CA2862770C; EP2815233A1; US10119938B2; CN104126115B; CN104126115A; PL3617697T3; KR102139986B1; EP2815233B1; MX2014009756A; JP5906331B2

Abstract

동기된 이온 변형 시스템과 기술이 설명된다. 이온 변형기는 드리프트 챔버에 대한 이온의 진입을 제어하는 게이트를 경유하여 드리프트 챔버에 들어가는 이온의 일부분을 변형시키도록 사용될 수 있다. 이온 변형기에 통신 결합된 컨트롤러는 변형될 이온의 일부분을 선택하기 위해 이온 변형기를 제어하도록 구성된다. 실시예들에서, 컨트롤러는 이온을 형성한 샘플로 형성된 다른 이온에 대한 검출기의 이전의 응답에 기초하여 상기 부분을 선택한다. 예를 들어, 다른 이온은 분광계의 이전 작동에서의 피크와 관련된 이온에 대응한다.

Description

동기된 이온 개질{SYNCHRONISED ION MODIFICATION}

본 발명은 동기된 이온 개질에 관한 것이다.

이온 이동도 분광계(IMS, ion mobility spectrometers)는 물질(예를 들어, 분자, 원자 등)을 이온화하고 결과적인 이온이 검출기에 도달하는데 걸린 시간을 측정하는 것에 의해 샘플로부터 관심 물질을 식별할 수 있다. 이온의 비행 시간(time-of-flight)은 이온화된 분자의 질량 및 기하학적 형태에 관계하는 그 이온 이동도와 관련된다. 검출기의 출력은 피크 높이의 플라즈마그램(plasmagram) 대 표류 시간(drift time)으로서 시각적으로 표현될 수 있다.

때때로, 플라즈마그램에서 제공되는 일부 이온을 식별하는 것은 어려울 수 있다. 오염물, 작업 조건, 유사한 기하학적 형태 및 질량을 갖는 이온 등은 이온을 검출하고 확인하는 IMS의 능력에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 오염된 샘플은 기형 또는 비교적 작은 피크 높이를 가질 수 있다.

동기된 이온 변형 시스템 및 기술이 기술된다. 이온 변형기(ion modifier)는 드리프트 챔버로 이온의 진입을 제어하는 게이트를 경유하여 드리프트 챔버로 들어가는 이온의 일부분을 변형시키도록 사용될 수 있다. 이온 변형기에 통신 결합되는 컨트롤러는 변형된 이온의 일부분을 선택하기 위해 이온 변형기를 제어하도록 구성된다. 실시예들에서, 컨트롤러는 이온을 형성한 샘플로 형성된 다른 이온들에 대한 검출기의 이전 응답에 기초하여 상기 부분을 선택한다. 예를 들어, 다른 이온은 분광계의 이전의 작업에서 피크와 관련된 이온에 대응한다.

이 요약은 발명의 상세한 설명에서 다음에 추가로 기술되는 단순화된 형태에서 개념의 선택을 소개하도록 제공된다. 이 요약은 청구된 요지의 핵심 특징 또는 본질적인 특징을 확인하도록 의도되지 않으며, 또한 청구된 요지의 범위를 결정하는데 있어서 도움으로서 사용되도록 의도되지 않는다.

발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 도면에서, 도면 부호의 가장 왼쪽의 숫자(들)는 도면 부호가 처음 나타나는 도면을 식별한다. 설명 및 도면의 다른 예에서 동일한 도면 부호의 사용은 유사하거나 동일한 항목을 지시할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온 변형기를 구현하도록 구성된 분광계의 도시이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 분광계의 개략적 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 이온 변형기의 예시적 작동을 나타내는 플라즈마그램의 도면이다.
도 4는 변형되는 이온의 분리를 실시하는 검출 절차를 도시하는 흐름도이다.

도 1은 이온 이동도 분광계(IMS)(100)와 같은 분광계의 도면이다. IMS가 본 명세서에 기술되었을지라도, 다양한 다른 형태의 분광계가 본 발명의 구조, 기술 및 접근으로부터 이로울 수 있다는 것은 명백하다. 본 발명은 이러한 변화를 포용하고 포함한다.

도시된 바와 같은 IMS(100)는 게이트(106)를 경유하여 드리프트 챔버(104)로부터 분리되는 이온화 챔버(102)를 포함한다. 게이트(106)는 이온화 챔버(102)로부터 드리프트 챔버(104) 내로 이온의 통행을 제어한다. 예를 들어, 게이트(106)는 언제 그리고 어떤 이온이 드리프트 챔버(104)로 들어가는지를 제어하도록 인가된/낙하된(dropped) 전하를 갖도록 구성된다. 게이트(106)는 Bradbury-Nielsen 게이트 및 Tyndall Powell 게이트를 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 게이크를 포함할 수 있다.

도시된 바와 같은 IMS(100)는 관심 샘플로부터 이온화 챔버(102)로 물질을 도입하기 위한 입구(108)를 포함한다. 입구(108)는 다양한 샘플 도입 접근을 채택할 수 있다. 비록 공기의 흐름(예를 들어, 기류)이 사용될 수 있을지라도, IMS(100)는 입구(108) 내로 물질을 흡인하도록 다양한 다른 유체 및/또는 가스를 사용할 수 있다. 입구를 통해 물질을 흡인하기 위한 접근은 팬, 압축 가스, 드리프트 챔버를 통해 유동하는 드리프트 가스에 의해 생성된 진공 등의 사용을 포함한다. IMS(100)는 공기 또는 다른 유체의 스트림이 이온화 챔버 내로 물질을 도입하도록 사용될지라도 실질적으로 대기압에서 작동할 수 있다.

실시예들에서, IMS(100)는 샘플로부터 물질의 도입을 돕는 다른 구성요소들을 포함한다. 예를 들어, 히터와 같은 탈착기(desorber)가 포함되어, 적어도 샘플의 일부가 기화되도록 그리고/또는 그 가스상이 되도록 함으로써 입구(108) 내로 흡인될 수 있도록 한다. IMS(100)는 물질의 덩어리(bolus)를 농축시키거나 또는 이온화 챔버(102)에 들어가게 하는 예비 농축기(pre-concentrator)를 포함할 수 있다.

IMS(100)는 관심 분자의 식별을 촉진하도록 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, IMS(100)는 교정제(calibrant) 및/또는 도펀트(dopant)를 수용하는 하나 이상의 셀을 포함한다. 셀은 입구, 이온화 챔버 또는 드리프트 챔버 중 하나 이상에 도펀트를 제공할 수 있다. 도펀트는 분자와 결합되어, 단독으로 분자에 대응하는 이온보다 효과적으로 검출되는 이온을 형성하도록 이온화된다. IMS는 IMS의 작동 동안 상이한 시간에 상이한 위치에 도펀트를 제공하도록 구성될 수 있다. IMS는 IMS에 있는 구성요소의 작동과 도펀트 전달을 조정할 수 있다.

도시된 바와 같이, 이온화 소스(110)는 이온화 챔버(102)에 배치된다. 예시적인 이온화 소스는 코로나 방전 소스, 광이온화 소스, 전기방사 소스, 매트릭스보조 레이저 탈착 이온화(MALDI) 소스, 니켈 63 소스(Ni⁶³) 등과 같은 방사성 및 전기 이온화 소스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

실시예들에서, IMS(100)는 양의 모드, 음의 모드, 양 및 음의 모드 사이의 스위치 등으로 작동한다. 양의 모드에서, 예를 들어, 이온화 소스(110)는 관심 샘플로부터의 물질에 포함된 분자로부터 양이온을 발생시킨다. 음의 모드에서, 이온화 소스(110)는 음이온을 발생시킨다. IMS(100)가 양의 모드, 음의 모드, 또는 양 및 음의 모드 사이의 스위치에서 작동하는지는 실시 우선권, 예측된 샘플 형태(예를 들어, 폭발성, 마취성, 독성 산업용 화학제) 등에 의존할 수 있다. 전기 이온화 소스 및/또는 이온화 챔버의 벽은 비록 다양한 타이밍 시나리오가 고려될지라도, 거의 20 밀리초, 10 밀리초(ms)) 이하의 간격으로 양 또는 음의 모드 사이에서 스위칭할 수 있다.

이온화 소스의 작동 구성은 작동 우선권에 기초하여 변할 수 있다. 예시적인 구성은 하나 이상의 전압 및 전류(전원을 위한), 유입 유량 또는 드리프트 가스 유량을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 다른 구성은 이온화될 샘플의 예상되는 양, 이온화 소스와 이온화 챔버(102)를 형성하는 하나 이상의 벽들 사이의 전압차, 또는 이온화 소스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, IMS(100)는 이벤트의 발생 시에 샘플 도입, 게이트 개방 등에 기초하여 이온화 소스(110)를 주기적으로 펄스화시킨다(pulses).

이온화 소스(110)는 서로 다른 질량-전하비들(mass to charge ratios)을 갖는 다양한 이온을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 이온화 소스(110)는 양 또는 음전하를 가진 분자를 포함하는 이온을 발생시킨다. 이온화 소스(110)는 다수의 단계로 관심 샘플로부터 분자를 이온화할 수 있다. 예를 들어, 이온화 소스(110)는, 관심의 대상이 되는 분자를 이온화시키기 위해 후속적으로 사용되는 이온화 챔버 내에서 가스들을 이온화하는, 코로나를 발생시킨다. 예시적인 가스는 공기에 포함된 질소, 수증기, 가스, 및 이온화 챔버에 있는 다른 가스를 포함한다.

실시예들에서, 이온화 챔버를 형성하는 벽(들)이 전기 전도성이어서, IMS가 전기 이온화 소스를 포함할 때, 이온화 소스와 벽들 사이에 전하 차이(charge difference)가 존재할 수 있다. 작동시에, 전하 차이는 관심 샘플로부터의 물질을 이온화하도록 코로나로부터의 이온이 소스로부터 멀리 흡인되도록 할 수 있다. 이온이 이온화 소스로부터 멀리 흡인될 수 있는 동안, 이온은 드리프트 영역에 들어가는 것이 방지된다. 게이트가 폐쇄된 동안 게이트를 향해 보내진 이온은 이온이 게이트를 접촉함으로써 중화될 수 있다.

실시예들에서, 게이트(106)는 드리프트 챔버(104)에 대한 이온의 진입을 제어한다. 예를 들어, 게이트(106)는 전하가 인가되는/제거되는 와이어 그물망을 포함한다. 실시예들에서, 게이트(106)를 형성하는 와이어 그물망은 고정 그리드(112)와 이동 그리드(114)를 포함한다. 게이트(106)는 게이트를 "개방"하도록 이동 그리드 상에 전하를 낙하하는 것에 의해 드리프트 챔버에 들어가는 이온을 제어할 수 있다.

예를 들어, Bradbury Neilson 게이트는 2세트(거의 동일 평면 상의)의 깍지형 와이어(interdigitated wire)로 구성될 수 있다. 게이트가 폐쇄될 때, 상기 세트의 와이어 중 하나는 다른 것과 상이한 전위, 예를 들어, 약 50V의 차이가 있도록 설정된다. 그러므로, 이온은 그 정상적인 진행 방향에 대해 90°에서 강한 전기장을 격고, 와이어를 타격하고 중화된다. 게이트가 개방될 때, 2세트의 와이어는 동일한 전위에 있도록 설정되며, 이온은 그런 다음 드리프트 지역으로 이온을 운반하는 정상적인 IMS 필드만을 겪는다.

컴퓨터 컨트롤러(116)와 같은 컨트롤러는 게이트의 개방/폐쇄를 제어하도록 사용될 수 있다. 예에서, 컨트롤러는 어떤 전압이 게이트(예를 들어, 이동 및 고정 그리드들(112, 114))에 인가되고, 얼마만큼의 전압이 인가되는지 등을 제어한다. 게이트의 작동은 이벤트의 발생 시 등에 주기적으로 발생하도록 제어될 수 있다. 컨트롤러는 이벤트의 발생 시 등에 기초하여 주기적으로 게이트가 얼마나 길게 개방되거나 또는 폐쇄되는지를 조정할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 이온화 소스의 모드에 기초하여 게이트에 인가되는 전하를 스위칭할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 드리프트 챔버는 대체로 게이트(106) 반대편에 위치된 검출기(118)를 포함한다. 실시예들에서, 드리프트 챔버는 개별적인 이온의 이온 이동도에 기초하여 드리프트 챔버에 진입이 허용된 이온을 분리하도록 사용된다. 이온 이동도는 이온 상의 전하, 이온의 질량, 기하학적 형태에 의해 결정된다. 이러한 방식으로, IMS(100)는 그 비행 시간에 기초하여 이온을 분리할 수 있다. 실시예들에서, 드리프트 챔버는 게이트(106)로부터 검출기(118)로 연장하는 실질적으로 균일한 전기장을 가진다.

검출기(118)는 이온이 플레이트에 접촉함으로써 그 전하에 기초하여 이온을 검출하는 대전 플레이트(예를 들어, Faraday 플레이트)일 수 있다. 컴퓨터 컨트롤러(116)는 그 대응 이온으로부터 분자를 식별할 수 있다. IMS는 이온의 이온 이동도에 기초하여 이온들 사이를 차별화한다.

일련의 전극(120a-d)(예를 들어, 포커싱 링) 및/또는 가드 그리드(122, guard grid)는 실시예들에서 드리프트 챔버(104)에 포함된다. 포커싱 링은 검출기(118)를 향하여 이온을 포커싱 및/또는 안내할 수 있다. 가드 그리드(122)는 존재하는 스크린 그리드 없이 온커밍 이온(oncoming ion)으로부터 검출기 전극을 보호하고, 검출기는 이온이 검출기 전극에 실제로 도달하기 상당히 전에 이온의 존재를 인식한다. 실시예들에서, 전극(120a-d)은 링 형상이며, 드리프트 챔버(104)의 길이를 따라서 배치된다. 포커싱 링은 작동 동안 이온의 분리를 돕고 검출기를 향하여 이온을 포커싱하도록 드리프트 챔버에서 전기장을 형성할 수 있다. 포커싱 링을 포함하는 드리프트 챔버는 드리프트 챔버에서 실질적으로 균일한 전기장을 인가할 수 있다. 예를 들어, 포커싱 링은 검출기(118)를 향하여 이온을 흡인하고 및/또는 이온을 안내하는 것을 돕는다.

실시예들에서, IMS는 검출기까지의 이온의 진행 경로에 대체로 반대편 방향으로 드리프트 가스가 유동하도록 한다(드리프트 가스를 유동시킨다). 예를 들어, 드리프트 가스는 인접한 검출기(118)로부터 게이트(106)를 향하여 유동한다. 도시된 바와 같이, 드리프트 가스 입구(122) 및 드리프트 가스 출구(124)는 트리프트 챔버를 통하여 드리프트 가스를 유동시키도록 사용된다. 예시적인 드리프트 가스는 질소, 공기, 재순환되는 공기(예를 들어, 세정 및/또는 건조된 공기) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

실시예들에서, 이온 변형기(126)는 드리프트 챔버에 포함된다. 이온 변형기(126)는 게이트와 검출기 사이에서 드리프트 챔버에 배치되는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 이온 변형기는 드리프트 챔버의 길이를 따라서 서로로부터 이격된 2개 이상의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기는 와이어 그물망을 포함한다.

이온 변형기(126)는 이온이 검출기(118)를 향해 표류함으로써 무선 주파수(RF)의 사용을 통하는 것과 같이 이온을 변형시킬 수 있다. 이온 변형기(126)는 드리프트 챔버에 들어간 이온의 일부분을 선택적으로 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기는 IMS의 이전의 작업 동안 공통의 피크, 중첩하거나 또는 인접한 피크와 관련된 이온에 대응하는 실질적으로 유사한 이온 이동도를 갖는 이온을 변형시킨다. 그러므로, 드리프트 챔버에 진입이 허용된 이온은 이온 변형기가 이온의 일부분(선택된 이온)을 변형시키지만 다른 이온은 변형시키지 않도록 게이트(106)와 이온 변형기(126) 사이를 분리할 수 있다(예를 들어, 그 각각의 이온 이동도에 기초하여).

이온들을 변형시키는 것은 이온들을 단편화하는 것, 이온들의 질량-전하비를 변화시키는 것 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예에서, 이온 변형기는 이온의 상기 부분에 포함되지 않는 다른 이온이 검출기로 보내지는 것을 방지하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 이온 변형기는 직류 전기장을 제공할 수 있는 한편, 이온 변형기는 이벤트의 발생 시에 교류 전기장을 사용하고 및/또는 극성을 스위칭한다. 이온 변형기는 다른 이온을 중화시킬 수 있는 한편, 선택된 이온이 검출기를 향해 보내지는 것을 허용한다. 실시예들에서, 이온 변형기는 선택된 다른 이온을 중화시키도록 전하를 펄스화하는 것에 의한 것과 같이, 이온이 검출기로 보내지는 것을 임시로 방지한다. 예를 들어, 다른 이온의 선택된 그룹은 이온의 비행 시간 등에 기초하여 선택될 수 있다. 실시예들에서, 컨트롤러 및/또는 이온 변형기는 다른 이온의 일부가 중화되도록 하는 한편 다른 이온들에서 상이한 이온을 중화시키지 않도록 구성될 수 있다. 이온 변형기는 예를 들어 관심 피크에 인접한, 관심 이온과 간섭할, 검출기를 뒤덮을 다른 이온을 중화시킬 수 있지만, 다른 이온은 중화시키지 않는다.

이러한 방식으로, 이온 변형기는 이온이 이를 통과하는 것을 허용할 수 있거나, 또는 이온이 이를 통과하는 것을 방지할 수 있다. 이온 변형기(126)의 작동은 게이트(106)의 작동과 동기될 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기는 게이트가 개방한 후에 사전 결정된 시간에 변형시킬 수 있다. 이온 변형기는 샘플로부터 분자의 식별을 돕도록 이전의 진행에서 피크에 있는 이온에 대응하는 이온을 변형시킬 수 있다.

실시예들에서, 이온 변형기는 어떤 에너지가 이온에 인가되는지를 변화시킨다. 이온 변형기(126)는 이온에 인가되는 에너지를 증가(램프-업)시킬 수 있으며, 작동 동안 등에 극성을 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기는 양의 모드에서 작동할 수 있고, 그런 다음 음의 모드로 극성을 스위칭할 수 있다.

이온 변형기(126)는 드리프트 챔버로 들어가는 이온의 분리 및/또는 이온의 선택된 부분을 변형시키는 것으로부터 초래되는 이온의 분리를 허용하도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기(126)는 변형으로부터 초래되는 단편들이 각각의 이온 이동도에 기초하여 이온 변형기와 검출기 사이를 분리하도록 위치된다.

드리프트 챔버에서 이온 변형기의 위치는 디자인 선호도, 예상되는 물질, 예상되는 물질 형태, 이온/변형된 이온, 이온의 단편, 작동 조건 등에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기는 게이트를 경유하여 들어오는 이온 뿐만 아니라 게이트의 작동으로부터 초래되는 변형된 이온의 분리를 허용하도록 드리프트 챔버의 중간에 또는 거의 중간 지점에 배치된다. 일부 예에서, 이온 변형기는 게이트에 인접하여 배치되지만, 이온 변형기와 검출기 사이에서 변형된 이온의 분리를 허용하도록 충분한 거리에 배치된다. 다른 예에서, 이온 변형기는 드리프트 챔버에 들어가는 이온의 분리를 허용하는 한편 이온을 변형시키는 것으로부터 초래되는 단편의 충분한 분리를 허용하도록 드리프트 챔버의 중간 지점보다 검출기에 더욱 근접하여 배치된다.

이온 변형기는 이온의 일부분을 선택적으로 변형시킬 수 있지만, 다른 이온을 변형시키지 않고 및/또는 이온을 다르게 변형시킬 수 있으며, 예를 들어 이온의 일부에 (비교적) 높은 전하를 인가하는 한편, 다른 이온에 낮거나 또는 다른 전하를 인가할 수 있다. 실시예들에서, 이온 변형기는, 선택된 이온들을 변형시키는 동안, 선택된 이온들의 검출을 방해하는 선택되지 않은 이온들이 검출기에 도달하는 것을 방지한다. 그러므로, 이전의 진행에서 관심 피크에 인접한 피크와 관련된 이온은 중화될 수 있지만, 관심 피크에 대응하는 이온은 샘플로부터 물질, 예를 들어, 분자의 식별을 돕도록 단편화된다.

컴퓨팅 시스템(116)과 같은 컨트롤러는 이온 변형기(126)의 작동을 제어하도록 분광계에 포함될 수 있다. 도시된 바와 같은 컴퓨팅 시스템(116)은 이온 변형기의 작동을 제어하도록 이온 변형기에 통신 결합된다. 컴퓨팅 시스템(116)은 비록 컨트롤러가 이온 변형기를 제어하도록 전용화될 수 있을지라도 검출기 출력 분석(예를 들어, 이온에 기초하여 관심 샘플의 식별), 게이트의 작동(개방/폐쇄)의 제어, IMS 작동의 제어 등과 같은 다른 기능을 수행할 수 있다.

컴퓨팅 시스템(116)은 분광계의 이전 작동의 결과에 기초하여 이온 변형기의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 관심 샘플로부터 물질의 이전의 분석동안 검출기 출력에 기초하여 언제 및/또는 어떻게 이온 변형기가 작동하는지를 결정한다. 이러한 방식으로, 컨트롤러는 검출기의 이전 응답에 기초하여 이온의 어떤 부분이 변형되는지를 선택한다. 컨트롤러(128)는 이온 변형기가 애매한 식별에 기초하여 작동하도록 할 수 있다. 애매한 식별은 부분적인 식별; 미식별(non-identification); 비검출 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 컨트롤러는 IMS의 이전 작동 동안 인접한 피크로부터 이온을 구별하는 것을 돕도록 후속의 진행에서 이온 변형기를 턴온할 수 있다. 실시예들에서, 컨트롤러(128)는 이온 변형기의 작동으로 IMS에 있는 다른 구성요소의 작동을 변화시킨다. 예를 들어, 컨트롤러는 이온 변형기의 작동을 조정하도록 후속의 진행에서 어떻게 게이트(106)가 개방/폐쇄하는지 제어한다.

실시예들에서, IMS는 게이트 또는 이온 변형기의 하나 이상의 작동에 의해 검출기에서 적어도 일부 이온의 도달 시간을 맞출 수 있다. 이러한 방식으로, 거의 동시에 이온 변형기를 통과한 변형 이온들로부터 발생되는 (단편들과 같은) 이온들이 드리프트 챔버 내로의 이온들의 진입과 관련된다. 타이밍 데이터를 포함하는 다양한 데이터가 조합되고 샘플로부터 물질의 검출 및/또는 식별을 돕도록 분석될 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기가 기능하지 않았던 진행으로부터의 데이터는 이온 변형기가 작동된 진행으로부터의 데이터와 상관된다. 그러므로, 이온 변형기의 작동과 관련된 데이터는 유사한 이온 이동도를 갖는 이온의 정체를 구별 또는 확인하도록 사용될 수 있다.

실시예들에서, 그 구성요소를 포함하는 IMS(100)는 컴퓨터 제어 하에 작동한다. 예를 들어, 프로세서는 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어(예를 들어, 고정된 로직 회로망), 수동 처리 또는 그 조합을 사용하여 본 명세서에 기술된 IMS의 구성요소 및 기능을 제어하도록 IMS가 포함되거나 이에 포함된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "컨트롤러", "기능성", "서비스", 및 "로직"은 대체로 IMS(100)를 제어하는 것과 관련된 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어의 조합을 나타낸다. 소프트웨어 실행의 경우에, 모듈, 기능성 또는 로직은 프로세서(예를 들어, CPU 또는 CPU들)에서 실행될 때 특정 업무를 수행하는 프로그램 코드를 나타낸다. 프로그램 코드는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스(예를 들어, 메모리 및/또는 하나 이상의 유형 매체) 등에 저장될 수 있다. 본 명세서에 기술된 구조, 기능, 접근법, 기술들은 다양한 프로세서를 갖는 다양한 상업적 컴퓨팅 플랫폼에서 실행될 수 있다.

프로세서들은 이것들이 형성하는 물질 또는 채택된 처리 메커니즘에 의해 한정되지 않는다. 예를 들어, 프로세서는 반도체(들) 및/또는 트랜지스터(예를 들어, 전자 집적회로(IC))로 구성될 수 있다.

메모리는 프로세서가 포함될 수 있다. 메모리는 IMS(그 구성요소를 포함하는)를 작동시키기 위한 명령의 프로그램과 같은 데이터, 데이터 등을 저장할 수 있다. 비록 단일 메모리 디바이스가 사용될 수 있을지라도, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 하드디스크 메모리, 제거가능 매체 메모리, 외장 메모리, 및 다른 형태의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체와 같은 메모리의 광범위한 형태 및 그 조합(예를 들어, 유형 메모리, 비일시적)이 채택될 수 있다.

추가 실시예에서, 다양한 분석 디바이스는 본 명세서에 기술된 구조, 기술, 접근법 등의 사용을 만들 수 있다. 그러므로, IMS 디바이스가 본 명세서 전체에 기술되었을지라도, 다양한 분석 설비는 기술된 구조, 기술, 접근법 등의 사용을 만들 수 있다. 이러한 디바이스들은 제한된 기능성(예를 들어, 얇은 디바이스) 또는 강인한 기능성(예를 들어, 두꺼운 디바이스)과 함께 구성될 수 있다. 그러므로, 디바이스의 기능성은 디바이스의 소프트웨어 또는 하드웨어 리소스, 예를 들어, 처리 전력, 메모리(예를 들어, 데이터 저장 능력), 분석 능력 등에 관계할 수 있다.

더욱이, IMS(100)를 제어하는 프로세서는 다양한 상이한 네트워크과 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 네트워크는 인터넷, 셀룰러폰 네트워크, 근거리 통신망(LAN), 광역 통신망(WAN), 무선 네트워크, 공중전화망, 인트라넷 등을 포함할 수 있다.

도 1과 관련하여 본 발명에 따른 분광계의 다양한 구성, 작동을 기술하였으며, 이온 변형기를 포함하는 분광계의 추가의 구성/작동이 지금 기술된다. 구성요소, 구성, 접근법, 기술, 작동 파라미터는 도 1 및 도 4에 대하여 기술된 양태와 관련하여 사용될 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 변형기(226)가 드리프트 챔버(106)에 진입이 허용된 이온의 일부분을 변형시키도록 사용되는 예시적인 실시에서의 IMS(200)를 도시한다.

도 2a는 이온화 소스가 이온화 챔버에서 관심 샘플로부터 분자, 원자와 같은 물질을 이온화하는 구성에서의 IMS(200)의 도시이다. 도시된 바와 같이, 게이트(206)는 이온화 챔버에서 이온을 유지하도록 폐쇄된다. 게이트는 이온이 드리프트 챔버(206)에 들어가는 것을 방지하도록 게이트 상에 전하 차단물(repelling charge)을 배치하는 것에 의해 폐쇄될 수 있다. 예를 들어, 게이트는 보다 낮은 전하를 갖는 이온과 비교할 때 보다 큰 전하를 갖는 이온을 게이트로부터 더욱 멀리 떨어지도록 강요할 수 있다.

도 2b는 이온의 적어도 일부가 드리프트 챔버(204)에 들어가는 구성의 IMS(200)를 도시한다. 이온(228)은 게이트(206) 상의 전하 차단물의 제거에 응답하여, 포커싱 링들에 의해 발생된 전기장의 영향 하에서 검출기(218)를 향하여 흡인될 수 있다. 개별 이온은 그 이온 이동도에 기초하여 드리프트 챔버(204)에 들어갈 수 있다. 예를 들어, 게이트에 인접한 이온은, 전하 차단물이 낙하되기에 앞서, 이온이 게이트로부터 멀리 강요되기 전에 드리프트 챔버에 들어간다. 드리프트 챔버에 있는 이온(228)은 이온이 이온 변형기(226)를 향하여 진행함으로써 분리될 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기(226)는 거의 드리프트 챔버의 중간 지점에 위치되어서, 이온 변형기는 드리프트 챔버(204)에 들어간 이온의 일부분을 선택적으로 변형시킬 수 있다.

도 2c는 이온 변형기가 이온(230)의 일부분을 변형시키는 구성의 IMS(200)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 이온 변형기는 이온이 이온 변형기(226)에 도달하는데 걸리는 시간에 기초하여 선택된 이온을 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 게이트 또는 이온 변형기(226)의 작동을 제어하는 컴퓨팅 시스템은 관심 샘플로부터의 물질을 식별하기 위하여 게이트의 개방, 이온 변형기의 작동, 및/또는 검출기 응답과 함께 시간을 맞출 수 있다. 예를 들어, 이온 변형기(226)는 중간 속도 5밀리초(230)와 관련된 이온을 변형시키는 한편 보다 빨리, 예를 들어, 2밀리초(230b) 또는 보다 느리게, 예를 들어, 7밀리초(230a), 진행하는 이온을 중화시키는 한편 또는 변형시키지 않을 수 있다. 실시예들에서, 컴퓨팅 시스템은 이온이 게이트로부터 검출기로 진행하는데 얼마나 시간이 걸리는지를 맞출 수 있다. 컴퓨팅 시스템은 게이트의 개방과 이온 변형기의 작동 사이의 시간 간격 시간을 맞출 수 있고, 예를 들어, 게이트의 개방과 변형기의 작동 사이의 시간에 영향을 줄 수 있다.

컴퓨팅 시스템은 이러한 시간과, 이온, 단편 등(이온의 선택된 부분을 변형시키는 것으로부터 초래되는)이 검출기에 도달하는데 걸리는 시간을 연관지을 수 있다. 실시예들에서, 상이한 진행들 사이의 비행 시간을 포함하지만 이에 한정되지 않는 데이터는 관심 샘플로부터 물질을 식별하도록 서로 관련된다. IMS(200)가 이온 변형기의 작동에 부가하여 다른 작동 구성을 변화시킬 수 있는 것, 즉 IMS가 이전의 진행에서의 애매한 식별에 기초하여 후속의 진행에서 도펀트를 사용하는 것이 예측될 것이다.

실시예들에서, 이온 변형기는 선택되지 않은 이온을 중화시킬 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 이온 변형기가 다른 이온의 적어도 일부를 중화시키도록 구성된다. 이온 변형기는 선택되지 않은 이온이 이온 변형기에 포함된 전극 및/또는 이온이 중화되는 포커싱 링에 흡인되도록 할 수 있다. 초기 진행에서, 예를 들어, IMS는 2밀리초, 5밀리초, 및 7밀리초에 피크를 만들 수 있는 한편, 제2 진행에서, 이온 변형기가 2밀리초 및 7밀리초와 관련된 이온을 제거하도록 구성될 수 있어서, 검출기로 보내진 이온 또는 이온의 단편은 오직 5밀리초 피크로부터의 이온과만 관련된다.

도 2d는 이온이 검출기(218)를 향해 보내짐으로써 변형된 이온(232) 중 이온 및/또는 단편이 분리되는 구성의 IMS(200)를 도시한다. 이온은 각각의 이온의 이온 이동도에 기초하여 분리될 수 있다. 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 이온 변형기의 작동을 도시하는 플라즈마그램의 도시이다. 이러한 플라즈마그램은 단지 예시 목적을 위해 의도된다.

도 3a는 이온 변형기가 기능하지 않는 플라즈마그램(300)을 도시한다. 이 플라즈마그램은 이온 변형기가 사용되지 않는 초기 진행 동안 샘플 검출기 출력을 나타낸다. 다중의 피크는 상이한 이온 이동도를 갖는 이온의 검출로 인하여 제공될 수 있다. 하나 이상의 피크는 관심 샘플 등에서 낮은 농도와 같은 다양한 이유로 인하여 식별되지 않는 것과 같이 애매하게 식별될 수 있다.

도 3b는 이온 변형기가 후속의 진행에서 대응 이온을 변형시키는 초기 진행으로부터의 단일 피크를 도시하는 플라즈마그램(302)의 예시이다. 피크는 이온 변형기 및/또는 검출기를 제어하는 컴퓨팅 시스템에 의해 수동 또는 자동으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템은 피크와 관련된 이온의 식별을 추가로 확인하거나 또는 관심 이온(예를 들어, 약물, 톡성 화학제)과 유사한 이동도를 갖는 오염물 사이를 구별하도록 피크를 선택할 수 있다. 이온 변형기를 갖는 IMS는 단일 피크를 격리시키도록 작동될 수 있지만, 실시예들에서, 도 3b의 플라즈마그램은 도 3a에 도시된 플라즈마그램의 컴퓨터 조작일 수 있다.

도 3c는 본 발명에 따른 이온 변형기의 작동을 예시하는 플라즈마그램(304)의 예시이다. 이온 변형기는 예를 들어 관심의 대상이 아닌 도 3a의 피크와 관련된 이온을 중화시키기 위해 그리고 도 3b의 관심의 대상이 되는 피크에 상관되는 이온을 변형시키도록 사용될 수 있다. 도 3c의 플라즈마그램은, 각각 분자(306) 상의 전하를 갖는 피크와 RF를 사용하여 이온의 일부분을 변형시키는 것으로부터 초래되는 단편 피크(308)의 2개의 피크를 예시한다.

본 발명에 따라서, 실시될 수 있는 시스템, 구성요소, 기술, 모듈 및 접근법이 기술되었으며, 상기 시스템, 구성요소, 기술, 모듈 및 접근법에 의해 실시될 수 있는 샘플 절차가 지금 기술된다.

예시적 절차

다음의 설명은 이전에 기술된 IMS(100) 구성요소, 기술, 접근법, 모듈을 이용하여 실시될 수 있는 절차를 기술한다. 각각의 절차의 양태는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합에서 실시될 수 있다. 절차는 하나 이상의 디바이스(예를 들어, 분광계, 분광계 또는 분광계 구성요소를 제어하는 컴퓨터 시스템)에 의해 수행되는 작업을 특정하고 각각의 블록에 의한 작업을 수행하기 위하여 도시된 순서로 반드시 한정되지 않는 1세트의 블록으로서 도시된다. 다음의 설명의 부분에서, 도 1의 IMS(100)를 참조할 것이다.

도 4는 관심 샘플로부터 물질의 검출 및/또는 식별을 돕도록 이온이 변형된 예시적 실시에서의 절차(400)를 도시한다. 예를 들어, 이온 변형기는 이온의 적어도 일부를 변형시키지 않는 것에 비교하여 식별 정확성을 증가시키도록 선택된 이온을 변형시키기 위해 사용된다. 실시예들에서, 절차(400)는 컴퓨터 제어 하에서 수행된다.

선택적으로, 검출기 응답이 관심 샘플로부터의 물질의 식별에 관하여 애매한 초기 진행이 수행된다(블록 402). 예를 들어, 초기 진행에서의 피크는 다양한 이유로 알려지지 않을 수 있으며, 검출하기 어렵거나 검출되지 않을 수 있다. 초기 진행은 전체 전력 소비 등을 최소화하도록 이온의 일부분을 변형시키지 않고 수행될 수 있다.

실시예들에서, 애매한 식별에 응답하여, 후속 진행이 수행된다(블록 404). 예를 들어, IMS의 작동을 제어하는 컴퓨팅 시스템이 관심 샘플로부터 물질을 식별하는 것을 실패할 때, 컴퓨팅 시스템은 이온의 일부분이 변형되는 후속 진행을 기동할 수 있다. 예를 들어, 미검출에 응답하여, 이온 변형기(226)는 초기(이전) 진행에서의 특정 피크와 관련된 이온에 대응하는 이온의 적어도 일부를 단편화한다(fragment).

관심 샘플로부터 형성된 이온은 각각의 이온 이동도에 기초하여 분리되도록 허용된다(블록 406). 예를 들어, 관심 샘플로부터 적어도 일부 이온은 이동 그리드 상의 전위가 고정 그리드 상의 전위와 실질적으로 동일하도록 만들어질 때에 응답하여 드리프트 챔버(204)에 들어간다. 실시예들에서, 이온은 검출을 위해 보내짐으로써 그 이온 이동도에 기초하여 분리된다.

이온의 일부분은 변형된다(블록 408). 변형시키는 것이 이온을 단편화하도록 이온의 일부분에 무선 주파수(RF)을 인가하는 것을 포함할 수 있어서, 이온화된 결과적인 단편은 검출 및/또는 식별될 수 있다. 변형시키는 것은 이온을 중화시키는 것, 예를 들어, 이온을 중화시키는 것에 의해 이온 및/또는 단편이 검출을 위해 보내지는 것을 방지하는 것을 포함한다. 예를 들어, 상기 부분에 대응하는 이온의 통행은 예를 들어, RF가 이온을 변형시키도록 인가되고, 이어서 검출을 위해 보내지도록 이온 및/또는 결과적인 단편을 방출하기 전에 이온의 파괴에 의해 일시적으로 중단된다. 선택적으로, 변형시키는 것은 관심이 아닌 이온을 중화시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법을 수행하는 이온 변형기를 포함하는 IMS는 드리프트 챔버를 통과하는데 5ms가 걸리는 이온을 변형시킬 수 있는 한편, 게이트로부터 검출기로 보내지는데 2ms 또는 7ms가 걸리는 이온이 검출되는 것을 방지한다. 이온은 이온 변형기 및/또는 다른 전극을 접촉하는 것과 같이 중화될 수 있다.

상기 부분에 있는 이온을 변형시키는 것으로부터 초래되는 이온은 그 각각의 이온 이동도에 기초하여 분리된다(블록 410). 예를 들어, 이온을 변형시키는 것으로부터 초래되는 단편은 분자의 이온보다 짧은 비행 시간을 가질 수 있다. 단편 및 이온은 이것들이 이온 변형기로부터 검출기로 진행함으로써 그 각각의 이온 이동도에 기초하여 분리될 수 있다. 상기 절차를 수행하는 분광계는 게이트를 개방하는 것으로부터 변형시키는 것까지의 시간 또는 단편 및/또는 이온이 변형되는 것으로부터 검출기에 도달하는데 걸리는 시간의 1 배 이상의 시간을 맞출 수 있다.

이온을 변형시키는 것으로부터 생성되는 단편 및/또는 이온이 검출된다(블록 412). 예를 들어, 검출기는 관심 샘플로부터 물질을 식별하도록 사용되는 출력을 발생시킬 수 있다. 상기 방법을 수행하는 컴퓨팅 시스템은 상기 부분 내의 이온을 변형시키는 것으로부터 초래하는 단편 및/또는 이온에 적어도 부분적으로 기초하여 물질, 예를 들어, 관심 샘플로부터 분자를 식별할 수 있다.

본 출원은 그 전체에서 참조하는 것에 의해 2011년 1월 21일자 출원된 "조합된 이온 게이트 및 이온 변형기"라는 명칭의 영국(GB) 특허 출원 번호 1101132.7를 통합한다.

비록 본 발명이 구조적 특징 및/또는 방법론적 작용에 특정한 언어로 기술되었을지라도, 첨부된 청구 범위에 한정된 본 발명이 기술된 특정 특징 또는 작용에 반드시 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 비록 다양한 구성이 기술되었을지라도, 장치, 시스템, 서브시스템, 구성요소 등은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 오히려, 특정 특징 및 작용은 청구된 발명을 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims

분광계로서,
드리프트 챔버에 대한 이온의 진입을 제어하도록 구성된 게이트를 갖는 상기 드리프트 챔버에 배치되고, 상기 드리프트 챔버에 들어가는 이온의 일부분을 변형시키도록 구성된 이온 변형기; 및
변형되는 샘플로부터 형성된 이온의 부분을 선택하고, 비행시간에 기초하여 다른 이온의 그룹을 선택하고, 상기 다른 이온의 그룹을 중화시킴으로써 다른 이온의 그룹이 검출기를 향해 보내지는 것을 방지하기 위해 상기 이온 변형기의 작동을 상기 게이트의 개방에 동기시키도록 상기 이온 변형기에 통신 결합되는 컨트롤러;를 포함하는 분광계.
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제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출기의 이전 반응에 기초하여 이온의 부분을 선택하도록 상기 이온 변형기의 작동을 제어하도록 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 이온 변형기가, 상기 분광계의 이전 작동중, 상기 부분에 있는 상기 이온에 대응하는 상기 다른 이온의 애매한 식별에 응답하여, 상기 부분에 있는 상기 이온의 적어도 일부를 변형시키도록, 추가로 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 이온 변형기는 상기 부분에 있는 상기 이온의 적어도 일부의 단편으로 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 분광계는 대기압에서 작동하도록 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 분광계는 상기 게이트 및 상기 이온 변형기의 작동으로 상기 부분에 있는 상기 이온을 변형시키는 것에 의해 형성되는 적어도 일부 단편의 도달 시간을 맞추도록 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 분광계는 상기 이온 변형기의 작동에 의해 상기 부분에 있는 상기 이온을 변형시키는 것에 의해 형성된 적어도 일부 단편의 도달 시간을 맞추도록 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 이온 변형기는 무선 주파수에 의해 상기 부분에 있는 상기 이온의 적어도 일부를 변형시키도록 구성되는 분광계.
제1항에 있어서, 상기 게이트와 상기 이온 변형기들은 상기 드리프트 챔버에 진입이 허용된 이온의 분리를 허용하도록 서로 이격되는 분광계.
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제1항에 있어서, 상기 분광계는 이온 이동도 분광계이고,
상기 게이트는 상기 검출기의 반대편의 상기 드리프트 챔버의 단부에 배치되고,
상기 이온 변형기는 상기 이온의 이온 이동도에 기초하여 상기 게이트와 상기 이온 변형기 사이에서 상기 이온이 각각 분리되도록 상기 게이트와 상기 검출기 사이에 배치되는 이온 이동도 분광계.
제13항에 있어서, 상기 이온 변형기에 결합되고, 상기 이온 변형기의 작동으로부터 초래되는 단편이 이온 이동도에 기초하여 상기 이온의 부분과 관련되도록 상기 이온 변형기의 작동을 동기하도록 구성되는 컨트롤러를 추가로 포함하는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 부분에 있지 않은 이온이 상기 검출기로 보내지는 것을 방지하도록 상기 이온 변형기의 작동에 시간을 맞추도록 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 이온 변형기는 상기 다른 이온의 상당한 부분이 상기 검출기로 보내지는 것을 방지하도록 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 이온 변형기는 모든 다른 이온을 중화시키도록 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 이온 변형기는 상기 다른 이온의 적어도 일부를 중화시키도록 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 이온 변형기를, 상기 부분에 대응하는 상기 다른 이온이 이전의 작동중 상기 검출기에 의해 식별되지 않았다는 결정에 응답하여, 작동시키도록, 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
제14항에 있어서, 상기 이온 이동도 분광계는 상기 게이트와 상기 이온 변형기의 작동에 의해 상기 단편의 적어도 일부의 검출 시간을 맞추도록 추가로 구성되는 이온 이동도 분광계.
각각 이온의 이온 이동도에 기초하여 드리프트 챔버에 상기 이온을 분리하는 단계;
유사한 이온 이동도를 갖는 상기 이온의 부분을 단편화하는 단계;
이온화된 단편의 이온 이동도에 각각 기초하여 상기 이온화된 단편을 분리하는 단계; 및
비행시간에 기초하여 다른 이온의 그룹을 선택하고, 상기 다른 이온의 그룹을 중화시킴으로써 상기 다른 이온의 그룹이 검출기로 보내지는 것을 방지하는 단계;를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 방법은 상기 방법을 수행하는 디바이스의 이전의 작동 동안 상기 부분에 대응하는 다른 이온의 미식별에 응답하여 수행되는 방법.
제21항에 있어서, 상기 단편화하는 단계는 상기 부분에 포함되지 않는 이온이 검출되는 것이 방지되도록 유발하는 방법.
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컴퓨팅 시스템에 의해 실행되는 것에 응답하는 명령을 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체로서,
상기 컴퓨팅 시스템은, 검출기의 이전 작동 동안 애매하게 식별된 이온에 대응하는 이온을, 게이트와 상기 검출기 사이에서 드리프트 챔버에 배치된 이온 변형기가 변형시키며, 비행시간에 기초하여 다른 이온의 그룹을 선택하고, 상기 다른 이온의 그룹을 중화시킴으로써 상기 다른 이온의 그룹이 검출기로 보내지는 것을 방지하도록 하고;
분자로 형성된 이온을 변형시키는 상기 이온 변형기로부터 초래되는 단편과 관련된 이온 이동도에 기초하여 관심 샘플에 포함된 상기 분자를 확인하는, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체.
제26항에 있어서, 상기 명령은 상기 게이트와 상기 이온 변형기의 작동을 동기하도록 추가로 실행 가능한, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체.
제26항에 있어서, 상기 명령은 적어도 부분적으로 상기 이온 변형기의 작동과 상기 단편의 검출 사이의 시간에 기초하여 식별에 대해 추가로 실행 가능한, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체.
제26항에 있어서, 상기 식별은 적어도 부분적으로 상기 검출기의 이전 작동 동안 상기 검출기의 응답에 기초하는, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 매체.
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