KR20050086577A - 화학 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

음이온들의 형성에서 전자 이용을 최적화함으로써 시료에서 pptr(parts-per-trillion) 농도 미만의 분자들을 검출하는 화학 센싱 장치 및 방법이 제공된다. 공기, 해수, 건조한 침전물, 또는 수중 침전물을 비롯하여 다양한 매체들이 샘플링될 수 있다. 정전 미러를 사용하여 전자 빔의 운동 에너지를 0 또는 거의 0의 운동 에너지로 감소시킨다.

Description

화학 센서 시스템 {CHEMICLAL SENSOR SYSTEM}
본 출원은 시료(sample)에서 미량의 목표 분자를 검출하는 데에 유용한 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학적 미립자들, 오염 물질들, 또는 기체들의 검출은 공공의 안전, 국가적 보안, 및 폭발물들과 불법 약물들을 검출하는 보안 산업에서 중요한 용례를 가진다. 이러한 폭발물들, 약물들, 또는 화공 약품의 존재는 일반적으로, 금제품(contraband)이 저장되거나 핸들링된 표면들, 공기, 물, 또는 침전물에 소량의 입자들을 남긴다. 예를 들어, 공항 또는 공공 건물에서의 수화물 또는 의류 표면상의 폭발물들 또는 약물들의 입자들은 시도된 폭격 또는 약물 밀수의 발견으로 이어질 수 있다.
목표 분자(즉, 폭발 성분)로의 전하 전달을 통한 양이온 또는 음이온 형성, 또는 소스 온도(300K)에서의 [약 40 meV(millielectron volts)에서 피크를 가진] 전자 에너지들에 대한 맥스웰 분포의 다충돌 조건들에 따른 전자 포획에 기초한 기술들이 개발되었다. 이러한 기술들은 ASGDI(atmospheric sampling, glow-discharge ionization), API(atmospheric pressure ionization), ECD(electron capture detection), 및 NICI(negative-ion chemical ionization)를 포함한다.
이온 형성 및 그에 따른 목표 분자 검출 감도를 최대화하기 위해서는, 전자들과 흔적 목표 분자들(trace target molecules)간의 부착점에서 낮은 에너지(< 10 meV)의 높은 전자 전류가 필요했다. 전자 에너지 분포 함수와 부착 단면적(attachment cross section)간의 좀더 양호한 "매칭"을 제공하기 위해, 전자 반전 기술이 개발되었다. 이 기술에서, 전자들은 정전 필드로 전자들의 방향을 반전시키는 것에 의해 일시적으로 정지된다. 반전 영역(R)에서, 전자들은 0 또는 0에 가까운 에너지를 가진다. 목표 분자들을 구비하는 빔이 도입되고, 0 또는 0에 가까운 에너지의 전자들이 빔의 분자들에 부착된다. (폭발물들, 염화할로카본 화합물들, 및 불소화탄소 화합물들을 비롯하여) 분자들의 몇가지 큰 부류들의 부착을 위한 단면적은 0에 가까운 전자 에너지에서 10-12cm2보다 큰 값들로 증가한다고 알려져 있기 때문에, 전자들을 미온 (subthermal;< 10 meV) 에너지들로 감속하는 것이 필요하다. 사실상, 0 에너지의 제한에서, 이러한 단면적들은 e-1/2(e는 전자 에너지임)로서 수렴할 것이 예상된다.
이러한 기본적인 전자 반전 기술은 좀더 양호한 반전 기하학적 형태, 좀더 높은 전자 전류들, 좀더 낮은 배경들, 및 증가된 음-이온 추출 효율성을 허용하도록 향상되어 왔다. 여기에 참조로서 포함되어 있는, Bernius 및 Chutjian의 미국 특허 제4,933,551호와 Boumsellek과 Chutjian의 미국 특허 제5,374,828호를 참고한다.
미국특허 제4,933,551('551)호에서는, 전자 방출기(electron emitter)가 2차원의 (평평한) 표면 구조를 가진 간접적으로 가열되는 산화물 음극이었다. 이미터 영역에 대한 필드들-및-경로들(fields-and-trajectories)을 계산하기 위해 이미터 및 미러 영역들의 형태들이 사용되었다. 이러한 계산으로부터 유도된 전자 경로들은 반전 영역을 위한 필드들-및-경로들을 계산하는 데에 사용되었다. 다음으로는, 경로들이 그래프적으로 검사되었다. 입력되어 반전되는 경로들이 그래프에서 서로 중첩되는 것으로 나타난다면, 미러 설계가 수용되었다. 그러나, 전자 경로들의 그래프 검사는 전자의 운동 에너지 판정을 기껏해야 20 meV로 제한한다. 또한, 전자 경로들의 계산은 전자 광학 렌즈 스택을 통한 단일 통과로 제한되었다. 전자 소스 영역에서는 반전된 전류가 고려되지 않았으므로, 음극으로부터의 계산된 전자 경로들에는 본질적인 부정확성이 존재하였다. 이들 경로들은 반전 전류의 공간 전하에 의해 영향을 받지만, '551 특허에서는 이러한 효과가 고려되지 않았다.
'551 특허와 대조적으로, 미국특허 제5,374,828('828)호는 전자 소스와 반전 등전위 구성들간에 미스매칭을 생성한 음극 영역에 작은 "심(shim)" 전극을 포함하였다. '828호 특허는, 이미터에 인접한 구형 등전위들(spherical equipotentials)을 반전 영역의 평평한 등전위들(planar equipotentials)로 혼합한 시스템을 개시하였다. 그에 비해, '551호 특허에 개시된 시스템은 평평한 이미터에 인접한 영역과 반전 영역 모두에서 평평한 등전위 표면들을 이용하였다. '828호 특허에서 개시된 "심" 전극은 음극에서의 구형 등전위들을 '551호 특허에서 개시된 평평한 등전위 구성내의 반전에 적합한 평평한 등전위들로 변환하는 것에 의해 초기 기하학적 형태들 간의 차이들을 보상하였다. 본질적으로, 구형 경로들은, 시스템 전체에 걸쳐 구형의 등전위들을 유지하는 것만큼 정확하지 않은 평행한 전기장 구성으로 "똑바로 펼쳐졌다".
따라서, 목표 분자 검출 감도를 증가시키기 위해서는, 전자 반전 기술을 이용하는 디바이스의 반전 영역에서 이온 형성을 최대화해야 한다.
이하에서는, 이러한 태양들 및 다른 태양들을 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 목표 분자들을 검출하기 위한 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 전자-이온 광학 시스템의 개략도를 도시한다. 구형 음극 컴포넌트(F, V1, V1'), 반전 컴포넌트(V2, V2'), 및 이온 추출 컴포넌트(V3, V4)가 표시되어 있다. 음이온들은 ESA(electostatic analyzer)에 의해 QMS(quadrupole mass spectrometer)로 90°편향된다. 렌즈 소자 전압들은 마스터 클록에 의해 제어되는 고속 MOSFET 스위치들(S1-S4)에 의해 순환된다. ESA 외부 구상의 애스터리스크(*)는 이미터(F)의 직접적인 LOS에 위치한 영역을 지시한다.
도 3a 및 도 3b는 ESA 외부 구 및 이미터(F)의 직접적인 LOS에 배치되어 있는 간극에 대한 향상된 뷰들을 도시한다. 전기 필드의 무결성을 보유한 디바이스가 간극을 차폐(커버)하고 비도전성 물질들의 증착을 억제한다.
도 4는 목표 분자를 검출하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
도 5는 167u의 전하(e) 대 질량(m) 비(m/e)에서의 TNT 음이온 단편 신호(fragment signal)의 디스플레이를 도시한다. 400ppb 표준 TNT 용액, 미지 농도의 침전물-추출 시료, 및 블랭크(blank)로부터의 추출들의 주입 이후 시간이 표시되어 있다.
도 6은 물에서의 TNT 농도에 대한 시스템의 감도 곡선을 도시한다(m/e=167u가 모니터링됨). 음영 영역은, 지시된 신호들에 대응되는 TNT 농도를 판정함에 있어서의 감도 및 그것의 오류를 표현한다.
반전 영역의 정전 미러(electrostatic mirror)에 대한 기하학적 형태를 전자 소스의 기하학적 형태와 매칭시켜, 반전 영역에서 저-에너지 전자들의 양을 증가시키기 위한 메커니즘이 제공된다. 이것은, 반전 영역에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지(axial and radial kinetic energy)를 분석하고 시스템 전체에 걸쳐 구형 등전위들을 유지하는 것에 의해, 실현될 수 있다. 전자 소스의 형태를 반전 영역과 매칭시키는 것에 의해, 본 발명은 반전 영역에서 음이온들을 생성하는 향상된 능력을 가진 결합 시스템을 제공한다. 본 메커니즘은 목표 분자를 검출하는 화학 검출기의 능력을 향상시키는데 유용하다.
일 실시예에서는, 반전 영역에서 음이온을 생성하는 방법이 제공된다. 본 방법은 전자들을 구비하는 전자 빔을 생성하기 위해 구형의 오목면(spherically concave surface)을 가진 전자 방출기를 제공하는 단계; 및 1) 방출된 전자들을 소정의 축들을 따라 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기 및 2) 전자들의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 포함하는 렌즈 스택을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 렌즈 스택의 기하학적 형태를 판정하는 단계; 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써 전자 빔을 구비하는 전자들에 대해 필드들 및 경로들을 판정하는 단계로서, 정전 미러에서의 전자들에 대한 경로들은 구형 전기장 구성에서 계산되는, 단계 ; 반전 영역의 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수를 판정하는 단계; 필드들 및 경로들의 판정 결과들을 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수 결과들과 비교하는 단계; 비교에 따라, 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 반전 영역에서의 5회 이상의 반사들이 제공되도록, 렌즈 스택을 변경하는 단계; 및 반전 영역을 목표 분자를 구비하는 목표 분자 가스 빔과 교차시키는 단계로서, 전자들이 목표 분자들에 부착되어 음이온이 형성되는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서는, 반전 영역에서 낮은 에너지의 전자들을 생성하기 위한 장치가 제공된다. 본 장치는 전자들을 구비하는 전자 빔을 생성하기 위해 구형의 오목면을 가진 전자 방출기; 및 1) 방출된 전자들을 소정의 축들을 따라 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기 및 2) 전자들의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 포함하는 렌즈 스택을 포함한다. 본 장치는 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써, 전자 빔을 구비하는 전자들에 대해 필드들 및 경로들을 판정하기 위한 수단으로서, 정전 미러에서의 전자들에 대한 경로들은 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 수단; 반전 영역에서의 전자 반전들의 개수를 판정하기 위한 수단; 필드들 및 경로들의 판정 결과들을 전자 반전들의 개수와 비교하고, 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 반전 영역에서의 5회 이상의 반사들이 제공되도록, 렌즈 스택의 기하학적 형태를 전자 방출기의 기하학적 형태와 매칭하기 위한 수단을 더 포함한다.
또 다른 실시예에서는, 목표 분자의 존재를 검출하기 위한 화학 센싱 장치가 제공된다. 본 장치는 주입 포트에 인접한 하나 이상의 제1벽, 주입 포트 기부의 제2벽, 및 주입 포트 말단의 제3벽을 가진 기상 제트 분리기(gas phase jet separator); 제트 분리기와 기체 연통하는 전자-이온 광학 챔버로서, 1) 구형의 오목면을 포함하는 전자 방출기; 및 2) ⅰ) 방출된 전자들을 소정의 축들을 따라 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기; 및 ⅱ) 전자들의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 포함하는 렌즈 스택을 포함하는 전자-이온 광학 챔버를 포함한다. 상기 화학 검출 장치는 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써, 전자 빔을 구비하는 전자들에 대한 필드들 및 경로들을 판정하기 위한 수단으로서, 정전 미러에서의 전자들에 대한 경로들은 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 수단; 반전 영역에서 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수를 판정하기 위한 수단; 필드들 및 경로들을 전자 반사 개수와 비교하고, 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 반전 영역에서의 5회 이상의 반사들을 제공하도록, 렌즈 스택을 변경하는 수단; 반전 영역과 이온 연통하는 이온 추출 컴포넌트; 및 추출 컴포넌트와 이온 연통하는 질량 분석기를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서는, 정전 분석기의 내부 표면상에 비도전성 물질의 증착을 억제하기 위한 디바이스가 제공된다. 본 디바이스는 정전 분석기와 본질적으로 관련된 간극(aperture)을 덮는 비고형 물질(non-solid material)을 포함한다. 간극은 전자 방출기의 직접적인 LOS(line-of-sight)에 위치한다. 본 디바이스는 정전 필드의 무결성(integrity)을 실질적으로 유지하고, 비도전성 물질의 증착을 위해 감소된 표면적을 제시하면서 정전 분석기를 통한 음이온들의 흐름을 허용한다.
또 다른 실시예에서는, 정전 분석기의 내부 표면상에 비도전성 물질의 증착을 억제하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 정전 분석기와 본질적으로 관련된 간극을 덮는 비고형 물질을 양이온들 및 음이온들과 접촉시키는 단계를 포함한다. 간극은 전자 방출기의 직접적인 LOS(line-of-sight)에 위치하고, 이 물질은 정전 필드의 무결성을 실질적으로 유지하며 정전 분석기를 통한 음이온들의 흐름을 허용한다.
여기에서 설명되는 방법들, 장치들(apparatuses), 및 디바이스들(devices)은 특정한 추출 및 화학 분리 기술들로 통합될 수 있다. 예를 들어, 물 또는 침전물에 폭발 잔류물이 존재하는 경우, 목표 분자를 포함하고 있는 증기가 SPME 파이버(solid-phase microextraction fiber)를 사용해 침전물 또는 해수로부터 추출될 수 있다. 목표 분자를 포함하고 있는 폭발 잔류물은 파이버를 챔버 또는 오븐에서 가열하는 것에 의해 탈착되고 잔류 컴포넌트들이 초음속 팽창(supersonic expansion)에 의해 배경 공기 또는 운반 가스로부터 분리되는 제트 분리기에서 추가적으로 프로세싱될 수 있다. 그 다음, 시료 분자들은 정전 미러를 향해 전자들을 방출하는, 음극과 같은, 전자 소스를 포함하는 전자-이온 광학 시스템으로 전송된다. 정전 미러는 전자들을 정지시키고 전자들을 반사하기 위한 정전 필드를 제공한다. 이것은 전자들의 운동 에너지를, 전자들이 목표 분자에 효율적으로 부착되어 음이온들을 생성한 다음 질량 분석계로 전송되어 분석되는 에너지인, 0 또는 0에 가까운 에너지로 감소시키거나 상쇄한다.
본 발명에 대한 하나 이상의 실시예들의 세부 사항들이 첨부 도면들 및 다음의 상세한 설명에서 기술된다. 상세한 설명과 도면들, 및 청구항들로부터, 본 발명의 다른 특징들, 목적들, 및 이점들이 명백해질 것이다.
여기에서 설명되는 방법들, 장치들, 및 디바이스들은 관심있는 광범위한 화학 약품들의 검출에 응용될 수 있다. 이러한 것들은, 예를 들어, 미발효 수중 조례(unexploded under-water ordinance), 산업 또는 군사 지역들로부터의 하수의 폭발물들 또는 화학 약품들, 공장들에 의해 생성되는 독성 물질들의 검출, 및 신경 가스 및 수포제의 검출을 비롯하여, 폭발물들과 관련된 화학 약품들 및 그것들의 제조를 포함한다. 이러한 용례는 건물들, 항구들, 대사관저들, 공항들, 및 개인들을, 테러리스트 활동을 비롯하여, 화학적 위험들과 같은 것으로부터 보호하는데 이용될 수 있다.
본 발명에서는, 반전 영역(R)이 전자 및 이온 공간 전하를 완벽하게 고려하는 3차원 필드들-및-경로들 계산을 사용해 전자 방출기의 형태에 매칭된다. 여기에서 사용되는 "매칭"이라는 용어는, 반전 영역의 정전 필드 형태가 낮은 축상 및 방사상 에너지를 가진 상태에서 음극으로 역반사되는 전자들의 개수가 증가되도록 조정된다는 것을 의미한다. 반전 영역에서 반사되는 전자들의 개수를 증가시키는 것은 목표 분자의 이온 형성 기회들을 증가시킨다. 이러한 관점에서, 폭발물을 포함하여, 0 전자-에너지 부착 분자들의 부류들에 대한 검출 감도의 증가가 제공된다.
이러한 이온화 시스템은, 직접적으로 또는 간접적으로 가열되는 음극으로부터 유래할 수 있는, 전자들의 소스 또는 필드-방출 소스를 구비한다. 전자 광학 렌즈 시스템은 전자 빔을 추출하고, 빔에 포함된 전자들을 0- 또는 거의-0 전자 에너지들로 감속시키는 정전 미러상에 집중시킨다. 음극 소스로부터의 에너지들의 각 대역은 미러의 상이한 평면에서 정지됨으로써 0-에너지 전자들의 복수 개의 적층면들을 제공한다. 목표 분자를 구비하는 목표 가스 빔이 이 영역에 도입되고, 0 또는 거의 0 속도 전자들이 목표 분자에 부착되어, 후속적인 질량 분석계에 의해 분석되는 목표 분자의 특징적인 음이온 스펙트럼("지문")을 형성할 것이다.
본 방법 및 장치는 특히, 0-에너지 전자들을 부착하는 큰 효율성(단면적)을 가진 목표 분자들을 검출하는 데에 유용하다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "목표 분자"는, RDX, TNT, PFTN, 및 EGDN을 포함하는 폭발물들과 같은 화학 약품들을 포함한다. 또한, 목표 분자들은 GA(Tabun), GB(Sarin), GD(Soman), GF, VX(V-agent) (phosphonothioic acid, methyl-, S-(2bis(l-methylethylamino)ethyl) 0-ethyl ester), 및 피리도스티그민(pyridostigmine)을 포함한다. 또한, 목표 분자들은 CG(phosgene), DP(diphosgene), 염소, 및 PS(chloropicrin)와 같은 폐 마취제, 시안화물과 같은 혈액제들, H/HD(sulfur mustard), HN(nitrogen mustard), 비소제(lewisite (L)), 및 CX(phosgene oxime)와 같은 수포제, 및 BZ와 같은 무력화제를 포함한다. 또한, 목표 분자들은 AC(hydrogen cyanide) 및 CK(cyanogen chloride)와 같은 혈액제들 및 최루 가스 또는 페퍼 스프레이와 같은 폭동 진압제들을 포함한다. 또한, 목표 분자들은 플라스틱 폭발물들과 관련된 전기 음성 증기들을 포함한다. 이러한 목표 분자들은 pptr(parts-per-trillion) 양 이하로 검출된다. 따라서, 본 방법 및 장치는 폭발물들, 화학 무기들, 및 금제품을 검출하는데 유용하다. 공기 또는 물에서 생겨난 흔적 화학 약품들, 또는 건조 침전물이나 수중 침전물의 흔적 화학 약품들의 검출을 위한 개별적인 인터페이스들이 제공된다.
목표 분자들이 더 높은 에너지의 전자에 부착되기를 원한다면, 더 높은 에너지의 전자 빔이 전자 부착 영역을 통과하며 그러한 에너지들에서 부착이 발생하도록, 미러 전극상의 정전 전위가 약화된다. 전자 부착 및 이온 추출은 펄스 모드에서 수행되는데, 전자 빔이 펄스 "온"이면 부착이 발생하고, 전자 빔이 펄스 "오프"이면, 음이온들을 추출하여 질량 분석기의 진입 간극상에 집중시키기 위해, 후속적인 이온 광학 디바이스들이 펄스 "온"된다. 이러한 분석기는 필요한 질량 범위 및 분해능을 제공하기에 적합한 임의의 유형일 수 있다. 이것은 4극자, 이온-트랩, 자기 섹터, TOF(time-of-flight), 또는 트로코이드 분석기(trochoidal analyzer)를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 전체 시스템의 소형화 또한 가능할 수 있으며, 본 출원의 일부로 고려된다. 폭발물의 부착 단면적은 0 전자 에너지에서 크다는 것이 공지되어 있으며, 거의 확실하게, 부착 단면적은 e-1(e는 전자 에너지임)에 비례하는 "s-파" 의존성을 가진다. 따라서, 목표의 이용 및 음이온들의 형성 최적화가 제공된다.
일반적으로, 폭발물 분자들은 0-에너지 전자들을 부착하기 위한 상당히 큰 단면적을 가진다. 이러한 단면적은 (전자 속도)-1으로 변화한다. 따라서, 부착율(또는 이온화 효율성)은 느린 전자들에 대해 양호하다. 더 높은 에너지의 전자들을 부착하는 분자들의 경우, 미러는 목표 분자로의 부착점에서 더 빠른 전자들을 생성하기 위해 약화될 수 있다.
도 1을 참조하면, 흔적 화학 약품들의 분석을 위한 센서 장치(10)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 흔적 분자들은 SPME 파이버(11)로부터 격벽(12)을 통해 오븐(13)으로 주입된 후 열적으로 탈착된다. 오븐은 시료를 기화하기 위해 시료를 충분히 가열한다. 증기들은 가스 라인(14)을 통해 조정 가능한 제트 분리기(15)로 전달된다. 순수한 질소인 것이 바람직한, 질소 가스가 약 1 p.s.i로 가스 주입구(16)를 통해 오븐(13)으로 흘러간다. 질소 가스는 가스 라인(14) 및 제트 분리기(15)의 소스 입구(17)를 통해 흔적 화학 약품들을 전달한다. 소스 입구(17)와 스키머 입구(18;skimmer orifice)간의 간격은 관심있는 질량 피크의 최대 집중을 위해 조정될 수 있다. 이 거리는, 소스 입구로부터의 초음속 팽창이 제트 분리기의 질소로부터 무거운 분자량의 화학종들(species)의 분리를 제공할 수 있도록 조정된다.
탈착 오븐(13), 가스 라인(14), 및 제트 분리기(15)는 가해지는 온도 및 힘들을 견딜 수 있으며 방해 증기들을 생성하지 않거나 흡착으로 인해 분석 증기들의 손실을 초래하지 않는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 이러한 재료들은 티타늄 및 스테인리스강을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 오븐, 가스 라인, 및 제트 분리기는 스테인리스강으로 형성된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 제트 분리기는 유리-내면이다. 오븐 및 가스 라인은 통상적으로 190℃로 유지되고 제트 분리기는 동작하는 동안 140℃로 유지되지만, 이러한 온도들은 분석되는 화학 약품에 따라 조정될 수 있다.
조정 부재(19; 마이크로미터 스크류)는 제트 분리기의 하나 이상의 벽과 조정 가능한 연통 상태에 있고, 제트 분리기의 스키머-노즐 거리가 조정될 수 있도록, 소스 입구(17)와 스키머 입구(18)간의 거리에 대한 변경을 허용한다. 이 거리는 분석 중인 화학 약품 또는 시료 및 사용 중인 운반 가스에 따라 조정될 수 있다. 가스 기상들이 노즐 개방을 통해 더 높은 압력 영역에서 현저히 낮은 압력 영역으로 흘러감에 따라 초음속 팽창이 발생한다. 노즐 지름이 분자들 또는 이온들의 평균-자유 경로보다 훨씬 클 경우, 분자들 또는 이온들은 초음속 제트를 형성하는 더 낮은 압력 영역으로 진입한다. 초음속 제트의 이온들 또는 분자들은 이동의 통계적인 평균 방향 또는 축을 가진다. 제트의 초음속 팽창은 제트의 분자들 및 이온들의 에너지 분포를 좁히는 결과를 초래한다. 이온들이 작은 입구를 통해 팽창하기 때문에, 그들의 내부 및 운동 에너지들은 2-물체 충돌들(2-body collisions)을 통해 공유되고, 그들의 에너지들은 좀더 균일해진다.
전자-이온 광학 시스템(20)이라고도 하는 센서 이온화기로 가스 빔(23)이 도입되어, 가스 스트림의 목표 분자들이 광학 시스템(20)의 낮은 에너지 전자 빔과 접촉하게 된다. 가스 빔(23)은 최대 목표-전자 중첩을 위해 전자 빔에 평행으로 또는 수직으로 주입될 수 있다. 도 1을 참조하면, 전자들은, 목표 분자(예를 들어, 폭발물 분자들)를 포함할 수 있는 목표 가스 빔(23)과 접촉한다. 전자 해리 부착 프로세스(electron dissiciative attachment process)에 의해 음이온들이 형성될 수 있다.
READ는 펄스 디바이스이고 제1 반주기(the first half of the cycle)에서는 전자들이 정전 미러에서 반사되고 부착 영역에서 음이온들이 형성된다. 제2 반주기에서는, 부착 영역으로부터 음이온들이 추출되고, 현 실시예의 경우, ESA(24)에 집중된 다음 QMS(25)에 집중된다. 전자-이온 광학 시스템(20), ESA(24), 및 질량 분석기(25)는 진공 챔버(26)에 밀봉될 수도 있다.
몇가지만을 언급하지만, PCT 출원번호 제WO89/12315호에 개시된 가변 분산 질량 분석계, TOF 질량 분석계들, 자기 섹터 질량 분석계들, 이온 트랩, 및 4극자 질량 분석계를 포함하여, 임의 유형의 질량 분석기가 본 발명에 채용될 수 있다. QMS(25)는 통상적으로 4개 막대 전극들의 양단에서 전극들을 유지하기 위한 한쌍의 비도전성 홀더들을 가진 중심 축에 평행하게 그리고 중심 축 주위에 대칭으로 배치된 4개의 막대 전극들 및 비도전성 홀더들을 고정하기 위한 한쌍의 판들을 구비한다(예를 들어, 미국특허 제5,459,315호 참고).
음이온들의 질량 분석계는 시작 시료에 존재하는 특정 화학종의 고유한 지문이다. READ의 제1 반주기에 렌즈 소자들에 적용되는 전위들로 인해, 부착 영역에서 형성된 양이온들이 추출되어 ESA(24)에 집중되고, ESA(24)는 이들을 질량 분석계의 진입으로부터 멀리 편향시킨다. 따라서, ESA는 READ에서 생성된 음이온들과 양이온들을 구별하는 방법을 제공한다. 양이온들과 음이온들이 구별되지 않는다면, 질량 스펙트럼은 더 이상 관심있는 화학종들의 고유한 지문일 수 없을 것이다.
양이온들과 음이온들은 ESA의 사용없이 구별될 수도 있다는 것에 주의한다. 예를 들어, 구별은 이온들이 질량 분석계에 도달하는 시간에 기초할 수도 있다. 음이온들은 READ의 제2 반주기에만 질량 분석계에 집중되는 한편, 양이온들은 제1 반주기 동안에 나타난다. 제2 반주기 동안의 데이터 수집을 배제하는 것에 의해, 음이온 질량 스펙트럼의 고유성이 보존될 수 있다.
도 2를 참조하면, 전자-이온 광학 시스템(20)은 구형 음극 및 전자 추출기 컴포넌트(F, V1, V1')(21), 반전 컴포넌트(V2, V2', V3)(22), 이온 추출 컴포넌트(V2, V2', V3, V4)(27), MOSFET 스위치들(S1-S4)(30), 및 MOSFET 스위치들을 제어하는 클록(33)을 포함한다. MOSFET 스위치들은 동작적으로 구형 음극 컴포넌트(22) 및 이온 추출 컴포넌트(27)와 관련된다. 구형 음극 컴포넌트(21)는 직접적으로 가열되는 음극 또는 간접적으로 가열되는 산화물 디스펜서 음극과 같은 전자 방출기(F;31)를 포함한다. 전자 소스(즉, 전자 방출기 또는 음극;31)는 반전 컴포넌트(22)에 집중되는 전자들을 방출한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "구형 음극"이라는 용어는, 반구(hemisphere)의 일부인, 전자들을 방출하기 위한 오목 표면을 가진 음극으로 정의된다. 전자 방출기의 설계는 구형 음극의 너비를 판정하기 위해 Child's Law를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 음극의 오목면은, 2r이 그 너비보다 큰 곡률 반경(r)을 갖도록 설계될 수 있다. 곡률의 반경을 음극 너비의 절반으로 감소시키는 것은 최대 전자 방출을 위한 진정한 반구면을 초래하겠지만, 반구의 에지 근처에서 방출된 전자들은 집중 및 가속 렌즈 소자들의 축에 수직인 초기 이동 방향을 가질 것이고, 이것은 형성되고 있는 소정 빔 형태와 간섭할 것이다.
반전 컴포넌트는 반전(R) 위치(32)에서 전자들의 운동 에너지를 감소시키거나 상쇄하는 정전 미러로서 동작한다. 반전 컴포넌트는 전기 필드들을 생성하는 전극들로 이루어진다. 전기 필드들은, 전자 속도를 0 또는 거의 0으로 감소시키는 것에 의해 전자 속도를 변경하는 렌즈들로서 동작한다. 반전 컴포넌트를 구비한 전극들(V2 및 V2')은 전도성 금속 또는 이러한 사용을 위해 적합한 임의의 재료일 수 있다. 전자 소스 및 반전 컴포넌트는 렌즈 스택(36)을 구비한다. 렌즈 스택을 구비하는 소자들의 기하학적 형태는, 구형 전자 방출기의 형태에 매칭되는 반전 영역을 제공하도록 형성된다. 이것은, 반전 컴포넌트의 등전위면들에서 전자 경로들을 분석하는 것에 의해 실현된다. 이전의 방법들과 대조적으로, 본 방법의 음극에서의 구형 등전위들은 이들을 평행한 전기장 구성들로 펼치는 것에 의해 평평한 등전위들로 변경되지 않는다. 본 시스템에서는, 시스템 전체에 걸쳐 (즉, 음극으로부터 반전 영역까지) 구형 전위들이 유지된다. 전자 및 이온의 공간 전하를 완전하게 고려하는 3차원의 필드들-및-경로들 계산을 사용해 필드들 및 경로들이 계산된다. 통상적으로, 이 계산은 컴퓨터 코드의 컴포넌트이다. 위치 R에서, 반전된 전자들의 품질, 즉, 이들의 방사상 및 축상 방향에서의 속도가 0에 근접하게 감소되는 정도는 렌즈 위치들, 렌즈 형태들, 및 전자 빔에서의 공간 전하의 정도를 포함하는 렌즈 스택 기하학적 형태들의 함수로서 모니터링된다. 이러한 모니터링은 위치 R에서 이러한 양들을 위해 컴퓨터 코드를 조회하는 것에 의해 실현된다.
전자 빔은 거의 50%의 듀티 사이클(duty cycle)을 가진 고속 스위치들(S1-S4)에 의해 구형파(square-wave) 변조된다. 이들 스위치들은 전부동 렌즈 전압(full-floating lens voltage) 사이에서 빠른 (50ns) 상승 시간들을 보장하기 위한 파워 MOSFET-기반의 스위치들이다. 시료 분자들로의 전자 부착은, 전자 빔이 "ON"인 경우의 1/2 듀티 사이클 동안에 반전 평면 R에서 발생한다. 얻어지는 음이온들은 (전자 빔이 "OFF"인) 듀티 사이클의 제2 반주기 동안 추출되어 이온 추출 컴포넌트(V2, V2', V3, V4)에 의해 ESA(24)의 진입 평면(W1)상에 집중된다. 그 다음, 추출된 이온들은 전하의 부호를 보장하기 위해 ESA에 의해 편향되고, QMS(25)의 진입 평면(W2)상에 집중된다.
전자들은 전극(F)에서 생성되어, 분자들을 샘플링하기 위한 부착 또는 해리 부착(DA)이 발생하는 반전 영역(R)으로 가속된다. 고속 스위치들(S1-S4)은 1/2 주기 동안 전자들을 펄스화한 다음, 제2 반주기 동안에는 음이온들을 정전 분석기(24)를 향해 펄스 출력한다. ESA에 의해 선택된 이온들은 QMS로 집중되어 개개의 질량들이 검출된다.
다른 실시예에서는, ESA(24)내에 포함된 간극(40)에 대한 입구를 차폐하기 위한 디바이스가 제공된다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 장치는 ESA(24)를 포함한다. ESA는 전자 에너지 필터로서 동작하는 것에 의해 음이온들과 양이온들을 구별하는 수단을 제공한다. 이러한 필터는, 예를 들어, 원통형 정전 분석기 또는 반구형 정전 분석기일 수 있는, 본 출원을 위해 구성된 임의의 정전 또는 전자기 에너지 분석기일 수 있다.
반전 영역에서 형성된 음이온들은 ESA(24)상에 집중된다. 그러나, READ의 제1 반주기에 렌즈 소자들에 적용된 전위들로 인해, 부착 영역에서 형성된 양이온들도 추출되어 ESA(24)에 집중된다. ESA는 일반적으로, 원치않는 양이온들은 질량 분석계로 진입하지 못하도록 편향시킨다. 도 3a 및 도 3b를 개략적으로 참조하면, 본 연구들은, 전자 방출기(F)의 LOS에 위치한, 위치(38)에서의 ESA 외부면이 비도전성 물질로 오염되기 쉽다고 판단하였다. 화학 성분들의 분해로부터 초래되는 비도전성 물질이 시료에 존재한다. 이러한 분해는 양이온들에 의해 ESA 소자들의 외부 반경들을 대전시키는 원인이 될 수 있다.
ESA의 표면-대전 효과들을 감소시키고 장치내에 비도전성 오염 물질들이 증착되는 것을 억제하기 위해, ESA의 외부 구상에 그리고 전자 방출기(F)의 LOS에 상주하는 디바이스(38;도 3a 및 도 3b)가 제공된다. 본 디바이스(38)는, 정전 필드의 무결성을 유지하면서, 오염에 가장 취약한 ESA의 임계 영역에 감소된 표면적을 제시한다. 본 디바이스는, 간극(40)으로의 진입은 차폐하지만 ESA(24)를 통한 음이온들의 통과를 중단시키지는 않는 임의의 재료로 이루어진다. 또한, 본 디바이스는, 간극(40)을 통한 ESA로부터의 양이온들의 탈출을 완전히 금지하지는 않는 임의의 재료로 이루어진다. 본 디바이스는 간극(40)의 입구에 배치된다. 간극(40)은, 그를 통해 양이온들이 ESA를 탈출하는, ESA와 본질적으로-관련된 채널을 제공한다. 본 디바이스는 ESA로부터 분리될 수도 그렇지 않을 수도 있다.
간극(40)의 입구에 배치된 디바이스(38)는, ESA의 외부 구상에 그리고 전자 방출기(F)의 LOS에 위치하는 임계 영역(42)에 비고형 표면을 형성하는 복수 개의 개구들을 제공하는 메시, 스크린, 멤브레인, 또는 임의의 다공성 물질일 수 있다. 본 디바이스는 임계 영역에 100% 미만의 고형 표면적을 제시할 것이다. 예를 들어, 본 디바이스는 임계 영역에 약 10%의 고형 표면적을 제시함으로써, 오염 물질들에 의해 코팅될 물질을 약 90%만큼 감소시킬 수 있다. 본 발명에 의해 계획되는 것은, 지시된 위치에서 100% 미만이며 ESA 정전 필드의 무결성을 유지하기에 충분한 임의량의 고형 표면이라는 것을 알 수 있다.
도 4를 개략적으로 참조하면, 렌즈 스택 기하학적 형태들은 처음에 판정된 다음, 전자 경로 정보를 수용하도록 후속적으로 변경되고, 그에 따라, 전자 반전들이 전자 방출들과 매칭된다. 전자 경로들은 반전 영역(R)에서의 전자들의 축상 및 방사상 운동 에너지들의 결과들로부터 분석적으로 판정될 수 있다. 축상 및 방사상의 전자 운동 에너지들은 계산 자체로부터 얻어진다. 다른 방법으로는, 전자 빔이 반전 영역에서 이루어진 반사 개수를 구체적으로 기술하는 것에 의해, 전자 경로들이 시각적으로 조사될 수도 있다. 반전 영역(R)에서 계산된 전자 에너지들이 2 meV 이하이고, 전자 빔이 반전 영역에서 형성하는 반사 개수가 5 이상이라면, 렌즈 스택의 기하학적 형태는 최적화된 것으로 수용된다. 전체적인 렌즈 스택의 기하학적 형태는 구형의 오목한 전자 방출기의 기하학적 형태에 매칭될 수 있다. 이와 같이, 컴퓨터가 필드들 및 경로들을 분석하는 동안, 전체적인 렌즈의 기하학적 형태가 고려된다.
렌즈 스택의 기하학적 형태(즉, 렌즈 스택을 구성하는 소자들의 형태 및 위치들)는 처음에 판정된 다음, 전자 방출기의 기하학적 형태에 매칭되도록 후속적으로 변경된다.
전자 빔의 공간-전하 분포 및 렌즈 기하학적 형태들이 계산 또는 컴퓨터 코드에 의해 판정될 수도 있다. 구형 전기장 구성에서 전자들에 대한 필드들 및 경로들을 판정하는 수단은 당업자에게 공지되어 있는 임의의 수단을 포함한다. 예를 들어, 전자 경로들을 계산하기 위해 Herrmannsfeldt 필드 및 경로 코드가 사용될 수 있다. 추가적인 코드들로는 MEBS(Munro Electron Beam Software) 코드, MAFIA 코드, 및 VECTOR FIELDS 코드를 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자들이 반전 영역에 접근함에 따라, 이들은 감속되고 운동 에너지가 수 meV로 감소된다. 이들의 에너지는 거의 전반적인 전위 에너지가 된다. 시료 분자들이 낮은 에너지 전자들의 영역을 통과한다. 따라서, 특정 에너지를 가진 전자 소스(31)로부터 방출된 전자들이 반전 컴포넌트(즉, 정전 미러;22)에 의해 반전 평면에서 0 또는 거의 0의 축상 및 방사상 속도로 감속된다. 전자 소스로부터 방출된 전자들은 약 0.25eV의 평균 에너지를 가진 운동 에너지의 Boltzman 분포를 가진다. 정전 미러에서의 전자 반전들의 영역은 렌즈 시스템의 축을 따라 적층된 반전 평면들의 공간 범위로 이루어진다. 예를 들어, 낮은 운동 에너지를 가진 전자들은 그러한 전자들이 더 높은 운동 에너지를 갖기 전에 반전될 것이다.
정전 미러는 반전 평면들의 공간 범위와 목표 분자 가스 빔의 공간 범위간의 교차를 용이하게 함으로써, 감속되거나 정지된 전자들과 목표 분자들간에 향상된 공간 중첩을 제공하도록 설계된다. 향상된 공간 중첩은 목표 분자들로의 전자 부착 효율성을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 정전 미러는 날카로운 반전 영역이 형성될 것이기 때문에 정전 미러상에 큰 전위들을 배치하는 것을 방지하도록 설계된다. 이처럼 날카로운 반전 영역은 공간적으로 좁은 범위일 것이므로, 목표 빔과의 최적화된 공간 중첩 미만이 발생할 것이다. 마찬가지로, 정전 미러는 정전 미러상의 낮은 전위들을 방지하도록 설계된다. 이러한 전위들은, 1) 높은 전자 전류에 대한 (패킷들의 방사 에너지가 지나치게 높은) 불량 반전 패킷들 및 2) 목표 빔보다 공간 범위가 더 큰 평면들을 조장함으로써, 최적 중첩 또는 이온화 효율성 미만을 제공하는 공간에 걸쳐 반전 평면들을 펼친다.
정전 미러에서의 반전에 이어, 가스 빔에 존재하는 목표 분자에 부착되지 않은 전자들이 뒤쪽으로 반사되어 정전 렌즈 시스템들을 통해 반대 방향으로 이동한다. 본 장치는, 이러한 "후진" 경로들의 효과가 반전 영역으로 진입하는 전진 전자 경로들의 경로들에 포함되도록, 이러한 "후진" 경로들을 한정하고 거기에 초점을 맞추는 메커니즘을 제공한다.
구형 음극 컴포넌트 및 렌즈 스택의 기하학적 형태들은 소프트웨어를 구비한 컴퓨터로 통신된다. 소프트웨어는 구형 음극 컴포넌트와 관련하여 렌즈 스택의 기하학적 형태를 최적화한다. 전자 방출 프로파일에서의 변경들은 낮은 운동 에너지를 가진 전자들과 반전 영역(R;도 1 및 도 2;32)을 트래버스(traverse)하는 가스 빔에 존재하는 목표 분자들간의 상호 작용을 향상시키기 위해 렌즈 스택의 컴포넌트들에 대한 기하학적 형태들의 변경을 필요로 한다. 전자 경로들은 구형 전기장 구성에서 (즉, 구형 등전위들로서) 계산된다. 이전의 화학 검출 시스템들과 달리, 구형 경로들은 평행한 전기장 구성들로 선형화되지 않는다. 이와 같이, 반전 영역에서 발생하는 전자 반전들의 양을 좀더 정확하게 식별하기 위한 수단으로서 제공된다.
전자 반전 시스템에서 전자들의 경로들을 계산하기 위한 이전의 시도들은 제한되어 왔다. 이러한 시도들은 일반적으로 계산들을 섹션들로 분리했다. 예를 들어, 미국특허 제5,374,828('828)호에서는, 시스템을 2개 부분들: 전극들(11, 11', 12, 14, 14)이 포함된 파트 1; 및 전극들(12-17)이 포함된 파트 2로 분할하는 것에 의해 전자 경로들이 계산되었다('828호 특허의 도 1 참고). 3개 전극들(13-15)은 양자의 파트들에 공통되도록 만들어져, 파트 1으로부터의 가장가리 필드들이 파트 2에 포함되었다. 파트 1에 대한 전자 경로들을 판정한 후, 출력 경로들은 (초기 조건들로서) 전위가 양쪽 파트들에서 동일한 렌즈 축상의 위치에 있는 파트 2로 주입되었다. 적절하기는 하지만, 전자 경로들을 분할한 다음 다시 합치는 것은 여기에서 제시된 방법보다 본질적으로 덜 정확하다.
따라서, 렌즈 스택을 구비하는 소자들의 기하학적 형태는 구형 전자 방출기의 형태와 매칭되는 반전 영역을 제공하도록 형성된다. 렌즈 소자들(V1 및 V2;도 2 참고;21 및 22)상의 작은 구형 팁들은, 렌즈 스택이 반전 컴포넌트의 등전위 면들에서 전자 경로들을 분석하는 것에 의해 구형 추출 기술을 수용하도록 최적화될 수 있는 방법의 예들이다. 초기 분석이 완료되고 나면, 렌즈 스택은 전자 소스의 기하학적 형태와 매칭되도록 변경된다. 상기한 바와 같이, 렌즈 스택의 소자들에 대한 기하학적 형태들은 전자 방출기와 관련하여 최적화된다. 전자 방출 프로파일에서의 어떤 변경도 미러 형태의 변경을 필요로 하기 때문에, 최적화는 동시에 발생한다. 정전 렌즈 시스템의 2개 부분들, 전자 소스 및 정전 미러가 결합 시스템을 구성한다. 시스템들의 최적의 부착 효율성은 반전 영역과 음극간에 전자 빔의 다수 통과들이 존재한다는 것을 보장하는 것으로부터 발생한다. 요지는 목표 빔을 통해 최고 전자 전류에서 전이하는 전자의 개수를 최대화하는 것이다. 본 발명은 전자 소스를 정전 미러를 구비한 렌즈 시스템과 결합하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 전자 소스 및 렌즈 시스템은 동시에 변조됨으로써, 필드들-및-경로들 코드들이 전자 소스로부터 방출된 전자 전류의 단일 패킷에 대한 경로만을 모델링하는 것으로 한정되지 않는다. 따라서, 결합된 렌즈 시스템들의 음극과 반전 영역들 사이에서 빠르게 왕복하는 전자 전하의 세그먼트로서 코드의 다수 반전들이 관찰된다.
예를 들어, 개략적으로 도 2를 참조하면, 전자 소스(31)는 렌즈 시스템에 의해 그로부터 전자들이 추출되고 가속되는 직접적으로-가열되는, 구형 음극을 구비할 수 있다. 그 다음, 전자들은 정전 미러에 집중된다. 미러는 전자 빔을 반전 평면(R)에서 0의 축상 속도 및 거의-0의 방사상 속도로 감속시킨다. R에서, 반전된 전자 빔은 목표 분자 빔과 교차하거나 "서로 만난다". 다음으로는, 부착 또는 해리 부착(DA) 프로세스에 의해 R에서 형성된 음이온들이 소자들(V3 및 V4)에 의해 추출된다.
컴퓨터 시뮬레이션의 물리적인 설명은 개별적인 주기에 걸쳐 지속적으로-방출되는 전자 전류를 집중시키고 반전시키는 결합된 렌즈 시스템의 설명이다. 광학 시스템의 설계는, 시스템으로 주입되고 있는 연속적인 전자들의 포함으로 고품질의 반전들이 여전히 영향을 받는다는 것을 보장한다.
실시예
흔적량의 폭발 물질을 포함하고 있는 것으로 의심되는 침전물이 다양한 기술들을 사용해 추출되었다. 일 기술에서는 SPE(solid-phase extraction)가 사용되었고, 다른 기술에서는 SOSE(salting-out solvent extraction)가 사용되었으며, 또 다른 기술에서는 멤브레인 SPE가 사용되었다. 본 조사를 위해서는, 수용액으로부터의 폭발물들의 추출이 SPME에 의해 수행되었다. SPME는 성공적으로, 가스 크로마토그래피 및 고성능의 유동성 크로마토그래피와 같은, 다양한 센서 기술들로 통합되어 왔다. PS-DVB(poly (dimethylsiloxane) divinylbenzene) 파이버가 사용되었고 TNT 추출을 위해 상업적으로 입수 가능한 파이버들 중에서 최고의 상대적 효율성을 갖는 것으로 밝혀졌다.
SPME 파이버로부터의 폭발물들의 열적 탈착이 높은 온도에서 수행되어야 하는데, 분석물의 끓는점보다 약간 높은 것이 바람직하다. 도 5에는 파이버 탈착의 시간 전개가 표시되어 있다. TNT의 질량 음이온 피크 m/e=167가 모니터링된다. 이러한 오븐 온도(약 190℃)에서, 탈착 프로세스는 1 내지 2분이 걸린다. 블랭크 추출의 결과들 또한 도 5에 표시되어 있다. 블랭크 시료를 주입한 후의 느린 배경 레벨 상승은 READ 챔버 압력이 8 x 10-6에서 1.4 x 10-5 Torr로 증가했기 때문이다. 통상적으로, 침전물 시료의 SPME 추출은 공지 TNT 농도의 스파이크된 시료(spiked sample) 및 다음의 해수 블랭크의 SPME 추출들로 순차적으로 분석된다.
1-2분 동안, 폭발물은 파이버로부터 탈착되었고 QMS가 붕괴 패턴의 다양한 질량 피크들로 튜닝되어, 특징적인 해리 부착 지문을 매핑할 수 있었다. 도 6은 물속의 TNT 농도에 대한 시스템의 감도 곡선을 도시한다(m/e=167u가 모니터링됨). 음영 영역은, 지시된 신호들에 대응되는 TNT 농도를 판정함에 있어서의 감도 및 그것의 오류를 표현한다. m/e=227 및 197u의 이온들이 검출되었다면, 그것은, SPME 추출에 TNT가 존재한다는 것을 지시할 것이다. 이러한 이온들은 없지만, m/e=182, 167, 및 151u의 이온들이 검출되었다면, DNT의 이성질체가 존재한다.
표 1은 본 발명의 방법 및 장치를 사용하는 공기 중의 흔적 화학종들의 검출에 대한 감도를 나타낸다.
공기 중의 목표 분자 검출을 위한 전류 값들 조건들: 클록 속도 = 8 kHz 전자 전류 = 600 ㎂ 단일 제트 분리기 운용
흔적 화합물 기상 농도 (760 torr의 공기압으로부터) 측정된 신호 (횟수/초)
황 1 pptr 1,000
헥사플로라이드탄소 1 pptr >10,000
테트라클로라이드2.4 DNT 184 ppb 46,000
2.4.6 TNT 13 ppb 7,000
PETN 26 pptr 300
RDX 8 pptr 100
본 발명은 종래의 재료들, 방법, 및 장치를 이용하는 것에 의해 실시될 수도 있다. 따라서, 이러한 재료들, 장치, 및 방법에 대한 세부 사항들을 여기에서 상세하게 기술하지는 않는다. 이전 설명들에서는, 본 발명에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해, 구체적인 재료들, 구조들, 화학 약품들, 프로세스들 등과 같은, 다수의 구체적인 세부 사항들이 기술되었다. 그러나, 구체적으로 기술된 세부 사항들에 의존하지 않으면서 본 발명이 실시될 수도 있다는 것을 알아야 한다. 다른 경우들로서, 본 발명을 지나치게 불명료화하지 않기 위해, 널리 공지되어 있는 프로세싱 구조들은 자세하게 설명하지 않았다. 본 개시에서는 본 발명의 실시예들과 그것의 융통성에 대한 몇가지 예들만을 나타내고 설명하였다. 본 발명이 다양한 다른 조합들 및 환경들에서 사용될 수 있으며 여기에 표현된 발명 개념의 범위내에서 변경 또는 수정될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명을 그에 관한 특정 실시예들과 관련하여 설명하였지만, 본 발명이 추가적으로 변경될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 출원은, 일반적으로, 본 발명의 원리들을 따르고 본 발명이 속하는 업계에 공지되어 있는 통상적인 관행에 해당되는, 본 개시로부터 이와 같이 벗어난 것을 비롯하여, 본 발명에 대한 임의의 변경들, 사용들, 또는 적응들을 커버하기 위한 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구항들에 대한 범위 내에 해당된다.

Claims (30)

  1. 반전 영역에서 음이온을 생성하기 위한 방법으로서,
    a) 전자를 구비하는 전자 빔을 생성하기 위한 구형의 오목면을 구비하는 전자 방출기를 마련하는 단계;
    b) 1) 방출된 전자를 소정 축을 따라 상기 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기와, 2) 상기 전자의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 구비하는 렌즈 스택을 마련하는 단계;
    c) 상기 렌즈 스택의 기하학적 형태를 판정하는 단계;
    d) 상기 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써, 상기 전자 빔을 구비하는 전자에 대한 필드 및 경로를 판정하는 단계로서, 상기 정전 미러에서의 상기 전자의 경로는 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 단계;
    e) 상기 반전 영역에서 상기 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수를 판정하는 단계;
    f) 상기 d) 단계에서 얻은 결과를 상기 e) 단계에서 얻은 결과와 비교하는 단계로서, 상기 렌즈 스택은 상기 반전 영역에서 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 5회 이상의 반사를 제공하도록 변경되는 것인 단계; 및
    g) 상기 반전 영역을 목표 분자를 구비하는 목표 분자 가스 빔과 교차시키는 단계로서, 전자가 상기 목표 분자에 부착되어 음이온이 형성되는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 액상, 공기, 또는 기상 시료에 존재하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시료는 SPE(solid phase extraction), SOSE(salting-out solvent extraction), 또는 멤브레인 SPE에 의해 추출되는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 시료는 도입되기 전에 제트 분리기에서 초음속 팽창에 의해 추가적으로 프로세싱되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 폭발물인 것인 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폭발물은 RDX, TNT, PETN, 또는 EGDN, 또는 이들의 임의의 조합물이나 유도체인 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 신경제인 것인 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 신경제는 GA(Tabun), GB(Sarin), GD(Soman), GF, VX(V-agent) (phosphonothioic acid, methyl-, S-(2bis(l-methylethylamino)ethyl) 0-ethyl ester), 또는 피리도스티그민(pyridostigmine), 또는 이들의 임의의 조합물이나 유도체인 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 폐 마취제인 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 폐 마취제는 CG(phosgene), DP(diphosgene), 염소, 또는 PS(chloropicrin), 또는 이들의 임의의 조합물이나 유도체인 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 수포제인 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수포제는 H/HD(sulfur mustard), HN(nitrogen mustard), 비소제(lewisite (L)), 또는 CX(phosgene oxime), 또는 이들의 임의의 조합물이나 유도체인 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 목표 분자는 약물인 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 약물은 헤로인 또는 코카인인 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 반전 영역은 전자들의 복수 개의 반전 평면을 포함하는 것인 방법.
  16. 반전 영역에서 낮은 에너지의 전자를 생성하기 위한 방법으로서,
    a) 전자를 구비하는 전자 빔을 생성하기 위한 구형의 오목면을 구비하는 전자 방출기를 마련하는 단계;
    b) 1) 방출된 전자를 소정의 축을 따라 상기 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기와, 2) 상기 전자의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 구비하는 렌즈 스택을 마련하는 단계;
    c) 상기 렌즈 스택의 기하학적 형태를 판정하는 단계;
    d) 상기 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써, 상기 전자 빔을 구비하는 전자에 대한 필드 및 경로를 판정하는 단계로서, 상기 정전 미러에서의 상기 전자의 경로는 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 단계;
    e) 상기 반전 영역에서 상기 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수를 판정하는 단계; 및
    f) 상기 d) 단계에서 얻은 결과를 상기 e) 단계에서 얻은 결과와 비교하는 단계로서, 상기 렌즈 스택의 기하학적 형태는 상기 반전 영역에서 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 5회 이상의 반사를 제공하도록 변경되는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 반전 영역에서 낮은 에너지의 전자를 생성하기 위한 장치로서,
    a) 전자를 구비하는 전자 빔을 생성하기 위한 구형의 오목면을 구비하는 전자 방출기;
    b) 1) 방출된 전자를 소정의 축을 따라 상기 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기와, 2) 상기 전자의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 구비하는 렌즈 스택;
    c) 상기 반전 영역에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석함으로써, 상기 전자에 대한 필드 및 경로를 판정하는 수단으로서, 상기 반전 영역에서의 전자의 경로는 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 수단;
    d) 상기 반전 영역에서 전자 반전의 개수를 판정하는 수단; 및
    e) 상기 c)에서 얻은 결과를 상기 d)에서 얻은 결과와 비교하는 수단으로서, 상기 렌즈 스택의 기하학적 형태는 상기 전자 방출기의 기하학적 형태에 매칭됨으로써, 상기 반전 영역에서 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 5회 이상의 반사를 제공하는 것인 수단
    을 구비하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반전 영역과 이온 연통하는 이온 추출 컴포넌트를 더 구비하는 것인 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 추출 컴포넌트와 이온 연통하는 질량 분석기를 더 구비하는 장치.
  20. 목표 분자의 존재를 검출하기 위한 화학 센싱 장치로서,
    a) 주입 포트에 인접한 하나 이상의 제1벽, 상기 주입 포트 기부의 제2벽, 및 상기 주입 포트 말단의 제3벽을 갖는 기상 제트 분리기;
    b) 상기 제트 분리기와 기체 연통하는 전자-이온 광학 챔버로서,
    1) 구형의 오목면을 구비하는 전자 방출기; 및
    2) 렌즈 스택으로서,
    ⅰ) 방출된 전자를 소정 축을 따라 반전 영역에 정전기적으로 집중시키기 위한 전자 추출기; 및
    ⅱ) 상기 전자의 운동 에너지를 상쇄하기 위한 정전 미러를 구비하는 렌즈 스택을 구비하는 것인 전자-이온 광학 챔버;
    c) 상기 정전 미러에서의 전자의 축상 및 방사상 운동 에너지를 분석적으로 판정함으로써, 상기 전자 빔을 구비하는 상기 전자에 대한 필드 및 경로를 판정하는 수단으로서, 상기 정전 미러에서의 상기 전자의 경로는 구형 전기장 구성에서 계산되는 것인 수단;
    d) 상기 반전 영역에서 상기 전자 빔에 의해 이루어진 반사 개수를 판정하기 위한 수단;
    e) 상기 c)에서 얻은 결과를 상기 d)에서 얻은 결과와 비교하는 수단으로서, 상기 렌즈 스택은 상기 반전 영역에서 2 meV 이하의 전자 운동 에너지 및 5회 이상의 반사를 제공하도록 변경되는 것인 수단;
    f) 상기 반전 영역과 이온 연통하는 이온 추출 컴포넌트; 및
    g) 상기 추출 컴포넌트와 이온 연통하는 질량 분석기
    를 구비하고, 상기 전자는 검출 가능한 음이온을 생성하는 상기 목표 분자에 부착되는 것인 화학 센싱 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제트 분리기는 스테인리스강으로 이루어지는 것인 화학 센싱 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제트 분리기는 가열 소자를 더 구비하는 것인 화학 센싱 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 가열 소자는 상기 제트 분리기를 140℃로 유지하는 것인 화학 센싱 장치.
  24. 제20항에 있어서, 상기 질량 분석기는 4극자 질량 분석기인 화학 센싱 장치.
  25. 제20항에 있어서, 상기 광학 챔버, 이온 추출 컴포넌트, 및 질량 분석기는 진공 챔버 내에 수용되는 것인 화학 센싱 장치.
  26. 정전 분석기의 내부 표면상에 비도전성 물질의 증착을 억제하기 위한 디바이스로서,
    상기 정전 분석기와 본질적으로 관련된 간극을 덮는 비고형 물질을 구비하고,
    상기 간극은 상기 전자 방출기의 LOS(line-of-sight)에 위치하며,
    상기 디바이스는 정전 필드의 무결성을 실질적으로 유지하여 상기 정전 분석기를 통한 음이온의 흐름을 허용하는 것인 디바이스.
  27. 제26항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 정전 분석기의 내부 표면에 분리 가능하게 접속될 수 있는 것인 디바이스.
  28. 제26항에 있어서, 상기 정전 분석기는 반구형 정전 분석기인 것인 디바이스.
  29. 제26항에 있어서, 상기 비고형 물질은 상기 정전 분석기 외벽의 표면적을 약 10 내지 90% 만큼 감소시키는 복수 개의 개구를 구비하는 것인 디바이스.
  30. 정전 분석기의 내부 표면상에 비도전성 물질의 증착을 억제하기 위한 방법으로서,
    상기 정전 분석기와 본질적으로 관련된 간극을 덮는 비고형 물질을 양이온 및 음이온과 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 간극은 상기 전자 방출기의 LOS(line-of-sight)에 위치하며,
    상기 물질은 정전 필드의 무결성을 실질적으로 유지하여 상기 정전 분석기를 통한 음이온의 흐름을 허용하는 것인 방법.
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