KR20090104034A - 검출 장치 및 예비-농축기 - Google Patents

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Abstract

IMS 검출 장치는, 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질에 대하여 흡착성을 갖는, 폴리디메틸실록산과 같은, 재료로된 코팅물(42, 242)을 갖는 핀-홀 또는 모세관 유입구(4, 104, 204)를 갖는다. 상기 분석 대상 물질은 상기 재료(42, 242)에 흡착되며; 이러한 흡착은, 히터(43)에 전류가 공급되어 상기 재료를 가열하고 흡착된 분석 대상 물질을 검출을 위해 탈착시킬 때까지, 계속된다.
IMS, 검출 장치, 코팅물, 흡착, 핀-홀, 모세관

Description

검출 장치 및 예비-농축기 {Detector Apparatus and Pre-concentrators}
본 발명은, 분석 대상 물질이 검출 장치의 내부로 유입되도록 하는 핀-홀 또는 모세관 통로의 형태를 취하는 유입구를 갖는 종류의 검출 장치 및 예비-농축기에 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. 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. 증가 된 레벨의 분석 대상 물질을 갖는 샘플 덩어리를 생성하기 위해 상기 유입구에서 예비-농축기를 사용하는 방안이 공지되어 있다. 예비-농축기는 흡착성 재료를 포함하며; 이 흡착성 재료에는, 예비-농축기에 공급되는 가스 내의 분석 대상 물질이 흡착 위상 중 들러 붙는다. 그 후, 상기 예비-농축기는 가열되어, 상기 분석 대상 물질이 증가된 농도의 분석 대상 물질을 갖는 가스의 덩어리로서 탈착되도록(desorbed) 한다. 다른 형태의 검출 장치들도 예비-농축기를 사용한다.
본 발명의 목적은 대안적인 검출 장치 및 예비-농축기를 제공함에 있다.
본 발명의 일 견지에 따라, 상기한 종류의 검출 장치가 제공되고; 이 검출 장치는, 분석 대상 물질이 유동하는 핀-홀 또는 모세관 통로의 표면이 적어도 부분적으로 흡착성 재료로 형성되고, 상기 검출 장치가 상기 흡착성 재료로 하여금 필요시 흡착된 물질을 탈착시키도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 흡착성 재료는 상기 핀-홀 또는 모세관 통로의 표면 상의 코팅물일 수 있다. 상기 흡착성 재료는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있다. 상기 장치는, 바람직하게는, 상기 흡착성 재료로 하여금 흡착된 물질을 탈착시키도록 하는 히터를 포함한다. 상기 장치는 IMS 장치일 수 있고, 상기 핀-홀 또는 모세관 통로는 유입된 분석 대상 물질 분자들을 이온화하도록 배열되는 반응 영역으로 개방되며, 상기 반응 영역은 이온화된 분자들을 검출을 위해 표류 영역으로 공급하도록 배열된다. 상기 장치는 다수의 유입구들을 포함할 수 있고, 각 유입구는 적어도 부분적으로 흡착성 재료로 형성되는 표면을 갖는 핀-홀 또는 모세관 통로를 갖는다.
본 발명의 다른 일 견지에 따라, 분석 대상 물질을 흡착하고 필요시 흡착된 분석 대상 물질을 탈착시키도록 배열되는, 검출 장치용, 예비-농축기가 제공되며; 이 예비-농축기는, 핀-홀 또는 모세관 통로를 제공하는 흡착성 표면을 갖고 상기 검출 장치에 유입구를 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 흡착성 표면은 바람직하게는 폴리디메틸실록산으로 형성된다.
예비-농축기 유입구를 포함하는 IMS 검출 장치를 첨부한 도면을 참조하여 일 예로서 이하에 설명하기로 한다.
도 1은 IMS 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 IMS 장치의 변형 예를 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.
하우징(1)의 좌측 단부에 마련되는 유입구(4)는 상기 반응 영역(3)의 내부로 개방되어, 관심의 대상이 되는 분자들이 외부로부터 반응 영역(3) 내부로 통과할 수 있도록 한다. 상기 유입구(4)는 차후에 상세히 설명될 것이다.
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 측면들 상에서 표류 영역(2)의 길이 방향을 따라 서로 격설되는, 일련의 쌍들을 이루 는 전극들(12)을 갖는다. 전압 공급기(13)는 표류 영역(2)의 길이 방향을 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 길이 방향을 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.
가스 유동 시스템(20)은 이온들의 유동에 거슬러 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 분자체 필터(22),(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. 유출구 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. 확성기와 유사한 압력 펄서(pressure pulser)(8)가 미국 특허 제 6,073,498 호에 기재된 방식으로 하우징(1)의 내부로 연결되어 유입구(4)를 경유하여 하우 징(1) 내로 분석 대상 물질을 끌어들일 수 있다. 지금까지 설명한 바와 같은 검출 장치의 구조는 통상적인 것이다.
유입구(4)는, 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질을 흡착하는 재료로 된 코팅물(42)을 갖는 축방향 구멍 또는 통로(41)를 구비하는 모세관(40)에 의해 제공된다는 점에서, 통상적인 유입구들과는 다르다. 전형적으로, 상기 구멍(41)의 직경은 약 0.5 mm이며(일정한 척도로 도시되지 않음), 상기 코팅물(42)의 재료는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)일 수 있다. 그러므로, 흡착성 재료(42)는, 모든 샘플 유입 가스가 반응 영역(3)으로 유동하도록 하는, 표면을 형성한다. 그러나, 흡착성 표면이 유입구 내의 튜브 또는 슬리브일 수 있기 때문에, 흡착성 표면이 코팅물에 의해 제공되어야만 하는 것은 아니다. 대안적으로, 상기 유입구는 전체적으로 흡착성 재료로 제조될 수 있다. 상기 유입구(4)는 또한 상기 프로세서 유닛(15)으로 연결되는 히터(43)를 포함하며, 이러한 히터(43)에 의해 상기 흡착성 재료(42)의 온도는 필요시 상승될 수 있다.
작동에 있어서, 상기 검출 장치는 초기에는 흡착 위상으로 작동하고, 이러한 흡착 위상에서는 열이 유입구(4)에 인가되지 않게 되어 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질의 대부분이 상기 재료(42)에 의해 흡착된다. 예정된 시간 후에, 상기 장치는 탈착 위상(desorption phase)을 개시하며, 이러한 탈착 위상에서는 상기 프로세서 유닛(15)이 히터(43)에 전류를 공급하여, 상기 흡착성 재료(42)의 온도를 상승시키고 흡착된 분석 대상 물질이 덩어리 또는 농축된 버스트(burst)로서 반응 영역(3) 내로 구동되도록 한다. 분석 대상 물질의 이러한 순간적인 높은 농도는 많은 개수의 분석 대상 물질 이온들이 생성되도록 하며 증가된 신호 대 잡음 비를 갖는 스펙트럼들을 생성한다.
상기 예비-농축 재료를 유입구 자체 내에 배치함으로써, 유입 가스와 흡착성 재료의 밀착 접촉이 보장된다. 이는 효율적인 흡착을 가능하게 한다. 또한, 흡착성 재료의 부피가 최소화되도록 하여, 신속한 열 사이클링 및 감소된 에너지 소비가 가능하게 되는데, 이러한 사항은 배터리-작동식 장치들에 있어서 중요할 수 있다.
만약 단일 유입구가 검출 장치 내로의 분석 대상 물질의 충분한 유동을 허용하지 못한다면, 도 2에 도시한 방식으로 하나 보다 많은 유입구를 갖는 것이 가능하다. 이러한 배열에 있어서, 두 개의 유입구(104),(204)가 나란하게 장착되어 반응 영역으로의 병렬적인 도입 경로들을 형성한다. 다른 사항들에 관해서는, 도 2에 도시한 장치는 도 1에 도시한 장치와 동일하다.
본 발명은 IMS 장치에 있어서 특히 유용하지만 다른 형태를 갖는 검출 장치에도 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 분석 대상 물질이 검출 장치(1)의 내부로 유입되도록 하는 핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)의 형태를 취하는 유입구(4, 104, 204)를 갖는 검출 장치에 있어서,
    분석 대상 물질이 유동하는 상기 핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)의 표면이 적어도 부분적으로 흡착성 재료(42, 242)로 형성되고, 상기 검출 장치는 상기 흡착성 재료(42, 242)로 하여금 필요시 흡착된 물질을 탈착시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착성 재료는 상기 핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)의 표면 상의 코팅물(42, 242)인 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 흡착성 재료(42, 242)는 폴리디메틸실록산을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 흡착성 재료(42, 242)로 하여금 흡착된 물질을 탈착시키도록 하는 히터(43)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 IMS 장치이며, 상기 핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)는 유입된 분석 대상 물질 분자들을 이온화하도록 배열되는 반응 영역(3)으로 개방되고, 상기 반응 영역(3)은 이온화된 분자들을 검출을 위해 표류 영역(2)으로 공급하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 다수의 유입구들(104, 204)을 포함하며, 각 유입구는 적어도 부분적으로 흡착성 재료(42, 242)로 형성되는 표면을 갖는 핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)를 갖는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  7. 분석 대상 물질을 흡착하고 필요시 흡착된 분석 대상 물질을 탈착시키도록 배열되는, 검출 장치용, 예비-농축기에 있어서,
    핀-홀 또는 모세관 통로(41, 241)를 제공하는 흡착성 표면(42, 242)을 갖고 상기 검출 장치(1)에 유입구(4, 104, 204)를 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 예비-농축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡착성 표면이 폴리디메틸실록산으로 형성되는 것을 특징으로 하는 예비-농축기.
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