KR20130070739A - 스캐너 광원을 이용한 질량분석 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스캐너 광원을 이용한 질량분석 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스캐너 광원에 의해 이온화된 시료의 질량을 분석하는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 질량 분석 장치는 레이저를 발사하는 레이저부, 상기 레이저부에서 발사되는 레이저를 설정된 영역으로 조사되도록 구동하는 스캐너 모듈, 샘플이 안착되며, 상기 스캐너 모듈로부터 레이저를 수신하는 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더로 전압을 공급하는 제2 고전압 파워소스, 상기 샘플 홀더와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 샘플 홀더에 안착된 이온화된 샘플을 가속하도록 전압을 형성하고 있는 제1 이온광학계, 상기 제1 이온광학계로 전압을 공급하는 제1 고전압 파워소스를 포함한다.

Description

스캐너 광원을 이용한 질량분석 방법 및 장치{Method and Apparatus for mass spectrometry}

본 발명은 스캐너 광원을 이용한 질량분석 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스캐너 광원에 의해 이온화된 시료의 질량을 분석하는 방안에 관한 것이다.

일반적으로 질량분석기는 화합물의 질량을 측정하는 분석기기로서, 분석대상 화합물을 하전시켜 이온화한 후 질량 대 전하량(mass-to-charge; m/z)을 측정하여 화합물의 분자량을 결정하도록 설계되어 있다. 화합물의 이온화 방법으로서는 전자빔을 이용하는 전자이온화법, 고속의 원자를 충돌시키는 방법, 레이저를 이용하는 방법 및 시료를 전기장 속에 스프레이 하는 방법 등이 알려져 있다.

한편, 단백질과 핵산 등의 거대 분자량을 갖는 생화학 물질의 질량분석을 위한 방법으로는 레이저를 이용하는 말디-톱 질량분석법(MALDI-TOF MS: Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization Time of Flight Mass Spectroscopy; 이하 말디라 약칭함)이 있으며, 이를 이용한 질량분석기가 근래에 개발되어 널리 상품화되어 이용되고 있다. 말디를 이용한 질량분석법은 다음과 같이 수행된다. 소량의 매트릭스 용액을 금속 플레이트에 가해 건조시키고, 분석대상 시료 용액을 떨어뜨려 건조시킨다. 이후 매트릭스와 결정화된 시료가 위치한 곳에 레이저를 조사하면 매트릭스의 도움으로 시료가 탈착/이온화된다. 보통 이 시료가 위치한 금속 플레이트와 질량을 분석하는 센서 사이에 전기장을 걸게 되어 있어, 이온화된 시료가 전기장의 전위차에 의해 센서 방향으로 이동하게 된다. 이때, 시료의 전하량을 알 경우 센서에 도착하는 시간 등을 변수로 시료의 질량을 분석할 수 있는 것이다.

질량 분석 장치는 측정 또는 분석할 시료를 이온화시켜 그것을 가속화시키는 부분인 이온원(ion源)부분과 그 이온을 질량에 따라 분리하여 분석하는 분석부분과 분리된 이온을 검출 측정하는 검출부분의 세 부분으로 되어 있다.

이온원부분에서 시료를 이온화시킬 때는 저압기체 방전, 전자충격 표면이온화, 고주파불꽃 방법 등이 쓰이며 분석부분에서는 전기장ㅇ자기장이 쓰이게 된다. 검출부분에서는 결상면(結像面) 위에 사진건판을 놓고 스펙트럼을 촬영하는 경우도 있으며, 결상되는 점에 마이크로 전류계를 써서 직접 이온전류를 받아 증폭 측정하는 경우도 있다.

검출부분에 사진건판을 사용한 장치를 질량분석 사진기라 하며, 마이크로 전류계를 쓴 장치를 질량분석계라 한다. 분석장치에 쓰이는 전기장은 주로 이온의 에너지에 따라 분산하게 하며 자기장은 운동량에 따라 분산시키도록 되어 있다.

미국공개특허 제2008-0290271호는 인덱스 이온을 샘플에 삽입하여 인덱스 이온의 시그널을 확인하는 과정을 통해 노이즈를 제거하는 질량분석 방법을 개시하고 있으며, 미국등록특허 제7180058호는 투명한 샘플 플레이트를 적용하여 사이드에서 레이저를 조사하는 것이 아니라 직하부에서 레이저를 조사함으로써 레이저 빔 사이즈 조절이 용이한 질량분석 장치를 개시하고 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 고속 및 저가의 질량분석 시스템을 구현하는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 스테이지의 구동없이 샘플의 이온화 영역과 다중 조사 영역을 동시에 구현할 수 있는 방안을 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 질량 분석 장치는 레이저를 발사하는 레이저부, 상기 레이저부에서 발사되는 레이저를 설정된 영역으로 조사되도록 구동하는 스캐너 모듈, 샘플이 안착되며, 상기 스캐너 모듈로부터 레이저를 수신하는 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더로 전압을 공급하는 제2 고전압 파워소스, 상기 샘플 홀더와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 샘플 홀더에 안착된 이온화된 샘플을 가속하도록 전압을 형성하고 있는 제1 이온광학계, 상기 제1 이온광학계로 전압을 공급하는 제1 고전압 파워소스를 포함한다.

이를 위해 본 발명의 질량 분석 장치는 레이저를 발사하는 레이저부, 상기 레이저부에서 발사되는 레이저를 설정된 영역으로 조사되도록 구동하는 스캐너 모듈, 샘플이 안착되며, 상기 스캐너 모듈로부터 레이저를 수신하는 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더로 전압을 공급하는 제2 고전압 파워소스, 상기 샘플 홀더와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 샘플 홀더에 안착된 이온화된 샘플을 가속하도록 전압을 형성하고 있는 제1 이온광학계, 상기 제1 이온광학계로 전압을 공급하는 제1 고전압 파워소스, 상기 제1 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 속도를 가속시키며, 접지와 연결되어 있는 제2 이온광학계, 상기 제2 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 검출하는 이온 검출부를 포함한다.

본 발명에 따른 질량 분석 시스템은 고가의 전동 스테이지를 대신 스캐너 모듈을 이용하여 샘플의 이온화 영역과 다중 조사 영역을 동시에 구현할 수 있다는 효과가 있다. 또한 고가의 전동 스테이지를 사용한 스캔 영역 조절 기능을 제거하고 어레이 샘플간 이송은 수동 조작함으로써 저가/보급형 수동 질량분석기 시스템 제작이 가능하다.

부가하여 기존 질량 분석 시스템에 적용할 경우, 샘플 영역 조사는 스캐너 모듈을 이용하며, 어레이 샘플 사이의 이동은 기존 시스템 대비 저사양을 전동 스테이지를 이용하여 자동 이송함으로써 저비용으로 자동 측정과 고속 측정을 효과적으로 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 질량분석 장치를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 레이저의 주파수, 스캐너의 수직/수평 주파수를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 질량분석 장치를 도시하고 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 질량분석 장치를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 질량분석 장치에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 1에 의하면, 질량분석 장치는 레이저부, 스캐너 모듈, 샘플 홀더, 스테이지, 제1 고전압 파워소스, 제2 고전압 파워소스, 제1 이온광학계, 제2 이온광학계, 이온 검출부, 비전모듈을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 질량분석 장치에 포함될 수 있다.

레이저부(102)에서 레이저가 발사되지 않고 비활성되어 있는 동안에는 샘플 홀더(106)와 제1 이온광학계(110)는 동일한 전압이 공급된다. 즉, 샘플 홀더(106)는 제2 고전압 파워소스로(120)부터 전압이 공급되며, 제1 이온광학계(110)는 제1 고전압 파워소스(118)로부터 전압이 공급된다. 따라서 제1 고전압 파워소스(118)와 제2 고전압 파워소스(120)에서 출력되는 전압이 동일하면, 샘플 홀더(106)와 제1 이온광학계(110)에 공급되는 전압 역시 동일하다.

하지만 일정 시간 경과 후 제1 고전압 파워소스(118)와 제2 고전압 파워소스(120)에서 공급되는 전압을 상이하게 설정한다. 제1 고전압 파워소스(118)와 제2 고전압 파워소스(120)에서 출력되는 전압의 차이는 샘플 홀더(106)에 안착되어 있는 시료에 따라 달라진다. 즉, 샘플 홀더(106)에 안착되어 있는 시료는 레이저에 의해 이온화되며, 이온화된 시료의 극성이 - 또는 +에 따라 제1 고전압 파워소스(118) 및 제2 고전압 파워소스(120)에서 출력되는 전압이 상이하다. 부가하여 설명하면 이온화된 시료의 극성이 -이면, 제1 고전압 파워소스(118)에서 출력되는 전압이 제2 고전압 파워소스(120)에서 출력되는 전압보다 높게 설정한다. 또한 이온화된 시료의 극성이 +이면, 제2 고전압 파워소스(120)에서 출력되는 전압이 제1 고전압 파워소스(118)에서 출력되는 전압보다 높게 설정한다.

레이저부(102)에서 발사된 레이저는 스캐너 모듈(104)을 경유하여 샘플 홀더에 안착되어 있는 시료에 조사된다. 레이저에 의해 시료는 - 또는 + 이온화된다.

이온화된 시료는 상술한 바와 같이 제1 이온광학계(110)와 샘플 홀더(106)의 전압차에 의해 제1 이온광학계(110) 방향으로 가속이동하고, 접지되어 있는 제2 이온광학계(112)에 의해 추가 가속이동하게 된다.

가속된 이온화된 시료는 질량에 따라 이온 검출부(114)에서 상이한 시간에서 검출된다. 즉, 질량이 가벼운 이온화된 시료는 질량이 무거운 이온화된 시료에 비해 상대적으로 빠른 시간 내에 이온 검출부에서 검출된다. 이온 검출부(114)는 이온의 검출 시간에 따라 해당 이온의 질량을 확인하게 된다. 부가하여 설명하면, 이온화된 시료는 질량에 따라 상이한 가속도로 이온 검출부(114) 방향으로 가속된다.

이때 스캐너 모듈(104)의 주파수는 레이저부(102)에서 발사되는 레이저의 주파수와 다르게 설정한다. 일예로 레이저의 주파수는 스캐너 수평주파수나 스캐너의 수직주파수보다 높게 설정하며, 부가하여 스캐너의 수평주파수는 스캐너의 수직주파수보나 높게 설정한다. 또한, 스캐너 모듈(104)의 회전각을 조정함으로써 샘플 홀더의 스캔영역(Lh x Lv)을 조절하게 된다.

스캐너 모듈(104)을 통과하는 레이저의 스팟 사이즈, 레이저의 주파수, 스캐너의 수평주파수, 스캐너의 수직주파수 및 스캐너 회전각을 조절함으로써 본 발명의 질량 분석 장치는 최적화된 레이저 스캔 패턴을 생성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 레이저의 주파수, 스캐너의 수직/수평 주파수를 도시하고 있다. 도 2에 의하면, 레이저의 주파수는 스캐너의 수평주파수나 스캐너의 수직주파수보다 높게 설정하며, 부가하여 스캐너의 수평주파수는 스캐너의 수직주파수보나 높게 설정되어 있음을 알 수 있다.

물론 상술한 바와 레이저의 주파수를 스캐너의 수평 주파수나 수직 주파수보다 높게 설정하는 것 이외에 레이저의 주파수를 스캐너의 수평 주파수나 수직 주파수보나 낮게 설정할 수 있다. 즉, 레이저가 발사되는 시간(지연 시간)을 조절함으로써 상술한 바와 동일한 효과를 갖도록 할 수 있다.

도 2의 오른쪽 그림은 레이저를 스캐너 모듈을 적용하여 스캔하고, 샘플에 조사되는 빔의 패턴을 빔프로파일러라는 장비를 이용하여 측정한 결과를 도시하고 있다. 참고로 스캔 영역의 크기는 1.6ㅧ1.3㎜를 갖도록 설정되어 있다.

레이저의 조사 영역은 도 1에 도시되어 있는 비젼 모듈을 통해 확인할 수 있다. 비젼 모듈은 레이저의 초기 조사 영역을 확인하는 기능도 포함하고 있다. 즉, 비젼 모듈은 레이저의 초기 조사 위치 및 시료의 질량의 분석 과정 중 레이저의 조사 위치를 확인한다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 질량 분석 장치의 다른 예를 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 질량 분석 장치에 대해 알아보기로 한다.

도 3에 의하면, 질량분석 장치는 레이저부, 스캐너 모듈, 샘플 홀더, 스테이지, 제1 고전압 파워소스, 제2 고전압 파워소스, 제1 이온광학계, 제2 이온광학계, 이온 검출부, 비전모듈을 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 질량분석 장치에 포함될 수 있다.

도 3은 도 1과 달리 스캐너 모듈이 고전압 제어 박스 내부에 형성되어 있다. 이와 같이 스캐너 모듈을 고전압 제어 박스 내부에 형성함으로써 질량분석 장치의 소형화가 가능하다. 즉, 스캐너 모듈을 소형화하여 본 발명에서 제안하는 질량분석 장치에 형성한다. 가장 최적화된 소형 스캐너 모듈의 경우 MEMS 2축 스캐너 모듈을 적용하여 구성될 수 있으며 그 외에도 갈바노미러와 같은 전통적인 스캐너를 적용하여 구성이 될 수도 있다. 소형 모듈로 구성된 스캐너 모듈은 도 3과 같이 질량 분석기 내에 위치하도록 제작이 될 수 있으며,

이 경우 레이저의 스팟 크기와 스캔 조절 영역을 최적화함에 있어 더욱 장점을 갖도록 레이저 광학계가 생성될 수 있는 장점을 갖도록 구성할 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

102: 레이저부 104: 스캐너 모듈
106: 샘플 홀더 110: 제1 이온 광학계
112: 제2 이온 광학계 114: 이온 검출부
116: 비젼 모듈 118: 제1 고전압 파워 소스
120: 제2 고전압 파워 소스

Claims (8)

1. 레이저를 발사하는 레이저부;
   상기 레이저부에서 발사되는 레이저를 설정된 영역으로 조사되도록 구동하는 스캐너 모듈;
   샘플이 안착되며, 상기 스캐너 모듈로부터 레이저를 수신하는 샘플 홀더;
   상기 샘플 홀더로 전압을 공급하는 제2 고전압 파워소스;
   상기 샘플 홀더와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 샘플 홀더에 안착된 이온화된 샘플을 가속하도록 전압을 형성하고 있는 제1 이온광학계;
   상기 제1 이온광학계로 전압을 공급하는 제1 고전압 파워소스;를 포함함을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 고전압 파워소스에서 출력되는 전압과 상기 제2 고전압 파워소스에서 출력되는 전압의 상대적인 차이는 이온화된 상기 샘플의 극성에 따라 달라짐을 특징으로 질량 분석 장치
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 샘플 홀더에 안착되어 있는 샘플의 조사 영역에 따라 상기 스캐너 모듈의 회전 각도를 조절함을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 속도를 가속시키며, 접지와 연결되어 있는 제2 이온광학계;
   상기 제2 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 검출하는 이온 검출부;를 포함함을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 샘플 홀더에 조사되는 레이저의 조사 영역을 확인하는 비전 모듈을 포함함을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 레이저 발사부에서 발사되는 레이저의 주파수는 상기 스캐너 모듈의 주파수보다 상대적으로 높음을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
7. 레이저를 발사하는 레이저부;
   상기 레이저부에서 발사되는 레이저를 설정된 영역으로 조사되도록 구동하는 스캐너 모듈;
   샘플이 안착되며, 상기 스캐너 모듈로부터 레이저를 수신하는 샘플 홀더;
   상기 샘플 홀더로 전압을 공급하는 제2 고전압 파워소스;
   상기 샘플 홀더와 일정 거리 이격되어 형성되며, 상기 샘플 홀더에 안착된 이온화된 샘플을 가속하도록 전압을 형성하고 있는 제1 이온광학계;
   상기 제1 이온광학계로 전압을 공급하는 제1 고전압 파워소스;
   상기 제1 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 속도를 가속시키며, 접지와 연결되어 있는 제2 이온광학계;
   상기 제2 이온광학계 상단에 형성되어 있으며, 이온화된 상기 샘플의 검출하는 이온 검출부;를 포함함을 특징으로 하는 질량 분석 장치.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 스캐너 모듈은 수평 주파수와 수직 주파수를 가지며, 상기 레이저 발사부에서 발사되는 레이저의 주파수는 상기 스캐너 모듈의 수직 주파수 또는 수평 주파수보다 상대적으로 높음을 특징으로 하는 질량 분석 장치.

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