KR20130135302A - 결합 이온 게이트 및 변형기 - Google Patents

Abstract

이온화 영역, 두 개의 전극을 포함하는 이온 게이트, 두 개의 전극을 포함하는 이온 변형기, 드리프트 챔버 및 수집기를 포함하는 검출 장치. 상기 이온 게이트 및 이온 변형기는 이온 게이트가 이온 변형기의 전극들 중 하나가 되도록 결합된다.

Description

결합 이온 게이트 및 변형기{combination ion gate and modifier}

본 개시는 시료내의 물질을 검출하기 위한 종류의 검출 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 개시는 이온 이동도 분광광도계(IMS)에 관한 것이나, 오로지 그에 관한 것만은 아니다.

이온 이동도 분광광도계(ion mobility spectrometer)는 일반적으로 대기압에서 증기나 기체에서 화학적 물질의 존재를 검출하기 위해 사용된다. IMS는 코로나 방전 또는 방사능원과 같은, 시료내 화학적 물질을 이온화하기 위한 몇몇의 수단을 갖고 있다. 게이트가 개방되어 드리프트 챔버(drift chamber)의 일 말단내로 분자 이온 클러스터가 유입되고, 상기 챔버를 가로질러 전압이 인가되어 상기 이온 클러스터가 반대쪽 말단으로 유동하여 수집판에 수집된다. 또한, 상기 분자 이온 클러스터는 부착된 도펀트 이온을 포함할 수 있다. 도펀트는 관심있는 이온을 확인하는 것을 돕기 위해 도입된다. 분지 이온 클러스터가 게이트로부터 수집판으로 이동하는데 걸리는 시간은 분자 이온 클러스터의 질량, 크기, 형상 및 전하에 의존한다. 이러한 시간을 측정함으로써 화학적 물질의 성질의 지표가 제공될 수 있다.

많은 경우에 있어서, 관심 물질을 명확하게 확인하는 것은 어려울 수 있는데, 이는 생성된 이온 클러스터의 이동 시간이 상이한 물질들의 이온 클러스터의 이동 시간과 매우 유사할 수 있기 때문이다. 상이한 분자 이온 클러스터들 사이의 식별을 개선하기 위한 여러 가지 장치가 제안되어 왔다. 그 전체가 여기에 참조로 포함되는 미국특허 6797943호에 기재된 한 가지 장치는 레이저 에너지, 열분해기 등을 이용하여 분자 이온을 단편화하는 것을 포함한다. 이온 클러스터는 저장소에 축적되어 이곳에서 드리프트 챔버에 유입되기 전에 이온 단편화 에너지에 노출된다. 이러한 장치의 한 가지 문제점은 모든 분자 이온 클러스터가 단편화(fragmentation)되어, 스펙트럼 상에 다수의 피크를 생성하여, 분석을 어렵게 만들 수 있다는 것이다. 단편화가 유용할 수 있지만, 단편화는 IMS에 의해 사용되는 전체 에너지를 증가시킬 수 있다.

도펀트는 확인가능한 스펙트럼 피크가 생성되도록 한 종 이상의 관심 물질과 결합되도록 선택된다. 도핑되지 않은 시료로부터의 스펙트럼과 도핑된 동일 시료로부터의 스펙트럼을 비교하면, 상이한 위치에서의 피크들을 확인할 수 있고, 이러한 비교는 분석 물질 또는 관심있는 물질들의 결정을 돕기 위해 사용될 수 있다. 또한, 도펀트는 간섭 물질과 결합하지 않거나, 결합하여 관심 물질과 상이한 쉽게 구별가능한 출력을 생성하도록 선택될 수 있다.

그 전체가 여기에 참조로 포함되는 WO2006/114580호에서는, 이온을 변형하기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 상기 장치는 단편화와 같은 이온 변형을 유발하기 위하여 고전기장을 인가하기 위한 수단을 포함한다. 상기 전기장은 상기 전기장 내의 상당한 비율의 이온의 변형을 유발하기에 효과적인 약 2 MHz의 고강도 RF 전기장일 수 있다. 상기 전기장의 강도는 적어도 10,000 V/cm일 수 있고 센티미터당 수만 볼트 정도일 수 있다. RF 전기장은 코로나 방전을 방지하기 위하여 연속적으로 또는 1 ㎲ 정도의 간격으로 연속 인가될 수 있다.

이러한 전기장은 충분한 에너지가 이온에 전달될 수 있도록 하여 이온 변형을 유발한다. 변형 또는 단편화된 이온은 변형되지 않은 이온과 다른 이동도로 장치의 수집판에 전달되어, 출력 스펙트럼 상에 상이한 피크들을 생성한다. 따라서, 이러한 변형된 이온들은 일반적으로 유사한 이동도를 갖지 않기 때문에, 상기 장치는 유사한 이동도를 갖는 두 종류의 이온들 사이를 구별하는 것을 가능하게 한다.

이온 변형(ion modification)은 도핑된 계 및 도핑되지 않은 계 모두에서 일어날 수 있다. 도핑된 계에서는 두 가지의 효과가 발생할 수 있다. 이온 변형 과정은 이온 그 자체의 변형을 초래하지 않고 이온으로부터 도펀트 첨가 생성물(dopant adducts)을 제거할 수 있다. 이는 도펀트 첨가 생성물이 변형기(modifier)를 통해 대부분의 경로를 통과한 때 이온으로부터 단독으로 제거되고 변형기에 잔류한 거리는 추가의 이온 변형이 일어나기에는 불충분하기 때문이다. 재결합이 일어나서 이온 변형기의 영역 및 그 이후의 영역에 도펀트가 없는 경우 첨가 생성물이 제거된 이온은 이러한 경로에 잔류할 수 있다. 또한, 변형기 영역에 잔류한 시간 및 이용가능한 에너지가 이온 변형을 수행하는데 충분한 경우 이온 그 자체의 변형이 일어날 수도 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 검출 장치, 이온 변형기 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 개시에 따르면, 이온화 영역, 두 개의 전극을 포함하는 이온 게이트, 두 개의 전극을 포함하는 이온 변형기(ion modifier), 드리프트 챔버(drift chamber) 및 수집기를 포함하는 검출 장치로서, 상기 이온 게이트 및 이온 변형기는 이온 게이트가 이온 변형기의 전극들 중 하나가 되도록 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 검출 장치가 제공된다.

일 실시예에서, 상기 이온 게이트는 고정 전극 및 이동 전극을 포함한다. 이 전극들은 평행한 와이어, 와이어 매시, 또는 평행한 와이어와 와이어 매시의 조합의 세트일 수 있다.

또한, 본 개시는 검출 장치에서 사용하기 위한 결합된 이온 게이트와 이온 변형기로서, 상기 이온 게이트가 검출 장치내로의 이온의 흐름을 조절하기 위하여 전류가 통과되는 두 개의 전극을 포함하고, 상기 이온 변형기가 고주파 파형이 인가되는 두 개의 전극을 포함하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기로서, 상기 이온 게이트가 이온 변형기의 전극들 중 하나를 구성하는 것을 특징으로 하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기로 확장된다.

실시예들에서, 이온 게이트와 이온 변형기의 제2 전극 사이의 거리는 1mm 미만 또는 0.75mm 미만이고, 예를 들어 0.05 내지 0.5mm, 또는 0.1 내지 0.4mm, 또는 0.15 내지 0.3mm의 범위일 수 있다. 상기 이온 게이트에 대한 이온 변형기의 제2 전극의 근접성은 중요할 수 있다.

상기 이온 게이트에 대한 이온 변형기의 제2 전극의 근접성의 결과로서, 이온 변형기의 전극 및 이온 게이트가 서로 거의 동시에, 예를 들어 1ms 내에서 활성화된다.

또한, 본 개시는 시료내에서 물질들을 검출하는 방법으로서, 상기 시료가 검출 장치의 이온화 영역에 공급되고, 상기 시료가 이온화되고, 드리프트 챔버로의 시료의 흐름을 조절하고 시료내의 이온을 단편화하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기를 상기 시료가 통과하고, 상기 시료내의 단편화된 이온이 드리프트 챔버를 따라 수집기로 이동하는 방법으로 확장된다.

상기 기재한 바와 같이, 상기 이온 게이트 및 이온 변형기는 서로 거의 동시에, 예를 들어 1 ms 내에서 활성화될 수 있다.

본 발명에 따르면, 드리프트 챔버로의 유입시에 이온 변형이 발생하여, 장치의 감도를 증가시킨다.

또한, 본 발명은 이온 게이트에 인접하게 이온 변형기를 제공하고 변형기내에 제2 전극으로서 이온 게이트를 제공함으로써 타이밍 문제를 최소화 또는 회피한다.

이하, 장치의 구체예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 검출 장치를 포함하는 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 개시에 따른 검출 장치를 개략적으로 도시한다.

도 1을 참조하면, 검출 장치는 그 내부가 실제적으로 대기압에서 유지되는 기다란 관형 하우징(1)을 포함한다. 그의 좌측단을 향하는 입구(2)는 이온화 영역(3)을 향해 열려있다. 분석하고자 하는 시료 가스 또는 증기는 통상의 방식으로 필터(4)를 통해 입구(2)에 공급된다. 이온화 영역(3)은 시료를 이온화하기 위하여 코로나 방전점(5) 또는 방사능원과 같은 몇몇의 다른 이온화 수단을 포함한다. 이온 게이트(6)는 이온 수집판(8)이 장착되는 하우징(1)의 우측단으로 연장되는 드리프트 챔버(7)로부터 이온화 영역(3)을 분리한다. 상기 드리프트 챔버(7)는 드리프트 챔버(7)의 길이를 따라 서로 이격된 전극들(11 내지 15)의 열을 포함한다.

상기 수집판(8), 전극들(11 내지 15), 게이트(6) 및 방전점(5)은 검출된 물질을 나타내는 디스플레이 또는 다른 이용 유니트(21)에 출력을 제공하는 프로세서 제어 유니트(20)에 전기적으로 연결된다.

드리프트 가스는 하우징(1)의 우측단의 입구(30)에 공급되어 드리프트 챔버(7)를 따라 우측에서 좌측으로, 즉 이온의 흐름과 반대 방향으로 흐를 수 있다. 드리프트 가스는 드리프트 챕버(7)의 좌측단으로부터 출구(31)를 통해 배기된다. 가스는 분자체(33) 및 펌프(34)를 포함하는 가스 시스템(32)을 통해 출구(31)과 입구(30) 사이에서 흐른다. 분자체(33)는 도펀트를 함유할 수 있다.

이온화 영역(3)에서 생성된 이온은 게이트(6)가 개방되는 때 드리프트 챔버(7)의 좌측단으로 유입된다. 상기 이온은 전극들(11 내지 15)에 의해 인가되는 약 250 V cm^-1의 비교적 작은 전기장의 영향하에서 드리프트 챔버를 따라 좌측에서 우측으로 이동한다. 상이한 이동도의 이온들이 드리프트 챔버(7)를 따라 이동함에 따라 서로로부터 분리되어 임의의 시기에 상이한 이온들이 드리프트 챔버의 상이한 영역들에 있게 된다. 따라서, 상이한 이동도의 이온들이 상이한 시기에 수집판(8)에 도달하고 상이한 시기에 처리 유니트(20)에 출력 피크를 생성한다.

단편화와 같은 이온 변형을 유발하는 고전기장이 드리프트 챔버(7)에서 인가될 수 있다. 상기 전기장은 드리프트 챔버의 일차축을 따라 이격된 두 개의 전극들(13A 및 13B)을 포함하는 전극수단(13)에 의해 인가된다. 다른 실시예에서, 상기 두 개의 전극들은 드리프트 챔버(7)의 직경을 가로질러 서로 이격된다. 또 다른 실시예에서, 이온 변형기의 전극들은 드리프트 챔버의 축을 따라 서로 이격된 두 개의 매시 구조를 포함한다.

도 1에서 이 전극들(13A 및 13B)은 드리프트 챔버(7)의 중간 정도에 도시되어 있지만, 이온화 영역에 이웃한 부분과 같은, 챔버를 따른 임의의 지점에 위치할 수 있거나 이온화 영역에 위치할 수 있다. 이 전극들(13A 및 13B)은 처리 유니트(20)에 의해 조절되는 고전압 RF 유니트(40)에 연결된다. 상기 고전압 유니트(40)는 전기장 내의 이온의 적어도 일부분의 이온 변형, 예를 들어 전기장 내의 이온의 상당한 비율의 이온 변형을 유발하기에 효과적인 고강도 RF 전기장을 인가하도록 조작될 수 있다. 상기 RF 전기장은 연속적으로 또는 집중적(burst)으로 인가될 수 있다. 대표적으로, 상기 전기장은 드리프트 튜브의 대향한 면들상에 배열되는 두 세트의 와이어들 사이에 인가된 정현파 전기장이다.

도 2를 참조하면, 도 1과 동일한 부분에 대하여는 동일한 도면부호가 도 2에서 사용된다. 이온 변형기는 제2 전극으로 작용하는 이온 게이트(6)과 함께 작동하도록 구성되는 단일 전극(18)을 포함한다. 상기 전극(18)은 이온 게이트(6)에 가능하면 가깝게 위치할 수 있고, 대전된 이온은 게이트 상의 전위가 적당한 때 게이트를 통해 이동하고 즉시 변형 또는 단편화될 수 있다. 예를 들어, 전극(18)은 전극과 이온 게이트 사이에 아크 발생(arcing)을 초래하지 않고 이온 게이트(6)에 가능하면 가깝게 위치할 수 있다.

일 실시예에서, 이온 변형기의 전극(18)은 이온 게이트의 하류측에 위치한다. 또 다른 실시예에서, 상기 이온 변형기의 전극은 이온 게이트의 상류측에 위치한다.

대표적으로, 이온 게이트(6)는 Bradbury Neilson 셔터에서와 같이 두 세트의 서로 맞물린 평행한 와이어들로 구성된다. 상기 두 세트의 와이어들 상의 전위가 평형을 이루는 경우, 예를 들어 실제적으로 동일한 경우, 이온이 게이트를 통과한다. 이온이 오프셋되는 경우, 이동의 축에 수직인 전기장이 설정된다. 상기 와이어를 때리는 이온은 게이트를 통해 전송되지 않는다. 대표적으로, 한 세트의 와이어는 고정 전위에 있고, 다른 세트는 이동 전위일 수 있다.

도 2의 장치는 이온 게이트 및 이온 변형기를 형성하는 3개의 전극을 갖는다. 이러한 전극수의 감소는 전극과의 충돌을 통해 더욱 작은 수의 이온이 손실되므로 장치의 감도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이온 변형기가 이온 게이트에 근접하기 때문에 실제적으로 모든 이온이 변형될 수 있다(이온 변형기가 활성화되는 때). 본 실시예에서, 드리프트 챔버로의 유입시에 이온 변형이 발생하여, 위에 기재된 구성을 갖지 않는 장치와 비교하여 장치의 감도를 증가시킨다.

작동 시 및 상기 이온 변형기가 활성화되는 때, 정현파의 절반, 예를 들어 실제적으로 절반이 전극(18)에 인가되고 다른 절반은 이온 게이트(6)에 인가된다. 이는 이온 게이트(6)의 전극들 중 하나에 인가될 수 있거나, 이온 게이트(예를 들어 Bradbury Neilson 셔터)의 전극들의 고정 및 이동 그리드들 사이에 절연파괴가 발생하는 것을 방지하기 위해 두 전극 모두에 인가될 수 있다.

시료의 정체를 더욱 큰 정확도 및 확실성을 가지고서 확인하는 것을 돕게 되는 더욱 큰 단편 이온 피크의 발생시 장치의 더욱 큰 감도가 실현될 것이다. 이러한 피크는 최종 사용자에게 특별한 시료의 더욱 상세한 정의를 제공하도록 기존의 피크 라이브러리에 추가될 수 있다.

상기 장치는 이온 변형이 없이 작동하도록 구성될 수 있다. 즉, 전극(18)이 스위치 오프되도록 구성될 수 있다. 모호한 물질이 확인되는 경우, 처리 유니트(20)는 그 모호함을 해결하기 위하여 이온 변형을 개시하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 상기 장치는 이온 변형 필드(field)로 작동된 다음, 물질의 검출을 확인하기 위해 짧은 시간 동안 작동 중지될 수 있다.

이온 변형기를 이온 게이트에 근접시키면, 종래의 시스템에서 발생하는 타이밍 문제가 최소화되거나 심지어는 회피된다. 종래 기술(도 1 참조)에 있어서, 이온이 이온 변형 전압에 의해 에너지 부여되는 때 이동도의 선택 범위 내의 이온이 이온 변형 필드 전극(13A 및 13B)이 되도록 게이트(6)를 개방한 후 산출된 예정 시기에 이온 변형 필드가 개시되어야 한다. 이러한 작동은 이온 변형을 선택된 이온만으로 한정하는 것을 도움으로써, 추가의 피크가 스펙트럼 상에 생성되는 것을 회피하고 확인을 촉진한다.

그러나, 이온 변형 전기장의 타이밍은 시료, 이온의 크기 및 속도, 드리프트 가스, 이온 게이트에 대한 이온 변형기의 상대적 위치, 인가된 전기장 및 도펀트의 존재에 따라 변화할 수 있다. 본 발명은 이온 게이트에 인접하게 이온 변형기를 제공하고 변형기내에 제2 전극으로서 이온 게이트를 제공함으로써 상기 타이밍 문제를 최소화 또는 회피한다. 상기 이온 변형기의 전극 및 이온 게이트는 서로 실질적으로 동시에, 예를 들어 1 ms 내에서 활성화될 수 있다.

본 개시는 IMS 장치를 참조하여 예시되었지만, 상기 결합된 이온 게이트와 이온 변형기의 IMS 장치 이외의 임의의 검출 장치에서도 사용될 수 있다.

Claims (16)

1. 이온화 영역, 두 개의 전극을 포함하는 이온 게이트, 두 개의 전극을 포함하는 이온 변형기, 드리프트 챔버 및 수집기를 포함하는 검출 장치로서, 상기 이온 게이트 및 이온 변형기는 이온 게이트가 이온 변형기의 전극들 중 하나가 되도록 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 게이트가 고정 전극 및 이동 전극을 포함하는 검출 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 전극 및 이동 전극이 평행한 와이어들의 세트인 검출 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 전극 및 이동 전극이 모두 와이어 매시인 검출 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 고정 전극 및 이동 전극이 평행한 와이어와 와이어 매시의 결합체인 검출 장치.
6. 검출 장치에서 사용되는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기로서, 상기 이온 게이트가 검출 장치내로의 이온의 흐름을 조절하기 위하여 전류가 통과되는 두 개의 전극을 포함하고, 상기 이온 변형기가 고주파 파형이 인가되는 두 개의 전극을 포함하며, 상기 이온 게이트가 상기 이온 변형기의 전극들 중 하나를 구성하는 것을 특징으로 하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 이온 게이트와 이온 변형기의 제2 전극 사이의 거리가 1mm 미만인 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 이온 게이트와 이온 변형기의 제2 전극 사이의 거리가 0.75mm 미만인 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 이온 게이트와 상기 제2 전극 사이의 거리가 0.05 내지 0.5mm, 또는 0.1 내지 0.4mm, 또는 0.15 내지 0.3mm의 범위에 있는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 이온 변형기의 제2 전극이 상기 이온 게이트와 실제적으로 동시에 활성화되는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 전극이 상기 이온 게이트의 활성화의 1ms 내에서 활성화되는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 이온 변형기의 전극이 이온의 흐름을 기준으로 이온 게이트의 하류측에 위치하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 이온 변형기의 전극이 이온의 흐름을 기준으로 이온 게이트의 상류측에 위치하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기.
14. 시료내의 물질들을 검출하는 방법으로서, 상기 시료가 검출 장치의 이온화 영역에 인가되고, 상기 시료가 이온화되고, 드리프트 챔버로의 시료 이온의 흐름을 조절하고 시료내의 이온을 단편화하는 결합된 이온 게이트와 이온 변형기를 상기 시료가 통과하고, 상기 시료내의 단편화된 이온이 상기 드리프트 챔버를 따라 수집기로 이동하는 방법.
15. 제 12 항에 있어서, 상기 이온 게이트 및 이온 변형기가 실제적으로 동시에 활성화되는 방법.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 이온 변형기가 상기 이온 게이트의 활성화의 1 ms 이내에 활성화되는 방법.

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