KR20150018640A - 검출 장치용 가스 예비-농축기 - Google Patents

검출 장치용 가스 예비-농축기 Download PDF

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Abstract

IMS 장치는 그 유입구(7) 내에 예비-농축기(9)를 갖는다. 하우징(1)의 내부로 연결되는 압력 펄서(8)는 하우징에 작고 교번적인 음 및 양의 압력 펄스들을 인가하여, 공기가 유입구(7) 내로 그리고 외부로 맥동적인 양상으로 흡입되도록 한다. 이에 따라, 분석 대상 물질이 예비-농축기(9)에 흡착되기는 하지만 이온화되고 검출되기에 충분한 정도로 유입되지는 않는다. 예비-농축기(9) 상에 분석 대상 물질의 검출가능한 양이 누적되기에 충분한 시간이 경과한 후에, 상기 장치는 탈착 위상으로 절환한다. 예비-농축기(9)는 분석 대상 물질을 탈착시키기 위해 가열되며, 펄서(8)는 유리된 분석 대상 물질을 이온화 및 검출을 위해 반응 영역(3) 내로 깊이 흡입시키기에 충분히 큰 음의 펄스를 생성한다.

Description

검출 장치용 가스 예비-농축기{Gas Pre-concentrator for Detection Apparatus}
본 발명은 유입구 및 유입구에 근접하여 배치되는 예비-농축기를 갖는 종류의 검출 장치에 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. 통상적인 IMS 장치에 있어서는, 청결한 건조 가스가 반응 또는 이온화 영역을 통하여 연속적으로 유동한다. 이러한 배열은 연속적인 샘플링 및 짧은 복원 시간을 허용한다. 상기 분석 대상 물질 샘플이 샘플 가스 내에 단지 낮은 농도로만 존재하는 경우, 비교적 작은 신호 대 잡음 비가 얻어질 수 있고, 이 경우 신뢰성 있는 검출이 매우 어렵게 될 수 있다. 증가된 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. 예비-농축기들은 또한 다른 용도들에 있어서 물질의 농도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 대안적인 검출 장치, 예비-농축기 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 견지에 따라, 상기한 종류의 검출 장치가 제공되고: 이 검출 장치는, 흡착 위상 중 예비-농축기를 횡단한 분석 대상 가스 또는 증기의 교번적인 유동을 유발하도록 상기 장치가 배열되어, 검출 장치 내로의 가스 또는 증기의 정미 유동이 낮은 정도로 존재하거나 또는 전혀 존재하지 않도록 하고 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질이 상기 예비-농축기에 의해 흡착되도록 하며; 상기 예비-농축기로 하여금 탈착 위상(desorb phase) 중 분석 대상 물질을 탈착시키고 상기 교번적인 유동을 중지시키며 검출 장치 내로의 가스 또는 증기의 정미 유동을 생성하도록 상기 장치가 배열되어, 탈착된 분석 대상 물질이 검출 장치 내로 이송되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 장치는 상기 교번적인 유동이 유발되도록 상기 장치의 내부와 연결되는 압력 펄서를 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 예비-농축기가 탈착 기능을 수행하도록 하는 열적인 장치를 포함할 수 있다. 상기 장치는, 바람직하게는, IMS 장치이며, 분석 대상 가스 또는 증기는 상기 장치의 반응 영역 내에서 충분히 이온화되기 위해 상기 탈착 위상 중 유입된다. 상기 예비-농축기는 상기 장치의 내부로 개방되는 통로 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 일 견지에 따라, 물질의 농도를 증가시키기 위한 방법이 제공되고; 이 방법은, 상기 물질을 흡착 및 탈착하도록 배열되는 예비-농축기를 제공하는 단계; 상기 물질이 상기 예비-농축기에 의해 흡착되고 통로를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동이 대체로 존재하지 않도록, 흡착 위상 중 가스 또는 증기의 교번적인 유동을 통로 내에 그리고 예비-농축기 상에 제공하는 단계; 및 후속적으로 탈착 위상 중 상기 예비-농축기로 하여금 흡착된 물질을 탈착시키고 상기 통로를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동을 제공하도록 하여, 상기 탈착된 물질이 상기 통로를 따라 가스 또는 증기와 함께 이송되도록 하는 단계;를 구비한다.
본 발명의 또 다른 일 견지에 따라, 물질을 흡착 및 탈착하도록 배열되고 가스 유동 경로 및 상기 가스 유동 경로 내의 흡착성 재료를 포함하는 예비-농축 장치가 제공되며; 이 장치는, 상기 물질이 예비-농축기에 의해 흡착되고 가스 유동 경로를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동이 대체로 존재하지 않도록, 흡착 위상 중 가스 또는 증기의 교번적인 유동을 상기 예비-농축기 상에 그리고 상기 가스 유동 경로를 따라 제공하기 위한 배열체를 상기 장치가 구비하고; 상기 예비-농축기로 하여금 후속적인 탈착 위상 중 흡착된 물질을 탈착시키도록 상기 장치가 배열되며; 탈착된 물질이 상기 가스 유동 경로를 따라 가스 또는 증기와 함께 이송되도록, 상기 탈착 위상 중 상기 가스 유동 경로를 따라 가스 또는 증기의 정미 유동을 제공하기 위해 상기 장치가 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 교번적인 가스 유동을 제공하기 위한 상기 배열체는 압력 펄서를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 IMS 장치를 첨부한 도면을 참조하여 일 예로서 이하에 설명하기로 한다.
본 발명은 작은 농도의 분석 대상 물질이 개선된 신호 대 잡음 비를 가지고 검출될 수 있도록 하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 IMS 장치에 유용하지만 다른 형태의 검출기에도 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 물질의 농도를 증가시키는 것이 필요한 검출과는 다른 용도들에 유용될 수 있다.
도 1은 흡착 위상 중에 있는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 탈착 위상 중에 있는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 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.
유입 도관(4)이 그 일 단부(5)에서, 샘플링되고 분석될 공기 또는 다른 가스 또는 증기 공급원으로 개방된다. 공기 또는 가스는 상기 도관(4)의 대향 단부에 연결되는 펌프(6)에 의해 상기 도관(4)을 통하여 흡입된다. 도관(4)을 따른 특정 지점에서, 모세관 통로 또는 핀 홀(7)이 도관(4)과 상기 반응 영역(3)의 내부 사이에 연통되어, 관심의 대상이 되는 분자들이 상기 도관(4)으로부터 상기 반응 영역(3) 내로 가스 유동 경로를 따라 통과할 수 있도록 한다. 상기 장치의 상기 유입구(4)는 예비-농축기를 포함한다. 이 예비-농축기는 유입 통로(7) 자체 상의 코팅물(9)로서 또는 유입 통로(7)에 근접하여 유입 도관(4) 내에 장착되는 별도의 장치(9')로서 제공될 수 있다. 확성기와 유사한 압력 펄서(pressure pulser)(8)가 미국 특허 제 6,073,498 호에 기재된 방식으로 하우징(1)에 연결된다. 상기 펄서(8)는 차후에 상세히 설명하는 방식으로 작동한다.
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 이루는 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.
통상적인 IMS 장치에 있어서와 같이, 가스 유동 시스템(20)은 이온들의 유동에 반대되도록 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 유출 파이프(25)와 연결되고, 그 유출 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.
상기 장치는 두 개의 교번적인 위상들, 즉, 흡착 위상(adsorb phase) 및 탈착 위상(desorb phase) 사이에서 절환되며, 상기 흡착 위상에 있어서는 상기 예비 농축기(9, 9')가 상기 도관(4)으로 공급되는 가스 내의 분석 대상 물질을 흡착하고, 상기 탈착 위상에 있어서는 상기 예비-농축기(9, 9')가 흡착된 물질을 탈착시키며 이온화 및 검출을 위해 장치 내부로 공급되도록 상기 흡착된 물질을 방출시킨다. 도 1에 도시한 첫번째인 흡착 위상 중에는, 상기 압력 펄서(8)가 상기 프로세서 유닛(15)의 제어하에 전류를 공급받게 되어 하우징(1) 내부에서 (도시한 바와 같은) 짧고 규칙적이고 교번적인 음 및 양의 압력 펄스들을 생성한다. 이에 따라, 도관(4) 내의 공기가 유입 통로(7)의 내부에서 그리고 유입 통로(7)의 외부로 맥동하며(pant), 이러한 과정에서, 공기는 예비-농축기(9, 9')의 표면 상에서 교번적인 양상으로 후방과 전방으로 유동한다. 공기 내의 분석 대상 물질은 그러므로 하우징(1)의 내부를 향하여 흡입됨에 따라 상기 예비-농축기(9, 9')에 흡착되고, 반대방향으로 복귀되는 공기는 많이 감소된 농도의 분석 대상 물질을 갖는다. 상기 맥동성의 교번적인 유동(panting alternating flow)은 어느 방향으로든 정미 유동이 존재하지 않는 것을 보장하며; 맥동의 위상, 진폭, 및 주파수는, 샘플 증기가 이온화되어 검출되기 위해 반응 영역(3)으로 충분히 분사되지 않도록 하는 방식으로, 선택된다. 프로세서(15)는, 샘플 증기의 검출 가능한 양이 예비-농축기(9, 9') 상으로 흡착되는 것을 보장하기 위해 충분한 시간 동안 상기 흡착 위상을 유지한다. 전형적으로, 이러한 시간은 수 초 내지 수십 초가 될 것이다.
그리고나서, 상기 프로세서(15)는 도 2에 도시한 탈착 위상으로 절환한다. 먼저, 프로세서(15)는 규칙적이고 교번적인 압력 사이클들을 생성하는 상기 펄서(8)를 정지시킨다. 그리고나서, 상기 프로세서(15)는 상기 예비-농축기(9, 9') 상에 장착되는 히터(17)에 전류를 공급하여 히터(17)의 온도를 상승시키며 분석 대상 샘플 증기의 열적인 탈착을 유발한다. 예비-농축기를 복사, 압력, 진동 등의 영향을 받도록 하는 것과 같이, 예비-농축기로 하여금 흡착된 분석 대상 물질을 방출하도록 하는 다른 방식들도 채택될 수 있다. 탈착된 분석 대상 샘플 증기는 그리고나서, 유입 통로(7)를 관통하여 반응 영역(3) 내로 유동을 유발함으로써, 상기 반응 영역(3) 내로 전달된다. 이러한 유동은 연속적일 수 있고 별도의 펌프(도시안됨)에 의해 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 유동은 상기 압력 펄서(8)에 의해 유도되는 하우징(1) 내에서의 대형의 순간적인 압력 감소 또는 (도시된 바와 같은) 음의 펄스의 발생에 의해 유발될 수 있다. 이에 따라, 상기 탈착된 증기는 상기 반응 영역(3) 내로 충분하게 분사되어 이온화 및 검출을 가능하게 한다. 이러한 과정은 십핑 공정(sipping process)과 함께 조합될 수 있고, 상기 십핑 공정에서는 상기 압력 펄서(8)에 전류가 공급되어 적은 양 만큼씩 반복적으로 반응 영역(3) 내로 분석 대상 물질을 흡입시키게 된다.

Claims (8)

  1. 유입구(7) 및 예비-농축기(9, 9')를 갖는 검출 장치(1)에 있어서,
    흡착 위상 중 예비-농축기(9, 9')를 횡단한 분석 대상 가스 또는 증기의 교대번인 유동을 유발하도록 상기 장치가 배열되어, 검출 장치(1) 내로의 가스 또는 증기의 정미 유동이 낮은 정도로 존재하거나 또는 전혀 존재하지 않도록 하고 관심의 대상이 되는 분석 대상 물질이 상기 예비-농축기(9, 9')에 의해 흡착되도록 하며;
    상기 예비-농축기(9, 9')로 하여금 탈착 위상 중 분석 대상 물질을 탈착시키고 상기 교번적인 유동을 중지시키며 검출 장치(1) 내로의 가스 또는 증기의 정미 유동을 생성하도록 상기 장치가 배열되어, 탈착된 분석 대상 물질이 검출 장치 내로 이송되도록 하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 교번적인 유동이 유발되도록 상기 장치의 내부와 연결되는 압력 펄서(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 예비-농축기(9, 9')로 하여금 탈착 기능을 수행하도록 하는 열적인 장치(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 IMS 장치이며, 분석 대상 가스 또는 증기는 상기 장치의 반응 영역(3) 내에서 충분히 이온화되기 위해 상기 탈착 위상 중 유입되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비-농축기(9)는 상기 장치(1)의 내부로 개방되는 통로(7) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  6. 물질의 농도를 증가시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 물질을 흡착 및 탈착하도록 배열되는 예비-농축기(9, 9')를 제공하는 단계;
    상기 물질이 상기 예비-농축기(9, 9')에 의해 흡착되고 통로(7)를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동이 대체로 존재하지 않도록, 흡착 위상 중 가스 또는 증기의 교번적인 유동을 상기 통로(7) 내에 그리고 예비-농축기(9, 9') 상에 제공하는 단계; 및
    후속적으로 탈착 위상 중 상기 예비-농축기(9, 9')로 하여금 흡착된 물질을 탈착시키고 상기 통로(7)를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동을 제공하도록 하여, 상기 탈착된 물질이 상기 통로(7)를 따라 가스 또는 증기와 함께 이송되도록 하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 물질을 흡착 및 탈착하도록 배열되고 가스 유동 경로(7) 및 그 가스 유동 경로(7) 내의 흡착성 재료를 포함하는 예비-농축 장치(9, 9')에 있어서,
    상기 물질이 예비-농축기에 의해 흡착되고 가스 유동 경로(7)를 따른 가스 또는 증기의 정미 유동이 대체로 존재하지 않도록, 흡착 위상 중 가스 또는 증기의 교번적인 유동을 상기 예비-농축기(9, 9') 상에 그리고 상기 가스 유동 경로(7)를 따라 제공하기 위한 배열체(8)를 상기 장치가 구비하고;
    상기 예비-농축기(9, 9')로 하여금 후속적인 탈착 위상 중 흡착된 물질을 탈착시키도록 상기 장치가 배열되며;
    탈착된 물질이 상기 가스 유동 경로(7)를 따라 가스 또는 증기와 함께 이송되도록, 상기 탈착 위상 중 상기 가스 유동 경로(7)를 따라 가스 또는 증기의 정미 유동을 제공하기 위해 상기 장치가 배열되는 것을 특징으로 하는 예비-농축 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 교번적인 가스 유동을 제공하기 위한 상기 배열체가 압력 펄서(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비-농축 장치.
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