KR20160026858A - 이온 트랩에서 이온 검출 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩)과 같은 이온 트랩에 관한 것이며, 상기 이온 트랩은 복수의 전극들을 포함하며 또한 적어도 하나의 통합 이온 검출기, 바람직하게 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 검출기를 포함하고, 상기 이온 검출기의 적어도 일부는 상기 이온 트랩의 전극으로서 구성된다. 본 발명은 또한 상기 이온 트랩에 위치한 이온들을 위치-감응성 검출하는 방법을 제공한다.

Description

이온 트랩에서 이온 검출{DETECTION OF IONS IN AN ION TRAP}

본 발명은 이온 트랩에 관한 것이며, 특히, 비록 배타적이지는 않으나, 통합 화소 이온 검출기, 통합 이온 검출기를 구비하는 이온 트랩을 포함하는 검출 시스템 및 이온 트랩에서 이온을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다.

푸리에(Fourier) 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기(FT-ICR MS)는 이용 가능한 최고의 스펙트럼 성능 질량 분석기를 나타낸다. 높은 질량 분해능, 높은 질량 정밀도 및 높은 동적 범위는 작은 분자로부터 온전한 단백질에 이르기까지 고성능 질량 분석을 가능하게 한다. 많은 탠덤 MS 능력은, 충돌 유도 해리(CID, 외부 및 내장형 모두), 적외선 다광자 해리(IRMPD), 전자 포획 해리(ECD) 및 전자 전달 해리(ETD)를 포함하는, FT-ICR MS로 처리 가능하다. FT-ICR MS는 정밀 프로테오믹스(proteomics), 톱다운(top-down) 프로테오믹스, 질량 분석 이미징 및 페트로레오믹스(petroleomics)를 위한 선택 분석기이다.

강한 자기장의 존재시에, 이온은 그의 질량에 반비례하는 회전 주파수를 얻는다. 이 관계는 사이클로트론 방정식 ω_c=qB/m에 의해 제공되며, 여기서 ω_c는 소위 비섭동 이온 사이클로트론 주파수가며, q는 이온 전하이고, m은 이온 질량이며 또한 B는 자기장 강도이다. 보통의 생체 분자 물질에 대한 ICR 주파수는 상용 전자기기들에 대한 매우 적합한 범위(kHz 내지 MHz 범위)에 놓인다. 상기 이온 사이클로트론 회전 주파수는 매우 정밀하게 측정될 수 있으며, 따라서 FT-ICR MS에 대한 질량 측정의 정밀성은 거의 백만분율 또는 십억분율 범위로 매우 높다. 이와 같이 높은 질량 정밀성은 원소 조성 할당(elemental composition assignment), 그러므로 저 성능의 질량 분석기들 이상의 개선된 식별 능력을 제공한다. 마찬가지로, FT-ICR에 대한 검출 기간이 길고 측정된 주파수가 높으므로, 질량 분해능이 높아진다. 이는 매우 밀접한 간격의 질량 피크들의 스펙트럼 분리를 제공한다.

질량 분석법에서 직면하는 주요 요인 중 하나는 분석된 분자 종들(molecular species)을 정밀하게 식별하는 능력이다. 질량 분해능의 결여는 2개의 밀접하게 이웃 하는 피크들이 질량 스펙트럼 도메인(mass spectral domain)에서 해소되지 않을 때 모호한 스펙트럼 목록을 초래할 수 있다. 상기 FT-ICR MS의 높은 질량 분해능은 낮은 성능의 질량 분석기들로는 해소하기 어려운 5 mDa(0.005 Da) 질량 유닛들 미만 내의 밀접 간격의 질량 피크들을 해소한다.

상기 사이클로트론 방정식은 "비섭동" 이온 사이클로트론 주파수를 한정한다. 그러나, 실험들은 상기 FT-ICR 분석기 셀에서 이온의 축방향 제한(axially confinement)을 필요로 한다. 작은 정전 "트랩" 전위의 인가는 이온 사이클로트론 측정 주파수에 영향을 미친다. 또한, 상기 FT-ICR 분석기 셀에서의 다른 m/z 이온들의 존재는 이온-이온 상호 작용(또는, 공간 전하 효과)로 이어질 수 있으며, 이러한 것은 상기 FT-ICR 분석기 셀에서의 전기장을 추가로 왜곡시키며, 따라서 상기 이온 사이클로트론 주파수를 변화시킨다.

이와 같은 이유들로 인해, FT-ICR 분석기 셀에서의 이온 운동의 시뮬레이션은 이들 실험적 필요성의 연구를 위한 일반적인 방법이 되었다. 시뮬레이션에 의해 연구된 현상들은, 여러가지 가운데, 이온 클라우드(ion cloud) 운동, 피크 융합 및 이온-이온 상호 작용(공간 전하)을 포함한다. 그와 같은 고성능의 컴퓨터 시뮬레이션들은 상기 FT-ICR 분석기 셀 내부의 이온들의 이론적 거동을 조사하기에 효과적이다. 상기 시뮬레이션들은 중요한 파라미터들(자기장, FT-ICR 분석기 셀에서 이온의 수, 정전기 전위, 포집 정전기장 기하학적 구조(electrostatic trapping field geometry), 여기 전의 이온들의 개시 위치, 여기 반경, 여기 파형 형태, 등)이 변화하도록 허용한다. 그러나, 이와 같은 시뮬레이션들은 본질적으로 (모델링 파라미터들의 정밀도와 연관되는) 계산 시간에 의해 제한된다. FT-ICR 신호 품질에 기초한 이들 파라미터들의 효과를 이해함으로써 새로운 FT-ICR 셀 디자인 기하학적 구조들 뿐만 아니라 이온 운동의 기초에 있어서 개량된 데이터 품질 및 통찰을 위한 FT-ICR 경험적 파라미터들로의 중요한 통찰을 유발한다. 그러나, 시뮬레이션 결과들은 이론적 상태에 머물게 되고 실험적 데이터와의 비교가 크게 요구된다.

US7928371(리코프; Ryjkov)에서는, 페닝 트랩(Penning trap)에서의 이온이 트랩 밖으로 분출(푸시)되고 또한 위치-감응성 MCP 검출기에 의해 검출되는, 비산 시간(time-of-flight) 기술을 제안하고 있다. 리코프는 검출 시스템의 실제 기술적 실행에 대해서는 설명하지 않고 있으나, 상기 이온 트랩 밖으로의 이온들의 분출 작용 및 높은 자기장에서의 MCP 검출기의 작동이 측정된 신호들에서 왜곡을 야기시킬 수 있다는 사실을 인식했다. 또한, 리코프 초고진공에서 고자장 자석의 보어 내부에 그와 같은 검출기를 장착시키는 문제점에 대해서는 설명되지 않았다.

또한, 에이텔(Eitel) 등은 개방 원통형 페닝 트랩에서의 이온들이 상기 트랩 밖으로 분출되고 또한 위치-감응성 MCP 검출기에 의해 검출되는 비산 시간 기술의 "정밀 페닝 트랩 질량 분석법에서의 위치-감응성 이온 검출"이란 논문을 발표했다. 높은 자기장에서 검출기를 작동시키는 문제점을 피하기 위해, 이온들은 이온들을 TOF-ICR 분광기의 높은 자기장 밖에 위치된 검출기로 운반하기 위한 드리프트 관(drift tube) 내로 이온 트랩으로부터 분출된다. 그러나, 상기 드리프트 관과 결합하여 분출 펄스의 사용은 왜곡을 유발시켜, 이온 운동 파라미터들의 정밀 분석이 어렵다. 따라서, 에이텔에 의해 제안된 기술은 이온 트랩 내부에서의 이온들의 정확한 직접 측정을 제공하지 못한다.

상술된 기술들로부터, 이온 트랩에 있어서 이온들을 검출하기 위한 상기 공지된 검출 기술들은 이와 같은 검출 기술들이 FT-ICR 분광 분석법과 같은 이온 트랩 적용들에서 유용한 도구로서 사용되는 것을 가능하게 하지 못하는 많은 단점들을 겪게 된다는 사실을 경험한다. 따라서, 이온 트랩에서 이온들을 검출하기 위한 개선된 시스템들 및 방법들이 요구된다. 특히, 강한 자기장 및 (초) 고 진공 내부의 이온 트랩에서 이온들의 공간 분포 및/또는 중요 파라미터들을 검출하기 위한 개선된 시스템들 및 방법들이 요구된다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술에서 알려진 결함들 중 적어도 하나를 감소시키거나 또는 제거하는 것이다.

제1 양태에 있어서, 본 발명은 적어도 하나의 통합 이온 검출기, 바람직하게 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 검출기를 포함하는 이온 트랩, 바람직하게 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩)에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기의 적어도 일부는 상기 이온 트랩의 전극으로서 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 이온 트랩은 이온 검출기, 바람직하게 상기 이온 트랩에서의 음이온들 또는 양이온들 모두의 공간 분포 및/또는 상기 트랩에서의 이온들과 연관된 타임 오프 플라이트 정보의 직접적인 이미징을 허용하는 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 이온 검출기를 포함한다. 상기 이온 검출기는 상기 이온 트랩의 통합 부분을 형성하며, 그에 따라 (초전도성) 자석의 보어 내에 상기 트랩을 위치시키기에 적합한 매우 콤팩트한 디자인을 제공한다. 또한, 상기 이온 트랩은 상기 이온 트랩에서의 이온들의 공간 분포 및 m/z 비와 같은 다른 파라미터들을 위한 하나 이상의 이온 앙상블(ion ensemble)의 검사를 허용한다. 상기 이온 검출기에 의해 측정된 정보는 (여러가지 가운데) 이온 글라우드 운동, 피크 융합 및 이온-이온 상호 작용을 연구하기 위해 사용될 수 있으며, 또한 시뮬레이션들의 검증 및 FT-ICR 질량 분석기를 위한 최적의 작동 파라미터들의 결정에서 사용될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 상기 이온들을 포집하기 위한 포집 전기장(electric trapping field)을 발생시키기 위한 및/또는 전기 여기장(electric excitation field)을 인가하기 위한 복수의 전극들을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 이온 검출기는 상기 복수의 전극들 중 적어도 하나에 통합된다. 따라서, 상기 검출기는 트랩 전극의 일부일 수 있으며, 그에 따라 상기 검출기가 상기 이온 트랩에서의 이온들에 매우 근접하게 되는 것을 가능하게 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기는 화소 소자들의 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 화소 소자들 중 적어도 일부는 화소 판독 전자기기를 포함하거나 또는 화소 판독 전자기기에 접속될 수 있다. 따라서, 상기 이온 검출기는 화소형 검출기일 수 있으며, 여기서 각각의 화소는 상기 이온 트랩에서의 이온들의 검출과 연관된 정보를 처리하기 위한 전자기기를 포함할 수 있다. 이와 같은 방식의, 상기 이온 검출기에 의해 검출된 이온들의 정보는 동시에 처리되어, 상기 이온들의 비산 시간 정보의 측정과 같은 시간 분해 이온 검출 이벤트(time-resolved ion detection event)들을 허용한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기는 검출 플레이트를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 검출 플레이트는 반도체 층 및/또는 마이크로 채널 플레이트를 포함한다. 본 발명은, 전체 통합 이온 검출기, 하이브리드형 이온 검출기, 및 마이크로채널 플레이트 또는 다른 이벤트 멀티플라이어(event multiplier)를 포함하는 이온 검출기를 구비하는, 상이한 형태의 이온 검출기들의 통합을 허용한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기의 적어도 일부는 상기 화소 전극에 전압을 인가하기 위한 전압원에 접속될 수 있으며, 바람직하게 상기 이온 검출기의 전압 바이어스부는 상기 이온 트랩에서 전기장을 발생시키고 및/또는 조정한다.

일 실시예에 있어서, 상기 판독 전자기기는 상기 이온 검출기와 상호 작용하는 하나 이상의 이온과 연관된 이벤트들을 계수하기 위해 및/또는 상기 이온 검출기와 상호 작용하는 하나 이상의 이온과 연관된 비산 시간 정보를 결정하기 위해 구성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 상기 이온 검출기의 검출면 전방에 장착된 전도성 그리드를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 전도성 그리드는 상기 이온 트랩에서 전기장을 발생시키기 위하여 전압원에 접속된다. 따라서, 상기 이온 트랩에서 전기장의 정보 및/또는 조종을 개선하도록 추가의 전극들이 도입될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩)로서 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 입방형, 장방형, 원통형 또는 쌍곡선형 트랩으로서 구성될 수 있다.

추가의 양태에 있어서, 본 발명은 상술된 바와 같은 이온 트랩을 포함하는 이온 트랩에서 이온들을 검출하기 위한 검출 시스템에 관련될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 검출 시스템은 상기 이온 트랩의 전극들 중 적어도 하나에 전압을 인가하기 위하여 적어도 하나의 전압원을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 전압원은 상기 이온 트랩에서 상기 전기장을 조종하여서, 상기 이온 트랩에서의 이온들 중 적어도 일부가 상기 이온 검출기를 향해 이동하도록 구성된다.

여전히 추가의 양태에 있어서, 본 발명은 상술된 바와 같은 이온 트랩을 포함하는 진공 호환성 이온 트랩 조립체에 관한 것일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩 조립체는 이온 검출기를 지지하기 위한 칩 캐리어, 바람직하게 인쇄 회로 기판(PCB)을 추가로 포함하며, 상기 칩 캐리어는: 하나 이상의 제1 전기 전극을 구비하는 상부면; 하나 이상의 제2 전극을 구비하는 배면; 및 상기 칩 캐리어 내에 매설되고, 상기 하나 이상의 제1 전극과 상기 하나 이상의 제2 전극을 각각 전기적으로 접속하는 하나 이상의 전도성 와이어를 포함하며, 상기 상부면은 UHV 밀봉층으로 커버되며, 바람직하게 상기 제1 밀봉층은 액정 중합체 물질을 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 상기 상부면 위에서 적어도 부분적으로 연장하는 적어도 제1 열전도층 및 상기 배면 위에서 적어도 부분적으로 연장하는 적어도 제2 열전도층을 포함할 수 있으며, 상기 칩 캐리어는 적어도 상기 제1 열전도층과 상기 제2 열전도층을 열적으로 접속하기 위해 상기 PCB 내에 매설되는 하나 이상의 열전도성 비아(via)를 추가로 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기는 상기 제1 열전도면과 열접촉할 수 있으며, 상기 제2 열전도면은 열전도성 금속 지지 블록과 접촉하며, 바람직하게 상기 검출기 조립체는 상기 이온 검출기에 의해 생성된 열을 소산시키기 위해 상기 지지 블록에 열접속되는 냉각 수단을 추가로 포함한다.

일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩 조립체는 상기 이온 검출기에 의해 발생된 데이터 신호들을 판독하기 위한 판독 전자기기를 포함하는 판독 보드를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 판독 전자기기는 상기 제1 및 제2 전극들을 통해 상기 이온 검출기에 전기적으로 접속된다.

본 발명은 질량 분석기, 바람직하게 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기에 있어서 상술된 바와 같은 이온 트랩의 용도에 관한 것일 수 있으며, 여기서 상기 이온 검출기는 상기 질량 분석기에서의 이온들과 연관된 공간 분포 및/또는 비산 시간 정보를 측정하도록 구성된다.

본 발명은 또한 상술된 바와 같은 이온 트랩일 수 있으며, 여기서 상기 이온 트랩은 높은 자기장, 바람직하게 0.1 내지 50 T 사이에서 선택된 높은 자기장에서 사용될 수 있다.

다른 양태에 있어서, 본 발명은 이온 트랩, 바람직하게 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀(트랩)에서 이온들을 검출하는 방법에 관한 것일 수 있으며, 여기서 상기 이온 트랩은 적어도 하나의 통합 이온 검출기, 바람직하게 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 검출기를 포함하며, 상기 방법은: 상기 이온 트랩에 하나 이상의 이온을 제공하는 단계; 상기 이온 트랩에 있는 이온들의 운동을 조종하는 단계; 및 상기 이온들 중 적어도 일부를 검출하는 단계 및/또는 상기 이온 검출기를 사용하여 상기 이온들 중 적어도 일부와 연관된 비산 시간 정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참고로 하여 본 발명에 따라 개략적으로 설명된 실시예들에 기초하여 추가로 설명될 것이다. 본 발명은 이와 같은 특정 실시예들에 의해 제한되지 않는다는 사실을 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩을 나타내는 도면.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서의 사용을 위한 예시적인 이온 검출기 구성들을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 진공 피드스루(feed-through) 구조체 상에 장착된 통합 위치-감응성 이온 검출기를 포함하는 이온 셀의 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위치-감응성 검출을 위한 검출 시스템의 단면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 이온 트랩 조립체를 나타내는 도면.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서 이온들의 위치-감응성 검출을 위한 방법을 나타내는 개략도.
도 7은 타임픽스(Timepix) 검출기의 비산 시간 모드를 나타내는 개략도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서 이온들에 의해 발생되는 이미지의 컴퓨터 시뮬레이션을 나타내는 도면.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩을 나타내는 개략도이다. 상기 이온 트랩은 0.1 내지 50 테슬라(Tesla), 바람직하게 5 내지 30 테슬라의 자기장을 생성하도록 구성된 (초전도성) 자석(도시되지 않음)의 고균등 자기장 내에 배치될 수 있다. 일반적으로, 상기 이온 트랩은 자석의 보어 내 또는 영구 자석 또는 전자석의 극들 사이에 배치된다. 상기 이온 트랩은 복수의 전극들(102-108)을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 2개의 (포집) 전극(104, 108)은 전기장, 예를 들면, 미리 결정된 전압을 상기 전극들에 인가함으로써 포집 정전기장과 같은 이온들을 위한 "포집" 전기장을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

이온들은 상기 전극들 중 하나에 형성된 구멍(115)을 통해 상기 트랩 내로 도입될 수 있다. 상기 자기장은 이온들(120)을 상기 자기장과 직각인 방향으로 제한할 수 있으며, 상기 포집 전기장는 상기 이온들을 축 방향으로 제한할 수 있다. 강한 자기장으로 인해, 상기 이온들은 상기 자기장과 직각인 평면에서 궤도 운동으로 이동하게 된다. 이와 같은 궤도 운동은 이온 사이클로트론 운동으로서 지칭된다. 마주한 여기 전극들(106)은 검출을 위해 충분한 궤도 반경으로 이온들의 일관적인 가속을 위하여 외부 시간 의존 "여기" 전기장을 도입하도록 사용될 수 있다.

이온 그룹의 질량 스펙트럼은, 자기장 및 전기장의 결합을 사용하여 이온 그룹을 상기 트랩에 제한하고 또한 이온 그룹을 그들의 사이크로트론 운동의 큰 궤도에 여기시키기 위해 시간 의존 "여기" 전기장을 이동 중인 이온 그룹에 인가하는 것에 의해 FT-ICR 분석기를 사용하여 발생될 수 있다. 특정 조건들 하에, 동일한 질량-전하 비(m/z)를 갖는 이온들은 일관성 있게 여기되며, 여기서 m은 이온의 질량이고, z은 상기 이온의 기본 전하의 수이다. 여기된 이온들의 반응은 상기 이온 트랩의 (검출) 전극들(102)에서 유도된 이미지 전류를 측정함으로써 측정될 수 있다. (시간 영역 신호를 나타내는) 검출 전극들에 의해 측정된 반응 신호는 측정 전자기기(114)에 의해 증폭되고, 디지털화되고, 또한 푸리에 변환기(도시되지 않음)를 사용하여 주파수 영역으로 변환된다. 상기 주파수 신호들은 주파수 스펙트럼에서 "피크(peak)"로서 표시된다. 이들 피크들은 상이한 질량-전하 비의 상이한 이온들과 연관될 수 있다. 이들 주파수 신호들은 (주파수를 통한 질량 보정 방정식으로) 상기 트랩에 있는 이온들의 질량-대-전하 비(m/z)를 정밀하게 계산하기 위해 사용될 수 있다. 현재, 푸리에 변환 ICR 질량 분석법이 가장 정확한 형태의 이용 가능한 질량 분석법으로 알려져 있다.

종래의 이온 트랩 디자인들과 비교하여, 본 발명에 따른 이온 트랩은 상기 이온 트랩에 통합된 화소형 이온 검출기(108)를 포함한다. 상기 이온 검출기는 상기 이온 트랩에서 있는 이온들의 공간 분포를 측정할 수 있는 위치-감응성 x-y 검출기일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩의 전극들의 적어도 하나는 화소형 이온 검출기(108)의 이온 검출기(110)의 일부일 수 있다. 이 상태로, 상기 전극은 화소들, 즉 어레이에 배열될 수 있는 ASIC와 같은 공간적으로 어드레스 가능한(검출) 소자들(111)을 포함할 수 있다. 이와 같은 화소들은 어드레스 가능한 물리적 좌표들과 관련되며, 따라서 상기 이온 검출기와 상호 작용하는 이온들과 같은 전하 입자들의 위치 분해 검출(position-resolved detection)을 가능하게 한다. 상기 화소형 이온 검출기 또는 상기 화소형 이온 검출기의 적어도 일부는 특정 바이어스 전압에서 유지될 수 있도록 전압원(116)에 접속될 수 있다. 이 상태로, 상기화소형 이온 검출기는 위치-감응성 이온 검출기로서, 그리고 상기 이온 트랩의 전극으로서 모두 기능할 수 있다. 따라서, 상기 이온 검출기는 상기 이온 트랩의 통합부이며, 따라서 (종래 기술의 해결책으로서 요구되는 바와 같이) 상기 트랩 밖으로 이온들을 분출시킬 필요 없이 (높은 자기장에 있어서) 상기 이온 트랩 내부에서 상기 이온들을 직접 측정할 수 있게 된다. 이와 같은 적용의 목적을 위해, 상기 이온 트랩의 전극으로서 기능하는 상기 통합된 이온 검출기는 이온 검출기 전극으로서 지칭될 수 있다.

다양한 실시예들에 있어서, 상기 이온 검출기 전극은 상기 이온들을 위한 포집 전기장을 발생시키기 위한 포집 전극으로서, 상기 트랩에 있는 이온들에 반응하여 측정하기 위한 검출 전극으로서(즉, FT-ICR MS 분석기 셀의 종래 검출기 전극의 기능(의 일부)) 및/또는 여기 전기장을 상기 이온들에 인가하기 위한 여기 전극으로서 기능할 수 있다.

이온들이 상기 포집 전기장 내에 제한될 때, 상기 포집 전기장은 조종될 수 있게 되어, 상기 이온들은 더 이상 상기 화소 전극 방향으로 제한되지 않아서, 상기 온들은 상기 화소 전극을 향해 이동하기 시작하게 된다. 일 실시예에 있어서, 상기 포집 전기장은 상기 이온 검출기 전극의 전압 바이어스 및/또는 상기 이온 검출기 전극의 전방에 위치된 전압 바이어스 전도성 그리드를 사용하여 조종될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온들은 상기 화소형 이온 검출기 전극의 표면과 충돌할 수 있다. 상기 이온들은 상기 이온 검출기의 하나 이상의 화소 소자들에 의해 검출될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기의 화소 소자들은 분리된 별개의 화소 소자들로서 구성될 수 있으며, 각각의 화소는 이온이 센서 재료와 상호 작용할 때 전하 캐리어를 생성하는 센서 재료를 포함한다. 상기 화소 전자기기는 생성된 전하 캐리어들에 비례하는 신호를 발생시키도록 구성된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기는 연속 센서층을 포함할 수 있으며, 상기 연속층의 뒤판(backplane)은 이온의 충돌로 인해 국부적으로 유도된 전하 캐리어들을 수집하도록 구성된 별개의 화소 소자들에 접속된다. 이온의 검출과 관련된 (전하) 신호는, 특정 기간 내에 특정 위치에서 화소와 충돌하는 이온들의 수를 계수(균등 계수)하는 단계 또는 트리거 신호 후에 화소와 충돌하는 이온의 비산 시간을 결정하는 단계를 포함하는 특정 파라미터들을 측정하도록 화소 검출기에 의해 사용될 수 있다.

따라서, 상술된 바로부터, 이온 검출기를 이온 트랩에 통합시킴으로써 이온 트랩에서 이온들 또는 이온 클라우드의 공간 분포의 직접적인 이미징을 허용하는 위치-감응성 검출 시스템의 제공이 이어진다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩은 FT-ICR MS 분석기에서 사용될 수 있는 FT-ICR MS 분석기 셀로서 구성될 수 있다. 상기 검출 시스템은 상기 FT-ICR 분석기 셀의 통합부일 수 있다. 이 상태로, 상기 FT-ICR MS 셀의 "백(back)" 포집 전극 상으로 투영되는 x-y 평면에서의 공간적 이온 분포의 직접 이미징이 성취될 수 있다(즉, z-축으로 배향될 수 있는 자기장과 직각으로).

일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기 전극은 상기 분석기 셀의 (백) 포집 전극을 위해 적절한 포집 전위의 생성을 허용하는 전압에서 바이어스될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 바이어스 전압은 0 내지 50 V, 바람직하게 0.5 내지 10 V, 가장 바람직하게 0.5 내지 3 V의 양 전압 또는 음 전압으로 선택될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전도성 그리드가 상기 이온 검출기 전극의 전방에 장착될 수 있다. 상기 그리드는 상기 이온 검출기 전극 상의 전위를 강화 및/또는 균질화시킬 수 있는 추가의 포집 전위를 제공하기 위해 바이어스 전압에 접속될 수 있다.

본 발명은 입방체의 이온 트랩에 기초하여 설명하고 있으나, 당업자라면 본 발명이 어떠한 종류의 이온 트랩 및/또는 ICR 셀에서도 사용될 수 있음을 인식할 것이다: 즉, 입방체 또는 2중 입방체 셀, (개방 및 폐쇄) 원통형 셀, 용량적으로 결합형 개방 셀, 페닝 트랩, 동적 조화 (리프(leaf)) 셀, 7-세그먼트 (개방 또는 폐쇄) 보상식 셀, 7-세그먼트 보상식 셀, 윈도우 셀, 여기 결합형 포집 링 전극 셀, 등.

추가의 상이한 검출기 배열들이 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이온 검출기 전극은 2개 이상의 이온 검출기들의 타일식 배열을 포함할 수 있다. 타일식 배열은 큰 활성 검출 영역의 형성을 가능하게 한다. 추가의 실시예에 있어서, 상기 이온 트랩의 2개 이상의 전극들은 이온 검출기 전극으로서 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 포집 전극 대신에, 상기 이온 트랩의 다른 전극, 예를 들면, 검출 및/또는 여기 전극이 상기 이온 검출기 전극으로서 사용될 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서 사용하기 위한 예시적 이온 검출기 구성을 나타낸다. 도 2a 및 도 2b는 화소 판독 전자기기(206)를 구비한 기판(202)을 포함하는 하이브리드 형태의 화소형 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 이온 검출기를 나타낸다. 일 실시예에 있어서, 상기 화소 판독 전자기기는 땜납 범프들(208)에 기초하여 반도체 센서 플레이트(204)에 접착된 범프인 응용 주문형 집적 회로(ASIC)로서 실행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 반도체 센서 플레이트는 실리콘과 같은 형태 IV 반도체를 포함할 수 있다.

추가의 실시예에 있어서, 땜납 펌프들이 상기 센서 플레이트와 접촉하는 영역에 다이오드 영역들(210)이 형성될 수 있다. 예를 들면 p-형 도판트와 같은 적합한 도판트로 실리콘층을 국부적으로 주입함으로써, 상기 센서 플레이트의 뒷면에는 pn 접합이 형성될 수 있으며, 여기서 상기 다이오드 영역들은 적합한 본딩 및/또는 땜납 기술을 사용하여 화소 판독 전자기기에 접속될 수 있다. 추가의 실시예들에 있어서, 상기 반도체 검출 플레이트는 상기 센서 플레이트에 화소들을 한정시키기 위해 구성될 수 있다. 상부 전극(212)은 상기 검출 플레이트의 뒷면에 대해 상기 검출 플레이트를 바이어스시키기 위해 상기 센서 플레이트 위에 형성될 수 있으며, 그에 따라 이온 유도된 전하 캐리어들은 상기 화소 판독 전기 장치로 효과적으로 안내될 수 있다.

도 2c는 마이크로 채널 플레이트(MCP)(212) 또는 다른 이벤트 멀티플라이어와 결합하여 통합 화소 판독 전자기기(206)를 구비하는 화소형 검출기(202)를 포함하는 검출기 배열을 나타낸다. 상기 MCP는 인입 이온에 반응하여 2차 전자들의 전자사태(avalanche)를 발생시키는 이온 감응성 층으로서 구성될 수 있으며, 여기서 2차 전자들은 상기 화소형 검출기에 의해 검출될 수 있다. 도 2d는 "노출(bare)" 화소형 검출기가 이온 검출기로서 사용되는 검출기 배열을 나타낸다. 상기 검출기는 이온이 감지되는 경우 신호를 발생시키기 위한 판독 전자기기를 구비하는 이온 감응성 화소들을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 도 2a 및 도 2b에서의 이온 검출기는 타임픽스 또는 메디픽스(Medipix) 형태 이온-검출기(의 일부)일 수 있다. 이와 같이 널리 공지된 검출기들은 예를 들어 를로파르트(Llopart) 등에 의해 Nucl. Instr. and Meth. A 581, 2007년 10월 21일, 485-494 페이지에 실린 "타임픽스, 도착 시간, 에너지 및/또는 이벤트 계수 측정을 위한 a 65 k 권텀 이미저(quantum imager) 판독 칩"이란 명칭의 논문 및 및 Nucl. Instr. and Meth. A 585 (2008) 106에 의한 정오표에서 설명되어 있다. 상기 타임픽스 검출기는 도 2에 설명된 것과 유사한 구조를 갖는 하이브리드 검출기로서 실행될 수 있다. 상기 타임픽스 검출기는 또한 도 2c에 설명된 바와 같은 이벤트 멀티플라이어 또는 MCP와 결합하여 사용될 수 있거나, 또는 도 2d에 설명된 바와 같은 센서 플레이트 없는 "노출" 검출기로서 사용될 수 있다.

상기 타임픽스 검출기는 약 2 ㎠의 전체 활성 영역을 갖는 칩당 256 x 256 화소들을 포함한다. 상기 검출기들은 타일형 배열에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 검출기들은 약 28x28 ㎟의 영역을 형성하기 위해 2x2 타일형 칩 조립체에 배열될 수 있다. 각각의 화소는 양성 및 음성 전하를 감지하기 위한 전하-감응성 증폭기, 특정 임계치 초과의 신호들을 검출하기 위한 조절 가능한 임계치, 및 도달 시간(time-over-arrival; TOA) 또는 임계 시간(time-over-threshold; TOT)을 위해 사용될 수 있는 카운터를 증가시키기 위한 기준 클록을 포함하는 화소 판독 전자기기와 관련된다. 타임픽스 칩들은 특히 FT-ICR 분석기 셀 내의 이온들의 검출을 위해 적합하다. 다른 실시예에 있어서, 직접 피드백 루프를 통한 빔 품질 감시 및 안정화를 위해 위치 감응성 검출을 갖는 이온 트랩이 채택될 수 있다.

여러 형태의 위치-감응성 이온 검출기들이 이온 트랩을 위한 화소형 검출기 전극으로서 사용될 수 있다는 사실이 제안되었다. 이와 같은 검출기들은 타임픽스 또는 메디픽스 검출기들과 같은 하이브리드 형태 이온 검출기들 뿐만 아니라 CMOS 형태 활성 화소 센서 기술에 기초한 전체 통합 이온 검출기들을 포함한다. 그와 같은 경우, 이온들을 검출하기 위한 반도체 재료는 화소 판독 전자기기를 포함하는 칩의 상부에 직접 제조될 수 있다.

상기 검출 시스템 및 판독 전자기기는 0.1 내지 50 테슬라의 고전기장 (초전도성) 자석의 보어 내에서 기능하도록 구성된다. 또한, 바람직하게 상기 검출 시스템은 초고 진공(UHV) (즉, 약 10^-9 mBar 또는 그 미만의 압력)과 호환될 수 있으며, 이는 매우 정밀한 FT-ICR MS 측정을 성취하기 위해 중요하다. 그를 위해, 상기 이온 검출기는, 상기 FT-ICR 분석기 셀 (약 10^-9 mBar) 내의 UHV와 상기 FT-ICR 분석기 외부의 주변 압력 환경 사이의 UHV 캐리어와 같은, 상기 캐리어가 상기 이온 검출기를 위한 전기 피드스루로서 기능하는 UHV-호환성 칩 캐리어 상에 장착된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 진공 피드스루 구조체 상에 장착된 통합 위치-감응성 이온 검출기를 포함하는 이온 셀의 개략도를 나타낸다. 특히, 도 3은 전기 진공 피드스루 구조체(306, 308, 310) 상에 장착된 이온 검출기 전극(316₁)을 포함하는 이온 셀을 나타낸다. 상기 전기 진공 피드스루 구조체는 전기적 초고 진공 호환성 칩 캐리어로서 및 외기(304) 내 상기 검출기의 판독 전자기기와 진공 챔버(302) 내 검출기 사이의 진공 밀폐부로서 모두 기능할 수 있다. 상기 이온 셀은 복수의 전극들(316₁-316₄)을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 전극들(316₁) 중 하나는 위치-감응성 이온 검출기의 화소형 전극의 일부이다.

이후에 더욱 상세히 설명되겠지만, 상기 전기적 진공 피드스루 구조체는 초고 진공 FT-ICR MS 적용에 있어서 이온 트랩의 실행성 및 사용의 편리성 뿐만 아니라 성능 모두를 증가시킬 수 있다. 상기 전기적 진공 피드스루 구조체는 또한 지지 구조체 상에 장착된 인쇄 회로 기판(PCB)(306)을 포함할 수 있다. 상기 지지 구조체는 지지 블록(308) 및 진공 플랜지(310)를 포함할 수 있다. 상기 진공 플랜지는 상기 진공 챔버 내 개구부, 예를 들면, 상기 질량 분석기의 진공 챔버의 개구부에 고정될 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 PCB는 상기 지지/냉각 블록에 고정되는 제1 (백) 표면(배면; 312) 및 하나 이상의 이온 검출기(316)가 장착될 수 있는 제2 (상부) 표면(314)을 갖는다. 도 4와 관련하여 더욱 상세히 설명될 상기 PCB는, 상부 표면 상에 위치된, 예를 들면 전도성 (접착) 패드들과 같은 복수의 제1 전기 접점들을 포함할 수 있으며, 이들은 그의 배면 상에 위치된 복수의 제2 전기 접점들에 전기적으로 접속된다. 상기 PCB에 매설된 전도성 라인들은 상기 제1 및 제2 전기 접점들 사이의 전기 접속부를 형성할 수 있다.

상기 진공 챔버 내의 하나 이상의 검출기는 상기 복수의 제1 전기 접점들에 전기적으로 접속될 수 있으며, 그에 따라, 상기 검출기들은 주변 압력 하에 있는 상기 PCB의 배면에서 상기 제2 전기 접점들에 전기적으로 접속된 판독 전자기기에 의해 판독될 수 있다.

또한, 일 실시예에 있어서, 상기 PCB의 상부 표면의 실질적 부분은 제1 열전도층으로 커버될 수 있으며, 상기 PCB의 배면은 제2 열전도층으로 커버될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 열전도층들은 알루미늄, 구리 및/또는 은을 포함하는 금속층들일 수 있다. 상기 제1 및 제2 층들 사이의 열접촉은 상기 PCB를 통해 연장하는 복수의 열전도성 비아들에 의해 성취될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 및 제2 열전도층들은 상기 PCB를 통해 연장하는 복수의 열전도성 비아들에 의해 서로 열적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 어레이를 형성하는 상기 복수의 열전도성 비아들은 2 내지 20 mm 사이에서 선택된 어레이 피치를 갖는다. 검출기는 적합한 열전도성 접착제를 사용하여 상기 제1 열전도층에 부착시킴으로써 상기 PCB에 고정될 수 있다.

마찬가지로, 상기 제2 열전도층은 열전도성 접착제를 사용하여 상기 장착 블록에 고정될 수 있다. 상기 장착 블록은 열전도성 재료, 바람직하게 구리 및/또는 알루미늄을 포함하는 금속으로 제조될 수 있다. 상기 열적 장착 블록은 상기 블록을 특정의 일정한 온도로 냉각시키기 위해 냉각 소자에 접속될 수 있다. 따라서, 복수의 열전도성 비아들을 포함하는 상기 PCB는 상기 장착 블록과 상기 이온 검출기 사이의 매우 양호한 열접촉을 실현하는 결과를 초래한다.

상기 장착 블록은 작동하는 동안 상기 검출기들에 의해 발생되는 열을 소멸시키기 위한 열 저장소로서 기능할 수 있다. 외기에 노출되는 상기 장착 블록의 배면은, 예를 들면, 요구되는 온도에서 상기 장착 블록과 상기 검출기들을 냉각시키기 위한 하나 이상의 펠티에 소자(Peltier element) 또는 수냉식 소자들을 포함하는, 냉각 소자에 접속될 수 있다. 메디픽스 검출기와 같은 검출기로서 중요한, 상기 검출기의 냉각은 거의 15 μW/화소를 발생시킬 수 있다.

상기 지지 블록에 있는 하나 이상의 개구부(318)은 상기 제2 전기 접점들을 포함하는 PCB 배면의 일부를 노출시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전기 접점들은 커넥터(320), 예를 들면 상기 검출기들의 판독 전자기기로의 신속한 접속을 가능하게 하는 표준 전기 커넥터에 배열될 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 상기 PCB의 평면도 및 배면도와 상기 PCB(400)의 개략 단면도에 대한 사진들을 나타낸다. 도 4a 및 도 4b는 원형 형상의 예시적인 PCB를 나타낸다. 이와 같은 특정 실시예에 있어서, 상기 PCB는 약 50 mm의 직경 및 약 1.6 mm의 두께를 갖는다. 상기 검출기들의 적용 및/또는 수에 기초하여, 상기 PCB는 어떠한 적절한 크기도 가질 수 있다. 상기 PCB의 상부 표면은 상기 검출기(들)의 신호 인출선들을 상기 PCB의 배면에 위치한 제2 전기 접점들(404)에 전기적으로 접속하기 위한 제1 전기 접점들(402), 예를 들면, 본딩 패드들을 포함할 수 있다. 이와 같은 제2 전기 접점들은 도 4b에 도시된 바와 같은 상기 PCB의 배면 상에 장착된 전기 커넥터(403)에 접속될 수 있다.

상기 PCB 재료 내에 매설된 전기 전도성 라인들(406)은 상기 제1 및 제2 전기 접점들에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 PCB는 복수(다량)의 접점들 및 매설된 전도성 라인들을 포함할 수 있으며, 그에 따라 고집적 전기 진공 피드스루로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 장착된 검출기들의 특별 적용 및/또는 수에 기초하여, PCB는 상기 상부 표면의 제1 전기 접점들을 상기 배면의 제2 전기 접점들에 전기적으로 접속하는 100 내지 2000개의 전도성 라인들을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 다층 PCB, 예를 들면, 표준, 다층 FR-4 PCB가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서는, 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramics, LTCC) 또는 고온 동시 소성 세라믹(high-temperature co-fired ceramics, HTTCC)에 기초한 PCB들, 1층, 2층 및 다층 금속 코어 PCB 및/또는 세라믹 PCB를 포함하는, 다른 적합한 PCB들이 또한 사용될 수 있다. 그와 같은 PCB들의 사용은 용이하고, 저렴하고, 실현 가능하고 또한 안정된 전기적 설계 및 제조가 가능하다는 장점을 나타낸다. 또한, PCB들은 다양한 형상들(장방형, 원형) 및 크기(수 mm 내지 수십 cm의 직경)로 제조될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 PCB의 적어도 상부 표면은 초고 진공 실런트층(405)로 코팅되어, 상기 PCB를 탈기체로부터 방지한다. 실시예에 있어서, UHV 실런트층은 액정 중합체(LCP) 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 또한 상기 PCB의 배면은 LCP 재료를 포함하는 UHV 실런트층(407)으로 코팅될 수 있다. 상기 LCP 재료는 상기 PCB를 탈기체로부터 방지한다. 로저스 코포레이션(Rogers Corporation)의 R/flex® 3600 Single Clad Laminate와 같은 적합한 LCP 재료가 사용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 PCB의 에지들은, 상기 측면들로부터의 탈기체를 방지하고 또한 상기 장착면과 상기 진공 챔버 사이의 진공 밀봉을 위한 금속 표면을 제공하기 위해, 예를 들면, 구리 및/또는 인듐 및/또는 금을 포함하는 금속층(408)으로 밀봉될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 PCB의 에지들은 소정의 각도(예를 들면, 20 내지 50도) 하에 (부분적으로) 경사질 수 있다. 상기 PCB를 위한 지지 구조체는 상기 PCB를 수용하기 위한 개구부를 가질 수 있으며, 상기 지지 구조체는 경사진 에지들을 가지며, 상기 지지 구조체에서의 최적의 진공 밀봉이 확보되도록 상기 PCB의 경사진 에지들을 수용하도록 구성된다.

상기 LCP-코팅된 PCB가 진공 밀봉부로서 기능하므로, 상기 PCB 와 상기 스테인리스강 지지부(진공 플랜지) 사이의 접속부는 진공 기밀 방식으로 될 필요가 있다. 그를 위해, 상기 진공 플랜지는 상기 칩 캐리어의 경사진 에지가 상기 스테인리스강 지지부 내에 접착될 수 있도록 기계가공될 수 있으며, 상기 PCB 에지와 동일한 각도로 경사진다(도 4c 참조). 2-소자 실버 에폭시(독일 뒤셀도르프 소재 헨켈사의, Hysol TRA-DUCT 2902)와 같은 진공-호환성 접착제가 사용될 수 있다. 이 상태에서, 상기 UHV 밀봉부는 10^-9 mbarㆍl/s 미만의 누설량을 갖는다

또한, 상기 PCB는 상기 지지 블록에 의해 기계적으로 지지되어, 상기 캐리어 칩 측면 상의 진공과 상기 기판 전자기기 측면 상의 주변 압력 사이의 압력 차에 의한 기계적 응력을 방지한다. 상기 PCB 및 상기 구리 지지부는 열적 및 전기전도성 접착제, 예를 들면, 2-소자 실버 에폭시 접착제(미국 빌러리카 소재 에폭시 테크놀러지 인코포레이트사의 EPO-TEK® EE129-4)를 사용하여 접속될 수 있다. 상기 지지 블록은 또한 펠티에 소자 및/또는 수냉식 채널들과 같은 하나 이상의 활성 냉각 소자들을 사용하여 히트 싱크로서 기능할 수 있다. 상기 캐리어의 스테인리스강 지지부는 (1.5 mm) 인듐 스레드 또는 바아톤 o-링(viton o-ring)을 사용하여 상기 진공 챔버에 접속될 수 있다. 이 상태애서, 10^-9 mbarㆍl/s 미만의 누설량이 성취될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 이온 트랩 플랜지 조립체, 특히 FT-ICR MS 분석기 셀 플랜지 조립체를 나타내며, 여기서 상기 이온 트랩은 초고 진공 호환성 플랜지 구조체 상에 장착되며, 상기 초고 진공 호환성 플랜지 구조체는 상기 이온 트랩을 질량 분석기의 UHV 챔버 내에 장착하기 위해 사용될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 각각, ((타임픽스) 이온 검출기와 전도성 그리드를 포함할 수 있는) (후방 포집) 이온 검출기 전극(504) 및 전방 포집 전극(506)을 포함하는, 복수의 전극들(502-508)을 구비하는 셀을 포함하는, 상기 플랜지 구조체에 대한 단면도 및 사시도를 나타낸다.

이미 상세히 설명된 바와 같이, 상기 포집 전극과 같은, 상기 이온 트랩의 전극은 도 3 내지 도 4를 참고로 상세하게 설명된 바와 같은 UHV-호환성 PCB-계 전기 피드스루 구조체 상에 장착된 하나 이상의 타임픽스 이온 검출기들과 같은 하나 이상의 이온 검출기를 포함하는 이온 검출기 전극으로서 구성될 수 있다.

도 3과 관련하여 이미 설명된 바와 같이, 상기 PCB는 상기 PCB를 위한 기계적 지지부를 제공하는 (구리) 지지 블록(510) 상에 장착될 수 있으며, 동시에 상기 검출기들을 위한 히트 싱크로서 기능한다. 상기 지지 블록은 스테인리스강 플랜지 구조체(512)에 장착될 수 있다. 상기 지지 블록은 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있으며, 그에 의해 상기 PCB 배면의 일부 및 상기 제2 전기 접점들이 노출되며, 전기 커넥터에 접속될 수 있고, 상기 이온 트랩의 내장 진공 이온 검출기의 근접 부근에서 외기 판독 인터페이스 보드(514)에 용이하게 직접 접속할 수 있어서, 상기 검출기들과 데이터 처리 컴퓨터 사이의 1 Gbit/s 초과, 바람직하게 1 내지 25 Gbit/s의 신속한 데이터 교환이 성취될 수 있다. 냉각 수단, 예를 들면, 통풍구, 수냉 소자 및/또는 활성 냉각 소자가 상기 금속 지지 블록에 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 이온 트랩은 상기 이온 트랩의 검출 전극들에서 유도되는 전하의 종래의 검출 이상으로 그와 같은 트랩의 사용을 연장시킬 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서 이온들의 위치-감응성 검출을 위한 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 6a는 상기 이온 셀의 포집 전극들(606-610)에 의해 발생되는 포집 전기장(604)에 포집되는 이동 이온(602)을 나타낸다. 이와 같은 특정 예에 있어서, 상기 이온 검출기 전극(612)은 미리 결정된 제1 바이어스 전압(V_d1)에서 바이어스될 수 있어서, 상기 이온 검출기 전극은 전방 포집 전극과 함께 포집 전기장을 발생시킨다. 그 후, 상기 바이어스 전압은 제2 바이어스 전압(V_d2)으로 변경될 수 있으며, 그에 따라 상기 포집 전기장을 변경시켜서, 상기 이온들은 도 6b에 도시된 바와 같은 위치-감응성 검출기의 화소 전극을 향해 이동한다. 상기 화소 전극과 상호 작용하는 이온들과 관련된 화소 신호들은 상기 이온 트랩에 있는 이온들의 공간 분포 이미지로 처리될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 전방 포집 전극(606)이 일정 전압으로 상승됨으로써, 상기 이온 앙상블은 상기 이온 검출기 전극을 향해 이동한다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 전방 및 후방 트랩 전극은 이온 앙상블이 상기 이온 검출 전극을 향해 이동하도록 시간 의존 방식으로 조종될 수 있다.

메디픽스 또는 타임픽스 이온-검출기를 사용할 때, 상기 화소들은 입자 계수 모드로 설정될 수 있으며, 여기서 각각의 화소는 상기 이온 검출기 전극과 충돌하는 입자들의 수를 계수할 수 있다. 상기 신호가 특정 임계값 초과인 경우 "충돌"이 계수될 수 있다. 이와 같은 방식에 있어서, ICR 셀 내 공간적 이온 분포는 다양한 파라미터들을 사용하여 고려될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 공간적 이온 분포는 이온 사이클로트론 반경(여기 진폭)의 함수로서 고려될 수 있으며, 이는 무선 주파수(RF) 이온 여기에 의해(처프 여기(chirp excitation), 온-공명 사인 곡선 여기 또는 저장 파형 역 푸리에 변환(SWIFT)에 의해) 인가되는 전력량을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 여기서, 상기 전력은 상기 RF 진폭을 변경시킴으로써 또는 여기 시간을 변경시킴으로써 변경될 수 있다. 이 상태에 있어서, 상기 ICR 셀 내의 정확한 여기 후 반경이 상기 위치-감응성 검출기에 의해 직접 측정될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 ICR 셀 내의 공간적 이온 분포는 상기 셀 내 이온들의 최초 포집 이후 시간의 함수로서 고려될 수 있다. 자기장이 존재함으로써, 이온들은 사이클로트론 운동 및 마그네트론 운동 모두를 얻는다. 상기 ICR 셀 내 이온의 포집 시간이 길면 길수록, 상기 이온들의 마그네트론 운동은 더 많이 얻어진다.

다른 실시예에 있어서, 상기 ICR 셀 내의 공간적 이온 분포는 외부 축적 시간(즉, 상기 ICR 셀 내의 이온들의 수)의 함수로서 고려될 수 있다. 이 상태에서, 이온-이온 상호 작용(공간 전하)이 고려될 수 있다. 이온-이온 상호 작용 효과들은 상기 위치-감응성 검출기 상에서 관측될 수 있으며, 반면 분광 효과들은 정상 FT-ICR 작동에 의해 관측될 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 ICR 셀 내의 이온 분포는 상기 셀의 전방 전극 및 후방 전극 상에서의 포집 전압의 함수로서 고려될 수 있다. 상기 분광 품질 상의 포집 전압의 효과들은 정상 FT-ICR 작동에 의해 측정될 수 있다. 타임픽스 이온 검출기를 사용할 때, 상기 화소들은 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같은 비산 시간(TOF) 모드에서 설정될 수 있다. 이와 같은 모드에서, 외부 셔터 간격(720)은 트리거 신호(704)에 기초하여 개시될 수 있다. 상기 이온 검출기의 화소 전극을 향해 이동하는 하나 이상의 이온의 개시를 나타낼 수 있는 상기 트리거 신호의 생성 하에, 상기 화소 전자기기 내의 디지털 카운터가 외부 셔터 간격 길이(T)의 종말까지 (클록(708)에 의해 발생되는) 클록 사이클을 계수하기 시작한다. 만약 상기 셔터 간격 동안 신호(712)가 검출되면(즉, 미리 결정된 임계(706) 초과의 신호), 측정 시간(t_measure)(710)은 계수된 클록 사이클의 수에 기초하여 결정될 수 있다. 측정 시간에 기초하여, 상기 비산 시간은 t_TOF=T-t_measure로서 결정될 수 있다. 이와 같은 모드에서, 복수의 상이한 파라미터들 및/또는 종속자들이 고려될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 외부 저장 장치로부터 상기 ICR 셀의 단부로의 비산 시간(타임픽스 모드)이 측정될 수 있다. 이 경우, 상기 이온들은 정전기 및/또는 rf 전기장에 의해 외부 저장 장치(또는 다중극)에 저장될 수 있다. 상기 저장 장치는 상기 셀로부터 상향에 (상기 셀보다 상기 이온 소스에 더욱 근접하여) 위치될 수 있다. 이때, 상기 이온들은 상기 셀을 향해 상기 저장 장치 밖으로 분출될 수 있다. 분출의 순간에, 트리거 신호가 상기 타임픽스로 전송되어, 분출의 순간으로부터 상기 이온 트랩의 화소형 전극 뿐만 아니라 그들의 공간 분포상에 도달하는 순간까지의 상기 이온들의 비산 시간을 측정할 수 있다. 이와 같은 비산 시간 측정은 시간 역학 및 빔 집속에 대한 정보를 제공하며, 상기 분서기 내의 특성치들을 전달한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 ICR 셀 내의 이온들의 비산 시간이 측정될 수 있다. 이 경우, 상기 이온들은 상기 셀의 중심에 집속/집중될 수 있다. 다음에, 상기 ICR 셀 내의 전기장은 이온들이 (상기 셀의 일부인) 상기 타임픽스 검출기의 화소 전극을 향해 이동하도록 변경된다. 상기 이온들이 해제되는 순간, 트리거 신호는 상기 타임픽스 검출기로 전송된다. 다음에 상기 타임픽스는 화소 위치; 및, 상기 이온이 상기 화소 전극 상의 특정 위치에 도달하는데 걸리는 시간에 기초하여 상기 이온들의 충돌 위치를 기록한다. 이와 같은 정보는 상기 ICR 셀 내의 이온 운동 및 시간 역학에 대한 통찰력을 제공한다.

상술된 실험들에 있어서, 상기 이온들은 상기 이온이 상기 화소 전극과 실제로 충돌한다는 관점에서 상기 화소 전극과 상호 작용한다. 다른 실시예에 있어서, 이온은 유도 전류 신호에 기초하여 상기 화소 전극과 상호 작용할 수 있다. 특히, 유도 전류는 이온들이 타임픽스 이온 검출기의 화소 전극에 근접 이동될 때 측정될 수 있다. 이 경우, 이온들은 상기 셀에서 순환할 수 있다. 다음에, 상기 포집 전기장을 주의 깊게 회전시킴으로써, 상기 이온들은 충돌없이도 상기 타임픽스 검출기의 화소 전극에 근접 이동될 수 있다. 이와 같은 이온들은 이온들에 근접 이동하는 화소들에서 시간 의존 이미지 전하를 유도할 수 있다. 이와 같은 측정은 상기 셀에서의 이온 운동 성질에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온 트랩에서 이온들에 의해 발생되는 이미지의 (고성능의)컴퓨터 시뮬레이션을 도시한다. 이와 같은 이미지들은 위치 감응성 이온 검출기의 화소 전극 상으로 투영됨에 따른 FT-ICR 분석기 셀에서의 이온 운동을 나타낸다. 상이한 클라우드들은 단백질 시토크롬(cyctochrome)(C)의 상이한 전하 상태들(m/z 또는 m/q)을 나타낸다. 상기 이온들을 축 방향으로(상기 자기장과 수직으로) 이동시킴으로써, 상기 FT-ICR 분석기 셀에서의 이온 클라우드들의 위치는 상기 셀의 통합 부분인 위치-감응성 검출기로 측정될 수 있다.

임의의 일 실시예와 관련하여 설명된 어떠한 특징도 단독으로 또는 상술된 다른 특징들과의 결합으로 사용될 수 있으며, 또한 상기 실시예들 중 임의의 다른 하나 이상의 특징과의 결합으로 사용될 수 있거나 또는 임의의 다른 실시예들과의 임의의 결합으로 사용될 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

1. 적어도 하나의 통합 이온 검출기, 바람직하게 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 검출기를 포함하는 이온 트랩, 바람직하게 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩).
2. 제1항에 있어서, 상기 이온 검출기의 적어도 일부는 상기 이온 트랩의 전극으로서 구성되는 이온 트랩.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온들을 포집하기 위한 포집 전기장(electric trapping field)을 발생시키기 위한 및/또는 여기 전기장(electric excitation field)을 상기 이온들에 인가하기 위한 복수의 전극들을 추가로 포함하며, 상기 이온 검출기는 상기 복수의 전극들 중 적어도 하나에 통합되는 이온 트랩.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 검출기는 화소 소자들의 어레이를 포함하며, 상기 화소 소자들 중 적어도 일부는 화소 판독 전자기기를 포함하거나 또는 화소 판독 전자기기에 접속되는 이온 트랩.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 검출기는 검출 플레이트를 추가로 포함하며, 상기 검출 플레이트는 반도체 층 및/또는 마이크로 채널 플레이트를 포함하는 이온 트랩.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 검출기의 적어도 일부는 상기 화소 전극에 전압을 인가하기 위한 전압원에 접속되며, 바람직하게 상기 이온 검출기의 전압 바이어스부는 상기 이온 트랩에서 전기장을 발생시키는 이온 트랩.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판독 전자기기는 상기 이온 검출기와 상호 작용하는 하나 이상의 이온과 연관된 이벤트들을 계수하기 위해 및/또는 상기 이온 검출기와 상호 작용하는 하나 이상의 이온과 연관된 비산 시간(time-of-flight) 정보를 결정하기 위해 구성되는 이온 트랩.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 트랩은 상기 이온 검출기의 검출면 전방에 장착된 전도성 그리드를 추가로 포함하며, 상기 전도성 그리드는 상기 이온 트랩에서 전기장을 발생시기키 위한 전압원에 접속되는 이온 트랩.
9. 제1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 트랩은 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩)으로서 구성되는 이온 트랩.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 트랩은 입방형, 장방형, 원통형 또는 쌍곡선형 트랩으로서 구성되는 이온 트랩.
11. 이온 트랩에서 이온들을 검출하기 위한 검출 시스템으로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이온 트랩;
    상기 이온 트랩의 전극들 중 적어도 하나에 전압을 인가하기 위한 적어도 하나의 전압원을 포함하며,
    상기 전압원은 상기 이온 트랩에서 상기 전기장을 조종하여 상기 이온 트랩에서 이온들 중 적어도 일부가 상기 이온 검출기를 향해 이동하도록 구성되는 검출 시스템.
12. 진공 호환성 이온 트랩 조립체로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이온 트랩;
    이온 검출기를 지지하기 위한 칩 캐리어, 바람직하게 인쇄 회로 기판(PCB)으로서, 상기 칩 캐리어는:
    하나 이상의 제1 전기 전극이 구비되는 상부면;
    하나 이상의 제2 전극이 제공되는 배면; 및
    상기 칩 캐리어 내에 매설되고, 상기 하나 이상의 제1 전극과 상기 하나 이상의 제2 전극을 각각 전기적으로 접속하는 하나 이상의 전도성 와이어를 포함하며, 상기 상부면은 UHV 밀봉층, 바람직하게 액정 중합체 물질을 포함하는 제1 밀봉층으로 커버되는, 상기 칩 캐리어를 포함하는 이온 트랩 조립체.
13. 제12항에 있어서,
    상기 상부면 위에서 적어도 부분적으로 연장하는 적어도 하나의 제1 열전도층 및 상기 배면 위에서 적어도 부분적으로 연장하는 적어도 하나의 제2 열전도층을 포함하며, 상기 칩 캐리어는 적어도 상기 제1 열전도층과 상기 제2 열전도층을 열적으로 접속하기 위해 상기 PCB 내에 매설되는 하나 이상의 열전도성 비아(via)를 추가로 포함하는 이온 트랩 조립체.
14. 질량 분석기, 바람직하게 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기에서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이온 트랩의 용도로서, 상기 이온 검출기는 상기 질량 분석기에서 이온들과 연관된 공간 분포 및/또는 비산 시간 정보를 측정하도록 구성되는 용도; 및/또는 높은 자기장, 바람직하게 0.1 내지 50 T 사이에서 선택된 높은 자기장에서 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 이온 트랩의 용도.
15. 이온 트랩, 바람직하게 이온 사이클로트론 공명 분석기 셀 (트랩)에서 이온들을 검출하는 방법으로서, 상기 이온 트랩은 적어도 하나의 통합 이온 검출기, 바람직하게 위치-감응성 및/또는 시간-감응성 검출기를 포함하는, 상기 검출 방법으로서,
    상기 이온 트랩에 하나 이상의 이온을 제공하는 단계;
    상기 이온 트랩에서 상기 이온들의 운동을 조종하는 단계;
    상기 이온들 중 적어도 일부를 검출하는 단계 및/또는 상기 이온 검출기를 사용하여 상기 이온들 중 적어도 일부와 연관된 비산 시간 정보를 측정하는 단계를 포함하는 방법.

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