KR20170026882A - 질량분석기용 사중극자 질량 필터 및 이를 포함하는 사중극자 질량분석기 - Google Patents

질량분석기용 사중극자 질량 필터 및 이를 포함하는 사중극자 질량분석기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 4개의 전극과 상기 4개의 전극을 고정하기 위한 절연체 홀더를 포함하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 사중극자 질량필터는 절연체 홀더의 내부면 중 각각의 전극과 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 상기 4개의 전극 각각은 상기 절연체 홀더와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 사중극자의 평행도, 직진도 및 조립정밀도가 우수한 사중극자 질량 분석기를 제공할 수 있다.

Description

질량분석기용 사중극자 질량 필터 및 이를 포함하는 사중극자 질량분석기{Quadrupole mass filter and quadrupole mass spectrometer comprising the same}
본 발명은 질량분석기에 사용되는 사중극자 질량필터 및 이를 포함하는 질량분석기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사중극자 질량필터내 각 전극 봉을 동일선상에 정렬시키는 사중극자 질량 필터 및 이를 포함하는 질량분석기에 관한 것이다.
질량분석이란 진공분위기에서 기화된 시료분자나 원자를 이온화(ionization)하여 이들을 전장이나 자장 또는 전자장하에서 이온화된 분자나 원자의 특이한 운동을 이용하여 질량대 하전비(mass-to-charge ratio)를 측정하는 방법이다.
이러한 질량분석을 위해서는 고진공장치, 이온화장치, 질량대 하전비값에 따른 분리장치, 분리된 각 하전입자의 검출장치 등이 필요하다.
이러한 질량분석장치 중에는 사중극자 질량분석기(quadrupole mass spectrometer)가 있으며, 이 사중극자 질량분석기는 다른 질량분석기에 비해 장치의 부피가 작고, 시료를 안정적으로 측정 할 수 있고 다른 질량분석기와 비교해 저렴하며 구조가 간단하여 잔류가스 검출기, 공기 모니터링, 환자의 호흡기 검사, 발효과정 모니터링 등에 많이 사용되고 있다.
이러한 사중극자 질량분석기는 도 1에 도시한 바와 같이 구성된 사중극자 질량필터(quadrupole mass filter)를 구비하고 있다.
상기 도 1에 도시된 사중극자 질량필터는 종래의 기술에 따른 질량필터로서, 길이 100 mm 이상인 메인필터(main filter)(100)와 길이 약 20 mm인 프리필터(pre filter)(200)로 구성된다.
사중극자 메인필터(100)는 상기 도 1에서 도시한 바와 같이 4개의 전극으로 구성되는데, 서로 마주 설치된 전극이 한 쌍을 이루고 서로 다른 쌍에 대하여 정반대 위상의 전원을 공급한다. 이렇게 구성된 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터는 알루미나 등으로 구성되는 세라믹 링(210)에 의해 상기 프리필터(200)를 메인필터(100)와 함께 조립하여 하나의 원통형 케이스(300)의 내부에 장착될 수 있다.
이러한 사중극자 질량 필터(Quadrupole mass filter)는 4개의 평행한 금속 봉으로 이루어진 전극 조립체로서, 도 2a에서는 이상적인 쌍곡선면을 갖는 사중극자 질량필터 및 상기 쌍곡선면의 일부를 공유하는 원기둥 형태의 사중극자 질량필터를 도시하였다.
상기 도 2a에서 볼 수 있듯이, 사중극자 질량필터 내 금속 전극들이 가질 수 있는 기하학적인 모습들 중에서 서로 마주보고 있는 두 면이
Figure pat00001
의 쌍곡선으로 표현될 때 가장 이상적인 구조가 된다. 여기에 대각선으로 위치하는 2개의 전극들을 전기적으로 연결하여 2 쌍을 만들고, 그 중 한 쌍에는
Figure pat00002
의 전압을 그리고 나머지 한 쌍에는
Figure pat00003
의 전압을 걸어준다. 이 때 U는 DC 전압이고 V는 RF 전압의 정점값이며, f는 RF 전압의 주파수이다.
상기 사중극자 질량필터내로 분석하고자 하는 대상의 이온화되어 쪼개진 입자가 사중극자(quadrupole)안으로 들어오면 진행축에 수직인 방향으로 진동 운동을 한다. 이 경우, 어느 선택된 질량의 이온은 안정된 운동을 하면서 사중극자(quadrupole)을 통과하지만 다른 질량의 이온들은 진폭이 커지는 불안정한 운동을 함으로써 봉에 충돌하여 없어지게 된다. 이 때 사중극자 질량 필터(quadrupole mass filter)를 통과하는 이온의 질량은 아래의 관계식에 의하여 결정된다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기에서, m은 이온의 질량, f는 MHz의 단위로 주어지는 RF 주파수, ro는 4개의 봉 안쪽에 생기는 공간의 반경이다.
또한 상기 도 2a에서는 상기 이상적인 쌍곡선면과 비교하여 원형면을 쌍곡선면의 중심 일부분으로 대체하여 제시되는 사중극자 질량필터를 도시하였다.
여기서, 상기 사중극자 질량필터의 전극은 초기에는 금속 봉을 사용하였으나 최근에는 온도에 따른 열팽창을 현저히 줄일 수 있는 세라믹과 석영재질로 쌍곡선(hyperbolic)형의 봉을 사출해내고 안쪽의 표면에만 금도금하여 조립된 사중극자(quadrupole) 등이 값비싼 질량분석기에 사용되고 있다.
한편, 상기 쌍곡선면 사중극자는 정밀한 제작이 어려워서 현재까지도 많은 질량분석기에서 원형 봉으로 제작된 사중극자 질량분석기를 사용한다.
즉, 일반적인 상용의 질량분석기에 사용되는 사중극자(quadrupole)의 경우, 가공하기 어려운 쌍곡선면 대신에 원형 봉을 사용할 수 있다. 그러나 쌍곡선면을 원형 봉으로 대체하는 것은 중심의 작은 일부분만 대체하므로 원형봉의 조립정밀도는 1 ~ 2 um 수준이어야 하며 조금만 틀어져도 정상적인 질량스펙트럼을 얻지 못하는 문제가 발생한다.
한편, 기체크로마토그라피-질량분석기(GCMS)와 같이 유기물 시료를 분석하는 질량분석기는 시료기체가 도입되는 이온원과 사중극자 질량분석기에 유기물이 흡착되지 않도록 카트리지 히터를 사용하여 약 200 ~ 250℃온도를 유지하도록 열을 가해 주며, 또한 진공부품 및 기체 분석에 사용되는 잔류가스분석(residual gas analyzer, RGA) 질량분석기도 배경피크(background peak)를 낮추기 위하여 전체 진공 챔버를 약 200℃로 가열해준다. 이 경우 종래의 사중극자 질량분석기는 열에 의한 팽창 및 수축이 심하여 처음의 조립 정밀도를 점점 잃게 되기 때문에 성능이 점차 감소하게 되는 단점을 포함하며, 또한 종래의 사중극자 질량분석기는 사중극자 메인 필터 외에 프리 필터를 별도로 제작하여 메인 필터와 동축 상에 평행하도록 정밀하게 부착해야 하는 어려움과, 4개의 전극봉을 정밀하게 조립해야 하는 어려움을 포함하고 있다.
이러한 사중극자 질량분석기용 질량필터에 관련된 종래기술로서, 한국등록특허공보 제10-0786621호(2007.12.21.)에서는 석영 재질의 백금족 금속 도금한 쌍곡선면 사중극자 질량분석기에 관해 기재되어 있고, 또한 한국등록특허공보 제10-0936749호(2010.01.15.)에서는 메인필터와 프리필터를 용이하게 정렬시킬 수 있도록 메인필터와 프리필터를 일체로 구성한 사중극자 질량분석기에 관해 기재되어 있다.
그러나 상기 선행문헌을 포함하는 종래기술에 의해 얻어지는 사중극자 질량필터는 프리필터, 메인필터 등을 포함하는 각각의 전극을 동일선상에 정렬시키기 어려운 단점이 있고, 원형봉의 까다로운 조립정밀도를 요구하여 중심으로부터 정렬이 조금만 틀어져도 정상적인 질량스펙트럼을 얻지 못하는 문제가 발생한다.
또한 앞서 기재된 바와 같이, 종래기술에 의해 얻어지는 사중극자 질량필터는 각각의 전극을 소정의 간격으로 이격시키기 위해 필요한 절연체 홀더를 상기 전극의 원형의 단면 형태로 가공하기 위한 작업이 어려운 단점이 있으며, 아울러, 상기 절연체 홀더의 가공을 위한 비용에 의해 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있어, 보다 효율적으로 사중극자 질량필터 내 각각의 전극을 정렬할 수 있고 경제적인 방법에 의해 제조되는 절연체 홀더를 포함하는 사중극자 질량필터 및 이를 포함하는 사중극자 질량분석기의 개발에 대한 요구는 지속적으로 증가되고 있는 실정이다.
한국등록특허공보 제10-0786621호(2007.12.21.) 한국등록특허공보 제10-0936749호(2010.01.15.)
본 발명은 질량분석기용 사중극자 질량 필터 및 이를 포함하는 사중극자 질량분석기로, 사중극자의 평행도, 직진도 및 조립정밀도가 우수한 사중극자 질량필터를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 절연체 홀더의 가공이 용이하여 신속하고 간편하게 절연체 홀더를 가공할 수 있음으로써, 보다 경제적으로 사중극자 질량필터를 제공하는 것을 발명의 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 사중극자 질량필터를 포함하는 사중극자 질량분석기를 제공하는 것을 발명의 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)와 상기 4개의 전극부를 고정하기 위한 적어도 하나 이상의 절연체 홀더(50)를 포함하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터(400)에 있어서, 상기 절연체 홀더(50)는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 각각 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루어 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40) 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 단면의 적어도 일부가 서로 대향되는 부분을 기준으로 원형 혹은 쌍곡선의 형태를 가질 수 있다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 전극부가 메인필터(maim filter) 전극과 프리필터(pre filter) 전극을 포함할 수 있고, 이 경우에 상기 프리필터 전극의 길이는 메인필터 전극의 길이에 대해 8 % 내지 25 %의 범위를 가질 수 있다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각이 서로 동일한 단면을 가질 수 있다.
일 실시예로서, 상기 절연체 홀더(50)는 알루미나로 이루어진 것일 수 있다.
일 실시예로서, 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 전극부의 서로 절연체 홀더(50)와 접촉되는 평면쪽에 결합홈(11, 21, 31, 41)이 형성되고, 상기 절연체 홀더(50)에는 4개의 전극부와 결합될 수 있는 4개의 개구부(10a, 20a, 30a, 40a)가 형성되며, 상기 결합홈과 상기 개구부는 체결부재(60)에 의해 연결되어 상기 각각의 전극부와 절연체 홀더가 서로 결합될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 절연체 홀더(50)의 두께는 1.2 mm 내지 7 mm의 범위일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 절연체 홀더(50)는 1개 내지 4개일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면은 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분이 제거된 구조일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면은 전극간의 서로 대향되는 단부의 단면이 쌍곡선의 형태로서 절연체 홀더(50) 방향으로 벌어진 구조일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 사중극자 질량필터를 포함하는 사중극자 질량분석기를 제공한다.
또한, 본 발명은 4개의 전극부(10, 20, 30, 40); 상기 4개의 각각의 전극부를 고정하기 위한 절연체 홀더(50); 상기 절연체 홀더와 각각의 전극을 결합시키기 위한 체결부재(60); 및 상기 각각의 전극들과 절연체 홀더를 감싸는 케이스;를 포함하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터(400)에 있어서, 상기 사중극자 질량필터내 상기 절연체 홀더(50)는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루며 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 상기 4개의 전극부 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터를 제공한다.
일 실시예로서, 상기 4개의 전극부의 각각의 단면은 상기 4개의 전극부에서의 각각의 단면은 전극간의 서로 대향되는 단부의 단면이 쌍곡선의 형태로서 절연체 홀더(50) 방향으로 벌어진 구조이거나, 또는, 각각의 단면은 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분이 제거된 구조일 수 있다.
본 발명에서의 사중극자 질량 필터는 절연체 홀더의 내부면 중 각각의 전극과 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 상기 4개의 전극 각각은 상기 절연체 홀더와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 사중극자의 평행도, 직진도 및 조립정밀도가 우수한 사중극자 질량 분석기를 제공할 수 있으며, 이로 인해 감도 손실이 적어 보다 효율적인 질량분석을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 절연체 홀더의 가공이 용이하여 신속하고 간편하게 절연체 홀더를 가공할 수 있음으로써, 보다 경제적으로 사중극자 질량필터를 제공할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 사중극자 질량필터를 도시한 그림이다.
도 2a는 이상적인 쌍곡선면을 가지는 사중극자 질량필터의 전극의 단면도이며, 도 2b는 사중극자 질량필터의 안정도 곡선이다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명에 일실시예에 따른 절연체 홀더의 단면도 및 사시도이다.
도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 일실시예에 따른, 전극의 단면도, 사시도 및 정면도이다.
도 5a, 5b 및 5c는는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른, 전극의 단면도, 사시도 및 정면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 일실시예에 따른, 4개의 전극과 알루미나 홀더를 조립하여 얻어지는 사중극자 질량 필터의 단면도 및 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 발명의 구성을 상세히 설명한다.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)와 상기 4개의 전극부를 고정하기 위한 적어도 하나 이상의 절연체 홀더(50)를 포함하며, 이때 상기 절연체 홀더(50)는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 각각 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루어 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40) 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 한다.
통상적으로 사중극자 질량 필터는 4개의 평행한 금속 봉으로 이루어진 전극부와 상기 4개의 전극부를 고정하기 위한 절연체 홀더를 포함하고, 이에 상기 전극부들과 절연체 홀더를 감싸는 케이스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 각각 4개의 평행한 금속봉 등의 도전성을 가지는 재료를 포함하며, 이들이 소정의 거리로 평행하게 이격될 수 있도록 정밀하게 조립되어야 한다.
이 경우에 상기 전극부는 연속적인 이온빔 상에서 작동되지만, 비연속 신호들을 적절하게 통합하기 위한 스캔 기능 및 데이터 획득 알고리즘의 적절한 수정에 의해, 펄스화된 이온빔이 사용될 수도 있다.
또한, 상기 전극부를 포함하는 사중극자 질량필터에서, 장축을 중심으로 사중 대칭 배치된 각각의 전극부 상에 동적으로 전기 전위를 인가함으로써, 사중극자 필드를 기기 내에 생성한다. 대칭축은 z축으로 지칭된다. 관례적으로, 4개의 각각의 전극부가 x로드 쌍 및 y로드 쌍으로 묘사된다. 임의의 시점에서, 두 x로드는 서로 동일한 전위를 가지며, 두 y로드 역시 그러하다. y로드의 전위는 x로드에 대해 반대가 된다. z축에서 일정한 전위에 대해, 각 로드 세트의 전위는 고속으로 진동하는 RF 성분 및 일정한 DC 오프셋으로 표현될 수 있다.
x로드 상의 DC 오프셋은 양의 오프셋이므로, 양이온이 이를 z축 가까이에 유지하려는 복원력의 영향을 받게 되고, x방향의 전위는 우물(well)과 같다. 반면에, y로드 상의 DC 오프셋은 음의 오프셋이므로, 양이온이 이를 z축으로부터 멀리 구동하는 반발력의 영향을 받고, y방향의 전위는 새들(saddle)과 같다.
진동하는 RF 성분이 양 로드 쌍에 인가된다. x로드 상의 RF 위상은 동일하고, y로드 상의 위상과 180˚다르다.
이온들은 사중극자의 입구로부터 종종 사중극자의 출구에 배치되는 검출기까지 z축을 따라 관성적으로 이동한다. 사중극자의 내부에서 이온들은 x, y방향으로 분리 가능한 궤도를 가진다. x방향에서는, 인가된 RF 필드가 최소 질량대 전하비를 가진 이온들을 전위 우물 외부로 그리고 로드들 내부로 운반한다. 충분히 높은 질량대 전하비를 가진 이온들은 우물 내에 갇힌 채로 유지되며, x방향으로 안정된 궤도를 가진다. x방향으로 인가된 필드는 고역통과 질량 필터로 작용한다. 반면에, y방향에서는, 가장 가벼운 이온들만이 인가된 RF 필드에 의해 안정화되고, 이는 인가된 DC가 이온들을 로드들 내부로 당기려는 경향을 극복한다. 그러므로 y방향으로 인가된 필드는 저역통과 질량 필터(low pass mass filter)로 작용하며, x, y 모두에서 안정된 성분 궤도를 가진 이온들은 사중극자를 통과하여 검출기에 도달한다.
한편, 상기 사중극자 질량필터를 포함하는 질량분석기에서의 DC 오프셋 및 RF 진폭은 바람직한 m/z값 범위를 가진 이온들만을 측정하도록 선정될 수 있다.
사중극자 질량 필터의 작동이론은 이온이 사중극자 안으로 들어오면 진행축에 수직인 방향으로 진동 운동을 한다. 이 경우, 어느 선택된 질량의 이온은 안정된 운동을 하면서 사중극자를 통과하지만 다른 질량의 이온들은 진폭이 커지는 불안정한 운동을 함으로써 전극 봉에 충돌하여 없어지게 된다. 사중극자 안을 통과하는 이온의 운동방정식은 다음과 같다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
세 개의 새로운 변수 a와 q 및 ξ를 다음과 같이 정의하고 치환하면 이 식들은 매튜(Mathieu) 방정식이 된다. 매튜 방정식는 두 변수인 a, q에서만 영향을 받으며, 특정의 이온의 궤도 역시 초기 상태에 의해 좌우된다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
매튜 방정식의 경계(bounded) 해법은 유한 반경 원통을 결코 벗어나지 않는 궤도에 대응하며, 반경은 이온들의 초기 상태에 따라 좌우된다. 통상적으로 경계 해법은 사중극자를 통해 검출기로 이온들을 운반하는 궤도와 동일시된다.
매튜 방정식의 경계 해법을 포함하는 영역은 안정성 영역으로 불리며, 안정성 영역은 궤도의 x성분 및 y성분이 각각 안정되는 영역에 대응하는 두 영역의 교차점에 의해 형성된다.
사중극자 질량 필터를 통과하는 이온들은 도 2b에 도시된 안정도 안에서 있을 때 안정한 궤적을 갖고 통과할 수 있고, 고정된 값 r0, ω, U 및 V에 대하여, 같은 m/e를 갖는 모든 이온들은 안정도에서 같은 작용점(operating point)(a,q)를 가지며, a/q가 2U/V와 같지만 m/e에는 의존하지 않으므로, 상수 a/q와 동일한 선에 위치하는 모든 이온의 작용점(operating point)은 안정도의 원점을 통과하게 된다.
여기서, U/V의 비율이 증가함에 따라 질량 스캔라인(mass scan line)은 안정도 영역의 꼭지점에 좀 더 접근하게 되고, 통과하는 이온의 질량범위가 좁아지고 따라서 분해능은 증가할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 상기 절연체 홀더는 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 각각 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루어 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며, 또한, 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40) 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에서는 상기 절연체 홀더가 내부의 빈 공간을 포함하며, 상기 빈 공간 내 각각의 전극부와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어지고, 또한 상기 각각의 전극부에서의 절연체 홀더와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 종래기술에 따라 도 1에서 도시된 바와 같은 사중극자 질량필터에서의 단점인, 사중극자 질량필터에서의 각각의 전극봉과 절연체 홀더의 조립의 정확도가 절연체 홀더의 정밀가공에 의존하게 되는 것을 탈피하며, 또한 절연체 홀더 내 전극부와 접촉하게 되는 곡면을 가공함에 있어서의 복잡함과 전극부와 절연체홀더와의 조립 시 정렬의 어려움을 해결할 수 있다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명에 일실시예에 따른 절연체 홀더의 단면도 및 사시도이다.
상기 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 절연체 홀더는 종래의 절연체 홀더에서 전극부와 결합되는 부분이 곡면을 갖는 구조와는 달리, 절연체 홀더의 빈공간의 내면이 4각 평면의 형상이 되도록 가공하며, 상기 4각 평면의 각각의 면은 전극봉과 접촉하는 부분이 평면으로 구성되어 있어서, 전극부쪽의 홀더와 접촉하는 면과 쉽게 밀착되어 정밀하게 조립될 수 있는 장점이 있다.
상기 절연체 홀더는 절연이 가능한 세라믹으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 알루미나로 이루어질 수 있고, 절연체 홀더의 두께는 1.2 mm 내지 7 mm의 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 절연체 홀더는 사중극자 질량필터 내에 적어도 하나 이상이 구비될 수 있으며, 바람직하게는 1 개 내지 4 개를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 2 개 내지 3 개를 가질 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 절연체 홀더의 사시도를 도시하고 있으며, 4개의 면에는 절연체 홀더의 개구부(10a, 20a, 30a, 40a) 포함하고 있다. 상기 개구부는 절연체 홀더와 4개의 전극부를 결합시키기 위해 절연체 홀더에 형성된 것으로, 이후에 서술될 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)에 각각 형성되는 결합홈(11, 21, 31, 41)과 정렬되어 체결부재(60)에 의해 연결됨으로써, 상기 4개의 전극부 각각을 절연체 홀더에 고정되어 결합시킬 수 있다.
여기서 상기 절연체 홀더의 각각의 개구부는 단면이 원형이거나, 또는 삼각형, 사각형 등의 다각형일 수 있으나, 상기 체결부재와의 결합 편리성을 위해 원형의 단면을 가지는 것이 바람직하다.
여기서 상기 체결부재는 절연체 홀더에 형성된 개구부와 4개의 전극부 각각에 형성된 결합홈이 서로 밀착되어 결합될 수 있는 기능을 가지는 금속나사가 사용될 수 있으며, 일반적으로 stainless steel 나사가 많이 사용된다.
또한, 상기 절연체 홀더의 개구부는 내부쪽보다 외부쪽의 개구 표면이 크도록 개구부가 형성될 수 있고, 상기 도 3b에서와 같이, 외부 원기둥의 반경이 내부 개구부의 원기둥의 반경보다 큰, 두 개의 원기둥이 서로 중첩되어 연결된 형상을 가질 수 있다.
한편, 본 발명에서의 4개의 전극부는 앞서 기재한 바와 같이, 각각 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되도록 할 수 있다.
이때, 상기 전극부에 포함되는 평면의 크기보다 상기 절연체 홀더의 내부면에 형성된 평면의 크기가 더 큰 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각이 서로 동일한 단면을 가지도록 형성될 수 있고, 또한, 상기 4개의 전극부는 서로 마주 설치된 전극이 한 쌍을 이루고 서로 다른 쌍에 대하여 정반대 위상의 전원을 공급하여 구성될 수 있다.
또한 본 발명에서의 상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 전극부가 메인필터(maim filter, 주필터) 전극과 프리필터(pre filter, 전필터) 전극을 포함할 수 있고, 이 경우에 상기 프리필터 전극의 길이는 메인필터 전극의 길이에 대해 8 % 내지 25 %의 범위를 가질 수 있다.
상기 프리필터와 메인필터사이의 간격은 1.7 내지 2.5 mm의 범위를 가질 수 있으며, 이들은 절연체에 격리되어 있다.
도 4 및 도 5에서는 본 발명에 따른 전극의 예시적 구성을 도시한 것으로, 보다 상세하게는 도 4a, 4b 및 4c는 본 발명의 일실시예에 따른, 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면의 적어도 일부가 서로 대향되는 부분을 기준으로 원형의 구조를 갖는 전극의 단면도, 사시도 및 정면도를 나타낸 그림이고, 도 5a, 5b 및 5c는 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면의 적어도 일부가 서로 대향되는 부분을 기준으로 쌍곡선의 형태를 갖는 전극의 단면도, 사시도 및 정면도를 나타낸 그림이다.
상기 도 4 및 도 5에서 도시한 전극부는 앞서 절연체 홀더의 개구부에 관해 설명에서 언급한 바와 같이, 4개의 전극부(10, 20, 30, 40) 각각의 절연체 홀더(50)와 접촉되는 평면쪽에 결합홈(11, 21, 31, 41)이 형성됨으로써, 상기 전극부에 형성된 결합홈과 상기 개구부가 체결부재(60)에 의해 연결되어 전극부와 절연체 홀더가 서로 결합되도록 할 수 있다.
이때, 상기 결합홈은 나사산 구조를 가짐으로써 이에 대응하는 나사산을 갖는 체결부재와의 결합을 용이하게 할 수 있다.
또한 상기 도 4a에서의 전극부는 결합홈이 형성된 부분을 제외하고는, 각각의 전극부 단면이, 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분이 제거된 구조를 나타낼 수 있다.
즉, 상기 도 4a에서 도시된 바와 같이, 원기둥 형태의 전극봉을 연마하거나 또는 일부를 잘라냄으로써 절연체 홀더와 결합되는 부분을 평면을 갖도록 하여, 상기와 같이 전극부 단면이, 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분(도 4a내 점선의 호를 포함하는 부분)이 제거된 구조를 갖도록 할 수 있다.
이 경우에 상기 전극부는 쌍곡선 형태를 갖는 전극부보다 제작상의 용이한 점을 가지고 있어, 보다 경제적이고 높은 정밀도를 갖는 전극부를 형성할 수 있어, 최종적으로 얻어지는 사중극자 질량필터의 조립의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 상기 도 4b 및 도 4c에서는 앞서 기재된 바와 같이 각각의 전극부에 결합홈(11, 21, 31, 41)이 형성된 구조를 도시하고 있다.
또한 상기 도 5a에서의 전극부는 결합홈이 형성된 부분을 제외하고는 각각의 전극간의 서로 대향되는 단부의 단면이 쌍곡선의 형태로서 절연체 홀더(50) 방향으로 벌어진 구조를 나타낼 수 있다.
즉, 각각의 전극부가 대향하는 정중앙의 일부가 쌍곡선의 형태를 가짐으로써, 상기 도 5a에서 도시하는 바와 같이, 전극부내 좌측의 곡선이 절연체 홀더 방향으로 벌어진 쌍곡선의 형태(도 5a 내 h1 부분)를 가지도록 할 수 있고, 절연체 홀더의 내부면과 상기 전극부가 밀착되어 결합되도록 하기 위해 상기 전극부의 절연체 홀더와 밀착되도록 형성된 평면에 수직방향(도 5a 내 h2 부분)으로 상기 쌍곡선과 닿도록 전극부를 가공함으로써, 서로 대향하는 각각의 전극부의 대향점쪽의 적어도 일부를 쌍곡선의 형태를 갖도록 할 수 있다.
또한 상기 도 5b 및 도 5c에서는 앞서 기재된 바와 같이 각각의 전극부에 결합홈(11, 21, 31, 41)이 형성된 구조를 도시하고 있다.
도 4c 및 5c는 본 발명에 따른 예시적인 전극부의 길이와 결합홈의 위치를 표시하여 도시하였다.
일실시예로 도 4의 원기둥의 일부가 잘린 형태를 갖는 전극부의 길이는 100 mm이며, 이들은 20 mm 내지 30 mm 간격으로 결합홈이 형성된 것을 볼 수 있다.
또한, 상기 도 5의 쌍곡선 형태를 갖는 전극부의 길이는 180 mm를 나타내고 있으며, 이 때 전극 봉의 높이(H)는 h1과 h2의 합으로서, 상기 h1은 쌍곡선면의 높이이며, h2는 쌍곡선면의 하단부에서 전극의 끝부분사이의 높이이다.
상기 h1은 2.247 mm 이며, h2는 4.957 mm이다. 그리고 직경(D)는 10 mm 으로 하여 전극 봉을 제작할 수 있지만, 이는 질량분석기에 따라 또는 사용자가 분석하고자 하는 분석조건에 따라 변경이 가능하며, 상기의 값에 제한을 받지 않는다.
본 발명에 따른 상기의 도 4 및 도 5의 구조를 갖는 전극부를 12개를 제작하여 각각의 크기와 높이를 측정한 결과, 전극 봉의 높이(H)는 0.001 내지 0.002 mm 이내의 오차를 보이며, 전극 봉의 직경(D)는 오차가 없는 것으로 잘 제작되었음을 알 수 있다.
이 경우에 상기 도 4의 구조를 갖는 전극부를 형성하는 것이 도 5의 구조를 갖는 전극부를 형성하는 것보다 전극부의 가공성 측면에서 더욱 용이하여 보다 경제성이 우수한 사중극자 질량 필터를 제공할 수 있으며, 아울러, 전극부의 유지 보수 측면에서 용이한 장점을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 사중극자 질량 필터에 사용된 전극부 및 절연체 홀더와 결합된 모습을 도 6에 도시하였다.
이를 보다 상세히 살펴보면, 도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 일실시예에 따른, 4개의 전극과 알루미나 홀더를 조립하여 얻어지는 사중극자 질량 필터의 단면도 및 사시도이다.
도 6a에 따르면, 각각의 전극부에서의 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되고 있기 때문에 도 1에 도시된 종래의 사중극자 질량 필터에서 전극부를 고정하기 위해 절연체 홀더의 내부를 원형으로 제조함으로써 야기되는 문제점을 해결할 수 있으며, 이로 인하여 조립정밀도가 우수함을 알 수 있다.
표 1은 본 발명에 따른 전극부와 절연체 홀더(알루미나 홀더)를 각각 가공한 후 이를 조립함으로써 얻어지는 사중극자 질량 필터의 조립 오차를 측정한 결과를 나타내었다. 여기서 상기 도 6b에서의 각각의 위치별 번호중 1, 2 및 3은 제일 상부에 위치한 전극의 결과를 나타낸 것이고, 2, 4 및 6은 좌측에 위치한 전극의 결과를 나타낸 것으로서, 하기 표 1에서의 위치별 조립의 평행도 및 정밀도에 대응한다.
위치별 조립의 평행도 및 정밀도 치수(mm)
평행도/직진도
(각 쌍에서 두 바닥면 간격)		 1 23.418
2 23.420
3 23.418
4 23.419
5 23.420
6 23.420
각 쌍에서의 상대위치 정밀도 쌍1 (1, 2, 3) < 0.002
쌍2 (4, 5, 6) < 0.002
상기 표 1에서 볼 수 있는 것과 같이, 본 발명에 따른 사중극자 질량 필터의 경우 평행도 및 직진도, 조립정밀도는 모두 0.002 mm 이내로 우수함을 보여주고 있고, 이로 인해 정상적인 질량스펙트럼을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 사중극자 질량필터를 포함하는 사중극자 질량분석기를 제공할 수 있다. 이는 상기 사중극자 질량필터를 바탕으로 질량분석기에 사용되는 종래기술에 따른 다양한 구성요소를 부가함으로써, 통상의 기술자가 용이하게 제작 가능한 것에 해당할 수 있다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10, 20, 30, 40 : 전극부 50 : 절연체 홀더
60 : 체결부재 10a, 20a, 30a, 40a : 절연체 홀더의 개구부
11, 21, 31, 41 : 전극부내 결합홈
400 : 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터

Claims (14)

  1. 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)와 상기 4개의 전극부를 고정하기 위한 적어도 하나 이상의 절연체 홀더(50)를 포함하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터(400)에 있어서,
    상기 절연체 홀더(50)는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 각각 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루어 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40) 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더(50)의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 단면의 적어도 일부가 서로 대향되는 부분을 기준으로 원형 혹은 쌍곡선의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 전극부가 메인필터(maim filter) 전극과 프리필터(pre filter) 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프리필터 전극의 길이는 메인필터 전극의 길이에 대해 8 % 내지 25 %의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각이 서로 동일한 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연체 홀더(50)는 알루미나로 이루어진 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)는 각각의 전극부의 서로 절연체 홀더(50)와 접촉되는 평면쪽에 결합홈(11, 21, 31, 41)이 형성되고, 상기 절연체 홀더(50)에는 4개의 전극부와 결합될 수 있는 4개의 개구부(10a, 20a, 30a, 40a)가 형성되며, 상기 결합홈과 상기 개구부는 체결부재(60)에 의해 연결되어 상기 각각의 전극부와 절연체 홀더가 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연체 홀더(50)의 두께는 1.2 mm 내지 7 mm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연체 홀더(50)는 1개 내지 4개를 갖는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면은 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분이 제거된 구조인 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)의 각각의 단면은 전극간의 서로 대향되는 단부의 단면이 쌍곡선의 형태로서 절연체 홀더(50) 방향으로 벌어진 구조인 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 사중극자 질량필터를 포함하는 사중극자 질량분석기.
  13. 4개의 전극부(10, 20, 30, 40);
    상기 4개의 각각의 전극부를 고정하기 위한 절연체 홀더(50);
    상기 절연체 홀더와 각각의 전극을 결합시키기 위한 체결부재(60); 및
    상기 각각의 전극들과 절연체 홀더를 감싸는 케이스;를 포함하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터(400)에 있어서,
    상기 사중극자 질량필터내 상기 절연체 홀더(50)는 4개의 전극부(10, 20, 30, 40)가 서로 소정의 거리로 평행하게 이격되어 대칭형상을 이루며 구비되도록, 내부면에 빈 공간을 포함하는 고리(ring) 구조를 가지되, 상기 절연체 홀더(50)의 내부면 중 각각의 전극부와 접촉하는 부분은 평면으로 이루어지며,
    상기 4개의 전극부 각각은 상기 절연체 홀더(50)와 접촉하는 부분이 평면으로 이루어짐으로써, 상기 절연체 홀더의 평면으로 이루어진 내부면에 접촉하여 각각의 전극부가 절연체 홀더와 밀착되는 것을 특징으로 하는 사중극자 질량분석기용 사중극자 질량필터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 4개의 전극부의 각각의 단면은 상기 4개의 전극부에서의 각각의 단면은 전극간의 서로 대향되는 단부의 단면이 쌍곡선의 형태로서 절연체 홀더(50) 방향으로 벌어진 구조이거나,
    또는, 각각의 단면은 원의 지름에 대해 평행한 직선에 의해 양분되는 부분 중에 보다 작은 면적을 가지는 부분이 제거된 구조인 것을 특징으로 하는 사중극자 질량필터.
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