KR20170068563A - 이온 개질을 갖는 이온 이동도 분광 분석기 - Google Patents

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Abstract

이온 이동도 분광 분석기(100)는 가스 유체의 샘플이 주위 압력 영역으로부터 이온화될 이온 이동도 분광 분석기의 저압 영역으로 흐르도록 허용하기 위해 배치된 개구를 포함하는 샘플 입구(108); 주위 압력보다 낮도록 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하기 위해 배치된 제어기(200); 및 가스의 샘플로부터 획득되는 저압 영역에서의 이온을 개질시키도록 구성된 이온 개질제(126, 127, 202)를 포함하며, 이온은 가스 샘플로부터 획득된다.

Description

이온 개질을 갖는 이온 이동도 분광 분석기{ION MOBILITY SPECTROMETER WITH ION MODIFICATION}
본 개시물(disclosure)은 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 분광 분석기(spectrometer) 및 분광 분석(spectrometry) 방법에 관한 것이다.
IMS(ion mobility spectrometer)는 물질(예를 들어 분자, 원자)을 이온화하고, 생성된 이온이 알려진 전기장 하에서 드리프트 가스를 통해 알려진 거리를 이동하는데 걸리는시간을 측정함으로써 관심 샘플로부터 물질을 식별할 수 있다. 각각의 이온의 비행 시간(time of flight)은 탐지기에 의해 측정될 수 있고, 비행시간은 이온의 이동도와 연관된다. 이온의 이동도는 질량 및 기하학(geometry)과 관련이 있다. 따라서, 탐지기에서 이온의 비행 시간을 측정함으로써 이온에 대한 동일성(identity)을 추론하는 것이 가능하다. 이러한 비행시간은 플라즈마그램(plasmagram)으로서 그래픽 또는 숫자로 표시될 수 있다. 질량 분광 분석기와 같은 다른 타입의 분광 분석기는 질량-전하비에 따라 이온을 분석한다.
관심 샘플에서 이온을 식별하는 분광 분석기의 능력을 향상시키기 위해, 이온에 대한 동일성을 추론하는데 사용될 수 있는 부가적인 정보를 제공하기 위해 (예를 들어 이온을 단편화(fragmenting)함으로써) 무선 주파수(RF) 전기장을 사용하여 이온의 일부를 개질(modify)하는 것이 제시된다. 이것은 이온 사이의 차이를 해결하는 능력을 향상시킬 수 있다. 측정이 오염물이 있거나 어려운 동작 조건에서 수행되거나, 샘플이 유사한 기하학 및 질량 등을 갖는 이온을 포함하는 경우, 이온 개질은 이온 이동도 분광 분석기의 이온 탐지 및 식별 능력을 돕는 하나의 방법이다. 이러한 이온 개질 프로세스에 의해 생성된 이온은 "딸 이온(daughter ion)"으로 명명될 수 있고, 딸 이온이 생성되는 이온은 "모 이온(parent ion)"으로 명명될 수 있다.
딸 이온을 제공하고, 또한 이온 개질 프로세스의 에너지 효율을 증가시키기 위해 개질되는 모 이온의 비율을 증가시키는 것이 바람직하다.
본 개시물의 양태는 관심 샘플로부터 획득된 이온을 개질시키기 위해 교류 전기장 및/또는 열과 같은 에너지의 인가에 관한 것이다.
이러한 에너지는 일반적으로 이온의 유효 온도를 상승시키고, 이러한 이온이 자신 또는 이온이 운반되는 가스의 분자와의 더욱 빈번하고 활발한 충돌을 일으킬 수 있다. 이온 개질이 저압(예를 들면, 대기압보다 낮음)에서 수행되는 경우에 딸 이온으로 전환되는 모 이온의 비율이 증가될 수 있다.
이제, 본 개시물의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 분광 분석기를 통한 부분 단면의 예시도이다.
도 2는 분광 분석기의 개략도를 도시한다.
도 3a는 분광 분석기의 제 2 개략도를 도시한다.
도 3b는 분광 분석기의 다른 개략도를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내는 데 사용된다.
본 개시물의 양태는 가스의 샘플이 주위 압력 영역으로부터 이온 이동도 분광 분석기의 저압 영역으로 통과하도록 허용하기 위해 배치된 샘플 입구, 및 주위 압력보다 낮도록 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하도록 배치된 제어기를 포함하는 이온 이동도 분광 분석기를 제공한다. 저압 영역에서의 압력은 주위 압력보다 적어도 200mb 낮을 수 있으며, 예를 들어 주위 압력보다 150mb 내지 800mb 낮을 수 있다. 이온 개질제는 저압 영역의 이온을 개질시키도록 배치된다. 샘플 입구는 가스의 샘플이 입구를 통해 흐르도록 허용하기 위해 배치된 핀홀(pinhole) 입구와 같은 개구를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 샘플 입구는 가스의 샘플이 입구를 통해 확산하도록 허용하기 위해 배치된 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있다.
이러한 저압 영역은 이온 이동도 분광 분석기의 드리프트 영역을 포함할 수 있거나 분광 분석기의 흡입 스테이지(intake stage)에 제공될 수 있다. 드리프트 가스의 흐름은 드리프트 영역을 따라 샘플 입구 개구를 향하여 제공될 수 있다. 제어기는 저압 영역의 압력을 제어하기 위해 드리프트 가스의 흐름을 제어할 수 있다.
샘플 입구는, 샘플 입구를 통해 샘플을 수반하는 가스의 흐름을 획득하기 위해 개방하도록 제어 가능하고, 또한 샘플 입구를 통한 흐름을 제한하도록, 예를 들어 샘플 입구를 방해하고, 예를 들어 샘플 입구를 폐쇄하도록 제어 가능할 수 있는 개구를 포함할 수 있다. 이온 개질제가 이온을 개질시키기 위해 에너지를 인가하도록 동작되는 타이밍은 샘플 입구가 개방 및/또는 폐쇄되는 타이밍에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어 이온 개질제는 에너지의 인가가 샘플 입구 개구의 구멍과 일치하도록 동작될 수 있다. 이온 개질제를 동작시키는 타이밍은 샘플 입구 개구의 동작에 기초할 수 있으며, 예를 들어, 2개가 동기화될 수 있다.
제어기는 주위 압력보다 낮은 저압 영역의 가스 압력을 감소시키기 위해 저압 영역을 펌핑(pumping)하도록 구성될 수 있다.
이온 개질제는 이온화기로부터 탐지기로 이동하는 이온의 경로에서 이온화기와 탐지기 사이에 배치될 수 있다. 이온 개질제는 2개의 전극을 포함할 수 있고, 2개의 전극 사이의 영역을 통해 이동하는 이온에는 탐지기로의 이온의 이동 방향으로 정렬된 교번 전기장이 가해질 수 있도록 전극이 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극은 각각 이온의 탐지기로의 이온의 이동 방향을 가로 질러 배치된 도체의 그리드를 포함할 수 있다. 이들 및 다른 가능성은 이제 도면을 참조하여 더욱 상세히 논의될 것이다.
도 1은 이러한 이온 이동도 분광 분석기(IMS)(100)를 절단한 부분 단면의 예시도이다.
도 1에 도시된 이온 이동도 분광 분석기(100)는 게이트(106)에 의해 드리프트 영역(104)으로부터 분리되는 이온화기(102)를 포함한다. 이온화기는 가스가 샘플 입구(108)를 통해 흐를 수 있는 이온화 영역(103) 내에 배치될 수 있다. 게이트(106)는 이온화기(102) 및 이온화 영역(103)으로부터 드리프트 영역(104)으로의 이온의 통과를 제어할 수 있다.
도 1에 도시된 샘플 입구는 핀홀, 예를 들어 모세관 입구와 같은 개구(108)를 포함할 수 있다. 개구는 1mm 미만의 직경, 예를 들어 0.8mm 미만의 직경, 예를 들어 적어도 0.2mm, 예를 들어 적어도 0.4mm, 예를 들어, 약 0.6mm의 직경을 가질 수 있다. 이러한 개구를 통해 흐르는 가스는 이온화기(102)에 의해 이온화될 물질의 샘플을 운반할 수 있다.
도 1에 예시된 예에서, 드리프트 영역(104)은 이온이 드리프트 영역(104)을 가로 질러서 탐지기(118)에 도달할 수 있도록 이온화기(102)와 탐지기(118) 사이에 위치한다. 드리프트 영역(104)은 드리프트 영역(104)을 따라 이온화기(102)로부터 탐지기(118)로 이온을 이동시키기 위해 드리프트 영역(104)을 따라 전압 프로파일을 인가하기 위한 일련의 드리프트 전극(120a, 120b)을 포함할 수 있다.
IMS(100)는 일반적으로 탐지기(118)에 대한 이온의 이동 경로와 대향하는 방향으로 드리프트 가스의 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 드리프트 가스는 탐지기(118)에 인접하여 게이트(106)로 흐를 수 있다. 도시된 바와 같이, 드리프트 가스 입구(122) 및 드리프트 가스 출구(124)는 드리프트 영역(104)을 통해 드리프트 가스를 통과시키는데 사용될 수 있다. 드리프트 가스 순환 시스템(105)은 드리프트 영역(104)을 통해 드리프트 가스의 흐름을 드리프트 가스 입구(122)로부터 드리프트 가스 출구(124)로 이동시키도록 구성되고, 이러한 드리프트 가스를 재순환시키고, 예를 들어 드리프트 영역(104)을 다시 통과하도록 드리프트 가스 입구(122)로 재순환되기 전에 드리프트 가스 출구를 통해 제거된 드리프트 가스를 필터링 및 세정하도록 구성될 수 있다.
진공 제공기(109)는 제어기(200)에 의해 제어될 수 있다. 진공 제공기(109)는, 주위 압력보다 낮도록, 예를 들어 주위 압력보다 200mb 이하, 예를 들어 300mb 이하, 예를 들어 400mb 이하이도록 IMS의 저압 영역에서의 가스의 압력을 제어할 수 있다. 입구가 멤브레인을 포함하는 예에서 이러한 200mb 이하의 저압이 특히 유용할 수 있다. 저압 영역은 이온화 영역(103), 및 일부 예에서는 반응 영역 및/또는 드리프트 영역(104)을 포함할 수 있다.
IMS의 저압 영역은 드리프트 영역(104)의 벽에 배치되고, 이러한 영역에서 가스 압력을 감소시키기 위해 IMS의 저압 영역을 펌핑하도록 배치된 펌프와 같은 진공 제공기(109)에 제공될 수 있는 통기구(vent)(107)를 포함할 수 있다. 통기구(107)는 드리프트 영역(104)을 따라 드리프트 가스의 흐름의 교란을 감소시키도록 선택된 드리프트 영역(104)의 벽 내의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 통기구(107)는 드리프트 영역(104)의 둘레 주위에 고르게(아마도 대칭적으로) 분포될 수 있다.
그러나, 제어기(200)는 주위 압력보다 150mb 미만, 예를 들어 적어도 200mb 미만, 일부 실시예에서는 주위 압력보다 300mb 미만의 이러한 영역에서의 가스 압력을 제공하도록 구성될 수 있다는 것이 달성되며, 일부 실시예에서는 이러한 영역에서의 가스 압력이 주위 압력보다 500mb 낮다. 일부 실시예에서, 가스 압력은 주위 압력보다 800mb 이상, 예를 들어 주위 압력보다 700mb 이상, 예를 들어 주위 압력보다 600mb 이상이다. 예를 들어 압력은 주위 압력 이하 150mb와 800mb 사이일 수 있다.
이온 개질제는 이온 이동도 분광 분석기의 저압 영역에서 이온을 개질시키기 위해 에너지를 인가하도록 배치된다. 도 1에 도시된 예에서, 이온 개질제는 교류 전기장을 이온에 가함으로써 에너지를 인가하도록 구성된 전극(126, 127)을 포함한다.
이온 개질제 전극(126, 127)은 게이트 전극(106)으로부터 이격될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이온 개질제 전극(126, 127)은 게이트 전극과 탐지기 사이의 드리프트 영역(104)에 배치된다. 실시예에서, 이온 개질제는 이온화 영역(103), 예를 들어 입구(108)와 게이트(106) 사이에 배치될 수 있다.
이온 개질제 전극(126,127)의 각각은 드리프트 영역(104)에 걸쳐 배치된 그리드와 같은 도체의 어레이를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 이온 개질제 전극(126, 127)의 도체는 이온이 갭을 통해 이동함으로써 각각의 전극을 통과할 수 있도록 이러한 전극 사이에 갭을 가질 수 있다. 일례에서, 이온은 전극(126)의 도체 사이의 갭을 통과하여, 전극(126, 127) 사이의 영역(129) 내로 통과하고, 전극(127)의 도체 사이의 갭을 통해 영역 밖으로 통과한다. 이온이 전극(126, 127) 사이의 영역에 있을 동안, 이러한 이온에는 교류 RF 전기장이 가해질 수 있다. 전기장은 탐지기로의 이온의 이동 방향으로 정렬될 수 있다. 본 개시물과 관련하여, 이러한 정렬은 완전하거나 균일할 필요가 없다는 것이 이해될 것이다. 이온 개질제는 이온 개질제를 통과하는 이온에는 이온을 개질시키기 위해 교류 전기장이 가해지는 제 1 모드, 및 예를 들어 스위치 오프되는 경우에, 이온이 개질되지 않고 이온 개질제를 통과하도록 허용하기 위해 교류 전기장의 진폭이 더 낮은 제 2 모드에서 동작될 수 있다.
탐지기(118)는 신호를 제어기(200)에 제공하도록 결합될 수 있다. 탐지기(118)로부터의 전류 흐름은 제어기(200)에 의해 이온이 탐지기(118)에 도달했다는 것을 추론하는 데 사용될 수 있고, 이온의 특성은 이온이 드리프트 영역(104)을 따라 게이트(106)로부터 탐지기(118)로 통과하는 시간에 기초하여 결정될 수 있다. 탐지기(118)의 예는 이온이 탐지기(118)에 도달했음을 나타내는 신호를 제공하도록 구성된다. 탐지기는 (패러데이 플레이트와 같은) 전도성 전극을 포함할 수 있다.
드리프트 전극(120a, 120b)은 이온을 탐지기(118)로 안내하도록 배치될 수 있으며, 예를 들어, 드리프트 전극(120a, 120b)은 이온을 탐지기(118)로 이동시키기 위해 드리프트 영역(104) 주위에 배치될 수 있는 링을 포함할 수 있다. 도 1의 예는 2개의 드리프트 전극(120a, 120b)만을 포함하지만, 일부 예에서는 복수의 전극이 사용될 수 있거나, 단일 전극이 이온을 탐지기(118)로 안내하는 전기장을 인가하기 위해 탐지기(118)와 함께 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전압 제공기(202)는 제어기(200)에 의해 제어되도록 결합된다. 전압 제공기(202)는 또한 샘플로부터의 물질이 이온화될 수 있도록 하기 위해 전압을 이온화기(102)에 제공하도록 결합될 수 있다. 실시예에서, 전압 제공기(202)는 이온화 영역(103)으로부터 드리프트 영역(104)으로의 이온의 통과를 제어하기 위해 게이트 전극(106)에 결합된다.
전압 제공기(202)는 이온을 이온화기(102)로부터 탐지기(118)로 이동시키기 위한 전압 프로파일을 제공하기 위해 드리프트 전극(120a, 120b)에 결합될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전압 제공기(202)는 시변(time varying), 예를 들어 교류 RF 전압을 이온 개질제 전극(126, 127)에 제공하도록 결합될 수 있다. 두 이온 개질제 전극(126, 127) 중 하나 또는 둘 다의 전압을 다른 전극에 대해 제어함으로써, 전압 제공기는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 시변 전압을 제공할 수 있다. 이온 개질제 전극의 전압을 제어하는 단계는 하나 또는 둘 다의 전극(126, 127)에 인가된 전압의 위상을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 둘 다의 전극의 전압은 변화될 수 있고, 각각의 전극에 인가된 전압 사이에는 위상차가 있을 수 있으며, 예를 들어 전압이 역위상일 수 있다.
이해되는 바와 같이, 제어기(200)는 IMS의 저압 영역의 압력을 선택하기 위해 펌프의 동작을 제어할 수 있다. 이러한 영역으로의 가스의 유입 및 이러한 영역으로부터의 가스의 유출, 예를 들어 샘플 입구 개구(108) 및 드리프트 가스 입구(122)를 통한 가스 흐름은 이때 가스의 원하는 흐름을 제공하면서 압력을 유지하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 입구 개구(108)는 가스 유체를 이온화 영역(103)으로 끌어들이기 위해 선택적으로 동작 가능한 (피에조 구동 다이어프램(piezo-driven diaphragm)과 같은) 액추에이터를 포함할 수 있고, 진공 제공기의 동작은 개구를 통해 이온화 영역으로 끌어들이는 샘플과 연관된 압력 변화의 균형을 이루도록 선택될 수 있다. 그런 다음, 드리프트 영역(104)을 따른 드리프트 가스의 흐름은 개구로부터의 임의의 흐름에 부가하여 제공될 수 있고, 진공 제공기(109)의 동작은 그것을 고려하여 조정될 수 있다. 이것은 단지 하나의 가능성일 뿐이고, 다른 접근법이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 압력 제어는 IMS의 저압 영역으로의 가스의 유입 및 이러한 저압 영역으로부터의 가스의 유출 중 하나 이상, 예를 들어 샘플 입구 개구(108), 드리프트 가스 입구(122), 및 드리프트 가스 출구(124)를 통한 가스 흐름을 제어함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 예를 들어 개구를 통한 가스 유체의 흐름을 억제하도록, 예를 들어 방지하도록 제어 가능한 셔터와 같은 제어 가능한 스토퍼(stopper)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 입구(108)는 샘플 증기가 멤브레인을 통해 저압 영역으로 투과할 수 있도록, 예를 들어 확산할 수 있도록 구성된 멤브레인 입구를 포함할 수 있다.
도 2는 이온 이동도 분광 분석기(100')의 개략도를 도시한다. 명확성을 위해 전압 제공기 및 다양한 전극에 대한 연결부(connection)는 도 2에 도시되지 않는다.
도 2에 도시된 이온 이동도 분광 분석기(100')는 개방 샘플 입구 개구(108), 예를 들어 핀홀 또는 모세관 입구를 포함한다. 이러한 개구를 통한 가스의 흐름은 가스가 흐르는 단면의 영역 및 길이에 의해 결정된다. 샘플 입구 개구는 멤브레인을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 예에서, 제어기는 드리프트 가스의 순환을 제어하기 위해, 예를 들어 드리프트 가스 입구 및 출구를 통해 드리프트 영역(104)으로의 가스의 유입 및/또는 드리프트 영역(104)으로부터의 가스의 유출을 제어하도록 결합된다. 이것은 드리프트 가스 순환 시스템(105)의 제어, 또는 드리프트 가스가 드리프트 가스 입구를 통해 드리프트 영역(104)으로 도입되는 속도(rate)의 제어, 및/또는 드리프트 가스가 드리프트 가스 출구를 통해 드리프트 영역(104)을 떠나는 속도의 제어에 의해 달성될 수 있다.
드리프트 가스 순환 시스템(105)은 주위 압력으로 참조될 수 있으며, 예를 들어 드리프트 가스 시스템(105)의 출력은 주위 압력, 예를 들어 통기구(101)에 의해 참조될 수 있다. 드리프트 가스 입구는 탭형 가변 수축부(tap-like variable constriction), 예를 들어 제어 가능한 밸브와 같은 흐름 제한 장치(restrictor)(111)를 포함할 수 있고, 제어기는 드리프트 영역(104)으로부터의 드리프트 가스의 상대 유입 및 유출을 조절하기 위해 이러한 흐름 제한 장치(111)를 제어하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, IMS(100')의 저압 영역의 압력은 주위 압력보다 낮도록 조절될 수 있고, 이온 개질제(126, 127)는 이러한 저압 영역 내의 이온을 개질시키기 위해 에너지를 인가할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 샘플 입구 개구(108)가 샘플 입구 개구(108)를 통한 가스의 흐름을 억제하기 위해 폐쇄되도록 동작 가능하고, 가스의 스트림이 샘플 입구 개구(108)를 통해 흐르도록 허용하기 위해 개방되도록 동작 가능한 흐름 제한 장치(113)를 포함할 수 있는 가능성을 예시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 제어기(200)는 샘플 입구 개구(108)를 통해 가스의 흐름을 제어하기 위해 샘플 입구 흐름 제한 장치(113)를 제어하도록 동작 가능하다. 제어기(200)는 이온화될 샘플을 수반하는 가스의 샘플을 획득하기 위해, 또한 IMS(100", 100"')의 저압 영역의 압력을 제어하기 위해, 예를 들어 조절하기 위해 이러한 흐름 제한 장치(113)를 동작시킬 수 있다.
도 3a에 도시된 장치는 주위 압력에 대해 드리프트 가스 시스템(105)을 참조하기 위한 통기구(101)를 포함할 필요는 없지만, 도 2에 도시된 것과 유사하고, 도 3a의 제어기(200)는, 드리프트 가스 입구(122) 및 드리프트 가스 출구(124) 중 하나 또는 둘 다를 제한하도록 배치된 제어 가능한 흐름 제한 장치(111)를 사용하거나, 드리프트 가스 순환 시스템(105)을 제어함으로써 드리프트 가스 유입 및 유출의 상대 속도를 제어하도록 구성될 수 있다.
도 3b에 도시된 예에서, IMS(100"')는 도 1을 참조하여 상술한 진공 제공기(109)로서 동작하도록 구성된 펌프와 같은 진공 제공기(109)를 포함한다. 도 3a에 도시된 예에서와 같이, 이러한 IMS(100")의 제어기(200)는 진공 제공기(109)와, 드리프트 가스가 샘플 입구 개구(108)를 통해 드리프트 영역(104) 내로 도입되는 속도를 제어함으로써 IMS의 저압 영역에서의 압력을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 제어기(200)는 샘플 입구 개구(108)를 통한 가스의 흐름을 제어하도록 흐름 제한 장치(113)의 동작을 제어할 수 있다.
본 개시물의 이들 및 다른 실시예에서, 압력 센서는 IMS의 저압 영역 내의 압력을 감지하기 위해 제공될 수 있고, 제어기(200)는 이러한 감지된 압력에 기초하여 압력을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 진공 제공기 및/또는 드리프트 가스 입구/출구, 및/또는 샘플 입구 개구(108)에 의해 제공되는 상대적 유입/유출 속도는 IMS의 저압 영역에서 원하는 압력을 제공하기 위해 교정에 기초하여 미리 결정될 수 있고/있거나 주위 압력에 기초하여 선택될 수 있다.
이온 개질제에 인가된 시변 전압은 적어도 2.5 MHz의 주파수를 가질 수 있다. 실시예에서, 주파수는 적어도 3MHz, 또는 적어도 5MHz이고, 일부 실시예에서는 주파수가 적어도 6MHz이다. 실시예에서, 주파수는 100MHz 미만이고, 일부 실시예에서는 주파수가 50MHz 미만이고, 일부 실시예에서는 주파수가 20MHz 미만이고, 일부 실시예에서는 주파수가 15MHz 미만 또는 10MHz 미만이다. 예를 들어, 주파수는 3 MHz와 20MHz 사이, 또는 6MHz와 12MHz 사이일 수 있다. 일부 예에서, 주파수는 약 8MHz이다.
실시예에서, 전압 제공기는 제 1 전극의 전압을 제 2 전극의 전압보다 작게 변화시키도록 제어하기 위해 구성된다. 일례에서, 이온 개질제 전극(126, 127) 중 하나의 전압 변화의 진폭은 다른 이온 개질제 전극의 변화의 진폭보다 작을 수 있다. 예를 들어, 하나의 전극의 전압이 일정하지만 다른 전극의 전압이 변화하도록 전압 제공기(202)는 직류(DC) 기준 전압에 기초하여 이온 개질제 전극(126, 127) 중 하나의 전압을 제어할 수 있다. 일례에서, 전압 제공기는 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압을 제어하여, 각각의 변화가 정현파, 사각파, 톱니 또는 펄스의 열(train)이도록 하고, 하나의 이온 개질제 전극에서의 전압 변화의 진폭은 다른 이온 개질제 전극에서의 전압 변화보다 작을 수 있다. 실시예에서, 이온 개질제 전극(126, 127)에 비대칭 전압을 인가하면은 분광 분석기의 다른 구성 요소와의 RF 전기장의 원하지 않는 결합을 감소시킬 수 있으며, 이것은 분광 분석기로부터의 전자기 간섭의 원하지 않는 누설을 감소시킬 수 있다.
전압 제공기(202)는 선택된 위상차에 따라 변화시키도록 2개의 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압을 제어할 수 있으며, 예를 들어, 전압 제어기는 하나의 전극의 양전압 익스커션(excursion)이 다른 전극의 음전압 익스커션 동안 발생하도록 2개의 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 제공기(202)는 역위상에서 변화시키도록 2개의 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압을 제어할 수 있다. 2개의 전극의 전압 익스커션은 진폭이 동일할 수 있다.
일부 예에서, 전압 제공기는 이온 개질제 전극(126, 127) 중 하나의 전압을 다른 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압보다 더 빠르게 변화시키도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 이온 개질제 전극(126, 127) 중 하나는 DC 전압을 포함할 수 있는 기준 전압에 결합될 수 있고, 다른 이온 개질제 전극은 RF 전압과 같은 교류 전압에 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 드리프트 전극(120a, 120b)은 이온이 이온화기로부터 탐지기로 이동하도록 드리프트 영역(104)을 따라 이온을 이동시키는 전압 프로파일을 제공할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 이온 개질제 전극(126) 및 제 2 이온 개질제 전극(127)은 이온의 이동 방향으로 이격될 수 있다. 실시예에서, 전압 제공기는 드리프트 영역(104)을 따라 이온 개질제 전극(126,127)의 위치에 기초하고, 드리프트 전극(120a, 120b)에 의해 제공된 전압 프로파일에 기초하여 이온 개질제 전극(126, 127) 중 적어도 하나의 전압을 제어하도록 구성된다. 실시예에서, 이온 개질제 전극(126, 127)의 전압의 시간 평균은 이러한 전압 프로파일에 기초하여 선택된다. 실시예에서, 전압 제공기(202)는 이온 개질제 전극(126, 127) 사이에 DC 전압 오프셋을 제공한다. 이러한 DC 전압 오프셋은 이온 개질제 전극(126, 127)과 전압 프로파일 사이의 간격(spacing)에 기초할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이온 개질제 전극(126, 127)은 각각 도체의 그리드를 포함한다. 이온 개질제 전극(126, 127)은 서로 평행할 수 있다. 실시예에서, 그리드는 이온화기로부터 탐지기로의 이온의 이동 방향에 걸쳐(예를 들어 가로질러, 예를 들어 수직으로) 배치된다.
탐지기로 이동하는 이온은 이온 개질제 전극(126) 중 하나의 도체 사이의 갭을 통해 무선 주파수(RF) 전기장이 가해질 수 있는 이온 개질제 전극(126, 127) 사이의 영역(129)으로 통과할 수 있다.
탐지기(118)에 더 가까운 이온 개질제 전극(127)은 전극(127)의 도체가 다른 이온 개질제 전극의 갭을 통해 이동하는 이온의 경로에 놓이도록 배치될 수 있다. 하나의 전극(127)의 도체는 다른 전극(126)의 갭을 적어도 부분적으로 차단할 수 있다. 이것은 이온 개질제에 의해 딸 이온으로 전환되는 모 이온의 수를 증가시킬 수 있다는 것이 발견되었다. 전극(126)의 도체는 전극(127)의 도체와 평행한 것으로 도시된다. 실시예에서, 전극(126, 127)은 평행한 평면에 배치될 수 있지만, 2개의 전극(126, 127)의 도체는 서로 각도 방향으로(angularly) 오프셋(예를 들어, 오정렬)될 수 있음으로써, 하나의 이온 개질제 전극의 도체가 다른 이온 개질제 전극에서의 갭을 통해 이동하는 이온의 경로에 위치하도록 한다. 실시예에서, 전극(126, 127)은 평행한 평면에 배치될 수 있지만, 2개의 전극(126, 127)의 도체는 이온의 이동 방향을 가로지르는 방향으로 서로 측 방향으로 오프셋될 수 있음으로써, 하나의 이온 개질제 전극(126)의 도체는 다른 이온 개질제 전극(127)의 갭을 통해 이동하는 이온의 경로에 위치하도록 한다. 일부 실시예에서, 2개의 이온 개질제 전극(126, 127)의 도체가 측 방향 및 각도 방향 모두 오프셋되도록 이러한 특징은 조합된다.
일부 실시예에서, 본 개시물은 분광 분석기에 샘플을 흡입하기 위한 흡입 스테이지 장치를 제공한다. 흡입 스테이지는 주위 압력보다 200mb 미만, 예를 들어 300mb 미만, 예를 들어 400mb 미만의 압력을 갖는 저압 영역을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 저압 영역의 가스 압력은 주위 압력보다 500mb 낮다. 일부 실시예에서, 가스 압력은 주위 압력 이하 800mb 이상, 예를 들어 주위 압력 이하 700mb 이상, 예를 들어 주위 압력 이하 600mb 이상이다. 예를 들어 압력은 주위 압력 이하 150mb와 800mb 사이일 수 있다. 저압 영역은 가스 유체의 샘플을 획득하기 위한 입구, 샘플로부터 모 이온을 획득하기 위한 이온화기, 및 딸 이온을 제공하기 위해 저압 영역에서의 모 이온을 개질시키도록 구성된 이온 개질제를 포함할 수 있다. 이온 개질제는 본 명세서에 설명된 이온 개질제 중 어느 이온 개질제의 특징, 특히 상술한 전극의 특징 중 어느 특징을 가질 수 있다. 이러한 흡입 스테이지는 딸 이온을 분석을 위해 분광 분석기에 제공하기 위해 배치된 출구를 포함할 수 있다.
실시예에서, IMS 및 전압 제공자는 공통 하우징에 포함될 수 있다. 실시예에서, 이온 개질제 전극(126, 127)은 드리프트 영역(104)에 배치될 수 있다. 이온 개질제 전극은 게이트 전극으로부터 드리프트 영역(104)을 따라 이격될 수 있다. 간격은 게이트 전극(106)으로부터 적어도 0.5mm, 예를 들어 적어도 2mm, 실시예에서는 적어도 4mm, 실시예에서는 적어도 6mm, 또는 적어도 7mm일 수 있다. 실시예에서, 간격은 150mm보다 작거나 100mm보다 작을 수 있으며, 예를 들어 50mm보다 작을 수 있다.
이온 개질제 전극(126, 127)은 와이어 메쉬(wire mesh)와 같은 그리드를 포함할 수 있다. 메쉬는 반복 정사각형 패턴으로 배치될 수 있는 도체의 격자일 수 있다. 도체는 적어도 10㎛, 예를 들어 30㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다. 메쉬의 피치는 적어도 200㎛, 예를 들어 500㎛ 미만일 수 있다. 2개의 메쉬는 적어도 0.1mm, 예를 들어 적어도 0.15mm, 예를 들어 0.4mm 미만, 예를 들어 0.3mm 미만만큼 서로 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 가장 가까운 전극(126)은 게이트(106)로부터 7mm의 드리프트 영역(104)에 배치된다. 본 실시예에서, 이온 개질제 전극(126, 127) 사이의 간격은 0.2mm이고, 전극은 정사각형 패턴을 갖는 메쉬를 포함한다. 본 실시예에서, 메쉬의 도체는 21㎛의 두께를 가지고, 363㎛ 피치로 배치된다. 도체는 와이어를 포함할 수 있다.
이론에 얽매지 않고, 1.9MHz의 주파수에서, 이온이 RF 파형의 절반에서 이동하는 거리는 2개의 개질제 전극(126, 127) 사이의 거리와 비교할 수 있는 것으로 생각된다. 이와 같이, 이온은 주파수가 증가될 때처럼 많은 RF 사이클을 경험하지 않는다. 바꿔 말하면, 이온이 초당 1000 미터의 속도를 갖는다면, 이온은 2MHz 사이클의 절반에서 인가된 전압이 구형파인 경우에는 0.25mm 이동하거나, 인가된 전압이 사인파인 경우에는 0.176mm 이동할 것이다. 이온 개질제 전극(126,127) 사이의 갭이 0.25mm 또는 아마도 더 작다면, 단지 몇 사이클 후에 이온은 이온 개질제로부터 배출될 것이라는 것을 알 수 있다. 주파수가 예를 들어 6MHz 또는 8MHz로 증가될 때, 사이클의 절반에서 이동하는 거리는 감소한다(예를 들어, 8MHz에서 0.044mm가 된다). 따라서, 이온은 개질제를 떠나기 전에 많은 사이클을 경험할 수 있으며, 접합이 끊어지거나 일부 다른 분자 변형이 일어나기에 충분히 높은 에너지와의 충돌을 경험할 확률이 증가될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어 8MHz와 10MHz 사이의 더 높은 주파수는 이온 개질제에서의 이온 손실을 감소시킬 수 있으며, 다시 이론에 얽매지 않고, 이것은 이온이 "비복귀점(point of no return)"에 도달하기 전에 이온 개질제 전극의 도체에 더 가까워 질 수 있기 때문일 수 있다(여기서 이온은 도체로 끌릴 것이다). 이와 같이 더욱 적은 이온이 와이어에 부딪칠 수 있으며, 따라서 개질제를 통과하는 여행(journey)에서 더 오래 살아남아 감도를 더욱 높일 수 있다.
본 개시물과 관련하여, RF 전기장은 (예를 들어, 효과적인 온도를 상승시키기 위해 이온에 에너지를 부과함으로써) 이온을 개질시키기 위해 에너지를 인가하기에 적절한 주파수 특성을 갖는 임의의 교류 전기장를 포함한다는 것이 이해될 것이다.
다른 예 및 변형은 본 개시물과 관련하여 당업자에게 명백할 것이다.
본 개시물의 실시예는 샘플, 예를 들어 가스, 증기 및 에어로졸과 같은 가스 유체의 샘플을 이온화하기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 예시적인 드리프트 가스는 질소, 헬륨, 공기, 드리프트 가스 순환시스템에 의해 재순환되는 공기(예를 들어, 청정 및/또는 건조된 공기) 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 드리프트 가스는 사용될 필요가 없고, 본 개시물의 일부 예는 이온의 평균 자유 경로(mean free path)가 예를 들어 드리프트 챔버의 길이 이상과 비교할 수 있는 시스템에 사용될 수 있다. 이동도보다는, 이러한 개시물의 예는 예를 들어 비행 시간 측정에 기초하거나 이동 방향으로부터 이온을 편향시키기 위해 자기장을 이온에 가하는 것에 기초하여 이온의 질량 대 전하비를 측정할 수 있다.
일반적으로 도면을 참조하여, 개략적인 기능적 블록도가 본 명세서에 설명된 시스템 및 장치의 기능을 나타내기 위해 사용되는 것으로 이해될 것이다. 그러나, 기능성이 이러한 방식으로 분할될 필요는 없고, 아래에 설명되고 청구되는 것과 다른 임의의 특정 하드웨어 구조를 의미하도록 취해지지 않아야 하는 것이 이해될 것이다. 도면에 도시된 요소 중 하나 이상의 기능은 본 개시물의 장치 전체에 걸쳐 더 세분화되고/되거나 분배될 수 있다. 일부 실시예에서, 도면에 도시된 하나 이상의 요소의 기능은 단일 기능 유닛으로 통합될 수 있다.
상술한 실시예는 예시적인 예로서 이해되어야 한다. 추가의 실시예가 고려된다. 임의의 일 실시예와 연관하여 설명된 임의의 특징은 단독으로 또는 설명된 다른 특징과 조합하여 사용될 수 있고, 또한 임의의 다른 실시예의 하나 이상의 특징과 조합하여 사용되거나 임의의 다른 실시예의 임의의 조합과 함께 사용될 수 있다. 더욱이, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면 상술하지 않은 균등물 및 개질이 또한 사용될 수 있다.
일부 예에서, 하나 이상의 메모리 요소는 본 명세서에 설명된 동작을 구현하는데 사용되는 데이터 및/또는 프로그램 명령어를 저장할 수 있다. 본 개시물의 실시예는 본 명세서에서 설명되고/되거나 청구된 방법 중 임의의 하나 이상을 수행하고/하거나 본 명세서에 설명되고/되거나 청구된 바와 같은 데이터 처리 장치를 제공하기 위해 프로세서를 프로그램하도록 운영 가능한 프로그램 명령어를 포함하는 머신 판독 가능 명령어 및/또는 유형의 비일시적 저장 매체와 같은 컴퓨터 프로그램 제품을 제공한다.
본 명세서에 설명된 장치의 사용 및 동작은 또한 방법의 개시로서 의도되며, 장치의 특정 구조는 관련이 없을 수 있으며 - 따라서, 장치 실시예의 특징은 본 명세서에 설명되고 청구된 방법의 실시예와 조합될 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 설명된 방법은 본 명세서에 개시된 장치의 적절한 구성에 의해 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 활동 및 장치는 로직 게이트의 어셈블리와 같은 고정식 로직, 또는 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 및/또는 컴퓨터 프로그램 명령어와 같은 프로그램 가능 로직에 의해 제공될 수 있는 제어기 및/또는 프로세서를 사용하여 구현될 수 있다. 다른 종류의 프로그램 가능 로직은 프로그램 가능 프로세서, 프로그램 가능 디지털 로직(예를 들어, FPGA(field programmable gate array), EPROM(erasable programmable read only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)), ASIC(application specific integrated circuit), 임의의 다른 종류의 디지털 로직, 소프트웨어, 코드, 전자 명령어, 플래시 메모리, 광 디스크, CD-ROM, DVD ROM, 자기 또는 광 카드, 전자 명령어를 저장하기에 적합한 다른 타입의 기계 판독 가능 매체, 또는 이의 임의의 적절한 조합을 포함한다.
전극에 대한 참조가 이루어지는 경우, 예를 들어 전극이 금속 또는 다른 도체를 포함할 수 있고, 적어도 부분적으로 노출되고/되거나 부분적으로 절연될 수 있는 임의의 도체의 배치가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에 설명된 전압 제공기는 하나 이상의 승압 또는 강압 변압기를 포함할 수 있는 AC 전원을 포함할 수 있으며, 전압 제공기는 또한 배터리 또는 연료 전지 또는 용량성 전력 저장소와 같은 DC 전원을 포함할 수 있다. AC 및 DC 전원의 조합이 사용될 수 있고, 전압 제공기는 DC 전원에 기초한 AC 전압을 제공하기 위한 인버터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 제공기는 AC 전원에 기초하여 DC 전압을 제공하기 위한 정류기를 포함할 수 있다. AC 및 DC 전원과 전압 제공 구성 요소의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전압 제공기는 또한 전류원으로서 동작할 수 있다.

Claims (17)

  1. 이온 이동도 분광 분석기에 있어서,
    가스 유체의 샘플이 주위 압력 영역으로부터 이온화될 상기 이온 이동도 분광 분석기의 저압 영역으로 흐르도록 허용하기 위해 배치된 개구를 포함하는 샘플 입구;
    주위 압력보다 낮도록 상기 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하기 위해 배치된 제어기; 및
    가스의 샘플로부터 획득되는 상기 저압 영역에서의 이온을 개질시키도록 구성된 이온 개질제를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 주위 압력보다 적어도 200mb만큼 낮도록 상기 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하도록 배치되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 주위 압력보다 800mb 미만만큼 낮도록 상기 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하도록 배치되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 제1 모드에서 상기 이온이 상기 이온 개질제를 통과할 때 상기 이온을 개질시키기 위해 교류 전기장을 이온에 가하기 위해 상기 이온 개질제를 제어하고, 제 2 모드에서 이온이 상기 이온 개질제를 통과하도록 허용하기 위해 상기 이온 개질제를 제어하도록 구성되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플 입구 개구는 상기 샘플 입구를 통한 가스의 흐름을 제한하도록 제어 가능한, 이온 이동도 분광 분석기.
  6. 이온 이동도 분광 분석기에 있어서,
    샘플이 주위 압력 영역으로부터 이온화될 상기 이온 이동도 분광 분석기의 저압 영역으로 통과하도록 허용하기 위해 배치된 멤브레인 입구를 포함하는 샘플 입구;
    주위 압력보다 적어도 200mb만큼 낮도록 상기 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하기 위해 배치된 제어기; 및
    가스의 샘플로부터 획득되는 상기 저압 영역에서의 이온을 개질시키도록 구성된 이온 개질제를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 주위 압력보다 적어도 300mb만큼 낮도록 상기 저압 영역에서의 가스 압력을 제어하도록 배치되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저압 영역은 드리프트 영역과, 상기 드리프트 영역을 따라 상기 샘플 입구로의 드리프트 가스의 흐름을 제공하도록 배치된 드리프트 가스 흐름 제공기를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 드리프트 챔버는 상기 드리프트 가스의 흐름에 대해 이온을 탐지기로 이동시키도록 배치되고, 상기 이온 개질제는 상기 탐지기로의 상기 이온의 이동 방향으로 정렬된 무선 주파수(RF) 전기장을 상기 이온에 가하도록 배치되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이온 개질제는 상기 탐지기로의 상기 이온의 이동 방향에서 이격된 2개의 전극을 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극은 각각 도체의 그리드를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 저압 영역 내의 압력을 제어하기 위해 드리프트 가스의 흐름 및 상기 샘플 입구를 통한 가스의 흐름 중 적어도 하나를 제어하도록 배치되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저압 영역 내의 상기 가스 압력을 감소시키도록 구성된 진공 제공기를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  14. 제 5 항 또는 제 3 항에 종속한 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 저압 영역 내의 압력을 제어하기 위해 상기 샘플 입구 개구 및 상기 진공 제공기 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 이온 게이트의 동작 타이밍에 기초하여 상기 이온 개질제의 동작 타이밍을 제어하도록 구성되는, 이온 이동도 분광 분석기.
  16. 제 1 항 또는 제 1 항에 종속한 제 2 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 입구 개구는 핀홀 입구 및 모세관 입구 중 하나를 포함하는, 이온 이동도 분광 분석기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 저압 영역의 압력을 900 mbar 미만, 예를 들어 700 mbar 미만, 예를 들어 600 mbar 미만, 예를 들어 적어도 200 mbar, 예를 들어 적어도 300 mbar, 예를 들어 적어도 400 mbar, 예를 들어 약 500 mbar로 감소시키도록 구성되는, 이온 이동도 분광 분석기.
KR1020177012988A 2014-10-14 2015-10-14 이온 개질을 갖는 이온 이동도 분광 분석기 KR102503464B1 (ko)

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