KR20180081633A - Ａｒｔ ｍｓ트랩 내의 미량 가스 농축법 - Google Patents
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Abstract
처음에는 가스 체적 내의 제 1 저농도의 미량 성분인, 이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법은 상기 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 특정 이온 종들이 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 여기 주파수를 갖는 AC 여기 소스에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 단계와, 이온 트랩으로부터 특정 이온 종들을 방출하기 위해서 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캔하는 단계, 및 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 단계를 또한 포함한다. 상기 방법은 상기 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캔하기 이전에 제 1 저농도에 대해 이온 트랩 내의 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
Description
본 출원은 2012년 3월 13일자로 출원된 미국 가 출원 번호 61/610,092 호의 이득을 주장한다. 상기 출원의 전체 교시들은 인용에 의해 본 출원에 포함된다.
질량 분석기는 이온들의 질량 대 전하 비에 따라 이온들을 분리하고 검출하는 분석용 기기이다. 질량 분석기들은 질량 분리 및 분석을 가능하게 하는데 이온들의 트랩 또는 저장이 요구되는지에 기초하여 구별될 수 있다. 비-트랩 질량 분석기들은 이온들을 트랩 또는 저장하지 않으며, 이온 농축물들(ion densities)이 질량 분리 및 분석 이전에 장치 내측에 축적되거나 증가되지 않는다. 이러한 부류의 예들은 단일의 질량 대 전하(m/q) 비의 이온 빔들의 궤적들을 선택적으로 안정화하는데 고출력 동적 전기장 또는 고출력 자기장이 각각 사용되는 사중극자 질량 필터들 및 자기 섹터 질량 분석기들이다. 트랩 분석기들은 두 개의 하위범주들, 즉 예를 들어, 사중극자 이온 트랩들(QIT)과 같은 동적 트랩들 및 더 최근에 발전된 정전 구속 트랩들과 같은 정적 트랩들로 세분될 수 있다.
정전 구속 트랩들은 Ermakov 등의 그들의 PCT/US2007/023834 출원에 개시되고 부조화 포텐셜 웰(anharmonic potential well) 내의 운동 에너지들 및 상이한 질량 대 전하 비들의 이온들을 구속하는 Brucker 등의 그들의 PCT/US2010/033750 출원에서 개선된 이온 트랩을 포함한다. 전술한 출원들의 전체 교시들은 인용에 의해 본 출원에 포함된다. 부조화 공명 이온 트랩 질량 분석기(ART MS)에는 또한, 구속된 이온들을 여기시키는 소 진폭 AC 드라이브가 제공된다. 구속된 이온들의 진동의 진폭들은 이온들의 진동 진폭들이 트랩의 물리적 치수들을 초과하고 질량-선택된 이온들이 검출될 때까지, 또는 이온들이 분열하거나 임의의 다른 물리적 또는 화학적 변환을 겪을 때까지 그들의 에너지들이 증가함에 따라 증가하는데, 이는 AC 드라이브 주파수와 이온들의 질량-의존 고유 진동 주파수들 사이의 커플링으로 인한 것이다.
약 1 × 10-7 Torr 초과의 압력에서 작동되는 트랩들은 예를 들어, 정전 반발력에 기인한 공간 전하 포화(space charge saturation)로 인해 트랩된 이온들의 최대 밀도에 도달할 수 있다. 상이한 원자 질량(AMU)의 트랩된 이온들의 상대량은 상이한 이온들에 대한 상대 이온화 효과에 의해 이온화되고 가중된 샘플 가스 혼합물의 조성을 면밀하게 반영한다. 결과적으로, 미량 가스 성분들은 그들의 상대 존재비(relative abundance)에 비례하여 이온 트랩 내에서 이온화되고 트랩되며, 포획된 이온들의 전체 수가 한정되었음을 고려하면 미량 가스 성분들의 이온 밀도는 통상적인 이온 검출기들의 검출 한도들보다 더 낮을 수 있다.
그러므로, 전술한 문제점들을 최소화하거나 제거하는 이온 트랩 내의 미량 가스 성분들에 대한 개선된 검출 방법들이 필요하다.
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법이 제공되며, 특정 가스 종들은 처음에는 가스 체적 중에서 제 1 저농도의 미량 성분이다. 상기 방법은 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 단계, 및 제 1 및 제 2의 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극을 포함하는 전극 구조물 내의 고유 진동 주파수들에서, 특정 이온 종들이 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 여기 주파수를 갖는 AC 여기 소스에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 단계와, 이온 트랩으로부터 특정 이온 종들을 방출하기 위해서 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캔하는 단계, 및 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한, 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캔하기 이전에 제 1 저농도에 대해 이온 트랩 내의 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 제거에 의해서 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 단계를 더 포함한다. 선택적인 제거는 특정 이온 종들를 방출하기 위해 상기 스캔 이전에 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 트랩하고 방출하는 것, 또는 대안으로 예를 들어 비-증발성 게터에 의해 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수에 의한 것, 또는 극저온 트랩핑, 화학흡착 및 물리흡착을 포함한 기술분야에 공지된 임의의 다른 가스 분리 기술에 의한 것일 수 있다.
또 다른 대안에서, 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 단계는 비-증발성 게터로부터 특정 가스 종들의 탈착이 후속되는, 비-증발성 게터에 의해 특정 가스 종들의 선택적인 흡수를 포함할 수 있다. 특정 가스 종들의 이온화 단계는 특정 이온 종들의 농도를 증가시키기 위해 특정 가스 종들의 선택적인 광이온화를 포함할 수 있다. 상기 방법은 시간의 함수로서 특정 가스 종들의 전하를 적분함으로써 데이터를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 광이온화는 약 8 eV 내지 약 12 eV 범위 내의 에너지들을 갖는 진공 자외선(VUV) 광자들에 의한 것일 수 있다.
상기 방법은 특정 이온 종들을 방출하기 위해 여기 주파수의 상기 스캔 이전에, 특정 이온 종들을 미리 트랩하고 미리 방출함으로써 특정 이온 종들을 농축화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이런 경우에, 상기 방법은 또한, 미리 방출된 특정 이온 종들을 제 2 전극 구조물 내에 구속하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 제 2 전극 구조물 내에 우선적으로 축적하는 단계를 포함할 수 있으며, 특정 이온 종들을 방출하기 위한 상기 스캔은 미리 방출된 특정 이온 종들을 방출하는 것을 더 포함한다. 상기 방벙은 예정된 양의 가스에 의해 이온 트랩을 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치가 제공되며, 특정 가스 종들은 처음에는 가스 체적 중에서 제 1 저농도의 미량 성분이다. 상기 장치는 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 이온화기, 및 특정 이온 종들이 고유 진동 주파수들에서, 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하며 제 1 및 제 2의 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극을 포함하는 전극 구조물을 포함한다. 상기 장치는 AC 여기 주파수에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 AC 여기 소스와, 이온 트랩으로부터 특정 이온 종들을 방출하기 위해서 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캔하는 스캔 제어기, 및 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 검출기를 더 포함한다. 상기 장치는 스캔 제어기가 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캔하기 이전에 제 1 저농도에 대해 이온 트랩 내의 특정 이온 종들의 농도를 증가시도록 적응된다.
상기 장치는 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수에 의해 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 제거하는 비-증발성 게터를 포함할 수 있다. 대안으로, 특정 가스 종들이 수소라면, 상기 장치는 비-증발성 게터로부터 수소의 탈착이 후속되는 선택적인 흡수에 의해 수소의 농도를 증가시키는 비-증발성 게터를 더 포함할 수 있다.
스캔 제어기는 특정 이온 종들을 방출하기 위한 상기 스캔 이전에 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 트랩하고 방출할 수 있다. 이온화기는 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 선택적인 광이온화 소스를 포함할 수 있다. 광이온화 소스는 약 8 eV 내지 약 12 eV 범위 내의 에너지들을 갖는 진공 자외선(VUV) 광자들을 방출한다. 검출기는 시간의 함수로서 특정 가스 종들의 전하를 적분할 수 있다.
상기 장치는 스캔 제어기가 특정 이온 종들을 방출하기 위한 여기 주파수를 스캔하기 이전에, 미리 방출된 특정 이온 종들을 구속하고 그에 의해서 미리 트랩되고 미리 방출된 특정 이온 종들을 농축시키는 제 2 전극 구조물을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 이온 트랩 내부의 특정 이온 종들의 농도를 증가시키며 그에 의해서 가스 체적 내에 있는 미량 가스 성분들에 대한 검출 한도들을 증가시키는 것과 같은 많은 장점들을 가진다.
전술한 내용은 동일한 참조 부호들이 상이한 도면들에 걸쳐서 동일한 부품들을 지칭하는 첨부 도면들에 예시된 바와 같은, 본 발명의 전형적인 실시예들에 대한 다음의 더 구체적인 설명으로부터 자명해질 것이다. 도면들은 반드시 축척대로 도시한 것이 아니며, 대신에 본 발명의 실시예들을 예시할 때 강조되었다.
도 1은 진공 챔버에 연결된 게터/이온 펌프의 예시이며,
도 2는 ART MS 장치를 본 발명에 따른 게터/이온 펌프와 조합한 샘플링 시스템의 예시이며,
도 3a는 본 발명에 따른 도 2에 도시된 시스템을 사용하여 펄스 샘플링에서의 시간의 함수로서의 최종 가스 압력 프로파일과 이벤트 시퀀스의 예시이며,
도 3b는 본 발명에 따른, 공기 샘플로부터 질소 및 헬륨을 샘플링함에 있어서의 시간 함수로서 최종 가스 압력 프로파일과 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 사용하는 샘플링 사이클의 예시이며,
도 4는 진공 (기계식) 펌프 오일 오염물에 기인한 통상적인 질량 스펙트럼이며,
도 5는 본 발명에 따른 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 6은 본 발명에 따른 장치 내측으로 가스를 도입하기 위한 모세관을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 7은 본 발명에 따른 장치 내측으로 가스를 도입하기 위한 ART MS 트랩의 원통형 축선과 동축으로 지향된 모세관을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 8은 본 발명에 따른 2단 차동 펌핑 시스템 내의 이중 VUV 램프 소스들을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 9는 본 발명에 따른 이온 깔대기를 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 10은 본 발명에 따른 하나의 RF 노치를 함유하는 전형적인 RF 여기 주파수 스캔을 위한 주파수 함수로서 RF 진폭의 그래프이며,
도 11은 본 발명에 따른 펄스 충전 및 노치 농도 스위프들의 조합에 대한 흐름도이며,
도 12는 본 발명에 따른 탠덤 트랩 ART MS 장치의 예시이다.
도 2는 ART MS 장치를 본 발명에 따른 게터/이온 펌프와 조합한 샘플링 시스템의 예시이며,
도 3a는 본 발명에 따른 도 2에 도시된 시스템을 사용하여 펄스 샘플링에서의 시간의 함수로서의 최종 가스 압력 프로파일과 이벤트 시퀀스의 예시이며,
도 3b는 본 발명에 따른, 공기 샘플로부터 질소 및 헬륨을 샘플링함에 있어서의 시간 함수로서 최종 가스 압력 프로파일과 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 사용하는 샘플링 사이클의 예시이며,
도 4는 진공 (기계식) 펌프 오일 오염물에 기인한 통상적인 질량 스펙트럼이며,
도 5는 본 발명에 따른 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 6은 본 발명에 따른 장치 내측으로 가스를 도입하기 위한 모세관을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 7은 본 발명에 따른 장치 내측으로 가스를 도입하기 위한 ART MS 트랩의 원통형 축선과 동축으로 지향된 모세관을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 8은 본 발명에 따른 2단 차동 펌핑 시스템 내의 이중 VUV 램프 소스들을 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 9는 본 발명에 따른 이온 깔대기를 포함하는 유기 화합물들의 검출을 위한 장치의 예시이며,
도 10은 본 발명에 따른 하나의 RF 노치를 함유하는 전형적인 RF 여기 주파수 스캔을 위한 주파수 함수로서 RF 진폭의 그래프이며,
도 11은 본 발명에 따른 펄스 충전 및 노치 농도 스위프들의 조합에 대한 흐름도이며,
도 12는 본 발명에 따른 탠덤 트랩 ART MS 장치의 예시이다.
본 발명의 전형적인 실시예들의 설명은 다음과 같다.
처음에는 가스 체적 내의 제 1 저농도의 미량 성분인 특정 가스 종들을 ATR MS와 같은 이온 트랩에서 검출하는 방법은 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하며, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 단계를 포함한다. 그 방법은 제 1 및 제 2의 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극을 포함하는 전극 구조물 내에서 특정 이온 종들이 고유 진동 주파수들에서 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하는 단계를 더 포함한다. 그 방법은 또한, 구속된 특정 이온 종들을 여기 주파수를 갖는 AC 여기 소스에 의해 여기시키며, 특정 이온 종들을 이온 트랩으로부터 방출하도록 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캔하며, 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 단계를 포함한다. 그 방법은 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캔하기 이전에 제 1 저농도에 대해 이온 트랩 내부의 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
그 방법은 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 제거에 의해서 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 단계를 더 포함한다. 본 기술분야에 공지된 임의의 가스 분리 기술이 특정 가스 종들을 농축하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 분리 기술들은 여과, 박막 분리, 하나 또는 그 초과의 흡수제들을 통한 분리, 극저온 가스 분리 및 트랩핑, 이온 트랩핑, 및 이의 조합들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 흡수제들이 하나 또는 그 초과의 가스 종들을 선택적으로 제거하는데 사용된다. 적합한 흡수제들은 반응성 흡수제들, 비-반응성 흡수제들, 및 이의 조합들을 포함할 수 있다. 흡수제들은 이에 한정되지 않지만, 분자 체들, 이온 교환기들, 게터들(예를 들어, 비-증발성 게터들), 및 이의 조합들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그 방법은 하나 또는 그 초과의 원하지 않는 가스 종들(즉, 특정 가스 종들 이외의 가스 종들)의 선택적인 흡수를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 그 방법은 특정 가스 종들의 탈착(desorption)이 후속하는, 특정 가스 종들의 선택적인 흡수를 포함할 수 있다.
임의의 구체적인 실시예들에서, 그 방법은 비-증발성 게터로부터 특정 가스 종들의 탈착이 후속하는, 비-증발성 게터에 의해 특정 가스 종들의 선택적인 흡수를 포함할 수 있다. 비-증발성 게터는 미국 콜로라도주 콜로라도 스프링스 소재의 사에스 게터스의 NEXTorr® 이온 펌프들과 같은, 흡수 요소들로서 비-증발성 게터들(NEGs)에 기초한 새로운 세대의 하이브리드 흡수/이온 펌프들의 일부일 수 있다. ART MS와 하이브리드 흡수/이온 펌프들(이후, "게터/이온 펌프들")의 조합의 장점들은:
1) 저 출력 요건들을 갖춘 대기 가스들을 샘플링할 수 있는 저 출력, 신속 샘플링 시스템들을 발전시키며,
2) 샘플링 가스가 샘플링 체적 내측으로 펄스되는 펄스 샘플링 시스템들을 발전시키며,
3) 게터/이온 펌프들의 가스-의존 펌핑 속도가 가스 샘플로부터 매트릭스(즉, 배경) 가스들을 특별히 제거하는데 사용됨으로써, 오랜 시간 동안 특정 가스 종들을 농축시키는 샘플링 시스템을 발전시키며,
4) 게터/이온 펌프의 단지 이온 펌프 또는 단지 게터 펌프 부분만이 따로따로 활성되며, 그에 의해서 오랜 시간 동안 샘플링될 가스의 화학 조성을 변경시키는 샘플링 시스템들을 발전시키며,
5) 게터/이온 펌프의 게터 펌프 부분의 작동 상태(예를 들어, 온도)들이 그의 가스-의존 펌핑 속도를 전환하도록 조절되는 샘플링 시스템들을 발전시키며,
6) 현장에서 최대로 사용될 수 있고 후에 새로운 펌핑 팩키지로 교체될 수 있는 일회용(즉, 소모성) 펌핑 팩키지들을 발전시키기 위한 능력을 포함한다.
NEXTorr® 이온 펌프(100)와 같은, 도 1에 개략적으로 예시된 게터/이온 펌프는 두 개의 상이한 펌핑 기구들에 의해 가스들을 펌핑한다.
1) 비-증발성 게터(NEG)(110)에 의한 흡수: NEG 펌프들은 최소 출력 요건들에 의해 높은 펌핑 속도들을 전달할 수 있는 소형, 경량, 무-진동 장치들이다. 1시간 동안 500 ℃까지의 가열에 의한 최초 활성화 이후에, 게터(110)는 전력 없이 실온에서 불활성 가스들(즉, 헬륨, 아르곤, 및 기타 희 가스들) 이외의 가스들을 제거한다. 수소(그리고 듀테륨 및 트리튬)는 NEG 펌프에 의해 가역적으로 흡수되는, 즉 게터 재료의 가열시 샘플링 시스템 내측으로 다시 방출될 수 있는 유일한 가스이다. 흡수 펌프는 공장에서 활성화될 수 있고 그 후에 진공이 손상되지 않는다면 상당한 기간 동안 현장에서 사용될 수 있다. NEXTorr® 펌프의 최초 펌핑 속도 및 다양한 가스들에 대한 흡수 능력이 표 1에 리스트되어 있다.
| 최초 펌핑속도(l/s) | 가스 | 활성화된 NEG | 포화된 NEG |
| O2 | 100 | 3.5 | |
| H2 | 100 | - | |
| CO | 70 | 6 | |
| N2 | 40 | 5 | |
| CH4 | 15 | 7 | |
| Ar | 6 | 6 | |
| 흡수 능력(Torr 1) | 가스 | 단일 실행 능력 | 전체 능력 |
| O2 | 5 | >500 | |
| H2 | 135 | N/A | |
| CO | 0.6 | >120 | |
| N2 | 0.3 | >25 | |
| CH4 | 30 | 10-6Torr에서 50,000시간 |
2) 이온 펌프(120)에 의한 증발: 게터/이온 펌프는 또한 게터(110) 뒤에, 진공 챔버(140)로부터 게터(110)를 통한 최적 안내 경로를 경유하여 유동하는 가스를 수용하는 이온 펌프(120)를 포함한다. NEXTorr® 이온 펌프 내의 게터(110)에 대한 이온 펌프(120)의 위치는 이온 펌프(120)로부터 게터(110) 내측으로 방출되는 임의의 가스 또는 티타늄 미립자들을 포획하도록 설계된다. NEXTorr® 이온 펌프내의 이온 펌프(120)는 불활성 가스들을 포획하지 않는다. 게터(110)와는 달리, 이온 펌프(120)는 언제라도 꺼지거나 켜질 수 있으며, 따라서 게터/이온 펌프(100) 의 펌핑 속도도 또한, 이온 펌프(120)가 켜져 있는가에 의존한다.
게터/이온 펌프는 상이한 가스들에 대해 상이한 펌핑 속도를 가져서, 게터/이온 펌프를 사용하여 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수에 의한 분석 이전에 가스의 체적 내의 제 1 저농도에 대해 특정 가스 종들의 농도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, N2 및 O2를 위한 게터/이온 펌프의 높은 펌핑 속도는 정적 샘플 또는 연속적인 저속 입구로부터 샘플링 시스템 내측으로 불활성 가스(예를 들어, 아르곤)들과 같은, 공기의 미량 성분들을 농축시킬 수 있다. 대안으로, 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 것은 비-증발성 게터로부터 특정 가스 종들의 탈착이 후속되는, 비-증발성 게터에 의한 특정 가스 종들의 선택적 흡수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 게터/이온 펌프들은 수소 및 그의 동위원소들(즉, 듀테늄, 트리튬)을 가역적으로 신속하게 흡수하며, 따라서 게터에는 수소가 장전될 수 있으며 기타 가스 종들이 이온 펌프 또는 다른 진공 펌프에 의해 제거될 수 있으며, 그 후에 게터는 수소를 방출하도록 가열될 수 있어서, 동위원소 분석을 가능하게 한다.
ART MS 장치(210), 게터/이온 펌프(100), 및 입구(230)를 조합한 샘플링 시스템(200)의 예가 도 2에 도시되어 있다. 상기 장치(200)는 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수에 의해 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 제거하는 비-증발성 게터(110)를 포함할 수 있다. 대안으로, 전술한 바와 같이 특정 가스 종들이 수소라면, 상기 장치(200)는 비-증발성 게터(110)로부터 수소의 탈착이 후속되는 선택적인 흡수에 의해 수소의 농도를 증가시키는 비-증발성 게터(110)를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 게터는 임의의 다른 흡수 장치/재료일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 흡수 재료는 챔버의 내측에 부착되거나 챔버의 내측을 피복할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 흡수 재료는 흡수 재료가 더 이상 흡수 능력이 없다면 흡수 재료를 교환할 수 있도록 제거가능한 카트리지 형태로 챔버에 제공될 수 있다.
시스템(200)은 연속적인 샘플링 또는 펄스 샘플링에 의해 작동될 수 있다. 연속적인 샘플링 하에서, ART MS 장치(210)는 게터/이온 펌프(100)에 의해 펌핑되며 가스는 입구(230)를 통해 챔버(240)의 내측으로 연속적으로 허용되며, 상기 입구는 ART MS 장치(210)에 적합한 범위로 압력을 조절하는 예를 들어, 구멍, 모세관, 플릿(frit), 또는 박막일 수 있는 누출구로 또한 지칭된다. 이러한 샘플링 시스템(200)에서, 최초 샘플 내의 가스들의 상대 농도들은 챔버(240) 내측으로의 가스 유입을 연속적으로 허용하는 입구(230)를 통한 샘플의 전위 분획이 있기 때문에 보존되지 않으며, 상이한 가스들은 게터/이온 펌프(100)에 의해 상이한 펌핑 속도들로 펌핑되며, 여기서 몇몇 종들은 이온 펌프(120)가 게터/이온 펌프(100) 내에서 켜져 있는가에 따라서 잠재적으로는 전혀 펌핑되지 않는다. 이온 펌프(120)가 꺼져 있는 경우에, 샘플링 시스템(200)은 챔버(240) 내측으로 공기의 유입을 연속적으로 허용하여 헬륨 및 아르곤의 농도 증가를 허용함으로써 공기 중의 헬륨 및 아르곤을 샘플링하는데 사용될 수 있다. 그 후 3He 및 4He의 상대적인 양들이 ART MS 장치(210)에 의해 측정될 수 있다. 측정이 완료된 이후에, 챔버(140)는 보조 진공 펌프(220)에 의해 배기될 수 있음으로써, 다음 샘플을 위해 챔버(240)가 세정된다. 입구(230)에 박막의 부가는 예를 들어, 메탄에 대한 게터/이온 펌프(100)가 물에 대한 대응 펌핑 속도보다 거의 10배 더 느린 펌핑 속도의 장점을 고려한, 메탄에 대한 높은 투과율뿐만 아니라 물에 대한 상당한 투과율을 가지는 폴리디메틸설폭시드(PDMSO) 박막을 사용하여 수중의 메탄(CH4)을 샘플링할 수 있으며, 이에 의해서 챔버(240) 내에 메탄을 농축할 수 있다. 그러나, 연속적인 샘플링은 그들의 한정된 저장 용량으로 인해 게터/이온 펌프(100)들의 수명을 제한한다.
게터/이온 펌프들의 저장 용량 한계를 다룬 대안은 가스가 제어된 단 펄스들로 챔버(240) 내측으로 도입되는 펄스 샘플링이다. 각각의 펄스로 도입되는 가스의 양은 펄스 시간의 길이, 펄스 입구(230)의 컨덕턴스, 또는 이들 둘 다를 제어함으로써 ART MS 장치(210)의 압력 상한과의 양립성을 위해 제어된다. 적합한 밸브(230)들은 솔레노이드 밸브들(예를 들어, Parker) 또는 압전 밸브들(예를 들어, Key High Vacuum)과 같은 신속 리크 밸브들, 또는 맞춤형(custom made) 신속 샘플링 밸브들을 포함한다. Rev. Sci. Instrum. 81(201)p. 023106 참조. 신속 샘플링 밸브들은 샘플링 시간들이 수 밀리세컨드들 정도일 수 있기 때문에 바람직하다. 일단 가스 펄스가 챔버(240) 내측으로 도입되면, 3 개 이상의 가능한 샘플링 시나리오들, 즉 a) 압력이 ART MS 장치(210)에 충분히 낮다면 즉시 샘플링하며, b) ART MS 장치(210)가 샘플링할 수 있는 압력으로 상기 압력이 게터/이온 펌프(100)에 의해 감소될 때까지 기다리며, c) ART MS 장치(210)가 샘플링할 수 있는 레벨로 특정 가스 종들의 농도가 증가될 때까지 가스 조성이 변화하도록 기다리는 시나리오들이 있다. 샘플링이 완료되면, 게터/이온 펌프는 챔버를 배기하고 다음 샘플 펄스를 위해 세정 시작을 제공한다. 펄스 샘플링의 경우에, 가스는 단지 간헐적으로 챔버(240)의 내측으로 도입되어서, 게터 펌프(110)의 한정된 용량은 단지 필요할 때만 사용되어서 게터 펌프(110)의 수명을 연장한다. 또한 일정 체적의 가스로 챔버(240)를 장전하는 것이 가능하며, 그 후에 특정 가스 종들을 농축시키기 위해 게터/이온 가스-의존 펌핑 속도를 조절한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 최종 샘플 세정 또는 가스 의존 펌핑 속도를 제공할 수 있으며 필요하지 않을 때 챔버(240)로부터 격리될 수 있는 터보 분자 펌프와 같은 다른 진공 펌프(220)와 게터/이온 펌프(100)를 조합하는 것도 또한 가능하다.
도 3a는 도 2에 예시된 장치를 사용한, 펄스 샘플링의 이벤트들에 대한 가능한 시퀀스를 도시한다.
1) 단계 310에서, 밸브(230)는 개방되며 샘플 환경으로부터 직접적으로 얻거나 박막을 통해 관류되는 가스는 압력이 ART MS 장치(210)와 호환가능한 최대 레벨에 도달할 때까지 다른 밀봉된 진공 챔버(240) 내측으로 유입이 잠깐 허용된다.
2) 단계 320에서, 밸브(230)는 그 후에 폐쇄되며 압력은 ART MS 장치(210)의 작동에 적합한 레벨들에 도달할 때까지 또는 가장 양호한 ART MS 데이터가 얻어질 수 있는 레벨들에 특정 가스 종들의 농도가 도달할 때까지 단계(330)에서 모니터링된다.
3) 단계 340에서, ART MS 스펙트럼 스캔들은 바람직한 신호-대-잡음 비(SNR)가 얻어질 때까지 평균화된다.
4) 단계 350에서, 챔버(240)는 그 후에 다른 사이클을 위한 준비로 펌핑된다.
도 3b는 공기의 샘플로부터 아르곤 및 헬륨을 샘플링하기 위해서 도 1 및 도 2에 도시된 장치를 사용하는 전형적인 샘플링 사이클을 도시하며, 여기서 게터/이온 펌프(100)의 가스 의존 펌핑 속도들이 주어지면, 상이한 가스들이 상이한 시간들에 배기될 것이다. 주 성분들은 사이클 초기에 측정될 수 있으며, 더 늦게 펌핑되는(또는 헬륨과 같은 게터에 의해 모두 배기되지 않는)미량 성분들은 샘플링 사이클에서 후에 측정될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 단계 310에서 밸브(230)는 공기의 펄스를 챔버(240)의 내측으로 허용하며, 그 후에 단계 320에서 밸브(230)는 폐쇄되며, 게터는 단계 330에서 N2, O2, CO, CO2, H2O 등과 같은 활성(즉, 배경) 성분들의 샘플을 신속히 고갈시키는 반면에, 헬륨 및 아르곤과 같은 불활성 가스들은 배후에 남는다. 불활성 가스들의 농도가 충분히 높으면, ART MS 장치(210)는 단계 340에서 가스 스펙트럼을 얻는다. 이와는 달리, 공기의 부가의 펄스들은 단계 310 및 320을 반복함으로써 챔버(240)의 내측으로 도입될 수 있으며, 추가로 불활성 가스들의 농도를 증가시킨다. 가스 스펙트럼이 샘플링 시간(340) 중에 얻어진 이후에, 보조 펌프(220)는 단계 350에서 켜지며 챔버(240)는 새로운 샘플을 위해 세정된다.
도 3b에 도시된 것과 유사한 샘플링 사이클이 박막 도입 질량 분석기(MIMS)에 의해 수중의 휘발성 유기 화합물(VOCs)들을 검출하는데 사용될 수 있다. 게터/이온 펌프들을 사용하는 VOCs를 위한 펌핑 속도들은 공기의 활성 성분들을 위한 펌핑 속도 보다 더 낮다. 박막을 통한 투과 이후에 챔버(240) 내측으로 펄스되는 VOCs는 작은 농도들로 그리고 높은 농도의 수증기와 함께 존재하나, 물은 게터 펌프에 의해 신속히 배기되어 ART MS가 VOCs를 검출할 수 있게 한다.
상기 샘플들은 ART MS의 SNR을 개선하기 위한 ART MS 장치에 의한 이온화 및 분석 이전에 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 여러 방법들을 예시한다. SNR은 또한, 진공 자외선(VUV) 선택 광이온화에 의해 휘발성 유기 화합물(VOCs)들과 같은 특정 가스 종들을 우선적으로 이온화함으로써 개선될 수 있다. VOCs는 화학 작용제(Chemical Warfare Agents), 독성 산업 화학물질(Toxic Industrial Chemicals), 및 폭발물뿐만 아니라 (기계적인)진공 펌프 오일들과 같은 탄화수소들을 포함할 수 있다. 배경 가스들에 대응하는 피크들 없는 펌프 오일 오염물에 기인한 전형적인 질량 스펙트럼이 도 4에 도시되어 있다. 약 8 eV 내지 약 12 eV 범위의 에너지들을 갖는 VUV 광자들에 의한 유기 분자들의 이온화는 경(soft) 이온화를 생성하여, 유기 분자들의 상당한 분열 없이 이온들을 생성한다. 광이온화는 에너지가 광자로부터 전자 상태의 분자에 직접적으로 커플링되는 단일 광자 이온화(SPI)를 통해 유기 분자들이 전자를 잃게 한다. 공기 성분들(즉, N2, O2, Ar, 등)은 VUV 광자들에 의해 이온화되지 않는다. 광이온화를 위한 빛은 예를 들어, Hamamatsu, Heraeus, Cathodeon, 및 Optimare와 같은 램프 제작자들로부터 얻어지는 He, Ar, Kr, Xe, 및 D2 램프와 같은 VUV 램프들에 의해 생성될 수 있다. 상이한 램프 충전 가스들의 선택은 또한, 이온화를 위한 부가의 선택도를 제공하고 이온화 공정의 에너지를 조절할 수 있다. 다른 빛 소스들은 극 자외선(EUV) 레이저 소스들, 및 주파수 이중 또는 삼중 펄스 레이저들을 포함한다.
ART MS에 의한, 유기 화합물과 같은 특정 가스 종들의 검출을 위한 장치(500)가 도 5에 도시되어 있다. 상기 장치(500)는 특정 가스 종들을 포함한 가스를 이온화함으로써 특정 이온 종들을 생성하는 이온화기(550,560), 및 고유 진동 주파수들에서 특정 이온 종들이 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생성하는 전극 구조물(541,542,543)을 포함하며, 전극은 제 1(541) 및 제 2 (542) 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극(543)을 포함한다. 상기 장치는 AC 여기 주파수에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 AC 여기 소스(546), 이온 트랩(540)으로부터 특정 이온 종들을 방출하도록 AC 여기 소스(546)의 여기 주파수를 스캔하는 스캔 제어기(547), 및 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 검출기(548)를 더 포함한다. 특정 가스 종들을 함유하는 대기 샘플(510)은 차압 입구(530)를 통해 고 진공 시스템(520)으로 도입된다. 도 5는 1단 차압 입구, 즉 샘플(510)과 이온 트랩(540) 사이에 차압을 설정하는 입구를 예시하는 반면에, 아래의 도 8은 2단 차압 입구를 예시한다. 저압 가스는 이온 트랩(540) 내측으로 확산하며 VUV 소스(550)는 트랩(545)의 이온 영역 내에서 특정 가스 종들을 직접적으로 이온화한다. 이온 트랩(540)은 광이온화(PI) 소스(550)뿐만 아니라 PI와 평행하거나 연속적으로 사용될 수 있는 필라멘트(560)를 사용하는 전자 충격 이온화(EII)를 포함하는 이온화기를 포함할 수 있다. EII는 공기 성분들과 유기 성분들 모두를 이온화하여, 트랩(540)이 공기 가스 이온들로 대부분 충전되며, 유기 화합물 이온들이 공기 성분 이온들에 의해 희석되게 한다. EII는 충분한 샘플이 트랩(540) 내측으로 도입되었는지를 체크하기 위해 PI와 연속적으로 사용될 수 있다. 이온화가 광이온화로 전환될 때, 단지 유기 화합물들만이 트랩(540) 내에서 이온화되고 저장되어서, 유기 화합물 이온들(즉, 특정 이온 종들)을 농축시키며 EII에 대한 VOCs를 위한 개선된 검출 한계들을 제공한다. 렌즈는 이온 트랩(540) 내에 트랩된 특정 이온 종들의 수를 최대화하기 위해서 양호하게 한정된 이온화 영역(545) 내측으로 빛을 포커싱하도록 VUV 소스(550)와 함께 사용될 수 있다. VUV 소스(550)는 증가된 이온화 선택도를 위해 다중 램프들을 포함할 수 있으며 도 5에 도시된 바와 같이 ART MS 트랩(540)의 원통형 축선에 직교하게 또는 아래에서 설명되는 바와 같이 ART MS 트랩(540)과 동축으로 지향될 수 있다.
도 6에 도시된 대안의 가스 입구 디자인은 VUV 소스(550)의 포커싱 영역(545) 내측으로 가스를 도입하는 모세관(630)을 포함한다. 모세관(630)은 도 6에 도시된 바와 같이 ART MS 트랩(540)의 원통형 축선에 직교하게, 또는 도 7에 도시된 바와 같이 ART MS 트랩(540)과 동축으로 지향될 수 있으며, 도 7에서 동축 모세관(730)은 ART MS 트랩의 원통형 축선과 동축으로 도시되며 모세관(730)은 ART MS 트랩의 원통형 축선에 직교하게 샘플 가스(510)를 도입한다. VUV 소스(550)는 또한 도 7의 ART MS 트랩(540)과 동축으로 도시되어 있다. 모세관(730)은 또한 핀홀(pinhole) 또는 스키머(skimmer)일 수 있다.
도 8에 도시된 대안의 VUV 소스 디자인은 대기압에서 공기를 샘플링하는데 사용될 수 있는 2단 차동 펌핑 샘플링 시스템 내에 두 개의 VUV 소스(850,855)를 포함한다. 특정 가스 종들을 함유하는 공기는 수 Torr 내지 mTorr 레벨일 수 있는 펌프(870)에 의해 유지되는 중간 압력을 갖는 챔버(860)의 내측으로 도입된다. 가스는 램프(850,855)로부터의 VUV 빛에 의해 이온화되며, 형성된 이온들은 모세관(830) 또는 스키머를 통해서 ART MS 트랩(540)의 내측으로 전달된다.
챔버(860) 내측의 감소된 압력은 오염물의 증강을 감소시켜, 도 9에 도시된 바와 같이 이온 렌즈들 또는 이온 깔대기(930)의 사용을 가능하게 하며, (개선된 선택도를 위한 상이한 램프들일 수 있는)VUV 램프(850,855)들의 설치에 있어서 적응성을 향상시킨다. 챔버(860)는 또한, SPI에 의해 효율적으로 이온화되지 않은 특정 가스 종들로부터 챔버(860) 내측에 이온들을 생성하기 위해 코로나 방전을 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 디자인에서, 공기 샘플은 약 1 Torr 내지 약 30 Torr 범위의 압력에서 (다이아프램 펌프 또는 단간(inter-stage) 터보 펌프와 같은 진공 펌프(870)를 사용하여)중간 챔버(860)의 내측으로 상이하게 펌핑된다. 모세관(935)으로부터 발산되는 가스는 VUV 램프(850,855)들에 의해 이온화되며, 이온들은 이온 깔대기(930)에 의해 ART MS 트랩(540) 내측에 커플링된다. 빔 스톱(920)은 모세관(935)으로부터 발산된 중성자들이 이온 깔대기(930)의 구멍(940)에 직접 도달하는 것을 방지하나, 이온들이 빔 스톱(920)의 주위로 가고 ART MS 트랩(540) 내측으로의 전달을 위해 구멍(940)의 내측에 포커싱되는 것을 허용한다.
전체 유기 화합물(TOC)들의 검출을 위해서, 위에서 설명된 도 5 내지 도 9에 도시된 디자인들을 사용하여 얻은 질량 스펙트럼들의 데이터 처리는 45 amu 초과의 질량들에서의 피크들에 대한 트랩으로부터 방출된 전하를(도 4에 도시된 질량 스펙트럼 참조) 시간에 대해 적분하는 것을 포함한다. 퍼센트 TOC(TOC%)는 전체 스펙트럼에 대한 전하를 시간에 대해 적분함으로써 얻어진, 전체 전하에 대한 TOC 전하의 비이다. 절대 TOC 부분압은 예를 들어, 이온화 게이지를 사용하여 측정된 전체 압력에 의해 곱해진 TOC%이다.
ART MS 장치의 SNR을 개선하기 위한 또 다른 방식은 특정 이온 종들을 방출하기 위한 상기 스캔 이전에, 또는 이와는 달리 특정 이온 종들을 방출하기 위한 여기 주파수의 상기 스캔 이전에 도 5에 도시된 AC 여기 소스(546) 및 스캔 제어기(547)를 사용하여 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 트랩핑 또는 방출하며, 특정 이온 종들의 이전의 트랩핑 및 이전의 방출에 의해 특정 이온 종들을 농축시키며, 선택적으로 도 12에 도시된 제 2 전극 구조물(1220) 내에 미리 방출된 특정 이온 종들을 구속시키며, 이에 의해서 제 2 전극 구조물 내에 특정 이온 종들을 우선적으로 축적시키는 것이며, 상기 스캔은 특정 이온 종들을 방출시켜 미리 방출된 특정 이온 종들을 추가로 방출하는 것이다. 이런 장치에서 모든 이온들은 제 1 트랩(1210) 내에 먼저 축적되며, 단지 특정 이온 종들만이 특정 이온들의 고유 진동 주파수에 포커싱되는 AC 여기 스캔을 사용하여 제 2 트랩(1220)으로 전달된다. 제 1 트랩(1210) 내에서 여기된 특정 이온들은 그리드 판(1217) 상의 그리드 구조물에 도달하고 증가된 진폭 및 에너지로 인해 우측으로 건너간다. AC 여기가 제 1 트랩(1210)에서 반복적으로 스캔되기 때문에 특정 이온들의 증가된 양들이 제 2 트랩(1220) 내에 축적된다. 이러한 방법론의 변화들은 그들의 상대 농도들에 비례하는 축적 시간들, 즉 가장 낮은 농도의 특정 이온 종들에 대한 더 긴 축적 시간들 및 더 높은 농도의 특정 이온 종들에 대한 더 짧은 축적 시간들에 따라서 트랩 내의 두 개의 독립적인 특정 이온 종들을 동시에 축적할 가능성을 포함한다. 이러한 작동 모드 하에서, 더 높은 농도의 특정 이온 종들은 검출 한계들 위에 도달하기 위해 더 긴 적분 시간들을 요구하는 더 낮은 농도들의 종들보다 더 자주 방출된다. 더 정교한 기구적 셋업은 또한, 단일 트랩이 특정 이온 종들을 축적하는데 사용되는 도 12에 도시된 바와 같은 탠덤 구조물을 포함할 수 있으며, 그 특정 이온 종들은 그 후에 포커싱 렌즈들 및 이온들을 지향시키기 위한 편향기들을 사용하여 다중 제 2 평행 트랩들 내측으로 선택적으로 방출된다. 이러한 접근 방법에서, 독립적인 특정 이온 종들은 이온 농도들이 그들의 검출 한계들 위의 레벨들에 도달할 때 후속하여 스캔되는 전용 제 2 트랩들 내에 축적된다. 도 12에 도시된 바와 같이 제 2 트랩 내에 이온들을 더 신속히 축적하기 위한 대안적인 방식은 동일한 특정 이온 종들을 축적하고 단지 이들 이온들만을 단일의 제 2 트랩으로 공급하여 이온 축적의 비를 증가시키고 제 2 트랩 내의 충전 시간들을 가속시키는 평행한 다중 제 1 트랩들을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 게다가, 두 개 초과의 트랩들이 일렬로(직렬로) 사용될 수 있으며, 여기서 후속 트랩들은 하나의 트랩으로부터 다음의 트랩으로 이온들을 변위시키도록 AC 여기를 사용하여 특정 이온들을 저장하는데 사용된다. 일단 트랩들이 이온들로 충전되면, AC 여기는 이온들을 검출기 내측으로 하나씩 이동시키는데 사용된다.
연속 이온 충전에 의해서 그리고 도 10에 도시된 바와 같이 하나 이상의 RF 노치에 의해서, 즉 제로 또는 제로 근접 RF 진폭에 의해서 ART MS 장치 내측의 관심 미량 가스의 특정 이온 종들을 농축시키는 하나의 접근 방법은 관심의 하나 이상의 미량 가스에 대한 방출 주파수에 대응하는 하나 이상의 주파수에서 RF 여기 주파수를 신속하게 스캔하는 것이다. 노치 이외의 RF 진폭은 표준 진폭보다 더 높을 수 있어서, 관심의 미량 가스 이외의 이온들은 높은 주파수의 스위프 속도(sweep rate)에서 조차도 ART MS로부터 효율적으로 방출된다. 스위프 속도는 이온 집단들이 스캔들 사이에 용이하게 보충되지 않도록 증가되며 전자 방출 전류는 또한 이온 형성률이 스캔들 사이에 감소되도록 감소된다. 이러한 스캔 공정이 여러 번 반복되면, 관심의 미량 가스에 대한 이온들(즉, 단지 트랩들로부터 방출되지 않는 이온들만)의 농도는 모든 다른 이온들의 농도에 대해 증가할 것이다. 노치 RF 여기 스캔들의 여러 사이클들 이후에, 미량 가스 이온들의 방출 주파수에 집중된 최종 RF 여기 스캔은 관심 미량 가스에 대한 ART MS 장치의 SNR을 개선할 것이다.
위의 RF 여기 스캔 방법에 대한 대안은 이를 트랩의 펄스 충전과 조합하는 것이다. 도 11에 도시된 흐름도(1100)에 예시된 이러한 방법에서, 트랩은 예정된 시간량 동안 단계(1110)에서 이온들로 충전되며 그 후에 노치 농도 스위프는 관심의 미량 가스 이온들 이외의 이온들을 방출하기 위한 단계(1120)에서 수행된다. 관심 미량 가스 이온들이 하나 초과의 질량으로 구성될 수 있음에 주목해야 한다. 노치 농도 스위프가 후속되는 펄스 충전 공정은 여러 번 반복될 수 있다. 펄스 충전은 각각의 펄스에 의해 트랩 내측으로 도입되는 이온들의 수를 제어하며, 그에 의해서 스캔들 사이의 전하 포화를 방지한다. 펄스 충전 및 노치 농도 스캔들에 대한 여러 사이클들 이후에, 다른 종들에 대한 관심 미량 가스 이온들의 농도는 증가되어야 한다. 노치 농도 스캔들의 RF 진폭은 개선된 방출 효율을 위해 증가될 수 있다. 이러한 농도 단계의 말기에, 트랩 내측으로의 임의의 많은 이온들의 도입 없이 단계(1130)에서의 최종 AC 여기 주파수 스위프는 단계(1140)에서 검출이 후속되는 트랩으로부터 관심 미량 가스 이온들을 방출한다.
펄스 충전 방법을 위해 조절될 수 있는 변수들은 1) 각각의 사이클에 대해 트랩 내측으로 도입되는 이온들의 수를 제어하는 충전 시간 및 전자 방출 전류, 2) 노치 농도 스위프 동안의 스캔 시간 및 RF 진폭, 3) 노치 농도 스위프들의 수로서, 각각의 농도 스위프는 제어된 이온 충전이 선행되며, 그리고 4) 미량 가스 방출 스위프의 RF 진폭, 스위프 시간 및 주파수 범위를 포함한다.
미량 가스 방출 스위프는 도 12에 도시된 바와 같이 제 2 트랩 내측으로 관심 미량 가스 이온들을 보내는데 사용될 수 있다. 탠덤 트랩 ART MS 장치(1200)는 직렬로 연결되는 제 1 트랩(1210) 및 제 2 트랩(1220)을 포함한다. 각각의 제 1 트랩(1210) 및 제 2 트랩(1220)은 독립적으로 이온들을 저장할 수 있으며, 각각의 트랩은 이온들을 방출할 수 있는 제 1 RF 소스(1215) 및 제 2 RF 소스(1225)를 가진다. 상기 장치(1200)는 관심 미량 가스 이온들의 방출 주파수 주위에 집중되는 좁은 주파수 스위프를 사용하여 제 1 트랩(1210)(일반적인 저장 트랩)으로부터 제 2 트랩(1220)(선택적인 저장 트랩)으로 전달될 개개의 이온 질량들을 선택하는데 사용될 수 있다. 다중 이온 질량들을 포함할 수 있는, 제 1 트랩(1210)으로부터 제 2 트랩(1220)으로 관심 미량 가스 이온들의 선택적인 전달에 대한 몇몇 사이클들 이후에, 최종 주파수 스위프가 검출기(1230)를 사용하여 축적된 관심 미량 가스 이온들을 방출하고 검출하도록 제 2 RF 소스(1225)에 적용될 수 있다. 탠덤 트랩 장치(1200)는 연속 또는 펄스 충전에 사용될 수 있다. 제 1 트랩(1210)으로부터 제 2 트랩(1220)으로의 이온들의 전달은 간단하게 발생하는데, 이는 RF 소스(1215)에 의해 제공되는 여기 주파수 스캔이 특정 이온들의 에너지를 여기시키며 이들을 판(1217)의 그리드에 가깝게 가져옴으로써 제 2 트랩(1220) 내에 이온들의 전달 및 저장을 가능하게 하기 때문이다. 판(1217)에서의 전압에 대한 시변(time variant) 실행은 그리드 전압을 낮출 수 있으며 이온들이 제 2 트랩(1220) 내측으로 전달되고 한번 더 상승될 필요가 있을 때 이온들이 전달되고 저장되어서, 그리드 판(1217)이 전자 이온 밸브로서 작동하게 한다. 검출기(1230)로 유도되는 출구 판(1228) 상의 전압은 또한, 모든 저장된 이온들이 검출기(1230) 쪽으로 빠져나가는 것을 보장하도록 제 2 트랩(1220)으로부터 이온들의 방출 이전에 변경될 수 있으며 판(1217)으로 분실되지 않고 제 1 트랩(1210)으로 다시 보내진다.
본 출원에 인용된 모든 특허들, 공개된 출원들 및 참조문헌들의 관련 교시들은 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
본 발명이 상세히 도시되고 그의 전형적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 형태 및 세부사항들에서의 다양한 변경들이 첨부된 특허청구범위에 포함되는 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없이 본 발명 내에서 이루어질 수 있다는 것을 당업자에 의해 이해될 것이다.
Claims (19)
- 처음에는 가스 체적 내의 제 1 저농도의 미량 성분인, 이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법으로서,
ⅰ) 상기 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 단계와,
ⅱ) 제 1 및 제 2의 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극을 포함하는 전극 구조물 내의 고유 진동 주파수들에서, 상기 특정 이온 종들이 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하는 단계와,
ⅲ) 여기 주파수를 갖는 AC 여기 소스에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 단계와,
ⅳ) 이온 트랩으로부터 특정 이온 종들을 방출하기 위해서 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캐닝하는 단계, 및
ⅴ) 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 단계를 포함하며,
상기 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캐닝하기 이전에 제 1 저 농도에 대해 이온 트랩 내의 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 단계는 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 제거를 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
선택적인 제거는 특정 이온 종들를 방출하기 위해 상기 스캐닝 이전에 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 트랩하고 방출하는 것인,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 제거는 비-증발성 게터에 의해 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수를 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들의 농도를 증가시키는 단계는 비-증발성 게터로부터 특정 가스 종들의 탈착이 후속되는, 비-증발성 게터에 의해 특정 가스 종들의 선택적인 흡수를 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들의 이온화 단계는 특정 이온 종들의 농도를 증가시키기 위해 특정 가스 종들의 선택적인 광이온화를 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 6 항에 있어서,
시간의 함수로서 특정 가스 종들의 전하를 적분함으로써 데이터를 처리하는 단계를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 광이온화는 약 8 eV 내지 약 12 eV 범위 내의 에너지들을 갖는 진공 자외선(VUV) 광자들에 의한 것인,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 특정 이온 종들을 방출하기 위해 여기 주파수의 상기 스캔 이전에, 특정 이온 종들을 이전에 트랩하고 이전에 방출함으로써 특정 이온 종들을 농축화하는 단계를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 이전에 방출된 특정 이온 종들을 제 2 전극 구조물 내에 구속하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 제 2 전극 구조물 내에 우선적으로 축적하는 단계를 더 포함하며, 특정 이온 종들을 방출하기 위한 상기 스캔은 이전에 방출된 특정 이온 종들을 방출하는 것을 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
예정된 양의 가스에 의해 이온 트랩을 충전하는 단계를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 방법.
- 처음에는 가스 체적 내의 제 1 저농도의 미량 성분인, 이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치로서,
ⅰ) 상기 특정 가스 종들을 포함하는 가스를 이온화하고, 그에 의해서 특정 이온 종들을 생성하는 이온화기와,
ⅱ) 상기 특정 이온 종들이 고유 진동 주파수들에서, 이온 트랩 내의 궤적들에 구속되는 정전 전위를 생산하며 제 1 및 제 2의 대향 미러 전극들 및 이들 사이의 중앙 렌즈 전극을 포함하는 전극 구조물과,
ⅲ) AC 여기 주파수에 의해 구속된 특정 이온 종들을 여기시키는 AC 여기 소스와,
ⅳ) 이온 트랩으로부터 특정 이온 종들을 방출하기 위해서 AC 여기 소스의 여기 주파수를 스캐닝하는 스캔 제어기, 및
ⅴ) 방출된 특정 이온 종들을 검출하는 검출기를 포함하며,
상기 장치는 스캔 제어기가 특정 가스 종들의 이온들을 방출하는 여기 주파수를 스캐닝하기 이전에 제 1 저 농도에 대해 이온 트랩 내의 특정 이온 종들의 농도를 증가시도록 적응되는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들 이외의 가스 종들의 선택적인 흡수에 의해 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 제거하는 비-증발성 게터를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 특정 가스 종들은 수소이며, 상기 장치는 비-증발성 게터로부터 수소의 탈착이 후속되는 선택적인 흡수에 의해수소의 농도를 증가시키는 비-증발성 게터를 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스캔 제어기는 특정 이온 종들을의 상기 스캔 및 방출 이전에 특정 가스 종들 이외의 가스 종들을 트랩하고 방출하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온화기는 특정 이온 종들의 농도를 증가시키는 선택적인 광이온화 소스를 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 16 항에 있어서,
상기 광이온화 소스는 약 8 eV 내지 약 12 eV 범위 내의 에너지들을 갖는 진공 자외선(VUV) 광자들을 방출하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 16 항에 있어서,
상기 검출기는 시간의 함수로서 특정 가스 종들의 전하를 적분하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
- 제 12 항에 있어서,
상기 스캔 제어기가 특정 이온 종들을 방출하기 위한 여기 주파수를 스캐닝하기 이전에, 이전에 방출된 특정 이온 종들을 구속하고 그에 의해서 이전에 트랩되고 이전에 방출된 특정 이온 종들을 농축시키는 제 2 전극 구조물을 더 포함하는,
이온 트랩 내의 특정 가스 종들을 검출하는 장치.
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