KR20200101699A - 질량 분석 장치 - Google Patents

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KR20200101699A
KR20200101699A KR1020190019890A KR20190019890A KR20200101699A KR 20200101699 A KR20200101699 A KR 20200101699A KR 1020190019890 A KR1020190019890 A KR 1020190019890A KR 20190019890 A KR20190019890 A KR 20190019890A KR 20200101699 A KR20200101699 A KR 20200101699A
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김양선
신동진
이승준
오윤석
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Abstract

시료용 질량 분석 장치에 연관된다. 시료를 레이저 탈착 이온화 방식으로 분석하는 장치는 시료가 배치된 챔버, 상기 시료에 레이저를 조사하는 레이저 조사부, 상기 시료에서 탈착되는 이온을 검출하는 이온 검출기, 상기 조사된 레이저에 반응하여 상기 시료로부터 방출된 출력광을 반사하는 반사부 및 상기 반사부로부터 반사된 반사광을 수집하여 상기 시료를 촬영하는 카메라를 포함하고, 상기 탈착되는 이온은 튜브를 통과하여 상기 이온 검출기에 도달하고, 상기 반사부는 상기 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 상기 출력광을 반사할 수 있다.

Description

질량 분석 장치{MASS SPECTROMETER}
레이저 탈착 이온화(Laser Desorption Ionization) 장치에 연관된다.
레이저 탈착 이온화 방법은 레이저 광을 시료에 단시간 조사해 순간적으로 시료를 기화시킴으로써 시료 중의 분석 대상 물질의 분자를 분해하는 일 없이 이온화를 수행하는 방식이다.
레이터 탈착 이온화 방법은 분석 대상 물질이 조각화되지 않아 정확한 분자량의 측정이 가능하고, 검출 감도가 좋아 수 펨토몰 수준의 분석대상 물질 또한 검출가능하며, 보통 다전하가 아닌 단일 전하만을 가지므로 질량스펙트럼이 간단하게 분석될 수 있는 장점이 있다.
미국 공개특허 US 2017/0358438 A1호 (공개일자 2017년12월14일)는 안일 입자 유도 결합 플라즈마 질량 분석 장치를 개시한다. 디스플레이의 질량 스펙트럼을 분석하는 시스템에 관한 발명이다.
일 실시예에 따른 시료를 레이저 탈착 이온화 방식으로 분석하는 장치는 시료가 배치된 챔버; 상기 시료에 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 상기 시료에서 탈착되는 이온을 검출하는 이온 검출기; 상기 조사된 레이저에 반응하여 상기 시료로부터 방출된 출력광을 반사하는 반사부; 및 상기 반사부로부터 반사된 반사광을 수집하여 상기 시료를 촬영하는 카메라를 포함하고, 상기 탈착되는 이온은 튜브를 통과하여 상기 이온 검출기에 도달하고, 상기 반사부는 상기 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 상기 출력광을 반사할 수 있다.
상기 반사부는, 상기 탈착되는 이온이 통과하는 홀(Hole)을 포함할 수 있다.
상기 홀의 직경은 3mm일 수 있다.
상기 반사부의 장반경은 22.01mm 이상 48.84mm이하일 수 있다.
상기 튜브의 길이 방향은 상기 챔버의 수평 방향과 수직일 수 있다.
상기 레이저 조사부는 상기 튜브의 길이 방향으로부터 30도 기울어지고, 상기 카메라는 상기 챔버의 수평 방향으로부터 30도 기울어지고, 상기 반사부는 상기 챔버의 수평 방향으로부터 60도 기울어질 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 질량 분석 장치의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 질량 분석 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3a은 종래의 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
도 3b는 일실시예에 따른 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
도 4a는 일실시예에 따른 주 카메라에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
도 4b는 일실시예에 따른 보조 카메라에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 질량 분석 장치의 전체적인 구조를 도시한 도면이다.
이하에서는, 질량 분석 장치가 OLED 패널 시료를 통해 질량 분석을 수행하는 예시에 기초하여 본원 발명의 질량 분석 장치의 동작을 구체적으로 설명한다. 하지만, 본원 발명의 질량 분석 장치는 OLED 패널 시료에 대한 질량 분석에 한정되지 않고, 임의의 시료에 대한 질량 분석을 수행할 수 있다. 따라서, 본원의 권리 범위는 질량 분석 장치가 OLED 패널 시료 분석에 사용되는 것으로 제한되지 않으며, 본원의 질량 분석 장치는 임의의 시료의 질량 분석에 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 질량 분석 장치는 OLED LDI를 위한 홀 반사경을 포함할 수 있다. 질량 분석 장치는 홀 반사경을 통해 OLED 패널 시료에서 탈착되는 이온을 통과시키는 동시에, 챔버의 수평 방향에 수직하게 진행하는 광을 반사하여 카메라로 촬영할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 질량 분석 장치는 OLED 패널 시료를 레이저 탈착 이온화 방식으로 분석할 수 있다. 질량 분석 장치는 챔버(110), 플레이트(111), 레이저 조사부(120), 이온 검출기(130), 반사부(140), 카메라(150)를 포함할 수 있다. 여기서, 반사부(140)는 홀(hole)을 포함할 수 있다. 홀을 포함하는 반사부(140)는 홀 반사경이라고 지칭될 수 있다.
질량 분석 장치는 시야가 넓은 저배율 렌즈(2X)와 분해능이 높은 고배율 렌즈(8X ~ 10X)를 함께 포함할 수 있다. 고배율 렌즈를 사용할 경우 시야가 좁아질 수 있으므로, 질량 분석 장치는 시야가 넓은 저배율 렌즈와 분해능이 높은 고배율 렌즈를 동시에 사용할 수 있다.
챔버(110)에는 OLED 패널 시료가 배치되는 플레이트(111)가 포함될 수 있다. 질량 분석 장치는 고진공 상태에서 OLED 패널 시료를 측정할 수 있다. 이를 위해 챔버(110)는 시료 도입부 및 진공 시스템을 포함할 수 있다. OLDE 패널 시료는 대기 상태로부터 고진공 상태로 들어가기 위해 저진공 상태를 거칠 수 있다.
레이저 조사부(120)는 OLED 패널 시료에 레이저를 조사할 수 있다. 레이저 조사부(120)는 5um 이하의 극세초점 레이저 광학 시스템을 포함할 수 있다. 레이저 조사부(120)는 QHD 급 이상의 고해상도 OLED 패널을 Pixel 단위로 직접 분석할 수 있다. 이를 통해 MALDI-TOF에서 일반적으로 사용되는 레이저 빔 사이즈인 100~200um 보다 더 작은 단위의 분석이 가능하며, 보다 높은 분해능이 달성될 수 있다.
이온 검출기(130)는 OLED 패널 시료에서 탈착되는 이온을 검출할 수 있다. 이온 검출기(130)는 이온 광학계를 이용할 수 있다. 이온 광학계는 고전압 또는 고전압 펄스를 이용하여 이온을 이온 검출기(130)로 전달할 수 있다. 이온 광학계는 이온 디플렉터(deflectors)를 포함할 수 있다. 이온 디플렉터는 이온의 경로를 보정하여 원하는 방향으로 보내는 기능을 수행할 수 있다. 이온 광학계는 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 퍼져나가는 이온을 이온 검출기(130)로 모아주는 역할을 수행할 수 있다.
탈착되는 이온은 튜브를 통과하여 이온 검출기(130)에 도달하고, 반사부(140)는 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 출력광을 반사할 수 있다. 반사광은 카메라(150)로 진행할 수 있다. 여기서, 튜브는 이온이 통과하는 경로로서 플라이트 튜브(flight tube)라고 지칭될 수 있다. 튜브의 길이 방향은 챔버(110)의 수평 방향과 수직일 수 있다.
튜브의 길이 방향이 챔버의 플레이트(111)와 수직인 경우, 카메라는 튜브와 겹치지 않도록 배치될 필요가 있다. 카메라가 튜브의 길이 방향으로부터 특정 각도만큼 기울어지는 경우, 플레이트(111) 상의 OLED 패널 시료로부터 방출된 광 중 튜브의 길이 방향으로부터 특정 각도만큼 기울어져 진행하는 광이 카메라(150)에 도달할 수 있다.
반사부(140)는 조사된 레이저에 반응하여 OLED 패널 시료로부터 방출된 출력광을 반사할 수 있다. 반사부(140)는 홀을 통해 탈착된 이온이 통과하는 경로를 제공할 수 있다. 탈착되는 이온은 반사부(140)에 포함된 홀을 통과할 수 있다. 반사부(140)는 OLED 패널 시료로부터 수직으로 입사하는 출력광을 반사하여 카메라(150)로 전달할 수 있다. 이를 통해, 카메라(150)는 플레이트(111)로부터 수직으로 진행하는 방향으로 진행하는 광을 수집할 수 있다. 실험적으로, 반사부(140)가 홀을 포함하더라도 분해능에 큰 열화가 발생하지 않는다.
카메라(150)는 반사부(140)로부터 반사된 반사광을 수집하여 OLED 패널 시료를 촬영할 수 있다. 반사부(140)를 통해 플레이트(111)로부터 수직으로 진행하는 방향으로 진행하는 광을 카메라로 전달할 수 있다. 카메라(150)는 입체 구조를 가지는 OLED 패널 시료로부터 수직 방향으로 방출된 출력광을 수집하므로, 보다 높은 해상도를 가지는 영상을 제공할 수 있다.
이처럼, 일 실시예에 따른 질량 분석 장치는 MALDI-TOF 또는 LDI-TOF와 수직 비전 시스템을 간단한 구조로 결합하여 고화질 영상분석과 질량분석을 동시에 수행할 수 있다. 예를 들어, 질량 분석 장치는 5um 이하의 고분해능 레이저 빔을 이용한 Laser Desorption/Ionization-Time of flight (LDI-TOF) 시스템으로 고분해능 비전 시스템을 포함할 수 있다. MALDI-TOF 질량분석기(Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight Mass Spectrometer)는 분자량이 큰 이온들에 효과적인 이온화 방법으로 매트릭스 라 불리는 저분자 유기물질과 분석시료를 섞어 분석하는 방법이다. 이와 다르게 매트릭스 사용 없이 레이저에 의해 직접적으로 이온화시키는 것이 LDI(Laser Desorption/Ionization) 이온화 법이다. 사용하는 레이저 파장과 실제 분석하고자 하는 물질의 흡수가 중요한 요소이며, OLED에 사용되는 유기 물질들은 본 장비에서 사용하는 UV 레이저에 대해 좋은 이온화 감도를 보인다. 이에 따라, 일 실시예에 따른 질량 분석 장치는 349nm UV 레이저를 사용할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 질량 분석 장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 질량 분석 장치는 챔버(110), 레이저 조사부(120) 및 카메라(150)를 포함할 수 있다. 다만, 이는 설명을 위해 생략한 것이며, 도 1의 다른 구성들이 질량 분석 장치에 포함될 수 있다.
일 실시예에 따른 질량 분석 장치의 각 구성은 기하학적인 모델링을 통해 배치될 수 있다. 챔버(110) 중심으로부터 윈도우의 수평 거리를 x, 윈도우의 높이를 y라 할 때, 카메라(150)가 향하는 각도가
Figure pat00001
인 경우 반사부의 높이는
Figure pat00002
가 될 수 있다.
카메라(150)의 NA(numerical aperture)에 대해, 샘플의 위치가 원점에 있는 경우 비전 시스템에 필요한 영상의 촬영을 위한 원뿔의 양쪽 한계선은
Figure pat00003
로 표현될 수 있다. 반사부가 샘플 면에 대해 이루는 각도는 45+
Figure pat00004
이고, 반사부가 갖는 반사면의 방정식은
Figure pat00005
로 표현될 수 있다.
세 식을 연립하면 원뿔과 반사면이 만나는 두 점의 x좌표는 각각
Figure pat00006
,
Figure pat00007
가 되어 반사경의 x축 길이는
Figure pat00008
이 된다. 따라서, 반사경의 기울어짐을 고려할 때, 반사부의 장반경은 (
Figure pat00009
의 길이를 가져야 한다.
위와 같은 그림에서 레이저가 레이저 조사부(120)에 의해 30도 각도로 입사되고 카메라(150)는 챔버(110)로부터 30도 기울어진 경우, 반사부의 장반경(Dmin)은 22.01mm 이상일 필요가 있다. 레이저와 간섭되지 않기 위해, 반사부의 장반경(Dmax)은 48.84mm 이하일 필요가 있다.
예를 들어, 홀의 직경은 3mm일 수 있다. 반사부의 장반경은 22.01mm 이상 48.84mm이하일 수 있다. 예를 들어, 레이저 조사부(120)는 튜브의 길이 방향으로부터 30도 기울어지고, 카메라(150)는 챔버의 수평 방향으로부터 30도 기울어지고, 반사부는 상기 챔버의 수평 방향으로부터 60도 기울어질 수 있다. 예를 들어, 반사부는 28mm 장반경을 가지고, 챔버(110)로부터 60도 기울어질 수 있다.
도 3a은 종래의 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다. 도 3b는 일실시예에 따른 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
실험적으로, OLED 패널 시료로부터 방출된 광 중 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 광이 특정 각도만큼 기울어져 진행하는 광보다 더 높은 해상도를 제공할 수 있다. OLED는 입체 구조를 가지기 때문에 기울어진 방향에서 관측할 경우 서브 픽셀의 관측이 불가하게 되고 해상도는 낮아지게 된다. 따라서, 튜브의 길이 방향으로부터 특정 각도만큼 기울어져 진행하는 광을 수집하는 카메라는 저해상도의 영상을 제공할 수 있다. 여기서, 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 광은 플레이트(111)로부터 수직으로 진행하는 방향으로 진행하는 광으로 지칭될 수도 있다.
도 3a는 종래의 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료의 영상을 나타낸다. 종래의 질량 분석 장치의 카메라는 튜브의 길이 방향으로부터 특정 각도만큼 기울어져 진행하는 광을 수집하기 때문에 저해상도의 영상을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 질량 분석 장치는 홀을 포함하는 반사부를 더 포함할 수 있다. 반사부는 수직으로 입사하는 출력광을 반사하여 카메라로 전달할 수 있다. 카메라는 튜브의 길이 방향으로 진행하는 광을 수집하기 때문에 고해상도의 영상을 제공할 수 있다.
도 3b는 일 실시예에 따른 질량 분석 장치에 의해 촬영된 OLED 패널 시료의 영상을 나타낸다. 도 3a와 비교할 때, 도 3b의 영상은 보다 높은 해상도를 나타낸다.
도 4a는 일실시예에 따른 주 카메라에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다. 도 4b는 일실시예에 따른 보조 카메라에 의해 촬영된 OLED 패널 시료를 도시한 도면이다.
질량 분석 장치는 시야가 넓은 저배율 렌즈(2X)와 분해능이 높은 고배율 렌즈(8X ~ 10X)를 함께 포함할 수 있다. 고배율 렌즈를 사용할 경우 시야가 좁아질 수 있으므로, 질량 분석 장치는 시야가 넓은 저배율 렌즈와 분해능이 높은 고배율 렌즈를 동시에 사용할 수 있다.
도 4a는 고배율의 렌즈를 포함하는 주 카메라에 의해 촬영된 영상을 나타낸다. 도 4b는 저배율의 렌즈를 포함하는 보조 카메라에 의해 촬영된 영상을 나타낸다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 시료를 레이저 탈착 이온화 방식으로 분석하는 장치에 있어서,
    시료가 배치된 챔버;
    상기 시료에 레이저를 조사하는 레이저 조사부;
    상기 시료에서 탈착되는 이온을 검출하는 이온 검출기;
    상기 조사된 레이저에 반응하여 상기 시료로부터 방출된 출력광을 반사하는 반사부; 및
    상기 반사부로부터 반사된 반사광을 수집하여 상기 시료를 촬영하는 카메라
    를 포함하고,
    상기 탈착되는 이온은 튜브를 통과하여 상기 이온 검출기에 도달하고,
    상기 반사부는 상기 튜브의 길이 방향과 같은 방향으로 진행하는 상기 출력광을 반사하는,
    질량 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는, 상기 탈착되는 이온이 통과하는 홀(hole)을 포함하는, 질량 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홀의 직경은 3mm인, 질량 분석 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사부의 장반경은 22.01mm 이상 48.84mm이하인, 질량 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 튜브의 길이 방향은 상기 챔버의 수평 방향과 수직인, 질량 분석 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 상기 튜브의 길이 방향으로부터 30도 기울어지고, 상기 카메라는 상기 챔버의 수평 방향으로부터 30도 기울어지는, 질량 분석 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20170358438A1 (en) 2014-02-14 2017-12-14 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Systems and methods for automated analysis of output in single particle inductively coupled plasma mass spectrometry and similar data sets

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