KR20210030699A - 인터페이스 유닛 - Google Patents

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KR20210030699A KR1020190112165A KR20190112165A KR20210030699A KR 20210030699 A KR20210030699 A KR 20210030699A KR 1020190112165 A KR1020190112165 A KR 1020190112165A KR 20190112165 A KR20190112165 A KR 20190112165A KR 20210030699 A KR20210030699 A KR 20210030699A
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배용진
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윤여영
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 LA-DART-MS 시스템(Laser ablation-Direct analysis in real time-Mass spectrometry system)에 사용될 수 있는 인터페이스 유닛에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 레이저 빔으로 탈착(laser ablation)되는 시료의 검출 감도 향상을 위하여 DART(direct analysis in real time) 유닛과 MS(Mass spectrometry) 유닛 사이에 구비될 수 있는 인터페이스 유닛을 제공한다.
본 발명의 인터페이스 유닛은 DART 이온화 유닛의 방출구(exit)와 질량 분석 유닛의 인렛(inlet) 사이에 위치할 수 있는 관(tube) 형상의 본체; 및 상기 본체의 일측 면에 구비되는 제1 개구부로서, 시료에서 탈착된 피분석물이 상기 본체 내로 유입되도록 마련된 상기 제1 개구부를 포함하고, 상기 인터페이스 유닛은 레이저 탈착-DART-MS 시스템(Laser ablation-DART-MS system)에 사용되고, 상기 본체는 상기 DART 이온화 유닛에서 방출되는 헬륨 빔과 상기 시료로부터 탈착된 피분석물이 유입되는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 상기 제1 영역의 가스 스트림을 주입받아 상기 질량 분석 유닛으로 전달하는 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

인터페이스 유닛{Interface unit}
본 발명은 LA-DART-MS 시스템에 사용될 수 있는 인터페이스 유닛에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 레이저 빔으로 탈착(laser ablation)되는 시료의 검출 감도 향상을 위하여 DART(direct analysis in real time) 유닛과 MS(Mass spectrometry) 유닛 사이에 구비될 수 있는 인터페이스 유닛에 관한 것이다.
일반적으로, DART-MS(direct analysis in real time-mass spectrometry)는 이온 소스(ion source)에서 나오는 heated metastable He gas와 이로부터 생성되는 반응성 이온들(reactive ions)을 이용해 대상 물질을 탈착 및 이온화시킴으로써 물질의 분자량 및 구조 분석을 수행할 수 있는 장치이다. 대기압하에서 이온 소스와 MS 사이에 시료를 위치시킴으로써 간단히 분석을 수행할 수 있는 장점이 있지만 좀 더 넓은 범위의 시료에 적용을 위해서는 대기 중에서 시료의 농도(concentration) 증대 및 이로 인한 스펙트럼의 신호 대 간섭비(signal-to-noise ratio) 향상을 위한 기술적 개발이 요구된다. 이러한 관점에서 시료의 탈착 효율(desorption efficiency), 이온화 효율(ionization efficiency), 생성된 이온의 효율적인 수집(collection) 및 전달(transmission) 등이 검출 감도 향상을 위한 중요한 인자가 될 수 있다.
DART-MS 시스템은 시그널 검출 감도 향상을 위한 기술 및 연구적 노력이 이슈이다. DART-MS 시스템에서 DART의 방출구(exit)와 MS의 인렛(inlet) 사이에 석영관 인터페이스(quartz tubing interface) 도입을 통해 각 레이저 빔의 조사 지점(irradiation point)에서 탈착된 성분 및 생성된 이온들의 흐름을 국한시켜 검출 감도 향상을 이룰 수 있도록 하는 방안이 요구된다.
본 발명의 인터페이스 유닛은 DART 이온화 유닛의 방출구(exit)와 질량 분석 유닛의 인렛(inlet) 사이에 위치할 수 있는 관(tube) 형상의 본체; 및 상기 본체의 일측 면에 구비되는 제1 개구부로서, 시료에서 탈착된 피분석물이 상기 본체 내로 유입되도록 마련된 상기 제1 개구부를 포함하고, 상기 인터페이스 유닛은 레이저 탈착-DART-MS 시스템(Laser ablation-DART-MS system)에 사용되고, 상기 본체는 상기 DART 이온화 유닛에서 방출되는 헬륨 빔과 상기 시료로부터 탈착된 피분석물이 유입되는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 상기 제1 영역의 가스 스트림을 주입받아 상기 질량 분석 유닛으로 전달하는 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 제1 영역의 일단부로 상기 DART 이온화 유닛의 방출되는 헬륨 빔이 유입되고, 상기 제1 영역의 타단부는 상기 제2 영역과 연결되며, 상기 제1 영역에서의 상기 본체의 내경은 상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 제1 영역의 상기 타단부로 향할수록 줄어드는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 영역에서 본체의 내부 공간은 테이퍼(taper) 지도록 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 제1 영역의 상기 타단부까지의 길이는 10 mm 내지 200 mm 이고, 상기 제1 영역의 상기 일단부에서의 상기 본체의 내경은 1 mm 내지 10 mm 이며, 상기 제1 영역의 상기 타단부에서의 상기 본체의 내경은 0 mm 초과 8 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 본체의 내경은 상기 질량 분석 유닛의 인렛의 내경보다 더 큰 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제2 영역의 일단부는 상기 제1 영역의 상기 타단부와 연결되고, 상기 제2 영역의 타단부는 상기 질량 분석 유닛의 인렛에 연결되며, 상기 제2 영역의 상기 일단부에서 상기 제2 영역의 상기 타단부까지의 길이는 0 mm을 초과하고 190 mm 이하이며, 상기 제2 영역에서의 상기 본체의 내경은 0 mm 초과 8 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 개구부는 상기 제1 영역에 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 개구부에서 상기 인터페이스 유닛의 길이 방향에 수직으로 상기 시료 장착 유닛 쪽으로 연장된 돌출관을 더 포함하고, 상기 시료 장착 유닛에 장착된 시료로부터 탈착된 피분석물들이 상기 돌출관을 지나 상기 제1 개구부를 지나 상기 인터페이스 유닛 내부로 유입되는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 돌출관이 상기 제1 개구부로부터 돌출된 길이는 0 mm 를 초과하고 20 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 제1 영역의 상기 본체의 타측 면에는 레이저 유닛에서 방출되는 레이저 빔이 통과하도록 마련된 제2 개구부가 마련되고, 상기 제2 개구부는 상기 제1 개구부와 대면하며, 상기 레이저 빔은 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부를 관통하여 상기 시료에 조사되는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 제1 개구부의 직경은 1 mm 내지 5 mm 이고, 상기 제2 개구부의 직경은 0 mm 초과 5 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛의 상기 제1 영역에는 코로나 핀이 상기 몸체 내부로 삽입되기 위한 적어도 하나 이상의 제3 개구부가 마련되는 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 제3 개구부의 직경은 0 mm 초과 5 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛에서 상기 질량 분석 유닛의 인렛은 질량 분석 유닛 내부에 마련되는 분석 공간으로 상기 질량 분석 유닛 외부의 피분석물이 유입되는 구멍이 마련되는 오리피스와, 상기 오리피스에 연결되는 인터페이스 플랜지를 포함하고, 상기 제2 영역의 일단부는 상기 제1 영역의 상기 타단부와 연결되고, 상기 제2 영역의 타단부는 상기 질량 분석 유닛의 인렛에 연결되며, 상기 제2 영역의 상기 타단부의 몸체의 외경은 상기 인터페이스 플랜지에 상기 오리피스의 상기 구멍과 대면하도록 형성되는 흡입홀의 내경보다 작은 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, DART-MS 시스템에서 DART의 방출구(exit)와 MS의 인렛(inlet) 사이에 석영관 인터페이스 도입을 통해 각 레이저 빔의 조사 지점에서 탈착된 성분 및 생성된 이온들의 흐름을 국한시켜 검출 감도 향상을 이룰 수 있다.
본 발명의 제1 영역의 본체는 제2 영역으로 인접할수록 좁아지게 형성됨으로써, DART 이온화 유닛에서 방출되는 헬륨 가스 및 시료로부터 탈착된 피분석물이 충분한 양으로 수집되어 제2 영역으로 포커싱(focusing)되어 보내지고, 제2 영역의 본체의 내경은 제1 영역의 타단부 측 본체의 내경과 동일하거나 더 작도록 형성되어, 제1 영역으로부터 전달받은 가스 스트림(gas stream)은 래디얼 압축(radial compression)된 상태로 질량 분석 유닛의 인렛으로 운송되기 때문에, 분석 대상이 되는 성분을 효율적으로 수집 및 전달할 수 있다.
도 1은 본 발명의 인터페이스 유닛이 적용된 LA-DART-MS 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 인터페이스 유닛의 일 실시 양태를 나타내는 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 인터페이스 유닛의 다른 실시 양태를 나타내는 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 인터페이스 유닛의 또 다른 실시 양태를 나타내는 종단면도이다.
도 5는 도 3의 인터페이스 유닛을 나타내는 저면도이다.
도 6은 인터페이스 유닛의 각 부위별 치수를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 2의 인터페이스 유닛이 장착된 LA-DART-MS 시스템에서 실험을 수행하는 경우를 도시한다.
도 8a는 인터페이스 유닛이 미적용된 LA-DART-MS 시스템에서의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8b 및 도 8c는 인터페이스 유닛이 적용된 LA-DART-MS 시스템에서의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 유닛(100)을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 LA-DART-MS 시스템(1)의 개략도이다. 우선, LA-DART-MS 시스템(1)은 시료(2)에 레이저 빔을 조사하여 탈착(ablation)시킨 후, 탈착된 피분석물(anaylte)을 DART 이온화 유닛(10)(DART ion source)에서 나오는 헬륨 빔(He beam) 및 이로부터 생성되는 반응성 이온들(reactive ions)을 이용해 이온화시켜 물질의 분자량 및 구조 분석을 수행하는 장치이다.
LA-DART-MS 시스템(1)은, DART 이온화 유닛(10), 질량 분석 유닛(20)(Mass spectrometer)(20), 시료 장착 유닛(30), 레이저 유닛(40), 코로나 방전 유닛(미도시)을 포함한다.
DART 이온화 유닛(10)에서는, 레이저 유닛(40)에서 레이저 빔을 조사하여 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)에서 탈착된 피분석물을 DART 이온화 유닛(10)의 헬륨 빔(He beam) 및 이로부터 생성되는 반응성 이온들을 이용해 이온화시킨다. DART 이온화 유닛(10)의 방출구(exit)(11)에서 헬륨 빔이 방출되어 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)에서 탈착된 피분석물이 이온화된다. DART 이온화 유닛(10)는 예를 들면 IonSense社의 DART-SVP일 수 있다.
질량 분석 유닛(MS)(20)에서는 이온화된 피분석물을 수용하여 이온화된 피분석물의 분자량 및 구조 분석을 수행한다. 질량 분석 유닛(20)는 예를 들면 Thermo Fisher Scientific社의 LTQ Orbitrap Elite일 수 있다.
시료 장착 유닛(30)은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(inlet)(21) 사이에 위치한다. 질량 분석 유닛(20)의 인렛(inlet)(21)은 질량 분석 유닛(20) 내부에 마련되는 분석 공간으로 외부의 피분석물이 유입되는 구멍이 마련되는 오리피스(orifice)(21a)와, 오리피스(21a)에 연결되는 인터페이스 플랜지(interface flange)(21b)를 포함할 수 있다. 질량 분석 유닛(20)의 인렛(inlet)(21)에서 인터페이스 플랜지(21b)는 분석 상황에 따라 선택적으로 구비될 수 있다. 시료 장착 유닛(30) 상에 장착된 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 질량 분석 유닛(20)의 인렛(inlet)으로 유입되기 때문에, 보다 정확히는, 시료 장착 유닛(30)은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)을 연결하는 가상의 직선에서 일정거리 이격되어 위치할 수 있다. 예를 들어 시료 장착 유닛(30)은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이의 경로보다 하방에 위치할 수 있다. 시료 장착 유닛(30)은 예를 들어 스테인리스 스틸 재질의 샘플 플레이트로 시료(2)가 존재하는 유리 기판 또는 TLC(thin layer chromatography) 기판이 위에 놓일 수 있다.
레이저 유닛(40)은 시료(2)에 레이저 빔을 조사하여 시료(2)로부터 피분석물을 탈착시킨다. 레이저 유닛(40)은 예를 들면 LASOS社의 LMD-XT series일 수 있다.
또한, 코로나 방전 유닛은 코로나 핀을 포함한다. 코로나 핀의 방향은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이의 경로로 향한다. 즉, DART 이온화 유닛(10)으로부터 방출되는 헬륨 빔과 시료(2)에서 탈착된 피분석물이 만나는 영역으로 향한다. 코로나 방전 유닛의 고전압, 예를 들면 1kV 이상의 positive DC 전압 공급을 통해 시료(2)에서 탈착된 피분석물의 이온화를 촉진한다. 그에 따라, 피분석물의 이온화 효율을 증대시킬 수 있다.
분석자가 질량 스펙트럼을 실시간으로 확인하면서, 시료(2)에서 유래하는 피분석물의 이온 피크 강도가 최대가 되도록 레이저 유닛(40)의 상대적인 위치나 레이저 빔의 조사 각도 및 파워가 조정될 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛(100)은 LA-DART-MS 시스템(1)에서 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이에 위치할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시 양태에 따른 인터페이스 유닛(100)의 종단면도이다.
인터페이스 유닛(100)은 양단부가 개구된 관(tube) 형상의 본체를 갖고, 후술하는 바와 같이 복수 개의 개구부들을 포함하는 관일 수 있다. 인터페이스 유닛(100)은 예를 들면, 복수 개의 개구부들을 포함하는 석영관일 수 있다. 또는 인터페이스 유닛(100)의 재질은 상술한 석영 외에도, 유리 또는 세라믹 재질로 이루어진 관일 수도 있다. 인터페이스 유닛(100)의 양단부 중 일단부(101)는 DART 이온화 유닛(10)의 방출구의 말단 부분과 겹쳐지게 배치(즉, 인터페이스 유닛(100)의 일단부(101)의 내부로 DART 이온화 유닛(10)의 방출구의 말단 부분의 일부 또는 전체가 포함)될 수 있다. 또는, 인터페이스 유닛(100)의 양단부 중 일단부(101)는 DART 이온화 유닛(10)의 방출구에 바로 접하거나 인접할 수 있다. DART 이온화 유닛(10)의 방출구에서 방출된 헬륨 빔이 인터페이스 유닛(100)의 개구된 일단부(101)를 통하여 인터페이스 유닛(100) 내로 유입된다. 인터페이스 유닛(100)의 양단부 중 타단부(102)는 질량 분석 유닛(20)의 인렛과 결합될 수 있다. 예를 들어, 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)은 외부 배관과 질량 분석 유닛(20)을 연결하기 위한 인터페이스 플랜지(21b)를 포함할 수 있고, 인터페이스 유닛(100)의 타단부(102)는 인터페이스 플랜지에 삽입되어, 인터페이스 유닛(100)과 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)은 결합될 수 있다. 인터페이스 유닛(100)은 오리피스(21a)에 접하거나 소정 거리(약 2mm)가 이격되도록 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)에 연결될 수 있다.
본 발명의 인터페이스 유닛(100)은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이에 위치할 수 있는 관(tube) 형상의 본체를 포함하고, 본체는 DART 이온화 유닛(10)에서 방출되는 헬륨 빔과 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 유입되는 제1 영역(110)과, 제1 영역(110)에 연결되며 제1 영역(110)의 가스 스트림(gas stream)을 주입받아 질량 분석 유닛(20)으로 전달하는 제2 영역(120)을 포함할 수 있다. 가스 스트림은 헬륨 가스와 시료에서 탈착 및 이온화된 성분을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 제2 영역(120)의 몸체는 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)과 결합될 수 있다.
구체적으로, 제1 영역(110)의 일단부(111)는 DART 이온화 유닛(10)과 인접하도록 대면하고, 제1 영역(110)의 타단부(112)는 제2 영역(120)의 일단부(121)와 연결되며, 제2 영역(120)의 타단부(122)는 질량 분석 유닛(20)과 인접하도록 대면할 수 있다. 즉, [DART 이온화 유닛(10)]-[제1 영역(110)]-[제2 영역(120)]-[질량 분석 유닛(20)] 순으로 배치될 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 영역(110)에서의 본체의 내경은 제1 영역(110)의 일단부(111)에서 제1 영역(110)의 타단부(112)로 향할수록 줄어들 수 있다. 구체적으로, 제1 영역(110)에서 본체의 내부 공간은 테이퍼(taper) 지도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 영역(110)에서 본체의 내부 공간은 원뿔 형상일 수 있다. 본 발명의 제1 영역(110)의 본체는 제2 영역(120)으로 인접할수록 좁아지게 형성됨으로써, DART 이온화 유닛(10)에서 방출되는 헬륨 가스 및 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 충분한 양으로 수집되어 생성된 이온 성분과 함께 제2 영역(120)으로 포커싱(focusing)되어 보내질 수 있다. 제1 영역(110)의 일단부(111)에서 본체의 내경은 질량 분석 유닛(20)의 인렛의 내경보다 더 클 수 있다.
제2 영역(120)의 본체의 내경은 제1 영역(110)의 타단부(112) 측 본체의 내경과 동일하거나 더 작도록 형성되어, 제1 영역(110)으로부터 전달받은 가스 스트림(gas stream)은 래디얼 압축(radial compression)된 상태로 질량 분석 유닛(20)의 인렛으로 운송될 수 있다. 제2 영역(120)에서 본체의 내경은 일정하게 유지될 수 있다. 구체적으로, 가스 스트림은 제2 영역(120)을 통해 래디얼 압축된 상태로 전달되기 때문에, 서브-앰비언트 압력 영역(sub-ambient pressure region)인 질량 분석 유닛(20)의 인렛 부근에서의 손실을 줄일 수 있다. 레이저 빔은 제2 개구부(140)의 중심을 관통할 수 있다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 영역(110)에는 시료 장착 유닛(30)(보다 구체적으로는, 시료(2))에 인접하는 본체의 일측 면에 형성되는 제1 개구부(130)와, 레이저 유닛(40)에서 방출되는 레이저 빔이 통과하도록 본체의 타측 면에 형성되는 제2 개구부(140)와, 코로나 핀이 몸체 내부로 삽입되기 위한 적어도 하나 이상의 제3 개구부(150)가 마련될 수 있다.
제1 개구부(130)를 통해서 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)에서 탈착된 피분석물이 제1 영역(110)의 인터페이스 유닛(100) 내로 유입될 수 있다. 인터페이스 유닛(100) 내로 유입된 피분석물은 인터페이스 유닛(100)의 개구된 일단부(101)를 통해 들어온 헬륨 빔 및 이로부터 생성된 반응성 이온들에 의하여 이온화될 수 있다. 제1 개구부(130)는 후술할 제2 개구부(140)를 통해 들어온 레이저 빔이 시료(2) 쪽으로 통과하는 경로이기도 하다. 즉, 레이저 유닛(40)에서 방출되는 레이저 빔은 먼저 제2 개구부(140)를 통과하고 제1 개구부(130)를 통과하여 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)에 조사될 수 있다. 제1 개구부(130)는 예를 들면 원형의 형상일 수 있다.
레이저 유닛(40)에서 방출되는 레이저 빔이 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)로 조사되기 때문에 제2 개구부(140)는 제1 개구부(130)에 대향하는 지점에 위치할 수 있다. 즉, 제2 개구부(140)는 제1 개구부(130)와 대면할 수 있다. 제2 개구부(140)는 예를 들면 원형의 형상일 수 있다.
제2 개구부(140)는 레이저 빔의 조사하는 파장 대의 광을 투과시키는 소재의 평면 커버로 덮어질 수 있다. 예를 들어, 평면 커버는 평면 커버의 평면이 레이저 빔의 광 경로와 수직하게 되도록 제2 개구부(140)를 덮을 수 있다. 이와 같이, 평면 커버로 제2 개구부(140)를 덮음으로써, 가스 스트림이 제2 개구부(140)를 통해 누출되는 것을 방지하는 것과 동시에 레이저 빔이 굴절 또는 산란되는 것 없이 시료에 조사될 수 있다.
또한, 인터페이스 유닛(100)의 측면 중 코로나 방전 유닛의 코로나 핀 쪽으로 향하는 부분에 적어도 하나의 제3 개구부(150)를 포함한다. 또한, 제3 개구부(150)는 제2 개구부(140) 부근에 위치할 수 있다. 코로나 방전 유닛의 코로나 핀의 끝단부가 제3 개구부(150) 부근에 위치하여 인터페이스 유닛(100) 내부로 향하도록 위치할 수 있거나 코로나 방전 유닛의 코로나 핀의 끝단부가 제3 개구부(150)를 통해 인터페이스 유닛(100) 내부로 삽입될 수 있다. 코로나 핀에 적용되는 제3 개구부(150)는 한 개로 구비될 수도 있고 복수 개로 구비될 수도 있다. 제3 개구부(150)가 복수 개로 구비되고, 각각의 제3 개구부(150)가 제2 개구부(140)로부터 다양한 거리로 구비되는 경우에, 레이저 빔과 코로나 핀 사이의 거리가 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 제3 개구부(150)는 예를 들면 원형의 형상일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 인터페이스 유닛(100)의 종단면도이다. 제1 개구부(130)에서 인터페이스 유닛(100)의 길이 방향에서 수직으로 연장된 돌출관(131)을 더 포함한다. 돌출관(131)은 제1 개구부(130)로부터 시료 장착 유닛(30) 방향으로 연장된다. 구체적으로, LA-DART-MS 시스템(1)에서 돌출관(131)은 아래방향으로 연장되어 돌출된 형상이다. 즉, 돌출관은 제 1 개구부에서 인터페이스 유닛(100)의 길이 방향에 수직으로 시료 장착 유닛(30) 쪽으로 연장된 관일 수 있다. 그에 따라, 시료 장착 유닛(30)에 장착된 시료(2)로부터 탈착된 피분석물들이 제1 개구부(130)로부터 연장된 돌출관(131)을 지나 인터페이스 유닛(100) 내로 유입되므로 피분석물들의 손실을 보다 방지할 수 있도록 하였다. 돌출관(131)은 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 관(tube) 형상일 수 있다. 그러나, 본 발명은 상술한 바에 한정되지 않고, 제1 개구부(130)로부터 시료 장착 유닛(30) 방향으로 넓어지는 테이퍼(taper) 형상일 수 있는 등 다양한 변형, 변경이 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 영역(120)의 일단부(121)는 제1 영역(110)의 타단부(112)와 연결되고, 제2 영역(120)의 타단부(122)는 질량 분석 유닛(20)의 인렛에 연결될 때, 제2 영역(120)의 타단부(122)의 몸체의 외경은 인터페이스 플랜지(21b)에 오리피스(21a)의 구멍과 대면하도록 형성되는 흡입홀의 내경보다 작은 것일 수 있다. 인터페이스 유닛(100)의 타단부(102)가 흡입홀에 삽입되어 인터페이스 유닛(100)이 질량 분석 유닛(20)에 고정될 수 있다. 인터페이스 플랜지(21b)의 흡입홀 측에는 인터페이스 유닛(100)이 삽입되는 길이를 확보하기 위한 가이드 돌출부가 마련될 수 있다. 즉, 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)에 직접 대면하여 결합되는 인터페이스 유닛(100)의 타단부(102)의 규격은 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)의 구조 및 규격에 맞춰 인렛(21)과 결합 가능하도록 형성되게 하면서도, 인터페이스 유닛(100)의 일단부(101) 외경 및 내경을 더 크게 형성하여, DART 이온화 유닛(10)에서 방출되는 헬륨 빔과 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 인터페이스 안으로 충분히 유입될 수 있게 할 수 있다.
종래의 DART-MS 시스템에서는, 시료(2)에서 탈착된 피분석물이 이온화되어 질량 분석 유닛(20)의 인렛으로 유입되는 과정에서 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛 사이의 대기 중에 노출된 공간으로 인하여 탈착 및 이온화된 성분들이 손실(loss)될 수 있어, 피분석물의 검출 감도가 낮은 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이, DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이의 경로에 위치하는 인터페이스 유닛(100)을 제공하고, 인터페이스 유닛(100)은 DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21) 사이에 위치하는 관(tube)형상을 갖고 시료(2)에 인접하는 부분에는 제1 개구부(130)를 포함한다. 인터페이스 유닛(100)이 DART 이온화 유닛(10)의 방출구에 연결되므로(즉, 방출구에 인접하거나, 또는 방출구의 말단의 일부 또는 전체를 포함할 수 있으므로), 헬륨 빔의 흐름을 국한시켜 탈착된 성분들과 효과적으로 만날 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 제1 영역(110)의 본체는 제2 영역(120)으로 인접할수록 좁아지게 형성됨으로써, DART 이온화 유닛(10)에서 방출되는 헬륨 가스 및 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 충분한 양으로 수집되어 생성된 이온 성분과 함께 제2 영역(120)으로 포커싱(focusing)되어 보내지고, 제2 영역(120)의 본체의 내경은 제1 영역(110)의 타단부(112) 측 본체의 내경과 동일하거나 더 작도록 형성되어, 제1 영역(110)으로부터 전달받은 가스 스트림은 래디얼 압축(radial compression)된 상태로 질량 분석 유닛(20)의 인렛으로 운송되기 때문에, 분석 대상이 되는 성분을 효율적으로 수집 및 전달할 수 있는 장점이 있다.
또한, 시료(2)로부터 탈착된 피분석물이 제1 개구부(130)를 통하여 인터페이스 유닛(100) 내로 유입된다. 그에 따라, 탈착된 피분석물을 보다 효과적으로 수집하고 헬륨 빔과 만나는 이온화 영역으로 유도할 수 있는 장점이 있다.
또한, 인터페이스 유닛(100) 내로 유입된 피분석물은 이온화되어 관형상의 인터페이스 유닛(100)을 따라 손실을 최소화하여 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)으로 유입된다. 그에 따라, 종래의 DART-MS 시스템에 비하여 현저하게 검출 감도가 증가하는 장점이 있다.
이하에서, 본 발명의 인터페이스 유닛(100)의 구체적인 실시 양태를 설명한다.
제1 영역(110)의 일단부(111)에서의 본체의 내경은 DART 이온화 유닛(10)으로부터 방출되는 헬륨 가스의 방출 형태 및 인터페이스 유닛(100)의 일단부(101)에 유입되는 정도가 LA-DART-MS 시스템(1)의 검출 감도에 미치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(110)의 일단부(111)에서의 본체의 내경 C는 1 mm 내지 10 mm 또는 2 mm 내지 8 mm 일 수 있다.
제1 영역(110)의 일단부(111)에서 제1 영역(110)의 타단부(112)까지의 길이 및 제1 영역(110)의 타단부(112)에서의 본체의 내경은 가스 스트림(gas stream)의 포커싱(focusing) 정도가 LA-DART-MS 시스템(1)의 검출 감도에 미치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(110)의 일단부(111)에서 제1 영역(110)의 타단부(112)까지의 길이 A는 10 mm 내지 200 mm 또는 10 mm 내지 150 mm 이고, 제1 영역(110)의 타단부(112)에서의 본체의 내경 D는 0 mm 초과 내지 8 mm 이하이거나 0.5 내지 5 mm 일 수 있다.
제2 영역(120)의 형성여부, 제2 영역(120)의 일단부(121)에서 제2 영역(120)의 타단부(122)까지의 길이 및 제2 영역(120)에서의 본체의 내경은 가스 스트림의 래디얼 압축(radial compression) 정도가 LA-DART-MS 시스템(1)의 검출 감도에 미치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(120)의 일단부(121)에서 제2 영역(120)의 타단부(122)까지의 길이 B는 0 mm 초과 190 mm 이하이거나 0 mm 초과 140 mm 이하이며, 제2 영역(120)에서의 질량 분석 유닛(20)과 인접한 본체의 내경 E는 0 mm 초과 8 mm 이하이거나 0.5 mm 내지 5 mm 일 수 있다. 제2 영역(120)이 생략될 시, 제1 영역(110)의 타단부(112)가 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21)에 결합될 수 있다.
제1 개구부(130), 제2 개구부(140) 및 제3 개구부(150)는 다음과 같은 기능을 할 수 있다. 제1 개구부(130)를 구비함으로써, 레이저 빔에 의하여 탈착된 성분들이 효율적으로 수집되어 헬륨 빔과 만나는 이온화 영역으로 유도하는 역할을 한다. 이를 고려하여, 제1 개구부(130)의 직경 H는 1 mm 내지 5 mm 또는 2 mm 내지 5 mm 일 수 있다.
제2 개구부(140)는 레이저 빔이 스캐터링(scattering)이나 굴절 및 반사 없이 시료(2)에 조사되어 효과적인 시료(2) 탈착이 일어날 수 있도록 하는 역할을 한다. 이러한, 제2 개구부(140)의 직경의 크기 및 형성여부는, 레이저 빔의 스캐터링(scattering) 및 전력 손실(power loss)의 정도 vs(대비) 제2 개구부(140)를 통해 탈착 및 이온화된 피분석물이 인터페이스 유닛(100)에서 벗어나는 정도(즉, DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛 사이의 경로에서 벗어나 피분석물의 손실이 발생하는 정도)가 검출 감도에 끼치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 개구부(140)의 직경 F는 0 mm 초과 5 mm 이하이거나 2 mm 내지 5 mm 일 수 있다.
제3 개구부(150)는 코로나 핀이 인터페이스 유닛(100) 내부에 삽입될 수 있도록 하여 헬륨 빔과 탈착된 성분들이 만나 이온화되는 영역에서 고전압 공급을 통해 이온화를 촉진하는 역할을 수행할 수 있게 해준다. 이러한, 제3 개구부(150)의 직경의 크기, 형성여부 및 개수는 코로나 방전에 의한 이온화 효율 증대 효과 vs(대비) 제3 개구부(150)을 통해 탈착 및 이온화된 피분석물이 인터페이스 유닛(100)에서 벗어나는 정도(즉, DART 이온화 유닛(10)의 방출구와 질량 분석 유닛(20)의 인렛 사이의 경로에서 벗어나 피분석물의 손실이 발생하는 정도)가 검출 감도에 끼치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제3 개구부(150)의 직경 G는 0 초과 5 mm 이하이거나 1 mm 내지 3 mm 일 수 있다.
돌출관(131)의 여부 및 길이는 탈착된 피분석물이 인터페이스 유닛(100) 내부로 유입되어 헬륨 가스 빔과 효과적으로 만날 수 있도록 유도되는 정도, 보다 구체적으로 탈착된 피분석물의 국한의 정도(시료(2)에서 탈착되는 피분석물들이 헬륨 가스 빔과 만나는 영역이 아닌 다른 부분으로 흐르지 않는 정도) 및 가이딩(guiding, 즉 탈착된 피분석물들의 흐름이 인터페이스 유닛(100)의 구조를 따라 헬륨 가스 빔과 만나는 인터페이스 중심으로 향하는 것) 정도 vs(대비) 시료(2)에서 탈착이 일어나는 지점(ablation point)과 인터페이스 유닛(100)과의 상대적 거리가 검출 감도에 끼치는 영향에 따라 결정 될 수 있다. 예를 들어, 돌출관이 제1 개구부(130)로부터 돌출된 길이 M은 0 mm 초과 20 mm 이하이거나 0 mm 초과 10 mm 이하일 수 있다.
레이저 빔은 제2 개구부(140)의 중심을 관통하도록 본 발명의 인터페이스 유니트는 LA-DART-MS 시스템(1)에 적용될 수 있고, 제1 영역(110)의 일단부(111)에서 제2 개구부(140)의 중심까지의 길이 I는 5 mm 내지 175 mm 또는 5 mm 내지 125 mm 이고, 제2 개구부(140)의 중심에서 제1 영역(110)의 타단부(112)까지의 길이 J는 5 mm 내지는 195 mm 또는 5 mm 내지 145 mm는 일 수 있다.
인터페이스 유닛(100)의 몸체 중심에서 제3 개구부(150)의 중심까지의 거리 L은 -3 mm 내지 3 mm 또는 -2 mm 내지 2 mm 일 수 있다.
제2 개구부(140) 중심에서 제3 개구부(150)의 중심까지의 거리는 레이저 빔과 코로나 핀 사이의 상대적인 거리가 검출 감도에 끼치는 영향을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 개구부(140) 중심에서 제3 개구부(150)의 중심까지의 거리 K는 1 mm 내지 10 mm 또는 2 mm 내지 6 mm 일 수 있다.
실시예
1) 시료 제조
분자량 244Da을 갖는 UV 흡수제 물질(C14H16N2O2, ethyl (Z)-2-cyano-3-(4-(dimethylamino)phenyl)acrylate)을 10 mg/mL의 농도로 이온성 액체(ionic liquid)인 (PYR13-FSI, 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl) imide)에 완전히 녹인다.
다음, 이온성 액체는 낮은 증기압(low vapor pressure), 양호한 용해도(good solubility), 열적 안정성(thermal stability), 높은 점성(high viscosity) 등의 성질을 갖는 용매로 용질을 고르게 섞이게 하고, 용질이 휘발되지 않도록 해준다는 점 등에서, 액체 매트릭스(liquid matrix) 및 고체 매트릭스(solid matrix)의 장점을 동시에 지닌 매트릭스로 활용할 수 있다. 이에 레이저 빔에 의한 시료(2) 탈착 시, 시료의 균질성(homogeneity) 확보 및 샷-투-샷 재현성(shot-to-shot reproducibility)을 위해 분석 물질을 이온성 액체에 용해시켜 사용하였다. 따라서, LA-DART-MS를 이용한 실험 수행 시, 분석 시간 동안 지속적인 시료(2) 소비에 의한 시그널 감소를 최소로 줄여, 일정한 크기의 시그널 감도가 유지될 수 있도록 하였다.
2) 실험 조건
레이저 파워는 180 mW, continuous wave이고, DC 전압은 0 내지 1.5 kV로 니들에 인가되고, DART 소스 온도는 400
Figure pat00001
이고, 질량 분석 유닛(20)은 positive mode(ionization mode), FTMS(analyzer), 240,000(resolution)으로 하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 영역(110)의 본체 내부가 원뿔 모양으로 형성되고, 돌출관(131)은 미구비된 인터페이스 유닛(100)이 적용되었다.
3) 실험 수행
피펫을 이용해 시료(2) 1 μL를 유리 기판 위에 떨어뜨린다. 다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 유리 기판을 샘플 플레이트 위에 놓고 DART 이온화 유닛(10), 레이저 빔, 질량 분석 유닛(20)의 인렛(21), 샘플 플레이트 간의 상대적 간격을 조절한다. 다음, 실험 조건에 맞게 레이저 파워, DC 전압, DART 온도, 질량 분석 유닛(20)을 상기 2)의 실험 조건으로 설정한다. 다음, 피분석물의 질량 스펙트럼을 얻는다.
실시예2
1) 시료 제조
실시예1과 동일하게 제조된 시료가 사용되었다.
2) 실험 조건
레이저 파워는 180 mW, continuous wave이고, DC 전압은 0 내지 1.5 kV로 니들에 인가되고, DART 소스 온도는 400
Figure pat00002
이고, 질량 분석 유닛(20)은 positive mode(ionization mode), FTMS(analyzer), 240,000(resolution)으로 하였다. 돌출관(131)은 미구비되고, 길이 방향으로 내경이 균일한 인터페이스 유닛(100)이 적용되었다.
3) 실험 수행
실시예1과 동일한 실험 방법으로 수행되었다.
도 8a는 본 발명에 따른 인터페이스 유닛(100)을 구비하지 않고 실험을 수행한 경우의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8b는 실시예2의 실험 결과를 나타내는 그래프이며, 도 8c 실시예1의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
실시예1 및 실시예2의 실험 결과는 본 발명의 인터페이스 유닛(100)이 적용된 LA-DART-MS 시스템(1)의 검출 감도가 인터페이스 유닛(100)이 없는 시스템보다 더 검출 감도가 우수하다는 것을 나타내고 있다. 실시예1의 실험 결과와 인터페이스 유닛(100)이 미구비된 실험 결과를 비교하면, 검출 감도가 약 35배 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구 범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: LA-DART-MS 시스템 10: DART 이온화 유닛
20: 질량 분석 유닛 30: 시료 장착 유닛
40: 레이저 유닛 100: 인터페이스 유닛
101: 인터페이스 유닛의 일단부 102: 인터페이스 유닛의 타단부
110: 제1 영역 111: 제1 영역의 일단부
112: 제1 영역의 타단부 120: 제2 영역
121: 제2 영역의 일단부 122: 제2 영역의 타단부
130: 제1 개구부 140: 제2 개구부
150: 제3 개구부

Claims (14)

  1. 인터페이스 유닛에 있어서:
    DART 이온화 유닛의 방출구(exit)와 질량 분석 유닛의 인렛(inlet) 사이에 위치할 수 있는 관(tube) 형상의 본체; 및
    상기 본체의 일측 면에 구비되는 제1 개구부로서, 시료에서 탈착된 피분석물이 상기 본체 내로 유입되도록 마련된 상기 제1 개구부를 포함하고,
    상기 인터페이스 유닛은 레이저 탈착-DART-MS 시스템(Laser ablation-DART-MS system)에 사용되고,
    상기 본체는 상기 DART 이온화 유닛에서 방출되는 헬륨 빔과 상기 시료로부터 탈착된 피분석물이 유입되는 제1 영역과, 상기 제1 영역에 연결되며 상기 제1 영역의 가스 스트림을 주입받아 상기 질량 분석 유닛으로 전달하는 제2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인터페이스 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역의 일단부로 상기 DART 이온화 유닛의 방출되는 헬륨 빔이 유입되고,
    상기 제1 영역의 타단부는 상기 제2 영역과 연결되며,
    상기 제1 영역에서의 상기 본체의 내경은 상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 제1 영역의 상기 타단부로 향할수록 줄어드는 것인 인터페이스 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 본체의 내부 공간은 테이퍼(taper) 지도록 형성되는 것인 인터페이스 유닛.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 제1 영역의 상기 타단부까지의 길이는 10 mm 내지 200 mm 이고,
    상기 제1 영역의 상기 일단부에서의 상기 본체의 내경은 1 mm 내지 10 mm 이며,
    상기 제1 영역의 상기 타단부에서의 상기 본체의 내경은 0 mm 초과 8 mm 이하인 것인 인터페이스 유닛.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 일단부에서 상기 본체의 내경은 상기 질량 분석 유닛의 인렛의 내경보다 더 큰 것인 인터페이스 유닛.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 영역의 일단부는 상기 제1 영역의 상기 타단부와 연결되고,
    상기 제2 영역의 타단부는 상기 질량 분석 유닛의 인렛에 연결되며,
    상기 제2 영역의 상기 일단부에서 상기 제2 영역의 상기 타단부까지의 길이는 0 mm을 초과하고 190 mm 이하이며,
    상기 제2 영역에서의 상기 본체의 내경은 0 mm 초과 8 mm 이하인 것인 인터페이스 유닛.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 개구부는 상기 제1 영역에 마련되는 것인 인터페이스 유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 개구부에서 상기 인터페이스 유닛의 길이 방향에 수직으로 상기 시료 장착 유닛 쪽으로 연장된 돌출관을 더 포함하고,
    상기 시료 장착 유닛에 장착된 시료로부터 탈착된 피분석물들이 상기 돌출관을 지나 상기 제1 개구부를 지나 상기 인터페이스 유닛 내부로 유입되는 것인 인터페이스 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 돌출관이 상기 제1 개구부로부터 돌출된 길이는 0 mm 를 초과하고 20 mm 이하인 것인 인터페이스 유닛.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 본체의 타측 면에는 레이저 유닛에서 방출되는 레이저 빔이 통과하도록 마련된 제2 개구부가 마련되고,
    상기 제2 개구부는 상기 제1 개구부와 대면하며,
    상기 레이저 빔은 상기 제1 개구부 및 상기 제2 개구부를 관통하여 상기 시료에 조사되는 것인 인터페이스 유닛.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 개구부의 직경은 1 mm 내지 5 mm 이고,
    상기 제2 개구부의 직경은 0 mm 초과 5 mm 이하인 것인 인터페이스 유닛.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에는 코로나 핀이 상기 몸체 내부로 삽입되기 위한 적어도 하나 이상의 제3 개구부가 마련되는 것인 인터페이스 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 개구부의 직경은 0 mm 초과 5 mm 이하인 것인 인터페이스 유닛.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 질량 분석 유닛의 인렛은 질량 분석 유닛 내부에 마련되는 분석 공간으로 상기 질량 분석 유닛 외부의 피분석물이 유입되는 구멍이 마련되는 오리피스와, 상기 오리피스에 연결되는 인터페이스 플랜지를 포함하고,
    상기 제2 영역의 일단부는 상기 제1 영역의 상기 타단부와 연결되고,
    상기 제2 영역의 타단부는 상기 질량 분석 유닛의 인렛에 연결되며,
    상기 제2 영역의 상기 타단부의 몸체의 외경은 상기 인터페이스 플랜지에 상기 오리피스의 상기 구멍과 대면하도록 형성되는 흡입홀의 내경보다 작은 것인 인터페이스 유닛.
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