KR20210037658A - 대기압 환경에서 저압 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스 - Google Patents

대기압 환경에서 저압 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스 Download PDF

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KR20210037658A
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KR1020217000073A
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마틴 에프. 재롤드
스테이시 엔. 앤터니
벤자민 이. 드레이퍼
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더 트러스티즈 오브 인디애나 유니버시티
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Abstract

인터페이스는 이온을 제1 압력 환경으로부터 더 낮은 압력의 분석 기기로 이온을 이송하며, 제1 압력보다 더 작은 제2 압력으로 펌핑되는 제1 영역, 제1 영역에서 배치되는 제1 이온 깔때기, 제1 이온 깔때기의 유출구 단부 반대편의 제1 영역 내의 제1 이온 카펫, 제2 압력보다 더 작고 기기 압력보다 더 큰 제3 압력으로 펌핑되는 제2 영역, 제2 영역에서 배치되는 제2 이온 깔때기 및 제2 이온 깔때기의 유출구 단부 반대편의 제2 영역 내의 제2 이온 카펫을 포함할 수도 있다. 환경으로부터의 이온은 제1 및 제2 이온 깔때기를 통해 분석 기기로 순차적으로 전달된다. 제1 및 제2 이온 깔때기의 각각은 자신을 관통하는 점점 가늘어지는 축 방향 통로를 정의하는데, 각각은 각각의 가상 제트 파괴기를 내부에서 정의한다.

Description

대기압 환경에서 저압 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은, 2018년 6월 4일자로 출원된 미국 특허 가출원 일련번호 제62/680,223호에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 2019년 1월 11일자로 출원된 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013274의 일부 계속 출원인데, 이들의 개시는 둘 모두 참조에 의해 그들 전체가 본원에 통합된다.
정부의 권리
본 발명은 국립 과학 재단이 수여하는 CHE1531823 하에서의 정부의 지원으로 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대한 소정의 권리를 가지고 있다.
개시의 분야
본 개시는 일반적으로 더 높은 압력 환경에서 더 낮은 압력 환경으로 광범위한 질량 범위의 이온을 이송하기 위한 기기(instrument)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 그러한 이온을, 낮은 잉여 운동 에너지(excess kinetic energy)를 갖는 이송된 이온으로 나타나는 방식으로 이송하도록 구성되는 그러한 기기에 관한 것이다.
질량 분광분석법(Mass Spectrometry)은 이온 질량 및 전하에 따라 물질의 기체 이온을 분리하는 것에 의해 물질의 화학적 성분의 식별을 제공한다. 그러한 분리된 이온의 질량을 결정하기 위한 다양한 기기 및 기술이 개발되었으며, 하나의 그러한 기술은 전하 검출 질량 분광분석법(charge detection mass spectrometry; CDMS)으로 알려져 있다. CDMS는, 개개의 이온이 전극을 통과하여 전극 상에서 전하를 유도할 때, 이온의 패킷이 아닌, 개개의 이온의 전하 상태를 직접적으로 측정한다. CDMS에 의해 프로세싱되는 이온은, 통상적으로, 미스트 또는 에어로졸 형태의 이온을 생성하는 종래의 전자 분무 이온화(electrospray ionization; ESI) 소스를 사용하여 생성된다. ESI는, 주변 압력(ambient pressure)으로부터 질량 분광분석법 측정에 필요한 고진공 환경으로 이온을 전달하기 위한 인터페이스를 필요로 하는 주변 이온화 기술(ambient ionization technique)이다. 대기압(atmospheric pressure)과 질량 분광분석계(mass spectrometer)의 제1 영역 사이의 큰 압력 차이는, 이온을 질량 분광분석계로 이송하는 지향성 가스 흐름(directed gas flow)을 생성한다. 그러나, 질량 분광분석계의 제1 영역에 진입하면, 지향성 가스 흐름은, 흐름에서 이송되는 이온을 초음속 속도로 가속시키는 초음속 제트(supersonic jet)를 형성한다. 이온 에너지의 결과적으로 나타나는 에너지의 넓은 분포는 이온을 집속시킴에 있어서 어려움을 야기하고, 그에 의해, 이온 투과율을 낮춘다. 특히, 예를 들면, 대형 단백질 복합체, 바이러스 및 등등과 같은 메가달톤 체제(megadalton regime)에서 높은 질량 이온을 분석하는 것은, 제트로부터의 그러한 이온에 의해 흡수되는 많은 양의 에너지에 기인하여 어렵고, 그에 의해, 넓은 분포의 이온 에너지로 나타난다.
본 개시는 첨부된 청구범위에서 기재되는 피쳐 중 하나 이상, 및/또는 다음의 피쳐 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 하나의 양태에서, 제1 압력의 환경으로부터 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스는, 제1 영역, 제1 영역에서, 제1 압력보다 더 작은 그리고 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프, 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 제1 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역 - 제1 깔때기 영역은 제1 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제1 이온 깔때기 - 환경으로부터의 이온은 제1 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나오고, 제2 축 방향 통로는 내부에서 제1 가상 제트 파괴기(virtual jet disrupter)를 정의함 - , 제1 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구(outlet)를 정의하는 제1 이온 카펫, 제2 영역, 제2 영역에서 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프, 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 제2 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역 - 제2 깔때기 영역은 제2 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제2 이온 깔때기 - 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 제2 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나오고, 제4 축 방향 통로는 내부에서 제2 가상 제트 파괴기를 정의함 - , 제2 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구 - 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 분석 기기의 이온 유입구(inlet)에 진입함 - 를 정의하는 제2 이온 카펫을 포함할 수도 있다.
다른 양태에서, 제1 압력의 환경으로부터 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스는, 제1 영역, 제1 영역에서, 제1 압력보다 더 작은 그리고 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프, 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 제1 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역 - 제1 깔때기 영역은 제1 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제1 이온 깔때기 - 환경으로부터의 이온은 제1 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나옴 - , 제1 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구(outlet)를 정의하는 제1 이온 카펫, 제2 영역, 제2 영역에서 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프, 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 제2 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역 - 제2 깔때기 영역은 제2 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제2 이온 깔때기 - 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 제2 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나옴 - , 및 제2 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구 - 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 분석 기기의 이온 유입구에 진입함 - 를 정의하는 제2 이온 카펫을 포함할 수도 있는데, 제1 깔때기 영역 내에서의 압력 축적 및 가스 역류의 조합은, 제1 이온 깔때기를 통과하는 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화(thermalize)하는 제1 영역을 제1 깔때기 영역 내에서 생성하고, 제2 깔때기 영역 내에서의 압력 축적 및 가스 역류의 조합은, 제2 이온 깔때기를 통과하는 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화하는 제2 영역을 제2 깔때기 영역 내에서 생성한다.
또 다른 양태에서, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스는, 제1 영역, 제1 영역에서, 제1 압력보다 더 작은 그리고 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프, 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 제1 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역 - 제1 깔때기 영역은 제1 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제1 이온 깔때기 - 환경으로부터의 이온은 제1 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제1 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나옴 - , 제1 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구(outlet)를 정의하는 제1 이온 카펫, 제2 영역, 제2 영역에서 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프, 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 제2 드리프트 영역의 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역 - 제2 깔때기 영역은 제2 깔때기 영역의 제1 단부에서의 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어짐 - 을 구비하는 제2 이온 깔때기 - 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 제2 드리프트 영역의 제1 단부에 진입하고 제2 깔때기 영역의 제2 단부에서 빠져나옴 - , 및 제2 이온 깔때기의 제2 단부 반대편의 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구 - 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 분석 기기의 이온 유입구에 진입함 - 를 정의하는 제2 이온 카펫을 포함할 수도 있는데, 제1 압력과 제2 압력 사이의 압력 차이는 이온을 제1 드리프트 영역의 제1 단부로 이송하는 제1 가스 흐름을 생성하고, 제1 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 제2 축 방향 통로는 제1 가스 흐름을 감소시키고, 제2 압력과 제3 압력 사이의 압력 차이는 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온을 제2 드리프트 영역의 제1 단부로 이송하는 제2 가스 흐름을 생성하고, 제2 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 제4 축 방향 통로는 제2 가스 흐름을 감소시킨다.
또 다른 양태에서, 이온을 분석하기 위한 시스템은, 제1 압력의 환경에서 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스, 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 이온 소스에 커플링되는 전술한 양태 중 임의의 것에서 설명되는 인터페이스, 및 진공 환경에 배치되며 제2 이온 카펫의 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 이온 분리 기기에 진입하도록 인터페이스에 커플링되는 이온 분리 기기 - 이온 분리 기기는 적어도 하나의 분자 특성에 기초하여 이온을 분리하도록 구성됨 - 를 포함할 수도 있다.
여전히 또 다른 양태에서, 이온을 분리하기 위한 시스템은, 제1 압력의 환경에서 샘플로부터 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스, 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 이온 소스에 커플링되는 전술한 양태 중 임의의 것에서 설명되는 인터페이스, 진공 환경에 배치되며 제2 이온 카펫의 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 이온 분리 기기에 진입하도록 인터페이스에 커플링되는 적어도 하나의 이온 분리 기기 - 이온 분리 기기는 적어도 하나의 분자 특성의 함수로서 이온을 분리하도록 구성됨 - 및 적어도 하나의 이온 분리 기기를 빠져나가는 이온의 전하 및 질량 대 전하 비율을 측정하도록 구성되는 검출기를 포함할 수도 있다.
여전히 또 다른 양태에서, 이온을 분리하기 위한 시스템은, 제1 압력의 환경에서 샘플로부터 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스, 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 이온 소스에 커플링되는 전술한 양태 중 임의의 것에서 설명되는 인터페이스, 제2 이온 카펫의 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 이온 분리 기기 - 이온 분리 기기는 질량 대 전하 비율의 함수로서 이온을 분리하도록 구성됨 - 에 진입하도록 인터페이스에 커플링되는 제1 질량 분광분석계, 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 수용하도록 배치되며 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 해리하도록 구성되는 이온 해리 스테이지(ion dissociation stage), 이온 해리 스테이지를 빠져나가는 해리된 이온을 질량 대 전하 비율의 함수로서 분리하도록 구성되는 제2 질량 분광분석계, 및 전하 검출 질량 분광분석계(charge detection mass spectrometer; CDMS)가 제1 질량 분광분석계 및 이온 해리 스테이지 중 어느 하나를 빠져나가는 이온을 수용할 수 있도록 이온 해리 스테이지와 병렬로 커플링되는 CDMS를 포함할 수도 있는데, 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 프리커서 이온(precursor ion)의 질량은 CDMS를 사용하여 측정되고, 임계 질량 미만의 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온의 질량 대 전하 비율은 제2 질량 분광분석계를 사용하여 측정되고, 임계 질량 이상의 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온의 질량 대 전하 비율 및 전하 값은 CDMS를 사용하여 측정된다.
도 1a는 정전기 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap; ELIT)의 형태의 이온 검출기를 포함하는 전하 검출 질량 분광분석계(CDMS)의 실시형태의 단순화된 다이어그램이다.
도 1b는, 이온 생성기와 질량 분광분석계 사이에서 동작 가능하게 배치되는 하이브리드 이온 깔때기-이온 카펫(hybrid ion funnel-ion carpet; FUNPET) 인터페이스를 포함하는 도 1a의 CDMS의 이온 소스의 실시형태의 단순화된 다이어그램이다.
도 2a 내지 도 2f는 물리적 제트 파괴기(physical jet disruptor)가 내부에 배치되는 개방 드리프트 영역을 갖는 예시적인 이온 소스 인터페이스에 대한 가스 흐름 및 이온 궤적을 예시한다.
도 3a 내지 도 3f는 내부에 밀봉된 드리프트 영역을 가지지만 그러나 물리적 제트 파괴기가 없는 다른 예시적인 이온 소스 인터페이스에 대한 가스 흐름 및 이온 궤적을 예시한다.
도 4a 내지 도 4f는, 이온 깔때기 및 내부의 가상 제트 파괴기를 갖는 밀봉된 드리프트 영역을 구비하지만, 그러나 이온 유출구에서 이온 카펫을 갖지 않는 도 1b에서 예시되는 FUNPET 인터페이스와 유사한 또 다른 예시적인 이온 인터페이스에 대한 가스 흐름 및 이온 궤적을 예시한다.
도 5a 내지 도 5f는, 이온 깔때기 및 내부에 가상 제트 파괴기를 갖는 그리고 이온 유출구에서 이온 카펫을 갖는 밀봉된 드리프트 영역을 구비하는 도 1b에서 예시되는 FUNPET 인터페이스에 대한 가스 흐름 및 이온 궤적을 예시한다.
도 6a는 도 1b에서 예시되는 FUNPET의 이온 깔때기의 실시형태의 평면도이다.
도 6b는 도 1b에서 예시되는 FUNPET의 이온 카펫의 실시형태의 평면도이다.
도 6c는 도 6a 및 도 6b에서 예시되는 컴포넌트를 사용하는 도 1b의 FUNPET 인터페이스의 어셈블리의 실시형태의 평면도이다.
도 7은 도 1b에서 예시되는 FUNPET 인터페이스의 챔버 내의 압력에 대해 플롯되는 도 1b에서 예시되는 FUNPET 인터페이스의 하류에 배치되는 차동 펌핑 영역(differentially pumped region)에서의 압력의 플롯이다.
도 8a 내지 도 8d는, 네 개의 분석물: (a) HBV 캡씨드(capsid), (b) P22 프로캡씨드(procapsid), (c) CTAC 계면활성제, 및 (d) 폴리스티렌 비드(Polystyrene Bead)에 대해 도 1b의 FUNPET 인터페이스로 측정되는 CDMS 스펙트럼을 예시한다.
도 9a 및 도 9b는, 도 9a의 투과 비율(%) 또는 도 9b의 평균 잉여 운동 에너지(eV)에 대해 플롯되는 이온 질량 대 전하 비율(m/z) 및 질량(Da)을 예시하는 그래프이다.
도 10a는, ELIT의 상류에 있는 이온 소스의 일부로서 다양한 예시적인 이온 프로세싱 기기와 함께 도면에서 예시되고 본원에서 설명되는 FUNPET 인터페이스를 포함하거나 또는 통합할 수도 있는, 그리고 ELIT를 빠져나가는 이온(들)을 추가로 프로세싱하기 위해 ELIT의 하류에 배치되는 다양한 예시적인 이온 프로세싱 기기를 포함할 수도 있는 이온 분리 기기의 실시형태의 단순화된 블록도이다.
도 10b는, 종래의 이온 프로세싱 기기를, 도면에서 예시되고 본원에서 설명되는 FUNPET 인터페이스를 포함하는 또는 통합하는 본원에서 예시되고 설명되는 이온 질량 검출 시스템과 결합하는 이온 분리 디바이스의 실시형태의 단순화된 블록도이다.
도 11은, 이온 생성기와 질량 분광분석계 사이에서 동작 가능하게 배치되는 다중 스테이지 하이브리드 이온 깔때기-이온 카펫(FUNPET) 인터페이스의 실시형태를 포함하는 도 1a의 CDMS의 이온 소스의 다른 실시형태의 단순화된 다이어그램이다.
본 개시의 원리에 대한 이해를 촉진하는 목적을 위해, 이제, 첨부의 도면에서 도시되는 다수의 예시적인 실시형태에 대한 참조가 이루어질 것이며, 그들을 설명하기 위해 특정한 언어가 사용될 것이다.
상기에서 논의되는 바와 같이, 질량 분광분석계의 전면 영역에서의 넓은 분포의 이온 에너지는 바람직하지 않은데, 그 이유는, 그러한 이온을 집속시키는 것이 어렵고, 그에 의해, 이온 투과율을 낮추기 때문이다. 이온을 집속시키고 주목하는 이온을 효율적으로 투과시키기 위해, 질량 분광분석법에서 이온 깔때기 인터페이스 및/또는 이온 카펫 인터페이스를 사용하는 것에 의해 공지된 에너지로 가속시키기 위해 이온은 열적 평형화될 수도 있다.
이온 깔때기는 예시적으로 일련의 밀접하게 이격되는 링 전극으로 구성되는데, 일부는, 깔때기 영역에서 출구 애퍼처(exit aperture) 쪽으로 점점 가늘어지기 이전에 드리프트 영역을 정의하는 일정한 내경을 갖는다. 이온 깔대기는 무선 주파수(radio frequency; RF) 및 직류(direct current; DC) 전위 둘 모두를 사용하여 이온을 제한하고 이온을 출구 애퍼처를 향해 지향시킨다. 180° 위상차의 RF 신호가 인접한 전극에 인가되는데, DC 드리프트 필드는 중첩되어 이온을 출구 애퍼처를 향해 유도한다. 그러나, 애퍼처 직경 및 전극 간격이 동등한 경우, RF 필드는, 이온을 가두고 그들이 투과되는 것을 방지할 수 있는 축 방향 우물(axial well)을 생성한다. 이 효과를 완화하기 위해, 애퍼처의 사이즈는 증가될 수 있거나, 전극 간격은 감소될 수 있거나, 또는 RF 전위는 최종 전극에서 제거될 수 있다. 애퍼처 사이즈를 증가시키는 것은 기기의 후속하는 영역에 대한 가스 부하가 증가시키고, 전극 간격을 감소시키는 것은 복잡성 및 커패시턴스를 증가시키고(전력 요건을 증가시킴), 최종 전극에서 RF를 제거하는 것은 제한을 감소시키고 이온 손실에 기여한다는 것을 유의해야 한다. 하기에서 상세하게 설명될 바와 같이, 이온 깔때기 및 드리프트 영역은 내부에 가상 제트 파괴기를 형성하도록 구성될 수도 있다.
이온 카펫 또는 RF 카펫은 이온 깔때기의 이온 유출구에 또는 그에 인접하게 배치될 수도 있다. 그러한 실시형태에서, 이온 카펫은, 예시적으로, 인터페이스의 이온 유출구 애퍼처로서 역할을 하는 중심을 통해 정의되는 작은 애퍼처를 갖는 기판 상에 배치되는 일련의 동심 링 전극으로 구성된다. 이온 깔때기와 유사하게, 180° 위상차의 RF 전압이 인접한 전극 상에서 인가되는데, DC 드리프트 필드가 중첩되어 이온 유출구 애퍼처 안으로 그리고 그를 관통하게 이온을 유도한다. 또한, 이온 카펫이 DC 전용 모드에서 높은 이온 투과율을 제공할 수 있다는 것이 나타내어졌다.
구성 이전에 질량 분광분석계 인터페이스를 모델링하기 위해, 이온 궤적 시뮬레이션이 통상적으로 수행된다. 이들 시뮬레이션에 대해 가장 널리 사용되는 프로그램은 SIMION이다. 유저 생성 디바이스에 의해 생성되는 전기장을 모델링하는 것 외에, 가스 흐름 효과 및 모델 확산의 포함을 허용하기 위해, 추가적인 프로그램이 작성되고 통합되었다. 그러나, SIMION에서 중간 압력에 대해 사용되는 통계적 확산 시뮬레이션(statistical diffusion simulation; SDS) 모델은, 이온 사이즈를 배경 가스의 질량의 최대 10,000 배까지 모델링하는 것으로 제한된다. 이 질량 제약은, 배경 가스가 공기인 경우, 프로그램을, 대략 300 킬로달톤(kDa)의 이온 질량을 모델링하는 것으로 제한하며, 따라서, 여기에서 주목하는 매우 큰 생체 분자를 모델링하는 데 적합하지 않다.
빠른 조정 및 의사 전위 RF 필드(pseudopotential RF field) 둘 모두를 갖는 이온 이동성 모델을 사용하는 다른 맞춤형 이온 궤적 시뮬레이션이 작성되었다. 그러나, 빠른 조정 RF 시뮬레이션도 또한 큰 이온 질량을 분해하고, 의사 전위 시뮬레이션은 저주파를 정확하게 모델링하지 않는다. 이것은, 의사 전위가 주파수의 제곱에 반비례하고, 따라서 더 낮은 주파수는 의사 전위의 강도만을 증가시키기 때문인데, 이것은, 이를 테면, 일련의 링 전극에서의 제한을 증가시킬 것이다. 그러나, 주파수가 너무 느리게 발진하여 이온을 적절히 제한하는 것은 가능하며, 의사 전위 모델은 이것을 반영하지 않는다.
가스 흐름을 시뮬레이팅하기 위한 두 가지 방법이 있는데, 선택은 가스 밀도에 의존한다. 고밀도 흐름을 시뮬레이팅하는 경우, 유체 밀도에서의 미세한 변동이, 시뮬레이팅되고 있는 영역의 길이 스케일과 비교하여 작기 때문에, 연속체 가정(continuum assumption)이 적절하다. 연속체 가스 흐름은 Navier-Stokes(나비에-스토크스) 수학식에 대한 수치 솔루션에 의해 잘 특성 묘사된다. 연속체 가정은, 국소적 변동이 유의미하며 그 결과 가스는 개개의 입자로 취급되어야 하는 저밀도 흐름의 경우에는 실패한다. 이들 흐름은 Bird(버드)에 의해 개발된 다이렉트 시뮬레이션 몬테 카를로(Direct Simulation Monte Carlo; DSMC) 방법을 사용한 Boltzmann(볼츠만) 수학식에 대한 확률론적 솔루션에 의해 특성 묘사된다. 질량 분광분석계 인터페이스는, 종종, 과도적 흐름 체제에 속하는 중간 밀도를 갖는다. 이 체제에 대한 최상의 솔버(solver)는 펌핑 및 인터페이스 지오메트리에 따라 변할 수 있다.
예를 들면, 메가달톤(MDa) 범위에 있는 큰 이온에 대한 질량 분광분석법 측정에 대한 관심이 증가함에 따라, 큰 이온에 대한 인터페이스를 특성 묘사하는 것이 중요하다. 예시적인 실시형태에서, FUNPET 인터페이스는, 흐르는 가스의 킬로달톤 내지 기가달톤 사이즈의 이온의 궤적을 특성 묘사하는 것에 의해 광범위한 질량 범위의 이온 대한 잉여 운동 에너지를 최소화하면서, 이온 투과율을 최대화하도록 설계된다. 이온 움직임을 시뮬레이팅하기 위해, Langevin(랑주뱅) 역학(dynamics)을 통한 속도 Verlet(벌레트) 알고리즘을 사용하여 새로운 이온 궤적 프로그램이 작성되었다. 그것은 SIMION 8.1로부터의 전기장, 가스 흐름 정보로부터의 항력, 확산, 및 중력을 통합한다.
이제 도 1a를 참조하면, 이온 전하 및 질량 대 전하 비율을 측정하기 위해 정전기 선형 이온 트랩(ELIT)(14)에 동작 가능하게 커플링되는 이온 소스(12)를 갖는 전하 검출 질량 분광분석계(CDMS)(10)가 도시되어 있다. 대안적인 실시형태에서, 이온 측정은 오르비트랩(orbitrap) 또는 다른 단일 입자 측정 디바이스 또는 기기를 사용하여 이루어질 수도 있다. 이온 소스(12)는, 예시적으로, 이온의 이온 소스, 즉, 이온 생성기 및 이온 생성기와 이온 분리 기기 사이에 배치되는 이온 분리 기기를 포함한다. CDMS(10)에서, 이온 분리 기기는 하나 이상의 종래의 이온 질량 분광분석계의 형태로 예시적으로 제공된다. 다른 구현예에서, 이온 분리 기기는, 대안적으로, 하나 이상의 분자 특성에 기초하여 이온을 분리하기 위한 종래의 기기 중 하나 또는 임의의 조합일 수도 있거나 또는 이들을 포함할 수도 있는데, 그 예는, 질량, 이동성, 유지 시간, 입자 사이즈, 또는 등등을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 또한, FUNPET 인터페이스가, 전하 검출 질량 분광분석계(CDMS)(10)의 전단(front end)에서(예를 들면, 이온 소스와 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(mass analyzer) 사이에서) 구현되는 것으로, 첨부의 도면에서 예시되고 본원에서 설명되지만, 본 개시는, 하나 이상의 분자 특성에 따라 이온을 분리하기 이전에, 이온을 열적 평형화하고 및/또는 가스 흐름을 감소시키는 것이 바람직한 임의의 분광분석계 배열에서 FUNPET 인터페이스가 대안적으로 구현될 수도 있다는 것을 고려한다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 1b를 참조하면, 도 1a에서 예시되는 이온 소스(12)의 한 실시형태가 도시되어 있다. 도 1b에서 묘사되는 실시형태에서, 이온 소스(12)는, 예시적으로, 이온 이송 인터페이스(20)를 통해 종래의 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)의 이온 유입구(inlet)에 동작 가능하게 커플링되는 이온의 소스(18), 즉, 종래의 이온 생성 디바이스를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 이온 생성기(18)는, 그 일단(one end)에서 이온 유출구(26)를 정의하는 모세관(24)을 구비하는 종래의 전기 분무 이온화(ESI) 소스의 형태로 제공된다. 도 1b에서 도시되지는 않지만, ESI 소스(18)는 샘플 용액에 유체 흐름 가능하게 커플링되고(fluidly coupled), 이온 유출구(26)를 빠져나가는 이온, 즉 하전 입자(C)를 생성하기 위해 종래의 방식으로 동작 가능하다. 상기에서 논의되는 바와 같이, ESI 소스(18)는 주변 이온화 기술, 즉 주변 압력에서 샘플 용액을 이온화하는 기술이다. 다른 실시형태에서, 주변 환경에서 이온을 생성하도록 또한 동작하는 다른 공지된 이온 생성 디바이스가 사용될 수도 있다. 그러나, 종래의 질량 분광분석계가 고진공 환경에서 동작하기 때문에, 이온 이송 인터페이스(20)는, 예시적으로, 이온 생성 디바이스(18) 내의 그리고 주변의 주변 압력으로부터 질량 분광분석계(22)의 저압(즉, 고진공) 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스로서 역할을 한다.
도 1b에서 묘사되는 실시형태에서, 이온 이송 인터페이스(20)는, 예시적으로, 이온 ESI 소스(18)와 질량 분광분석계(22)에 그리고 그들 사이에서 유체 흐름 가능하게 커플링되는 하이브리드 이온 깔때기-이온 카펫(FUNPET) 인터페이스의 형태로 제공된다. 예시된 실시형태에서, FUNPET 인터페이스(20)는 이온 유입구(32)를 갖는 진공 챔버 또는 하우징(30)을 포함하는데, ESI 소스(18)의 모세관(24)은, 모세관(24)의 이온 유출구(26)가 진공 챔버(30) 안으로 연장되도록, 그 이온 유입구(32)를 통해, 연장된다. 대안적인 실시형태에서, 모세관(24)은 진공 챔버(30)의 이온 유입구(32)와 맞물리도록 구성될 수도 있고, 그 결과, 모세관(24)의 이온 유출구(26)는 이온 유입구(32)에서 종단되거나 또는 그것을 통과하여 진공 챔버(30) 안으로 연장된다.
예시된 실시형태에서, 진공 챔버(30)의 내부와 종래의 펌프(36) 사이에서 밸브(34)가 유체 흐름 가능하게 커플링되고, 펌프(36)는 가스의 소스에 유체 흐름 가능하게 커플링된다. 그러한 실시형태에서, 밸브(34) 및 펌프(36)는, 가스의 소스(38)로부터 챔버(30)의 내부로 가스를 제어 가능하게 추가하기 위해, 예를 들면, 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 자동적으로 또는 수동으로 제어될 수도 있다. 또한 예시된 실시형태에서, 진공 챔버(30)의 내부와 종래의 진공 펌프(42) 사이에서 다른 밸브(40)가 유체 흐름 가능하게 커플링된다. 그러한 실시형태에서, 밸브(40) 및/또는 펌프(40)는, 진공 챔버(30) 내의 진공 레벨을 제어하기 위해, 예를 들면, 자동적으로 또는 수동으로 제어될 수도 있다. 예시된 실시형태에서 추가적으로 여전히, 진공 챔버(30)의 내부에 또 다른 밸브(44)가 유체 흐름 가능하게 커플링된다. 그러한 실시형태에서, 밸브(44)는, 진공 챔버(30)로부터 방출 가스 및/또는 진공을 제어하기 위해, 예를 들면, 자동적으로 또는 수동으로 제어될 수도 있다.
FUNPET 인터페이스(20)는, 도 1b에서 예시되는 바와 같이, ESI 소스(18)와 질량 분광분석계(22) 사이의 진공 챔버(30) 내에 배치되는 이온 깔때기(46)를 더 포함한다. 이온 깔때기(46)는, 예시적으로, 생성된 이온(C)을 내부에 수용하도록 배치되고 구성된다. ESI 소스(18)에서의 대기 조건과 모세관(24)의 유출구(26)에서의 진공 조건 사이의 큰 압력 차이는, ESI 소스(18)에 의해 생성되는 이온을 이온 깔때기(46)의 유입구(54)로 이송하는 초음속 제트의 형태로 모세관(24)을 빠져나가는 지향성 가스 흐름을 생성한다. 하기에서 상세하게 설명될 바와 같이, 이온 깔때기(46)는, ESI 소스(18)의 모세관(24)을 빠져나가는 초음속 제트를 소산시키는 그리고 또한, 이온이 이온 깔때기(46)에 의해 질량 분광분석계(22)로 이송되고 있을 때 깔때기(46) 내의 이온을 열적 평형화하는 가상 제트 파괴기(76)를 내부에서 정의한다.
예시된 실시형태에서, 이온 깔때기(46)는, 예시적으로, ESI 모세관(24)의 이온 유출구(26)로부터 떨어져 이격되는 일정한 애퍼처 영역(48) 및 일정한 애퍼처 영역(48)에 유체 흐름 가능하게 커플링되며 그로부터 연장되는 점점 가늘어지는(tapering) 깔때기 영역(50)을 포함한다. 이온 깔때기(46)의 일정한 애퍼처 영역(48)은, 예시적으로, 다수의 M 개의 일정한 애퍼처, 이격되어 떨어진 전기 전도성 링 전극(521-52M)으로 형성되는데, 여기서 M은 임의의 양의 정수일 수도 있다. 일정한 애퍼처 링 전극(521-52M) 각각은, 예시적으로, 내경(D1)을 가지며, 그 결과, 링 전극(521-52M)의 시퀀스는, 함께, 링 전극(511-51M)의 집합적 폭 및 그들 사이의 간격에 의해 정의되는 일정한 직경(D1) 및 길이의 축 방향에서 관통하는 일정한 애퍼처의 드리프트 영역(55)을 정의한다. 제1 링 전극(521)은, 예시적으로, ESI 노즐(24)의 이온 유출구(26)로부터 떨어져 이격되고, 제1 링 전극(521)을 통해 정의되는 개구는 이온 깔때기(46)로의 이온 유입구(54)를 정의한다. 도 1b에서 예시되는 실시형태에서, ESI 노즐(24)의 이온 유출구(26)는, 이온 깔때기(46)의 일정한 애퍼처 영역(48)의 드리프트 영역(55)을 통해 정의되는(그리고 인터페이스(20)를 통해 중심에서 정의되는) 중심의 길이 방향 축(A)과 축 방향으로 정렬된다, 즉, 동일 직선 상에 있다. 그러나, 그러한 정렬은 필요로 되지 않으며, 다른 실시형태에서, ESI 노즐(24)의 이온 유출구(26)는 축 방향 드리프트 영역(55)과 축 방향으로 정렬될 필요가 없다는 것이 이해될 것이다. 이온 깔때기(46)의 일정한 애퍼처 영역(55)의 길이는 애플리케이션에 따라 변할 수도 있다.
이온 깔때기(46)의 깔때기 영역(50)은, 예시적으로, 일정한 애퍼처 영역(48)으로부터 질량 분광분석계(22)를 향해 축 방향으로 연장되는 다수의 N 개의 이격되어 떨어진 전기 전도성 링 전극(561-56N)으로 형성되는데, 여기서 링 전극(561-56N)의 애퍼처는 질량 분광분석계(22)를 향하는 방향에서 직경이 선형적으로 감소한다. 예시적으로, 제1 링 전극(561)은 일정한 직경 영역(48)의 마지막 링 전극(52M)의 직경(D1)보다 약간 더 작은 내경을 가지며, 나머지 링 전극(562-56N)의 내경은 순차적으로 감소하고, 그 결과, 마지막 링 전극(56N)은 이온 깔때기(46)의 이온 유출구 애퍼처를 정의하는 내경(D2 < D1)을 갖는다. 하나의 실시형태에서, 링 전극(562-56N-1)의 내경은 링 전극(561 및 56N) 사이에서 선형적으로, 즉 단계적으로 감소되어, 링 전극(561-56N) 사이에서 선형적으로 점점 가늘어지는, 즉 감소되는 깔때기 영역(50)을 통해 축 방향으로 점점 가늘어지는 애퍼처 드리프트 영역(57)을 정의한다. 전극(521-52M 및 561-56N)의 내경에서의 점선은 구조적 컴포넌트가 아니라, 드리프트 영역(55)의 일정한 직경 및 드리프트 영역(57)의 선형적으로 감소하는 직경을 강조하기 위해서만 포함된다는 것이 이해될 것이다. 몇몇 대안적인 실시형태에서, 링 전극(561-56N) 중 하나 이상의 내경은, 드리프트 영역(57)이 엄격하게 선형적으로 감소하지 않도록, 즉 드리프트 영역(57)의 내경이 비선형적으로 감소하도록 사이즈가 조정될 수도 있다. 임의의 경우에, 이온 깔때기(46)의 일정한 애퍼처 영역(48)에 의해 정의되는 드리프트 영역(55)은 이온 깔때기(46)의 깔때기 영역(50)의 드리프트 영역(57)과 축 방향으로 정렬되고, 그 결과, 길이 방향 축(A)은 드리프트 영역(55, 57) 둘 모두를 통해 중심에서 그리고 축 방향으로 연장된다.
도 1b에 추가적으로 예시되는 바와 같이, 회로 기판(80)은 자신에게 장착되는 다수의 Q 개의 회로 컴포넌트(821-82Q)를 구비하는데, 여기서 Q는 임의의 양의 정수일 수도 있다. 회로 기판(80)은 다수의 P 개의 - 여기서 P는 임의의 정수일 수도 있음 - 전기적으로 전도성인 경로를 통해 이온 깔때기(46)에 전기적으로 커플링되고, 전압 소스(84)는 다수의 R 개의 - 여기서 R은 임의의 양의 정수일 수도 있음 - 전기적으로 전도성인 경로를 통해 회로 기판(80)에 전기적으로 커플링된다. 예시된 실시형태에서, 전압 소스(84)는, 예시적으로, DC 전압의 적어도 하나의 소스 및 무선 주파수(RF) 전압의 적어도 하나의 소스를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 회로 컴포넌트(821-82Q)는, 예시적으로, 전극(521-52M 및 561-56N)의 각각 사이를 연결하기에 충분한 수의 저항기를 포함하고, DC 전압 소스는, 이온 깔때기(46)의 유입구(54)로부터 드리프트 영역(55 및 57)을 그리고 이온 깔때기(46)의 유출구(즉, 깔때기 영역(50)의 마지막 링 전극(56N)에 의해 정의되는 애퍼처)를 통해 축 방향으로 이온을 유도하는 방향으로 드리프트 영역(55, 57) 내에서 드리프트 전기장(electric drift field)을 확립하기 위해, 전극(521 및 56N) 사이에서 적절한 DC 전압을 인가하도록 구성된다. 회로 컴포넌트(821-82Q)는, 또한 예시적으로, RF 전압 소스(들)와 전극(521-56N)의 각각 사이를 연결하기에 충분한 수의 커패시터를 포함하며, RF 전압 소스(들)는, 이온이 DC 드리프트 필드에 의해 드리프트 영역(55, 57)을 통해 축 방향으로 유도될 때 이온을 축(A)을 향해 반경 방향에서 집속시키기 위해, 각각의 커패시터를 통해 전극(521-56N)의 각각에, 예를 들면, 인접한 전극에 인가되는 180 도 위상이 벗어난, 적절한 RF 전압을 인가하도록 구성된다.
FUNPET 인터페이스(20)는, 또한 예시적으로, 이온 깔때기(46)의 깔때기 영역(50)의 마지막 링 전극(56N)으로부터 떨어져 이격되는 이온 카펫(58)을 포함한다. 이온 카펫(58)은, 예시적으로, 구성이 종래와 같고, 기판(60)을 통해 축 방향으로 정의되는 중심 애퍼처(62)를 중심으로 내포되는(nested) 평면의 기판(60), 예를 들면, 회로 기판의 하나의 평면의 표면(60A) 상에 형성되는, 일련의 동심의, 또는 다른 폐형상의 전기 전도성 링(63)을 포함한다. 링은, 예시적으로, 모두 동일한 두께를 가지며, 링의 내경(또는 내부 단면적)은 중심 애퍼처(62)으로부터 반경 방향에서 멀어지는 방향으로 순차적으로 증가하고, 그 결과, 링 중 제1의 링이 애퍼처62)를 밀접하게 둘러싸고 각각의 연속하는 링은 이전 링을 둘러싼다. 하나의 실시형태에서, 회로 컴포넌트(821-82Q)는, 예시적으로, 전기 전도성 링(63)의 각각 사이를 연결하기에 충분한 수의 저항기를 포함하고, DC 전압 소스는, 이온을 애퍼처(62)를 향해 유도하는 방향에서 링(63)을 따라 드리프트 전기장을 확립하기 위해, 제1 링과 마지막 링 사이에 적절한 DC 전압을 인가하도록 구성된다. 몇몇 실시형태에서, 회로 컴포넌트(821-82Q)는, 또한 예시적으로, RF 전압 소스(들)와 링(63)의 각각 사이를 연결하기에 충분한 수의 커패시터를 포함하고, RF 전압 소스(들)는, 이온을 애퍼처(62)를 향해 반경 방향에서 집속시키기 위해, 각각의 커패시터를 통해 링(63)의 각각에, 예를 들면, 인접한 링에 인가되는 180 도 위상이 벗어난, 적절한 RF 전압을 인가하도록 구성된다. 드리프트 영역(55, 57)을 통해 축 방향으로 유도되는 이온이 이온 깔때기(46)를 빠져나가면, 그들은, 링(63) 사이에서 확립되는 DC 드리프트 필드에 의해, 그리고, 몇몇 실시형태에서, 또한 링(63)에 인가되는 RF 전압에 의해, 이온 카펫(58)의 애퍼처(62)을 향해 그리고 그들을 통과하여 집속된다. 몇몇 실시형태에서, DC 드리프트 필드만이 사용되며, 다른 실시형태에서, RF 전압(들)도 또한 인가될 수도 있다. 따라서 이온 카펫(60)의 동작은 그 DC 전압에서 종래와 같고, 몇몇 실시형태에서, 기판(60)의 평면의 표면(60A)에 의해 정의되는 평면을 향해, 애퍼처(62)를 향해 그리고 애퍼처(62)를 관통하게 수직으로 이동하는 이온을 집속시키는 방식으로, RF 전압도 역시 링(63)에 선택적으로 인가된다. 도 1b에서 예시되는 실시형태에서, 중심 축(A)은 애퍼처(62)를 통해 축 방향으로 연장된다. 애퍼처(62)는 FUNPET 인터페이스(20)의 이온 유출구를 형성하고 따라서 질량 분광분석계(22)로의 이온 유입구를 또한 형성한다.
이온 깔때기(46)의 링 전극(521-52M)은, 예시적으로, 전기적으로 절연성인 동일한 폭의 스페이서에 의해 서로 결합된다. 하나의 실시형태에서, 그러한 스페이서는, 예시적으로, 연속적인 전기적으로 절연성인 시트(641)의 형태로 제공되는데, 그 시트(641) 상에는, 링 전극(521-52M)이 형성되거나 또는 적어도 부분적으로 임베딩되거나, 또는 링 전극(521-52M)이, 도 1b의 예에 의해 예시되는 바와 같이 이격되어 떨어진 관계로, 그 시트(641)에 부착되거나 또는 다르게는 접착된다. 마찬가지로, 링 전극(561-56N)은, 예시적으로, 전기적으로 절연성인 동일한 폭의 스페이서에 의해 서로 결합된다. 하나의 실시형태에서, 그러한 스페이서는, 예시적으로, 연속적인 전기적으로 절연성인 시트(642)의 형태로 제공되는데, 그 시트(642) 상에는, 링 전극(561-56N)이 형성되거나 또는 적어도 부분적으로 임베딩되거나, 또는 링 전극(561-56N)이, 도 1b의 예에 의해 또한 예시되는 바와 같이 이격되어 떨어진 관계로, 그 시트(642)에 부착되거나 또는 다르게는 접착된다. 예시된 실시형태에서, 연속적인 전기적으로 절연성인 시트(641, 642)는 서로 분리되어 있고, 그러한 실시형태에서, 시트(641, 642)는, 예시적으로, 그들의 공통 경계를 따라 결합되어 밀봉을 형성하고, 그 결과, 드리프트 영역(55, 57)은, 함께, 이온 깔때기(46)를 통해 축 방향으로 연장되는 단일의 밀봉된 드리프트 영역을 정의한다. 그러한 몇몇 실시형태에서, 도 6a 및 도 6c에서 예에 의해 예시되는 바와 같이, 전기적으로 절연성인 시트(642)는, 링 전극(561-56N)을 통해 정의되는 애퍼처의 직경과 같이, 선형적으로(또는 비선형적으로) 감소하는 외경을 정의하기 위해, 하방으로 점점 가늘어진다. 대안적인 실시형태에서, 연속적인 전기적으로 절연성인 시트(641, 642)는 단일의 시트를 형성하도록 결합될 수도 있고, 그 결과, 단일의 한 개의 전기적으로 절연성인 시트가, 이온 깔때기(46)를 통해 축 방향으로 연장되는 단일의 밀봉된 드리프트 영역을 유사하게 정의하기 위해 이온 깔때기(46)의 길이를 따라 링 전극(521-52M)의 각각 및 링 전극(561-56N)의 각각에 커플링된다. 임의의 경우에,
이온 카펫(58)의 애퍼처(62)가 마지막 링 전극(56N)의 내경에 의해 정의되는 애퍼처와 축 방향으로 정렬된 상태에서, 즉 동일 직선 상에 있는 상태에서, 깔때기 영역(50)의 마지막 링 전극(56N)과 전극(56N)을 향하는 이온 카펫(58)의 평면의 표면(60A) 사이의 축 방향 갭은, 예시적으로, 이온 깔때기(46)와 이온 카펫(58) 사이의 드리프트 영역(59)을 정의한다. 도 1b에서 예시되는 실시형태에서, 전기적으로 절연성인 시트(642)는, 이온 카펫(58)의 기판의 외측 둘레와 또는 그 외측 둘레에 인접한 이온 카펫(58)의 기판(60)의 면(60A)과 밀봉 접촉하도록 연장하는 것으로 도시되어 있다. 다른 실시형태에서, 이온 카펫(58)과 이온 깔때기(46) 사이에 밀봉을 형성하기 위해 임의의 적절한 밀봉 재료 및/또는 구조체가 사용될 수도 있다. 임의의 경우에, 이온 카펫(58)은 이온 깔때기(46)와 밀봉 결합하여 이온 깔때기(46)에 커플링되고, 그 결과, 일정한 애퍼처 영역(48)의 드리프트 영역(55), 깔때기 영역(50)의 드리프트 영역(57) 및 깔때기 영역(50)과 이온 카펫(58) 사이에서 정의되는 드리프트 영역(59)의 종속 접속식 결합은, 이온 깔때기(46)를 통해 축 방향으로 연장하는 단일의 연속적인 그리고 밀봉된 드리프트 영역(65)을 정의한다.
이제 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 도 1b의 FUNPET 인터페이스(20)의 물리적 실시형태가 도시된다. 도 6a의 예에 의해 예시되는 바와 같이, FUNPET 인터페이스(20)의 이온 깔때기(46)는, 예시적으로, 두 개의 전기적으로 절연성이며 연성인 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB) 시트(641 및 642)로 제조된다. 전극(521-52M)은, 시트(641)가 도 1b에서 예시되는 바와 같이 실린더로 형성될 때, 이격되어 떨어진 전기적으로 전도성인 일정한 애퍼처 링 전극(521-52M)의 축 방향 시퀀스를 형성하는 일련의 가늘고 긴, 나란한, 이격되어 떨어진 전기적으로 전도성인 스트립의 형태로 전기적으로 절연성인 시트(641)에 장착되거나 또는 그 상에서 형성된다. 전극(561-56N)은, 시트(642)가 도 1b에서 예시되는 바와 같이 깔때기로 형성될 때, 이격되어 떨어진 전기적으로 전도성인 감소하는 애퍼처 링 전극(561-56N)의 축 방향 시퀀스를 형성하는 일련의 아치형이고, 나란하며, 이격되어 떨어진 전기적으로 전도성인 스트립의 형태로 전기적으로 절연성인 시트(642)에 장착되거나 또는 그 상에서 형성된다. 또한 도 6a에서 예시되는 바와 같이, 회로 기판(80)은 이온 깔때기(46)에 전기적으로 연결되어 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 회로 기판(80)은 인접한 단부에서 함께 커플링되는 두 개의 분리된 가늘고 긴 회로 기판(80A, 80B)의 형태로 제공된다. 회로 컴포넌트(821-82Q) 중 일부는 회로 기판(80A)에 장착되고, 시트(641)에 장착되는 일정한 애퍼처 직경의 링 전극(521-52M)에 전기적으로 그리고 동작 가능하게 커플링되며, 회로 컴포넌트(821-82Q) 중 다른 것은 회로 기판(80B)에 장착되고, 시트(642)에 장착되는 일정한 애퍼처 직경의 링 전극(561-56N)에 전기적으로 그리고 동작 가능하게 커플링된다.
도 6b의 예에 의해 예시되는 바와 같이, FUNPET 인터페이스(20)의 이온 카펫(58)은, 다수의 내포된 전기 전도성 링(63)이 장착되거나 또는 다르게는 형성되는, 평면의 면(60A)을 갖는 강성의 전기적으로 절연성인 인쇄 회로 기판(PCB)(60)의 형태로 제공된다. 가장 작은 내경을 갖는 전기 전도성 링은 회로 기판(60)을 통해 중심에서 정의되는 애퍼처(62)를 둘러싸고, 나머지 전기 전도성 링(63)의 각각은 서로를 순차적으로 둘러싸서 이온 카펫 구조체를 형성한다. 이온 카펫(58)은 임의의 수의 내포된 전기 전도성 링(63)을 포함할 수도 있고, 도 6b에서 예시되는 실시형태에서, 이온 카펫(58)은, 예시적으로, 25 개의 내포된 링(63)을 갖는다.
도 6c의 예에 의해 추가적으로 예시되는 바와 같이, 이온 깔때기(46) 및 이온 카펫(58)은 3D 인쇄된 ABS 플라스틱 지지 하우징(30)에 의해 도 1b에서 예시되는 그들의 동작 위치에서 제자리에 유지되고, 그 결과, 이온 깔때기(46) 및 이온 카펫(58)은 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이 밀봉된다. 예시된 실시형태에서, 지지 하우징(30)은 FUNPET 인터페이스(20)를 형성하기 위해 함께 볼트로 고정되는 네 개의 섹션(30A-30D)을 포함한다. 섹션(30A 및 30B)은 이온 깔때기(46)의 일정한 애퍼처 영역(48)을 정의하는 롤링된 시트(rolled sheet)(641)의 대부분을 포함한다. 섹션(30C)의 하위 섹션(30C1)은 롤링된 시트(641)의 나머지를 포함하고, 섹션(30C)의 하위 섹션(30C2)은 이온 깔때기(46)의 깔때기 영역(50)을 정의하는 롤링된 시트(642)의 대부분을 포함한다. 섹션(30D)의 하위 섹션(30D1)은 롤링된 시트(642)의 나머지 부분을 포함하고, 섹션(30D)의 하위 섹션(30D2)은, 예시적으로, 이온 카펫(58)을 수용하도록 사이즈가 정해지는 디스크 섹션을 형성한다. 회로 기판(80A)은 하우징(30)의 섹션(30A-30C)에 커플링되고 이들 섹션의 외부 표면을 따라 이어진다. 회로 기판(80B)은 하우징(30)의 섹션(30C 및 30D)에 커플링되고, 마찬가지로, 이들 섹션의 외부 표면을 따라 이어진다. 회로 기판(80B)에 장착되는 회로 컴포넌트(821-82Q) 중 일부는, 이온 카펫(58)을 정의하는 회로 기판(60)에 장착되는 전기 전도성 링(63)에 전기적으로 그리고 동작 가능하게 커플링된다.
예시된 실시형태에서, ESI 소스(18)에 의해 생성되는 이온(C)은 진공 챔버(30)에 진입하고, 대기압에서 동작하는 ESI 소스(18)와 진공 조건 하에서 동작하는 질량 분광분석계(22) 사이의 압력 차이로부터 유래하는 가스 흐름(70)에 의해, 밀봉된 드리프트 영역(65)의 일정한 애퍼처의 드리프트 영역(48)의 이온 유입구(54)로 지향된다. 가스가 드리프트 영역(48) 및 깔때기 영역(50) 안으로 더 깊게 흐름에 따라, 배압(back pressure)이 발생하고 증가하는데, 이것은 가스 흐름(70)을 느리게 하고, 결국에는, 거꾸로 이온 깔때기(46)의 이온 유입구(54)를 향해 그리고 그 밖으로 나가는 가스(74)의 역류를 야기하는 축적된 압력의 영역(72)을 생성한다. 밀봉된 이온 깔때기(46)의 직접적인 결과로서, 압력 축적의 영역(72) 및 가스의 역류(74)의 조합은, 가스 흐름 제트를 소산시키고 이온(C)을 열적 평형화하는 가상 제트 파괴기(76)를 생성한다. 밸브(34, 40, 및 44) 중 하나 이상은, 예시적으로, 이온 깔때기(46) 내에서의 압력 축적 영역(72) 및 가스의 역류(74)의 피쳐 및 그와 관련되는 동작 파라미터를 조정하도록 제어될 수도 있다. 점점 가늘어지는 드리프트 영역(57) 및 이온 카펫(58)의 조합은, 종래의 RF 및 DC 전압 소스(84)를 사용한 그들의 적절한 전기 제어와 함께, 예시적으로, 열적 평형화된 이온(C)을, FUNPET 인터페이스(20)의 이온 유출구 애퍼처(62)를 향하고 그들을 관통하게 조종한다. FUNPET 인터페이스(20)의 제어 및 동작은 도 5 내지 도 8과 관련하여 하기에서 추가로 설명된다.
질량 분광분석계(22)는, 예를 들면, 비행 시간(time-of-flight; TOF) 질량 분광분석계, 리플렉트론(reflectron) 질량 분광분석계, 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명(Fourier transform ion cyclotron resonance; FTICR) 질량 분광분석계, 4 극자(quadrupole) 질량 분광분석계, 삼중 4 극자(triple quadrupole) 질량 분광분석계, 또는 등등을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 임의의 종래의 설계를 가질 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 또한, 몇몇 실시형태에서, FUNPET 인터페이스(20)에 진입하는 이온의 소스는, 대안적으로, 예를 들면, 도 1b와 관련하여 설명되는 바와 같은 전기 분무 이온화 소스, 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화(matrix-assisted laser desorption ionization; MALDI) 소스 또는 등등과 같은 적어도 하나의 이온 생성 디바이스 중 하나 또는 임의의 조합을 포함하는, 그러나 이들로 제한되지는 않는 이온의 임의의 종래의 소스일 수도 있고, 이온 이동성 분광분석계(ion mobility spectrometer), 액체 또는 기체 크로마토그래프, 또는 등등과 같은, 적어도 하나의 분자 특성의 함수로서, 시간 경과에 따라 이온을 분리하도록 구성되는 하나 이상의 분자 분리 기기를 더 포함할 수도 있다.
이제 도 2a 내지 도 2f, 도 3a 내지 도 3f 및 도 4a 내지 도 4f를 순차적으로 참조하면, 도 1b에서 예시되고 상기에서 설명되는 FUNPET 인터페이스(20)와는 상이한 컴포넌트를 갖는 세 개의 대안적 이온 소스 인터페이스의 구조 및 동작이 도시된다. 도 2a 내지 도 4f에서 도시되는 결과를 달성하기 위해, 소정의 가스 흐름 시뮬레이션, 확산, 및 이온 궤적 시뮬레이션이 수행되었다. 도 2a 내지 도 2f, 도 3a 내지 도 3f 및 도 4a 내지 도 4f를 참조한 이들 대안적 인터페이스의 설명에 후속하여, 상기에서 설명되는 FUNPET 20에 대한 시뮬레이션 결과가 도시되고 도 5a 내지 도 5f를 참조하여 설명될 것이다.
도 2a 내지 도 2f에서 예시되는 제1 대안적 인터페이스("인터페이스 1")는 물리적 제트 파괴기 및 이온 카펫을 갖는 그러나 이온 깔때기가 없는 개방 드리프트 영역을 구비한다. 도 3a 내지 도 3f에서 예시되는 제2 대안적 인터페이스("인터페이스 2")는, 이온 카펫을 갖는, 그러나, 물리적 제트 파괴기 및 이온 깔때기가 없는 밀봉된 드리프트 영역을 구비한다. 도 4a 내지 도 4f에서 예시되는 제3 대안적 인터페이스("인터페이스 3")는, 가상 제트 파괴기 및 이온 깔때기를 갖는, 그러나, 이온 카펫이 없는 밀봉된 드리프트 영역을 구비한다. 도 4a 내지 도 5f에서 예시되는 FUNPET 인터페이스(20)는, 도 1b와 관련하여 설명되는 바와 같이, 이온 깔때기(46) 내에서 정의되고 이온 카펫(62)에 커플링되는 밀봉된 드리프트 영역(65)을 구비하는데, 여기서 밀봉된 드리프트 영역(65)은 가상 제트 파괴기(76)를 내부에서 정의한다.
가스 흐름 시뮬레이션
인터페이스에 진입하는 가스의 특성 묘사는, 모두 네 개의 인터페이스에 대해 동일한 가열된 금속 모세관(10 cm 길이, 0.381 mm ID)을 통과하는 가스 흐름을 이해하는 것으로 시작되었다. 모세관에 걸친 큰 압력 차이에 기인하여, 모세관을 빠져나가는 흐름은 초음속 제트를 형성한다. 모세관을 통과하는 볼륨 흐름은, 모세관 길이 대 직경 비율이 충분히 큰 경우(예를 들면, 50 초과) 실험과 잘 일치하는 것으로 나타났던 Wutz/Adams(유츠/아담스) 난류 모델을 사용하여 계산되었다. 가스 흐름 시뮬레이션이 수행되어 모세관 제트의 속성을 결정하였고 모세관 제트가 각각의 인터페이스에 어떻게 영향을 받는지를 이해하였다. 그 다음, 이온 투과율 및 이온의 잉여 운동 에너지 둘 모두에 대한 가스 흐름의 영향을 이해하기 위해, 가스 흐름 시뮬레이션으로부터의 결과는, 이온 궤적 프로그램으로 임포트되었다. 가스 흐름을 모델링하기 위해 두 개의 방법이 사용되었는데, 선택은 가스 밀도에 의존한다.
인터페이스 1의 개방 드리프트 영역의 낮은 배경 압력(예를 들면, 93 Pa)은 다이렉트 시뮬레이션 몬테 카를로 방법(DSMC) 프로그램인 DS2V에 의한 분석을 위해 최상으로 적합되었지만, 유입구 압력은 직접적으로 모델링하기에는 너무 높았다. 따라서, DS2V 프로그램에 의해 액세스 가능한 유입구 조건을 모델링하기 위해, 모세관에 대해 계산된 제트 팽창의 최대 배럴 충격 직경을 사용하여 흐름 유입구 직경이 근사되었다. 개방 드리프트 영역의 모든 시뮬레이션은 영역의 2D 축대칭 모델을 사용하였는데, 여기서 가스는 모든 표면에서 확산 반사를 갖는 단단한 구체로서 취급되었다. 시스템의 초기 상태는 진공이었고, 출구 경계는 모세관으로부터 하류의 펌핑 위치 및 카펫 애퍼처에서 설정되었다. 인터페이스 1의 개방 드리프트 영역의 DS2V 시뮬레이션은 흐름이 정상 상태에 도달할 때까지 실행되었다.
인터페이스 2, 인터페이스 3, 및 FUNPET 인터페이스(20)의 폐쇄된 드리프트 영역에 대해 발생한 압력 축적은, 너무 긴 DSMC 방법에 대한 시뮬레이션 시간으로 이어졌다. 폐쇄된 인터페이스 설계에서 더 높은 밀도의 가스를 더욱 정확하게 모델링하기 위해, 연속체 기반의 솔버가 사용되었다. 이 작업에서, 모든 폐쇄된 인터페이스 시뮬레이션에 대해 Star-CCM+ v10.06(CD-Adapco)이 사용되었다. 이상 기체의 압축성 흐름에 대해 솔버 설정이 선택되었다. 압력 유출구는, 각각의 인터페이스 설계의 모세관 뒤에 있는 영역(93 Pa) 및 출구 애퍼처에 있는 영역(10 Pa)에서 설정되었다. 폐쇄된 드리프트 영역 내부의 초기 압력은 (이전 기기에서 유사한 구성에 대해 측정된 압력에 기초하여) 93 Pa에서 설정되었다. 출구 질량 유량이 입구 질량 유량(±5 %)과 동일한 경우, 수렴이 발생한 것으로 판단되었다.
확산
확산은 Crooks(크룩스) 및 동료에 의해 속도 벌레트 알고리즘에 적응된 바와 같은 랑주뱅 역학 모델과 통합되었다. 랑주뱅 역학은, 마찰(즉, 항력)에 기인하는 입자의 감쇠 운동과 가상의 배경 가스(즉, 확산)와의 확률론적 충돌을 나타내는 랜덤 힘을 설명하기 위해, Newton(뉴튼)의 제2 운동 법칙에 두 개의 추가적인 힘 항을 추가한다. 이 연구에서, 확산 계수는 아인슈타인 식(Einstein relation)을 사용하여 계산되었고 이온의 이동성은 Mason-Schamp(메이슨-샴프) 수학식을 사용하여 계산되었다. Crooks 및 동료에 의해 개발된 7 단계 속도 벌레트 알고리즘은 다음에 의해 주어진다,
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
변수 r 및 v는 입자의 위치 및 속도이고, n은 현재 시간이고, Δt는 시간 단계이고, f는 입자에 작용하는 항력이고, m은 입자 질량이고, β는 kBT의 역수이다(여기서 kB는 Boltzmann(볼쯔만)의 상수이고 T는 온도임), a는 항력에 기인하는 감쇠 속도(dampened velocity)를 나타낸다. N+ 및 N-는 독립적인 표준 법선 편차이며, 입자의 확률론적 운동을 모델링하기 위해 사용된다. 변수 b는 이 모델의 정확도를 보장하기 위해 사용되는 스케일링 인자(scaling factor)이다. 단계 4는 명시적 Hamiltonian(해밀토니안) 업데이트이다. 본원에서 제시되는 시뮬레이션 작업의 경우, Hamiltonian 단계는 생략되었고, 시뮬레이션의 이미 작은 시간 단계에 기인하여 스케일링 인자는 불필요한 것으로 결정되었다. 또한, 항력(하기 참조)을 단계 2 및 6에서 존재하는 힘 항에 직접적으로 통합하기 위해 감쇠 속도 항은 생략되었다. 이것은, 감쇠 속도 항이 정적인 배경 가스를 가정하고, 반면, 항력 모델이 흐르는 배경 가스를 통합하기 때문이다. 시뮬레이션은 두 항력 모델 사이의 양호한 일치를 나타내었다.
이 모델은 자신의 정확도를 결정하기 위해 간단한 몬테 카를로 확산 시뮬레이션에 대해 테스트되었다. 많은 수의 시간 단계에 대한 확산 입자의 큰 그룹의 최종 위치가 기록되었고, 분포가 비교되었다. 긴 시간 스케일, 큰 이온 질량 및 높은 배경 압력에서, 모델 둘 모두는 최종 위치의 예상 가우스 분포를 제공하였다. 짧은 시간 스케일, 작은 이온 질량 및 낮은 압력에서, 랑주뱅 역학 모델은 몬테 카를로 방법에 의해 생성되는 가우스 분포로부터 벗어났다. 그러나 이것은, 최종 위치의 가우스 분포를 생성하기 위해 많은 수의 충돌이 필요하고, 더 짧은 시간, 더 가벼운 질량, 및 더 낮은 압력 모두가 더 적은 충돌로 나타나기 때문에, 예상될 것이다. 따라서, 이 확산 모델은 적절한 것으로 간주되었다.
이온 궤적 시뮬레이션
이온 궤적 시뮬레이션은 랑주뱅 역학 확산 모델, 항력 모델을 통한 가스 흐름 정보, SIMION 8.1로부터의 전기장으로부터의 힘, 및 중력을 통합한 속도 벌레트 알고리즘을 사용하여 수행되었다. 이것은 모두 OpenMP 지시문(directives)을 사용하여 작성되는 맞춤형 Fortran 프로그램에 통합되었고, 그 결과, 수천 개의 이온을 적시의 방식으로 분석될 수 있었다. 투과되는 입사 이온의 비율을 결정하는 것 외에도, 이온이 열적 평형화되는 것을 보장하기 위해 이온 에너지가 추적되었다.
제1 단계는 SIMION 지오메트리 파일을 작성하고 개선하는 것이다. DC 및 RF 전위가 모든 전극에 인가되었고, 전위 어레이 파일이 인쇄되었다. 로컬 가스 압력 및 속도 정보가 DS2V 또는 Star-CCM+ 시뮬레이션으로부터 추출되었고 조회 테이블이 생성되었다. 궤적 계산은 이온의 위치를 초기화하는 것에 의해 시작된다. 발산 노즐(diverging nozzle)을 갖는 인터페이스의 경우, 모든 이온은 동일한 축 위치에서 랜덤 반경 방향 위치를 가지고 시작된다. 이온의 초기 속도는, 주변 가스 흐름의 것과 동일하게 설정되는데, 모든 이온이 가스 흐름과 함께 모세관 단부로 이동할 것이다는 것이 예상되기 때문이다. 일단 이온 위치 및 속도가 설정되면, 궤적 시뮬레이션이 시작된다.
각각의 시간 단계에서, 가스 흐름 값에 대한 이중 선형 보간(bi-linear interpolation) 및 전기장 값에 대한 삼중 선형 보간(tri-linear interpolation)이 이온의 위치에 대해 수행된다. 이온의 속도는 주변 가스 흐름의 속도에 대해 상대적으로 계산되고, 그 다음, 이 상대 속도 및 주변 가스의 압력은 항력을 계산하기 위해 사용되는데, 항력은, 그 다음, 이온의 질량을 사용하여 가속도로 변환된다. 그 다음, 이 전기장에 기인하는 가속도가 계산된다. 그 다음, 총 가속도는 항력, 전기장, 및 중력의 기여도를 합산하는 것에 의해 결정된다. 확산 상수는 로컬 압력으로부터 결정되고 확산 모델에 통합되며 확산에 기인하는 위치 및 속도 업데이트가 획득된다. 그 다음, 이온의 위치는, 이온의 현재 속도, 전기장, 항력, 중력에 기인하는 총 가속도, 및 확산에 기초하여 업데이트된다. 그 다음, 유사한 방식으로 이온 속도가 업데이트되고, 총 속도가 계산되고, 이온 에너지가 결정된다. 그 다음, 프로그램은 이온의 위치 및 에너지를 기록하고, 이온이 전극에 충돌했는지 또는 성공적으로 투과되었는지 또는 아닌지를 확인하도록 체크하고, 만약 아니라면, 사이클이 반복된다. 일단 모든 이온이 충돌하였거나 또는 투과되면, 투과율에 대해 그리고 투과된 이온에 대해, 평균 최종 에너지 및 평균 최종 에너지의 표준 편차가, 연구된 각각의 이온 질량에 대해 계산된다.
이제 도 2a 내지 도 2f를 참조하면, 이온 카펫(우측 상의 수직선에서 예시됨) 및 물리적 제트 파괴기(드리프트 영역 내 중앙 수직선으로서 예시됨)를 갖는 개방 드리프트 영역을 구비하는 인터페이스 1이 도시된다. 이 인터페이스의 하나의 예시적인 예에서, 드리프트 영역은 2.54 cm의 일정한 내경을 갖는 74 개의 링 전극(수직선에서 예시됨)으로 구성된다. 전극은 그들 사이에서 3.81 mm의 간격을 가지면서 0.508 mm의 두께이고, 총 길이는 31.57 cm이다. 300 V 피크 대 피크(peak-to-peak)(Vpp) 및 180° 위상차의 RF 신호가 인접한 전극에 인가된다. 5 V/cm의 일정한 드리프트 기울기가 또한 적용된다. 6.35 mm 직경의 제트 파괴기가 드리프트 영역의 길이의 중간에 배치된다. 이온 카펫은 드리프트 영역 단부에서 6.35 mm 떨어져 배치된다. 카펫은 높이 0.254 mm, 폭 0.381 mm, 및 간격 0.127 mm의 24 개의 동심의 링 전극으로 구성된다. 이온 카펫 중심에 있는 출구 애퍼처는 길이 1.016 mm, 직경 1.016 mm이다. 비선형 DC 전압 기울기가 이온 카펫에 적용되는데, 가장 안쪽 전극은 접지되고 바깥 쪽 세 개의 전극은 모두 274 V에서 유지된다. 전압 기울기는 출구 애퍼처 근처에서 더 가파르다. 이온 카펫에는 어떠한 RF가 인가되지 않는다. 단락에서 설명되는 수치적 치수 및 다른 수치적 피쳐는 단지 예로서만 제공되며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 그러한 수치적 치수 및/또는 다른 수치적 피쳐가 예마다 상기에서 설명되는 것들보다 더 클 수도 있거나 또는 작을 수도 있는 대안적인 실시형태가 고려된다.
개방 드리프트 영역에서의 낮은 압력은 DSMC 분석에 대해 적합하다. 예를 들면, 도 2a에서 예시되는 바와 같이, DS2V 시뮬레이션으로부터의 축 방향 속도는, 제트 파괴기가 제트를 대부분 멈추게 한다는 것을 나타낸다. 몇몇 가스는 제트 파괴기 주위로 흐르는 것으로 보이는데, 여기에서, 그것은, 그 다음, 재결합되어 드리프트 영역의 단부에 위치되는 펌핑 및 카펫 애퍼처를 향해 흐른다. 그러나, 여기에서의 압력은 더 낮아서, 더 큰 반경 방향 확장을 허용한다. 도 2b에서 예시되는 바와 같이, 반경 방향 속도는 제트 파괴기 직전에 큰 값을 나타내고, 그 다음, 흐름이 제트 파괴기 이후에 재결합함에 따라 음의 값을 나타낸다. 카펫 벽에서의 양의 반경 방향 속도는 그 가스 흐름이 벽과 충돌하고 있음을 나타낸다는 것을 또한 유의해야 한다. 도 2c에서 예시되는 국소적 압력은, 제트 파괴기 직전의 영역을 제외하면, 드리프트 영역의 대부분이 예상된 93 Pa에 중심을 두고 있다는 것을 나타낸다.
이 디바이스에 대해 상이한 사이즈의 이온을 사용하는 이온 궤적은 도 2d 내지 도 2f에서 도시된다. 예를 들면, 도 2d 내지 도 2f에는, 1 kDa, 1 MDa 및 1 GDa에 대한 스무 개의 대표적인 궤적이 각각 도시된다. 도 2d에서 도시되는 바와 같이, 1 kDa 이온이 제트 파괴기 주변을 이동하고, 이온은 가스 흐름에 의해 중심 축으로 다시 집속되고, 그 다음, 개방 드리프트 영역의 단부에서 이온 카펫에 의해 집속된다. 이온의 질량이 증가함에 따라, 이온은 더 이상 열적 평형화되지 않고 제트 파괴기 표면 상에서 손실된다. 확산 계수는 질량에 반비례하는데, 이것은, 더 작은 이온에 대해 확산 효과가 더 쉽게 관찰될 수 있다는 것을 의미한다.
이제 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 이온 카펫(우측의 청색 수직선에서 예시됨)을 갖는 밀봉된 드리프트 영역을 구비하는 인터페이스 2가 도시된다. 이 인터페이스에서, 이온 카펫 및 드리프트 영역의 레이아웃은 도 2a 내지 도 2f에서의 인터페이스 1의 이온 카펫 및 드리프트 영역과 유사하지만, 그러나, 전극(검은색 수직선에서 예시됨) 사이에서 절연체 밀봉 갭을 갖는다. 또한, 인터페이스 2는 물리적 제트 파괴기를 포함하지 않는다. 대신, 가스 흐름 그 자체는 드리프트 영역의 전극을 밀봉하는 것에 의해 가상 제트 파괴기로서 사용된다. 그렇게 함에 있어서, 밀봉되는 드리프트 영역의 카펫 단부에서 압력이 축적되고, 드리프트 영역에서 나오는 가스의 역류는 제트를 소산시키고 이온을 열적 평형화하는 데 도움이 된다. 드리프트 영역을 밀봉하는 것에 의해, 국소적 압력이 상승하고, 그 결과, 연속체 가정은 가스 흐름 계산에 대해 적합하다. 인터페이스 2에서, 제트의 반경 방향 팽창을 감소시키기 위해 발산 노즐이 사용되었다.
300 Vpp 및 180° 위상차의 RF 신호가 인접한 전극에 인가된다. 하나의 예시적인 예에서, 비선형 전압 기울기가 밀봉된 드리프트 영역에 적용되는데, 처음 15.5 cm는 40 V/cm를 가지고, 마지막 11 cm는 0.5 V/cm 기울기를 가지며, 중간의 5 cm는 40 V/cm에서부터 0.5 V/cm로 선형적으로 감소한다. 또한, 이온 카펫에 적용되는 전압 기울기는 인터페이스 1에 대해 상기에서 사용되는 기울기의 10 %이다. 마지막으로, 제트의 반경 방향 팽창을 감소시키기 위해, 1 cm 길이의 발산 노즐(0.75 mm ID 내지 5 mm ID)이 모세관 유입구의 단부에 추가되었다. 노즐의 단부는 드리프트 영역 안으로 2 cm 돌출된다. 발산 노즐은 중심선 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 단락에서 설명되는 수치적 치수 및 다른 수치적 피쳐는 단지 예로서만 제공되며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 그러한 수치적 치수 및/또는 다른 수치적 피쳐가 예마다 상기에서 설명되는 것들보다 더 클 수도 있거나 또는 작을 수도 있는 대안적인 실시형태가 고려된다.
도 3a를 참조하면, 폐쇄된 드리프트 영역에 대한 축 방향 속도는 제트가 모세관 유입구에서 ~ 15 cm 떨어져 멈춘다는 것을 도시한다. 결과적으로, 카펫 단부에서의 국소적 압력은 약 280 Pa(도 3c 참조)로 상승하고, 제트 주변의 가스 역류. 제트를 와해시키고 이온이 열적 평형화되는 것을 허용하는 가상 제트 파괴기를 제공하는 것은 드리프트 영역의 카펫 단부에서의 압력 축적 및 역류의 조합이다. 가상 제트 파괴기의 성능은 드리프트 영역의 직경을 상대적으로 작게 유지하는 것에 의해 향상된다. 물리적 제트 파괴기가 없으면, 도 3b에서 도시되는 반경 방향 속도는 인터페이스 1에서 보다 훨씬 더 낮다. 유일하게 주목할 만한 반경 방향 속도 피쳐는 발산 노즐을 빠져나가는 덜 팽창된 제트(under-expanded jet)의 팽창 및 압축이다.
드리프트 튜브의 카펫 단부에서의 압력 축적의 단점은, 그것이 질량 분광분석계의 후속하는 영역에 대해 가스 부하를 증가시킨다는 것이다. 압력 축적 때문에, 드리프트 영역의 처음 15 cm 상에서의 드리프트 기울기는 40 V/cm로 증가되었다. 드리프트 필드를 증가시키는 것은, 이온이 확산해야 하는 시간을 감소시켰고, 따라서, 이온이 역류에 포착되어 손실되는 것을 방지하였다. 드리프트 영역의 카펫 단부에서, 가스는 거의 정적이며 드리프트 필드는 0.5 V/cm로 감소되었다. 이온 카펫 상에서의 전압 기울기는 인터페이스 1에서의 것의 10 %로 감소되었다. 이들 전압 기울기를 낮추는 것은, 이온의 잉여 운동 에너지를 감소시킨다. 단락에서 설명되는 수치적 치수 및 다른 수치적 피쳐는 단지 예로서만 제공되며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 그러한 수치적 치수 및/또는 다른 수치적 피쳐가 예마다 상기에서 설명되는 것들보다 더 클 수도 있거나 또는 작을 수도 있는 대안적인 실시형태가 고려된다.
도 3d 내지 도 3f는, 1 kDa, 1 MDa 및 1 GDa 이온에 대한 예시적인 궤적을 나타낸다. 모든 이온 질량에 대해, 전위 기울기 및 가스 흐름에서의 변화에 기인하여, 카펫을 향하는 축 방향 흐름으로부터 드리프트 영역의 에지를 따르는 역류로 흐름이 전이하고 있기 때문에 반경 방향 성분이 결과로서 나타나는 드리프트 영역의 후반 부분에서 반경 방향 팽창이 발생한다. 카펫 단부에서 전위 기울기가 더 약해지고, 그 결과, 축에 직교하는 필드 성분이 생성된다.
인터페이스 2에 대한 투과율은, 10 kDa와 100 MDa 사이의 모든 이온 질량에 대해 100 %에 가깝고(도 3a 참조); 인터페이스 1에 비해 극적인 향상이다. 인터페이스 2의 드리프트 영역의 카펫 단부에서 드리프트 필드가 감소함에 따라, 유의미한 가스 흐름 확산의 부재는, 특히 작은 낮은 질량 이온의 경우, 훨씬 더 큰 역할을 한다. 확산은, 이온의 일부로 하여금, 카펫 표면 상에서 손실되게 한다. 이것은 1 kDa 이온의 감소된 투과 효율성 때문이다(도 3b 참조). 이것은 확산 없이 1 kDa 이온에 대해 이온 궤적 시뮬레이션을 다시 실행하는 것에 의해 확인되었으며, 100 %의 투과율이 달성되었다. 그러나, 확산은 1 GDa 이온의 낮은 투과 효율성에 대한 책임이 없다. 여기서, 문제는 그들의 큰 반경 방향 확장이고 그들을 이온 카펫으로 집속하는 것의 어려움이다.
크게 향상되는 이온 투과율 외에, 이온의 평균 잉여 운동 이온 에너지도 역시 훨씬 향상되었다. 잉여 운동 에너지는, 도 3b에서 도시되는 바와 같이, 모든 이온 질량에 대해 대략적으로 35 배만큼 감소되었다. 그러나, 몇몇 투과된 1GDa 이온에 대한 이온 에너지는 여전히 10keV를 초과하며, 전압 기울기 중 임의의 것을 낮추는 것은 투과율을 추가로 감소시킨다. 훨씬 개선되었지만, 평균 이온 에너지는 소망되는 것보다 여전히 더 높다.
인터페이스 2에서의 높은 질량 이온의 낮은 투과율은, 카펫이 축에서 멀리 떨어져 있는 이온을 집속시키는 데 아주 효과적이지 않은 것으로부터 유래한다. 높은 질량 이온의 투과율을 증가시키기 위한 노력에서, 인터페이스 3은 물리적인 것 대신 가상 제트 파괴기와 함께 이온 깔때기를 통합하도록 설계되었다. 따라서, 이온 깔때기는 밀봉되는 상대적으로 길고 폭이 좁은 드리프트 영역을 가지며, 그 결과, 가스 흐름 및 역류에 의해 효과적인 가상 제트 파괴기가 생성될 수 있다.
이제 도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 가상 제트 파괴기를 갖는 밀봉된 이온 깔때기를 구비하는 인터페이스 3이 도시되어 있다. 인터페이스 3은, 예시적으로, 일련의 정사각형 링 전극으로 구성되는 이온 깔때기이다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 인터페이스 3은, 여덟 개의 강성의 PCB로 제조된다: 직선 드리프트 영역을 위한 네 개의 직사각형 보드 및 깔때기 영역을 위한 네 개의 삼각형 보드. 정사각형 링 전극은 폭이 0.635 mm이고 인접한 전극 사이의 간격은 0.635 mm이며, 총 전극 피치는 1.27 mm이다. 직선 드리프트 영역은 204 개의 전극으로 구성되며, 총 길이는 26 cm이고 내경은 7.62 cm이다. 최종 104 개의 전극은, 42 cm의 전체 깔때기 길이에 대해, 2 mm 내경 출구 애퍼처로 점점 가늘어진다. 상기의 인터페이스 1 및 2에서와 같이, 300 V 피크 대 피크(Vpp) 및 180° 위상차의 RF 신호가 인접한 전극에 인가된다. 그러나, 마지막 네 개의 전극은 RF를 제공받지 않는다. 5 V/cm의 일정한 드리프트 기울기가 전체 깔때기에 걸쳐 적용된다. 마지막으로, 발산 노즐 유입구는 이온 깔때기 안으로 3 cm 돌출된다. 단락에서 설명되는 수치적 치수 및 다른 수치적 피쳐는 단지 예로서만 제공되며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 그러한 수치적 치수 및/또는 다른 수치적 피쳐가 예마다 상기에서 설명되는 것들보다 더 클 수도 있거나 또는 작을 수도 있는 대안적인 실시형태가 고려된다.
인터페이스로부터 질량 분광분석계의 후속하는 영역으로의 가스 흐름을 감소시키기 위해, 이온 깔때기의 내경은 인터페이스 1 및 2과 비교하여 증가되었다. 추가적으로, 인터페이스 3은, 인터페이스 1 및 2와 비교하여, 더 긴 드리프트 영역을 가지는데, 그 이유는, 직경이 증가함에 따라, 제트가 소산하는 데 더 오래 걸리기 때문이다.
도 4a에서, 이온 깔때기에 대한 가스 흐름 축 방향 속도는, 제트가 모세관 유입구에서 ~ 27 cm 떨어져 정지된다는 것을 나타낸다(인터페이스 2에서의 약 2 배). 반경 방향 속도(도 4b)는 (덜 팽창된 제트의 팽창 및 압축으로부터 유래하는) 인터페이스 2에서 볼 수도 있는 것과 동일한 반경 방향 속도 피쳐를 나타낸다. 깔때기의 출구 근처에서의 압력 축적은 195 Pa에 가깝다(인터페이스 2에서의 280 Pa과 비교)(도 4c). 더 낮은 압력 축적은 더 큰 직경에 기인하여 이것은 상기에서 언급되는 더 긴 제트 정지 거리로 이어진다.
작은 애퍼처(직경 1 mm) 및 RF 필드의 조합은, 작은 이온을 가두었고 투과율을 낮추었던 축 방향 웰을 생성한다. 결과적으로, 애퍼처가 2 mm 직경으로 증가되었고, 더 많은 이온이 투과되는 것을 허용하도록 마지막 네 개의 깔때기 전극으로부터 RF 전위가 제거되었다. 이온 깔때기에서의 감소된 압력은, 다음 영역에 대한 가스 부하를 감소시키도록 구성된다; 그러나 2 mm ID 애퍼처는, 인터페이스 2에서의 더 높은 압력 드리프트 영역의 것(6.68×10-8 kg/s)보다 더 큰 출구 애퍼처 밖으로의 질량 유량(1.48×10-7 kg/s)으로 나타난다. 더 큰 내경 때문에, 전체 깔때기를 따라 일정한 5 V/cm 드리프트 기울기를 사용하는 것이 가능하였다. 이 기울기를 조금 더 낮추는 것은 잉여 이온 에너지를 감소시키지 않는데, 이것이 출구 애퍼처를 통한 가스 흐름에 의해 주로 설정되기 때문이다.
샘플 이온 궤적이 도 4d 내지 도 4f에서 도시되어 있다. 이온이 깔때기의 후반부를 향해 거의 정적인 배경 가스를 조우하기 때문에, 이온 반경 방향 분포가 확장되지만, 그러나, 이제, 이온은 깔때기에 의해 제한되고 집속된다. 연구된 전체 질량 범위에 대해 거의 100 % 투과율이 달성되었다(도 9a 참조). 도 9b는 1 MDa 이하의 이온 질량에 대해 낮은 잉여 운동 에너지가 달성되었다는 것을 도시한다. 그러나, 10 MDa보다 더 큰 질량의 경우, 잉여 운동 에너지는 인터페이스 2에서 보다 더 높다. 이것은, 이 인터페이스에서 이온 운동 에너지를 설정하는 것이 주로 애퍼처로부터 나오는 가스 흐름이다는 것을 증명한다. 더 무거운 이온은 더 큰 충돌 단면을 가지며, 따라서, 애퍼처에서 흘러나오는 가스와 더 많은 충돌을 겪는다.
인터페이스 3에 대한 결과는 인터페이스 2에서 관찰되는 축외 높은 질량 이온의 투과율에서의 문제가 깔때기 지오메트리를 사용하여 수정되었다는 것을 나타낸다. 그러나, 깔때기의 출구 애퍼처는 이온 트랩을 유도하는 것으로 밝혀졌다. 이온 트랩(ion trap)을 방지하기 위해, 애퍼처의 직경이 증가되었는데, 이것은 이온을 가속시켰고 높은 질량 이온에 대해 큰 잉여 운동 에너지를 유발한 큰 질량 유량으로 나타났다. 카펫은 작은 출구 애퍼처를 가질 수 있지만, 그러나, 카펫에서의 문제는 축에서 멀리 떨어진 이온을 투과시키 데 어려움을 겪는다는 것이다. 이들 이온을 투과시키기 위해, 카펫 상의 고전압 기울기가 증가되었고 이것은 이온의 잉여 운동 에너지에 기여하였다. 그 다음, 깔때기와 카펫의 조합이 인터페이스의 타입 둘 모두로부터 유리한 피쳐를 캡쳐할 수도 있다는 것이 결정되었다: 큰 반경 방향 범위를 가지고 이온을 집속시키기 위한 깔때기 및 그들을 투과시키기 위한 작은 애퍼처를 갖는 카펫.
이제 도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 도 1b에서 예시되는 FUNPET 인터페이스(20)는 도시되는 바와 같이 가상 제트 파괴기를 구비한다. 예시된 FUNPET 인터페이스(20)는 밀봉된 드리프트 영역-이온 카펫 및 이온 깔때기 인터페이스의 조합이다. 예시적인 실시형태에서, 2.54 mm 전극 피치를 갖는 원형 깔때기는 6.35 mm 내경으로 점점 가늘어지는데, 6.35 mm 직경의 이온 카펫이 이온 깔때기의 마지막 전극에서 1.27 mm 떨어져 배치된다. 300 Vpp RF 신호가 인가되지만, 이제 모든 깔때기 전극이 RF를 공급받는다. 비선형 드리프트 기울기가 다시 사용되는데, 여기서 처음 30.5 cm는 5 V/cm의 기울기를 가지고, 마지막 5 cm는 1 V/cm의 기울기를 가지며, 중간의 4 cm는 5 V/cm에서부터 1 V/cm까지 선형적으로 감소하는 기울기를 갖는다. 추가적으로, 이온 카펫은 인터페이스 1에서 사용되는 값을 갖는 전압 기울기의 4 %인 전압 기울기를 갖는다 - 전체 구조에 걸쳐 단지 12 V. 이전의 이온 깔때기 시뮬레이션에서와 같이, 모세관 발산 노즐 유입구는 인터페이스 안으로 3 cm 돌출된다.
각각 도 5a 및 도 5b에서 도시되는 FUNPET 디바이스에 대한 축 방향 및 반경 방향 속도는, 제트가 모세관 출구에서 ~ 27 cm 떨어져 정지되는 이온 깔때기 디바이스의 속도와 매우 유사하다. FUNPET 디바이스에서의 압력 축적은 인터페이스 3보다 대략 1 Pa 더 크지만, 그러나, 카펫과 관련되는 더 작은 애퍼처는 1.94×10-8 kg/s의 FUNPET 애퍼처를 통해 빠져나가는 질량 유량으로 이어지는데, 이것은 인터페이스 2 및 3에서 보다 훨씬 더 낮다. 도 5d 내지 도 5f에서 도시되는 이온 궤적은 인터페이스 3에 대한 것들과 유사하다. 도 5a 내지 도 5f와 관련하여 설명되는 수치적 치수 및 다른 수치적 피쳐는 단지 예로서만 제공되며, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 그러한 수치적 치수 및/또는 다른 수치적 피쳐가 예마다 상기에서 방금 설명되는 것들보다 더 클 수도 있거나 또는 작을 수도 있는 대안적인 실시형태가 고려된다.
도 9에서 도시되는 투과율 및 잉여 이온 에너지는, FUNPET 인터페이스(20)가 여기에서 조사되는 최상의 성능의 인터페이스 디바이스이다는 것을 입증한다. 전체 질량 범위에 걸쳐 거의 100 % 투과율이 달성되었는데, 확산에 기인하여 1 kDa 이온의 단지 1 %만이 이온 카펫의 표면에 충돌하였다. RF 주파수에 대한 사소한 조정을 통해 높은 투과 효율성이 달성되었다: 250 kHz의 주파수는 1 kDa 시뮬레이션에서 활용되었고, 100 kHz의 주파수는 모든 다른 질량에 대해 사용되었다. FUNPET 인터페이스(20)는 동일한 전압 및 RF 주파수를 사용하여 10 kDa 내지 1 GDa의 범위 내의 이온의 100 %를 투과시킨다. 또한, FUNPET 인터페이스(20)는 최저 잉여 운동 에너지를 제공하였다. 세 개의 가장 가벼운 질량이, 그들이 인터페이스 3에서 가졌던 것과 대략 동일한 잉여 운동 에너지를 가지지만, 더 무거운 이온은 훨씬 더 낮은 잉여 운동 에너지를 갖는다. 예를 들면, 1 GDa 이온의 경우, FUNPET 인터페이스(20)로부터의 잉여 운동 에너지는 인터페이스 3에서 보다 4 배보다 더 많이 더 낮다. 이것은, 더 무거운 이온이 가스 흐름에 의해 어떻게 더 강하게 영향을 받는지를 다시 강조하였다. FUNPET 인터페이스(20)는 가장 낮은 질량 유량을 가지며, 따라서, 큰 이온은 가장 낮은 잉여 운동 에너지를 갖는다.
도 6a 내지 도 6c에서 예시되는 FUNPET 인터페이스(20)는 이전에 설명된 것과 유사한 자체 제작된(home-built) 전하 검출 질량 분광분석계(CDMS) 상에서 설치되었다. 이온은 칩 기반의 나노 전기 분무 소스(Advion Triversa NanoMate)를 사용하여 생성되었고, 발산 노즐(0.75 mm ID에서부터 5 mm ID까지 발산하는 1 cm 길이)이 장착된 가열된 금속 모세관(10 cm 길이, 0.381 mm ID)을 통해 FUNPET 인터페이스(20)에 진입하였다. FUNPET 인터페이스(20) 이후, 이온은, RF 4 극자(quadrupole)가 후속되는 RF 헥사 폴에 의해 제한되었다. 4 극자를 빠져나가는 이온은, 이온 편향기의 세트를 통해 130 eV/z 상에서 중심을 두는 좁은 대역의 운동 에너지를 투과시키도록 설정되는 이중 반구 편향 분석기(hemispherical deflection analyzer; HDA)로 투과되도록, Einzel(아인젤) 렌즈에 의해 집속된다. HDA를 빠져나간 이후, 이온은 정전기 선형 이온 트랩으로 집속되는데, 여기서 이온은 검출기 튜브를 통해 앞뒤로 발진한다. 이온은 100 ms 동안 갇혀 있었다. 검출기 튜브는, 발진하는 이온으로부터 유도된 전하를 검출하는 전하 감지 증폭기에 연결된다. 결과적으로 나타나는 신호는, 고속 푸리에 변환을 사용하여, 증폭되고, 디지털화되고, 분석된다. 발진 주파수는 m/z를 제공하고 푸리에 변환의 크기는 전하를 제공한다. 각각의 이온의 질량은 m/z와 전하의 곱으로부터 결정되고, 그 다음, 비닝되어(binned) 질량 분포를 획득한다.
B형 간염 바이러스(HBV) 캡씨드, 파지(phage) P22 프로캡씨드, 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(CTAC; ≥ 98 % Sigma Aldrich) 및 폴리스티렌 비드(41 ± 4 nm Sigma Aldrich)를 가지고 측정이 수행되었다. HBV 캡씨드는 염화나트륨(300 mM)에서 잘린(truncated) 코어 단백질(Cp149)로부터 조립되었고, 사이즈 배제 크로마토그래피(size-exclusion chromatography; SEC)(BIO-RAD Micro Bio-SpinTM 30)에 의해 암모늄 아세테이트(100 mM)로 옮겨졌다. HBV 캡씨드는 T = 4 캡씨드에 기인하여 ~ 4 MDa에서 피크를 가질 것으로 그리고 T = 3 캡씨드에 기인하여 ~ 3 MDa에서 작은 피크를 가질 것으로 예상된다. P22 프로캡씨드는 SEC에 의해 100 mM 암모늄 아세테이트로 옮겨졌다. 프로캡씨드는 약 20 MDa에서 피크를 가질 것으로 예상된다. CTAC 용액은 50 mM 농도에서 물에 용해되었다. 폴리스티렌 비드는 안정화 계면활성제와 함께 수용액에서 받은 그대로 실행되었다.
이제 도 7을 참조하면, FUNPET 인터페이스(20)의 가상 제트 파괴기의 성능이 도시된다. 넓은 질량 범위를 투과시키는 FUNPET 인터페이스(20)의 능력은 가상 제트 파괴기에 의한 가스 제트의 중단에 기인한다. 이것은 0.381 mm ID를 갖는 모세관에 대한 시뮬레이션에서 달성되었다. 시뮬레이션에서 나타내어지는 바와 같이 제트가 중단되었는지의 여부를 테스트하기 위해, 누출 밸브를 통해 가스를 추가하는 것에 의해 제1 영역의 압력이 증가됨에 따라 제2 차동 펌핑 영역(즉, FUNPET 직후 영역)에서 압력이 모니터링되었다. 도 7의 포인트(80)는 FUNPET 인터페이스(20)를 수용하는 챔버 내의 압력에 대해 플롯되는 제2 차동 펌핑 영역에서의 압력을 예시한다. 원점에 가장 가까운 포인트는 FUNPET 챔버에 어떠한 가스도 추가되지 않은 상태에서의 측정이다(즉, 유일한 가스 흐름은 모세관을 통과함). FUNPET 영역에서의 압력이 증가함에 따라, 제2 차동 펌핑 영역에서의 압력은 선형적으로 증가한다. 이것은 FUNPET 출구 애퍼처까지 확장되지 않는 중단된 제트에 대한 거동이다.
중단되지 않는 제트의 거동을 예시하기 위해, 모세관의 내경은 길이를 10 cm에서 유지하면서 1.27 mm로 증가되었다. 유츠/아담스 난류 모델을 사용하여 계산되는 이 직경에 대한 질량 유량은 2.95×10-4 kg/s이다; 0.381 mm ID 모세관의 것의 26 배임. 이 질량 유량을 사용한 시뮬레이션은, 제트가 중지되지 않을 것이다는 것을 나타내었다. 이 모세관에 대한 결과는 도 7에서 포인트(90)에 의해 표현된다. 다시, 원점에 가장 가까운 포인트는, FUNPET 챔버에 가스가 추가되지 않은 것이다. 제2 차동 펌핑 영역에서의 압력은 0.381 mm ID 모세관을 갖는 FUNPET 챔버에서 동일한 압력에서 보다 훨씬 더 높다. 이것은 FUNPET 인터페이스의 단부 이전에 제트가 중지되지 않고 있다는 것을 암시한다. 가스가 FUNPET 챔버에 추가됨에 따라, 제2 차동 펌핑 영역에서의 압력은 증가하기 시작하지만, 그러나, 그 다음, FUNPET 챔버에서 250 Pa와 350 Pa 사이에서 급격한 강하를 겪는다. FUNPET 챔버 내의 압력이 더 증가함에 따라, 제2 차동 펌핑 챔버 내의 압력은 증가하고, 점차적으로 0.381 ID 모세관에 대한 값에 접근한다. FUNPET 챔버에서 250 Pa와 350 Pa 사이에서의 갑작스러운 압력 강하는 배경 가스가 가스 제트를 방해하는 것에 기인한다.
이들 실험은, 0.381 mm ID의 설계 값의 모세관을 사용하여, 배경 압력을 증가시키기 위한 여분의(extra) 가스의 추가 없이도 제트가 가상 제트 파괴기에 의해 파괴된다는 것을 나타낸다. 훨씬 더 큰 모세관(1.27 mm ID)을 사용하면, 드리프트 영역은 제트를 방해하기에 너무 짧다. 제트는 배경 압력을 증가시키기 위해 FUNPET 챔버에 가스를 추가하는 것에 의해 파괴될 수 있다. 그러나, FUNPET 인터페이스에서 압력이 훨씬 더 높으면, 제2 차동 펌핑 영역으로의 가스 흐름은 훨씬 더 많아지고, 이것은, 더 무거운 이온의 잉여 운동 에너지로 하여금 크게 증가되게 할 것이다.
이제 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 네 개의 분석물에 대해 측정되는 CDMS 스펙트럼이 도시된다. 도 8a에서 도시되는 바와 같이, HBV에 대한 스펙트럼은 120 개의 캡씨드 단백질 이량체를 갖는 T = 4 캡씨드에 기인하여 ~ 4.0 MDa에서 강렬한 피크를 나타내고, T = 3 캡씨드에 기인하여 ~ 3.0 MDa에서 더 작은 피크를 나타낸다. 도 8b는, 파지 P22 프로캡씨드에 대한 스펙트럼이 측정된 스펙트럼과 일치하는 20 MDa와 30 MDa 사이의 단일의 상대적으로 넓은 피크를 나타낼 것으로 예상된다는 것을 도시한다. 피크의 폭은 존재하는 골격 단백질(scaffolding protein)의 분포에 기인한다. 도 8c는, 넓은 높은 질량 분포가 마이셀(micelle)에 기인하는 CTAC의 용액에 대해 측정되는 스펙트럼을 도시한다. 마지막으로, 도 8d는 폴리스티렌 비드(직경 41 ± 4 nm)에 대해 측정되는 스펙트럼을 도시한다. 16.8 MDa에서부터 30.3 MDa까지의 질량 분포는, 스펙트럼의 대부분을 포함하는 계면활성제와 비교하여 낮은 존재비에서 나타내어진다. 폴리스티렌 샘플은 매우 넓은 질량 범위에서 이온을 투과시키는 FUNPET의 파워를 다시 한번 예시한다.
이제 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 모두 네 개의 인터페이스(즉, 인터페이스 1, 인터페이스 2, 인터페이스 3, 및 FUNPET 인터페이스)에 대한 이온 궤적 시뮬레이션의 개요가 도시된다. 도 9a는 이온 투과율 결과를 도시한다. 높은 투과율( > 85 %)은 두 개의 가장 가벼운 질량인 1 및 10 kDa에 대해서만 인터페이스 1을 사용하여 달성된다. 10 kDa 이온의 경우 투과율은 약간 더 높은데, 그 이유는, 그들이 가스 흐름 및 제트가 그들을 축에 더 가깝게 복귀시킨 이후의 가스 흐름에 의해 더 강하게 영향을 받기 때문이다. 더 무거운 이온에 대해 투과율은 강하하는데, 그들이 이온 카펫 주위에 집속되기에는 너무 에너지가 많기 때문이다. 10 개의 MDa 이온의 대부분은 제트 파괴기의 표면에서 충돌한다.
도 9b는 투과된 이온의 평균 잉여 운동 에너지를 모두 네 개의 인터페이스에 대한 이온 질량의 함수로서 도시한다. 이온을 집속시키기 위해 카펫 상에서 필요로 되는 큰 전기장에 기인하여, 평균 잉여 운동 에너지는 상당히 높다. 가장 가벼운 이온은 이온 카펫으로부터 35 eV(15 eV/z) 이상을 흡수한다. 빠져나가는 가장 큰 이온은 거의 1 MeV(363 eV/z)가지고 떠나간다. 앞서 언급되는 바와 같이, 이온 에너지의 이러한 광범위한 분포는 바람직하지 않다. 그러나, 이들 시뮬레이션으로부터의 가장 중요한 결론은, 큰 이온이 제트 파괴기와 충돌하기 때문에, 제트 파괴기가 큰 이온에 대해 효과가 없다는 것이다. 따라서, 가스 제트를 종료시키는 대안적인 비 물리적 방법은, 주목하는 모든 이온 질량의 높은 투과율을 보장한다.
가스 흐름 시뮬레이션은, 물리적 제트 파괴기가 모세관 유입구로부터의 가스 제트를 성공적으로 중지시키고 낮은 질량 이온에 대해 투과율이 85 %를 초과한다는 것을 나타낸다. 그러나, 높은 질량의 이온은 제트 파괴기의 표면에 충돌한다. 이 문제를 극복하기 위해, 드리프트 영역이 밀봉되고 결과적으로 나타나는 압력 축적 및 가스 역류가 가스 제트를 파괴하는 가상 제트 파괴기가 개발되었다. 이온 카펫 인터페이스는 축에서 멀리 떨어져 있는 이온에 대해 낮은 투과율을 가지며, 따라서, 높은 질량 이온의 투과를 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 이온 깔대기는 축에서 멀리 떨어진 이온을 출구 애퍼처를 향해 집속시킬 수 있다; 그러나 이온 트랩을 방지하기 위해 출구 애퍼처는 상대적으로 클 필요가 있다. 큰 출구 애퍼처는 높은 질량 이온에 대해 큰 잉여 운동 에너지로 이어졌다. 최상의 솔루션은 이온 깔때기와 이온 카펫의 유리한 피쳐를 커플링하는 것에 의해 발견되었다. FUNPET에서, 축에서 멀리 떨어진 이온은 깔때기에 의해 집속되지만, 그러나, 깔때기의 출구 애퍼처는 이온 카펫에 의해 대체된다. 이온 카펫은 더 작은 애퍼처를 통해 제2 차동 펌핑 영역으로 이온을 집속시킨다. 작은 애퍼처는 제2 챔버에 대한 가스 부하를 감소시키고 애퍼처를 통과하는 흐름에서 높은 질량 이온의 가속을 최소화한다. 가상 제트 파괴기의 성능은 상이한 배경 압력 및 모세관 직경에 대한 제1 및 제2 차동 펌핑 영역에서의 압력을 비교하는 것에 의해 테스트되었다. FUNPET의 동작은 약 30 MDa까지의 질량을 갖는 네 개의 샘플에 대해 CDMS 측정을 수행하는 것에 의해 확인되었다.
이제 도 10a 및 도 10a를 참조하면, 도 1b 및 도 6a 내지 도 6c에서 예시되고 상기에서 설명되는 FUNPET 인터페이스(20), 및/또는 도 11에서 예시되고 하기에서 설명되는 FUNPET 인터페이스(20')가 이온 분리 기기(100)의 이온 소스(12)에서 사용될 수도 있다. 도 10a를 참조하면, 상기에서 설명되는 바와 같이 정전기 선형 이온 트랩(ELIT) 검출기(14)에 커플링되는 이온 소스(12)를 구비하는 그리고 본원에서 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20') 외에 임의의 수의 이온 프로세싱 기기를 포함할 수도 있는, 및/또는 ELIT(14)를 빠져나가는 이온(들)을 추가로 프로세싱하기 위해 ELIT(14)의 하류에 배치될 수도 있는 임의의 수의 이온 프로세싱 기기(110)를 포함할 수도 있는 이온 분리 기기(100)의 실시형태의 단순화된 블록도가 도시되어 있다. 이와 관련하여, 이온 소스(12)는, 이온 소스(12)의 일부일 수도 있는 또는 이온 소스(12)의 일부를 형성할 수도 있는 그리고 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20') 외에, 다양한 이온 프로세싱 기기를 포함할 수도 있는 다수의 Q 개의 이온 소스 스테이지(IS1-ISQ)를 포함하는 것으로서 예시된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이온 프로세싱 기기(110)는 ELIT(14)의 이온 유출구에 커플링되는 것으로 도 10a에서 예시되는데, 여기서 이온 프로세싱 기기(110)는 임의의 수의 이온 프로세싱 스테이지(OS1-OSR)를 포함할 수도 있고, 여기서 R은 임의의 양의 정수일 수도 있다. 대안적인 실시형태에서, ELIT(14)는 오르비트랩 또는 다른 적절한 이온 검출기에 의해 대체될 수도 있다.
이온 소스(12)에 초점을 맞추면, ELIT(14)에 진입하는 이온의 소스(12)는, 이온 소스 스테이지(IS1-ISQ)의 하나 이상의 형태에서, 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')와 조합한 종래의 이온 소스, 예컨대 본원에서 설명되는 ESI 소스(18)일 수도 있거나 또는 이것을 포함할 수도 있고, 하나 이상의 분자 특성에 따라(예를 들면, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 유지 시간(ion retention time), 또는 등등에 따라) 이온을 분리하기 위한 하나 이상의 종래의 기기 및/또는 이온을 수집 및/또는 저장하기 위한(예를 들면, 하나 이상의 4 극자, 6 극자 및/또는 다른 이온 트랩), (예를 들면, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 유지 시간 및 등등과 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라) 이온을 필터링하기 위한, 이온을 단편화하거나 또는 다르게는 해리하기 위한, 이온 전하 상태를 정규화하거나 또는 시프팅하기 위한, 및 등등을 위한 하나 이상의 종래의 이온 프로세싱 기기를 더 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 이온 소스(12)는 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20'), 임의의 이온 분리 기기 및/또는 이온 프로세싱 기기와 조합되는 임의의 종래의 이온 소스의, 임의의 순서의, 하나의 또는 임의의 조합을 포함할 수도 있다는 것, 및 몇몇 실시형태는 임의의 그러한 종래의 이온 소스, 이온 분리 기기 및/또는 이온 프로세싱 기기의 다수의 인접한 또는 떨어져 이격되는 것을 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 이온 프로세싱 기기(110)를 참조하면, 기기(110)는, 이온 프로세싱 스테이지(OS1-OSR) 중 하나 이상의 형태에서, 하나 이상의 분자 특성에 따라(예를 들면, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 유지 시간, 또는 등등에 따라) 이온을 분리하기 위한 하나 이상의 종래의 기기 및/또는 이온을 수집 및/또는 저장하기 위한(예를 들면, 하나 이상의 4 극자, 6 극자 및/또는 다른 이온 트랩), (예를 들면, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 유지 시간 및 등등과 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라) 이온을 필터링하기 위한, 이온을 단편화하거나 또는 다르게는 해리하기 위한, 이온 전하 상태를 정규화하거나 또는 시프팅하기 위한, 및 등등을 위한 하나 이상의 종래의 이온 프로세싱 기기일 수도 있거나 또는 이들을 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 이온 프로세싱 기기(110)는, 임의의 그러한 종래의 이온 분리 기기 및/또는 이온 프로세싱 기기의, 임의의 순서의, 하나의 또는 임의의 조합을 포함할 수도 있다는 것, 및 몇몇 실시형태는 임의의 그러한 종래의 이온 분리 기기 및/또는 이온 프로세싱 기기의 다수의 인접한 또는 떨어져 이격된 것들을 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 질량 분광분석계를 포함하는 임의의 구현예에서, 임의의 하나 이상의 그러한 질량 분광분석계는 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 형태 중 임의의 것으로 구현될 수도 있다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는, 도 10a에서 예시되는 이온 분리 기기(100)의 하나의 특정한 구현예로서, 이온 소스(12)는, 예시적으로, 3 개의 스테이지를 포함하고, 이온 프로세싱 기기(110)는 생략된다. 이 예시적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속되는 이온의 종래의 소스, 예를 들면, 전기 분무, MALDI 또는 등등이며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 종래의 이온 필터, 예를 들면, 4 극자 또는 6 극자 이온 가이드이고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 상기에서 설명되는 타입 중 임의의 것의 질량 분광분석계이다. 이 실시형태에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는, 하류의 질량 분광분석계에 의한 분석을 위해 소망되는 분자 특성을 갖는 이온을 미리 선택하기 위해, 그리고 그러한 미리 선택된 이온만을 질량 분광분석계로 전달하기 위해, 통상적인 방식으로 제어되는데, 여기서, ELIT(14)에 의해 분석되는 이온은 질량 대 전하 비율에 따라 질량 분광분석계에 의해 분리되는 미리 선택된 이온일 것이다. 이온 필터를 빠져나가는 미리 선택된 이온은, 예를 들면, 명시된 이온 질량 또는 질량 대 전하 비율을 갖는 이온, 명시된 이온 질량 또는 질량 대 전하 비율을 초과하는 및/또는 그 미만의 이온 질량 또는 이온 질량 대 전하 비율을 갖는 이온, 이온 질량 또는 질량 대 전하 비율의 명시된 범위 내의 이온 질량 또는 질량 대 전하 비율을 갖는 이온, 또는 등등일 수도 있다. 이 예의 몇몇 대안적 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 질량 분광분석계일 수도 있고 이온 소스 스테이지(IS3)는 이온 필터일 수도 있으며, 이온 필터는, 다르게는, 하류의 ELIT(14)에 의한 분석을 위해 소망되는 분자 특성을 가질 수도 있는, 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 미리 선택하기 위해 방금 설명된 바와 같이 동작 가능할 수도 있다. 이 예의 다른 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 이온 필터일 수도 있고, 이온 소스 스테이지(IS3)는, 다른 이온 필터가 후속되는 질량 분광분석계를 포함할 수도 있는데, 여기서 이온 필터 각각은 방금 설명되는 바와 같이 동작한다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는, 도 10a에서 예시되는 이온 분리 기기(100)의 다른 특정한 구현예로서, 이온 소스(12)는, 예시적으로, 2 개의 스테이지를 포함하고, 이온 프로세싱 기기(110)는 생략된다. 이 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속되는 이온의 종래의 소스, 예를 들면, 전기 분무, MALDI 또는 등등이고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 상기에서 설명되는 타입 중 임의의 것의 종래의 질량 분광분석계이다. 이 구현예에서, 질량 분광분석계는 질량 대 전하 비율에 따라 FUNPET 인터페이스(20, 20')를 빠져나가는 이온을 분리하도록 동작 가능하고, ELIT(14)는 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 분석하도록 동작 가능하다. 이것은, FUNPET 인터페이스(20, 20')가 ESI 소스(18)와 질량 분광분석계(22) 사이에서 배치되고, ELIT(14)가 질량 분광분석계(22)를 빠져나가는 이온을 분석하도록 동작 가능한, 도 1a 및 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 CDMS(10)의 구현예이다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는, 도 10a에서 예시되는 이온 분리 기기(100)의 또 다른 특정한 구현예로서, 이온 소스(12)는, 예시적으로, 2 개의 스테이지를 포함하고, 이온 프로세싱 기기(110)는 생략된다. 이 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속되는 이온의 종래의 소스, 예를 들면, 전기 분무, MALDI, 또는 등등이고, 이온 프로세싱 스테이지(OS2)는 종래의 단일 상태 또는 다중 상태 이온 이동성 분광분석계이다. 이 구현에서, 이온 이동성 분광 분석계는, 이온 이동성의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 FUNPET 인터페이스(20, 20')를 빠져나가는 이온을 분리하도록 동작 가능하며, ELIT(14)는 이온 이동성 분광분석계를 빠져나가는 이온을 분석하도록 동작 가능하다. 이 예의 대안적인 구현예에서, 이온 소스(12)는 FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속되는 이온의 종래의 소스의 형태의 단일의 스테이지(IS1)만을 포함할 수도 있고, 이온 프로세싱 기기(110)는 단독 스테이지(OS1)로서(또는 다중 스테이지 기기(110)의 스테이지(OS1)로서) 종래의 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 이온 이동성 분광분석계를 포함할 수도 있다. 이러한 대안적인 구현예에서, ELIT(14)는 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 생성되는 이온을 분석하도록 동작 가능하고, 이온 이동성 분광분석계(OS1)는 이온 이동성의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 ELIT(14)를 빠져나가는 이온을 분리하도록 동작 가능하다. 이 예의 다른 대안적인 구현예로서, 단일의 또는 다수의 스테이지의 이온 이동성 분광분석계는 이온 소스 스테이지(IS1) 및 ELIT(14) 둘 모두에 후속될 수도 있다. 이 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)에 후속하는 이온 이동성 분광분석계는, 이온 이동성의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 생성되는 이온을 분리하도록 동작 가능하며, ELIT(14)는 이온 소스 스테이지 이온 이동성 분광분석계를 빠져나가는 이온을 분석하도록 동작 가능하고, ELIT(14)에 후속하는 이온 프로세싱 스테이지(OS1)의 이온 이동성 분광분석계는 이온 이동성의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 ELIT(14)를 빠져나가는 이온을 분리하도록 동작 가능하다. 이 단락에서 설명되는 실시형태의 임의의 구현예에서, 추가적인 변형예는 이온 소스(12)에서 및/또는 이온 프로세싱 기기(110)에서 단일의 또는 다수의 스테이지의 이온 이동성 분광분석계의 상류에 및/또는 하류에 동작 가능하게 배치되는 질량 분광분석계를 포함할 수도 있다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는, 도 10a에서 예시되는 이온 분리 기기(100)의 여전히 다른 특정한 구현예로서, 이온 소스(12)는, 예시적으로, 2 개의 스테이지를 포함하고, 이온 프로세싱 기기(110)는 생략된다. 이 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 분자 유지 시간(molecule retention time)에 따라 용액에서 분자를 분리하도록 구성되는 종래의 액체 크로마토그래프(chromatograph), 예를 들면, HPLC 또는 등등이고, 이온 소스 스테이지(IS2)는, FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속되는 이온의 종래의 소스, 예를 들면, 전기 분무 또는 등등이다. 이 구현예에서, 액체 크로마토그래프는 용액에서 분자 성분을 분리하도록 동작 가능하고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 액체 크로마토그래프를 빠져나가는 용액 흐름으로부터 이온을 생성하도록 동작 가능하며, ELIT(14)는 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해 생성되는 이온을 분석하도록 동작 가능하다. 이 예의 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 대신, 용액에서 분자를 사이즈별로 분리하도록 동작 가능한 종래의 사이즈 배제 크로마토그래프(size-exclusion chromatograph; SEC)일 수도 있다. 다른 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 종래의 SEC가 후속되는 종래의 액체 크로마토그래프 또는 그 반대의 것을 포함할 수도 있다. 이 구현예에서, 이온은 두 번 분리된 - 한 번은 분자 유지 시간에 따르고, 후속하는 두 번째는 분자 사이즈에 따름, 또는 그 반대 - 용액으로부터 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해 생성된다. 이 단락에서 설명되는 실시형태의 임의의 구현예에서, 추가적인 변형예는 이온 소스 스테이지(IS2)와 ELIT(14) 사이에 동작 가능하게 배치되는 질량 분광분석계를 포함할 수도 있다.
이제 도 10b를 참조하면, 다중 스테이지 질량 분광분석계 기기(130)를 예시적으로 포함하는 그리고 높은 이온 질량 분석 컴포넌트로서 구현되는 CDMS(10)를 또한 포함하는 이온 분리 기기(120)의 다른 실시형태의 단순화된 블록도가 도시된다. 예시된 실시형태에서, 다중 스테이지의 질량 분광분석계 기기(130)는, 본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')가 후속될 수도 있는 전기 분무 또는 MALDI 소스와 같은 이온의 종래의 소스를 포함하는, 본원에서 설명되는 바와 같은 이온 소스(ion source; IS)(12), 후속하며 커플링되는 제1 종래의 질량 분광분석계(MS1)(134), 예를 들면, 충돌 유도 해리(collision-induced dissociation; CID), 표면 유도 해리(surface-induced dissociation; SID), 전자 포획 해리(electron capture dissociation; ECD) 및/또는 광 유도 해리(photo-induced dissociation; PID) 또는 등등 중 하나 이상에 의해 질량 분광분석계(134)를 빠져나가는 이온을 해리하도록 동작 가능한, 후속하며 커플링되는 종래의 이온 해리 스테이지(ion dissociation stage)(ID)(136), 후속하며 커플링되는 제2 종래의 질량 분광분석계(MS2)(138), 예를 들면, 마이크로 채널 플레이트 검출기 또는 다른 종래의 이온 검출기와 같은, 후속하는 종래의 이온 검출기(D)(140)를 포함한다. CDMS(10)는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같고, CDMS(10)가 질량 분광분석계(84)로부터 및/또는 이온 해리 스테이지(136)로부터 이온을 선택적으로 수용할 수도 있도록 이온 해리 스테이지(136)와 병렬로 커플링된다.
예를 들면, 이온 분리 기기(130)만을 사용하는 MS/MS는 잘 확립된 접근법인데, 이 경우, 특정한 분자량의 프리커서 이온은, 그들의 m/z 값에 기초하여 제1 질량 분광분석계(134)(MS1)에 의해 선택된다. 질량 선택 프리커서 이온(mass selected precursor ion)은, 예를 들면, 이온 해리 스테이지(136)에서, 충돌 유도 해리, 표면 유도 해리, 전자 포획 해리 또는 광 유도 해리에 의해 단편화된다. 그 다음, 단편 이온(fragment ion)은 제2 질량 분광분석계(136)(MS2)에 의해 분석된다. MS1 및 MS2 둘 모두에서 프리커서 및 단편 이온의 m/z 값만이 측정된다. 높은 질량 이온의 경우, 전하 상태는 분석되지 않으며, 따라서, m/z 값에만 단독으로 기초하여 특정한 분자량을 가진 프리커서 이온을 선택하는 것은 가능하지 않다. 그러나, 기기(130)를 본원에서 설명되는 바와 같이 동작 가능한 CDMS 기기(10)에 커플링하는 것에 의해, 좁은 범위의 m/z 값을 선택하고, 그 다음, CDMS 기기(10)를 사용하여 m/z 선택 프리커서 이온(m/z selected precursor ion)의 질량을 결정하는 것이 가능하다. 질량 분광분석계(134, 138)는, 예를 들면, 자기 섹터 질량 분광분석계, 비행 시간(time-of-flight) 질량 분광분석계 또는 4 극자 질량 분광분석계 중 하나 또는 이들의 임의의 조합일 수도 있지만, 대안적인 실시형태에서는, 다른 질량 분광분석계 타입이 사용될 수도 있다. 임의의 경우에, MS1을 빠져나가는 공지된 질량을 가진 m/z 선택 프리커서 이온은 이온 해리 스테이지(136)에서 단편화될 수 있고, 그 다음, 결과적으로 나타나는 단편 이온은 MS2에 의해(이 경우 m/z 비율만이 측정됨) 및/또는 CDMS 기기(10)에 의해(이 경우 m/z 비율 및 전하가 동시에 측정됨) 분석될 수 있다. 낮은 질량 단편, 즉, 임계 질량 값, 예를 들면, 10,000 Da(또는 다른 질량 값) 미만의 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온은, 따라서, MS2를 사용하여, 종래의 MS에 의해 분석될 수 있고, 한편 높은 질량 단편(이 경우, 전하 상태는 분석되지 않음), 즉, 임계 질량 값 이상인 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온은 CDMS(10)에 의해 분석될 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 도 1a에서 예시되는 이온 소스(12')의 다른 실시형태가 도시되어 있다. 도 11에서 예시되는 실시형태에서, 유사한 컴포넌트를 식별하기 위해 유사한 번호가 사용되며, 따라서, 그러한 컴포넌트의 상세한 설명은 간결성을 위해 여기에서는 반복되지 않을 것이다. 예를 들면, 도 11에서 묘사되는 실시형태에서, 이온 소스(12')는, 예시적으로, 이온의 소스(18), 즉, 이온 이송 인터페이스(20')를 통해 종래의 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)의 이온 유입구에 동작 가능하게 커플링되는, 압력(P1)에서 동작하는 종래의 이온 생성 디바이스를 포함한다. 하나의 실시형태에서, 이온의 소스(18)는 샘플 용액에 유체 흐름 가능하게 커플링되고 주변 환경에서 배치되는 ESI 소스이고, 그 결과, P1은 주변 압력, 즉 대략 760 torr(토르)이지만, 다른 실시형태에서, P1은 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)의 기기 압력(instrument pressure; IP)보다 더 큰 임의의 압력일 수도 있다. 소스(18)의 모세관(24)은 챔버(30')의 이온 유입구(32) 안으로 연장되고, 모세관(24)의 일단에 있는 이온 유출구(26)는 챔버(30') 내에 배치된다. ESI 소스는 샘플로부터 이온을 생성하도록, 그리고 모세관(24)의 이온 유출구(26)를 통해 생성된 이온을 발생시키도록 종래의 방식으로 동작 가능하다.
챔버(30')는, 예시적으로, 다른 실질적으로 폐쇄된 영역(202)에 커플링되는 실질적으로 폐쇄된 영역(200)을 포함한다. 제1 이온 깔때기(46A)가 영역(200)에서 배치되고 제2 이온 깔때기(46B)가 영역(202)에서 배치된다. 이온 깔때기(46A, 46B)는 예시적으로, 구조적으로 상기에서 설명되는 바와 같을 수도 있는데, 각각은 제1 개방 단부(54A, 54B) 및 점점 가늘어지는 깔때기 영역(50A, 50B)의 일단에 커플링되는 반대쪽 제2 단부를 각각 구비하는 드리프트 영역(48A, 48B)을 갖는다. 드리프트 영역(48A, 48B) 각각은 자신을 관통하는 축 방향 통로를 각각 정의하고, 몇몇 실시형태에서, 드리프트 영역(48A, 48B)을 통해 정의되는 축 방향 통로는, 일정한 애퍼처 영역을 정의하기 위해, 일정한 단면적을 갖는다. 몇몇 그러한 실시형태에서, 드리프트 영역(48A, 48B)의 일정한 단면적은 동일하고, 다른 실시형태에서, 그들은 상이할 수도 있다. 여전히 다른 실시형태에서, 축 방향 통로(48A 및/또는 48B)는 일정한 단면적을 가지지 않을 수도 있다. 깔때기 영역(50A, 50B) 각각은, 마찬가지로, 드리프트 영역(48A, 48B) 중 각각의 것에 커플링되는 그들의 제1 단부의 단면적으로부터 감소된 단면의 제2 단부까지 점점 가늘어지는 각각의 축 방향 통로를 정의한다. 몇몇 실시형태에서, 깔때기 영역(50A, 50B)의 제1 단부에서의 깔때기 영역(50A, 50B)의 축 방향 통로의 단면적은, 드리프트 영역(48A, 48B)의 제2 단부에서의 드리프트 영역(48A, 48B)의 단면적과 동일하지만, 다른 실시형태에서, 그러한 단면적 중 하나 또는 둘 모두는 동일하지 않을 수도 있다. 예시된 실시형태에서, 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 깔때기 영역(50A, 50B)은, 예시적으로, 제1 단부로부터 그들의 반대쪽의 제2 단부까지 선형적으로 점점 가늘어지지만, 다른 실시형태에서는, 깔때기 영역(50A) 및/또는 깔때기 영역(50B)은 비선형적으로 또는 조각 단위에서 선형적으로 점점 가늘어질 수도 있다. 임의의 경우에, 상기에서 각각 설명되는 바와 같이, 이온 깔때기(46A)의 점점 가늘어지는 깔때기 영역(50A)은 내부에 가상 제트 파괴기를 정의하고, 이온 깔때기(46B)의 점점 가늘어지는 영역(50B)은, 마찬가지로, 내부에 가상 제트 파괴기를 정의한다.
몇몇 실시형태에서, 드리프트 영역(46A, 46B) 및 깔때기 영역(50A, 50B)은 상기에서 설명되는 바와 같이 자신들을 관통하는 각각의 축 방향 통로를 정의하도록 사이즈가 정해지는 축 방향으로 이격되어 떨어진 전기 전도성 링 전극을 사용하여 형성되지만, 다른 실시형태에서, 드리프트 영역(46A, 46B) 및/또는 깔때기 영역(50A, 50B)은 대안적인 구성을 가질 수도 있다. 임의의 경우에, DC 및/또는 시간에 따라 변하는 전압, 예를 들면, RF 전압이 드리프트 영역(46A, 46B) 및 깔때기 영역(50A, 50B)에 인가되어 상기에서 설명되는 바와 같이 내부에서 이온 유도 및/또는 집속 전기장을 각각 생성할 수도 있다.
영역(200, 202)의 각각은 이온 카펫(58A, 58B)을 각각 더 포함하는데, 그들의 각각은 상기에서 설명되는 바와 같이 구조적으로 구성될 수도 있다, 즉, 각각은, 각각의 기판(601, 602)을 통해 정의되는 각각의 이온 유출구(62A, 62B)를 중심으로 각각의 기판(601, 602)의 각각의 평면의 표면(60A1, 60A2) 상에 형성되는 복수의 내포된 동심의 전기적으로 전도성인 스트립 또는 영역을 정의한다. 이온 유출구(62A)는, 예시적으로, 이온 깔때기(46A)의 깔때기 영역(50A)의 제2의 감소된 애퍼처 단부에서 정의되는 이온 유출구와 정렬되고, 즉, 그 이온 유출구와 동일 직선 상에 있고, 이온 유출구(62B)는, 예시적으로, 이온 깔때기(46B)의 깔때기 영역(50B)의 제2의 감소된 애퍼처 단부에서 정의되는 이온 유출구와 정렬된다, 즉, 그 이온 유출구와 동일 직선 상에 있다. 몇몇 실시형태에서, 도 1b와 관련하여 상기에서 설명되는 바와 같이, 이온 카펫(58A)은 이온 깔때기(46A)의 깔때기 영역(50A)의 제2 단부에 밀봉될 수도 있고 및/또는 이온 카펫(58B)은 이온 깔때기(46B)의 깔때기 영역(50B)의 제2 단부에 밀봉될 수도 있다. 대안적으로, 도 11의 예에 의해 각각 예시되는 바와 같이, 이온 카펫(58A)은 이온 깔때기(46A)의 깔때기 영역(50A)의 제2 단부로부터 분리될 수도 있고 축 방향으로 떨어져 이격될 수도 있고 및/또는 이온 카펫(58B)은 이온 깔때기(46B)의 깔때기 영역(50B)의 제2 단부로부터 분리될 수도 있고 축 방향으로 떨어져 이격될 수도 있다. 어느 경우든, 기판(601)은, 예시적으로, 챔버(30')의 폭 및 높이에 걸쳐 있고 챔버(30')에 밀봉되며, 그 결과, 실질적으로 폐쇄된 영역(200)이 챔버(30')의 세 개의 벽에 의해 그리고 기판(601)에 의해 정의되는데, 이온 유입구(32) 및 이온 유출구(62A)만이 폐쇄된 영역(200)에 대해 개구를 형성한다. 마찬가지로, 기판(602)은, 예시적으로, 챔버(30')의 폭 및 높이에 걸쳐 있고 챔버(30')에 밀봉되며, 그 결과, 실질적으로 폐쇄된 영역(202)이 챔버(30')의 세 개의 벽에 의해 그리고 기판(602)에 의해 정의되는데, 이온 유출구(62A 및 62B)만이 폐쇄된 영역(202)에 대해 개구를 형성한다. 따라서, 기판(601)은 챔버(30')의 내부 공간을 두 개의 순차적 영역(200, 202)으로 분할하고, 기판(602)은 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)의 이온 유입구 부분으로부터 영역(202)을 밀봉한다.
펌프(204)는 영역(200)에 유체 흐름 가능하게 커플링되고, 영역(200)을 압력(P2)으로 펌핑하도록 구성된다. 다른 펌프(206)는 영역(202)에 유체 흐름 가능하게 커플링되고, 영역(202)을 압력(P3)으로 펌핑하도록 구성된다. 또 다른 펌프(208)는 질량 분광분석계 또는 질량 분석기에 유체 흐름 가능하게 커플링되고, 영역을 기기 압력(IP)로 펌핑하도록 구성된다. 통상적으로, 펌프(208)에 의해 확립되고 제어되는 기기 압력(IP)은 종래의 것과 같이 밀리토르(millitorr) 범위 내에 있지만, 몇몇 실시형태에서, 기기 압력(IP)는 밀리토르 범위 밖에 있을 수도 있다. 펌프(204)에 의해 확립되고 제어되는 압력(P2)은 P1보다 더 작지만 그러나 IP보다 더 클 것이고, 펌프(206)에 의해 확립되고 제어되는 압력(P3)은 P2보다 더 작지만 그러나 IP보다 더 클 것이다. 몇몇 실시형태에서, 압력(P2)는, 예시적으로, 수십 torr의 범위 내에 있을 것인데, 제1 비제한적인 예는 대략 30-60 torr의 범위 내에 있을 것이고 제2 비제한적인 예는 대략 50 torr의 범위 내에 있을 것이며, 압력(P3)은, 예시적으로, IP보다 약간 또는 다소 더 크고 P2보다 다소 더 작은 범위 내에 있을 것인데, 제1 비제한적인 예는 대략 밀리토르 범위 내의 어떤 것 내지 10 torr의 범위 내에 있을 것이고, 제2 비제한적인 예는 대략 1-3 torr의 범위 내에 있을 것이다.
P1과 P2 사이의 압력 차이는, 이온 소스(18)에 의해 생성되는 이온을 이온 깔때기(46A)의 유입구(54A)로 이송하는 제트의 형태의 모세관(24)을 빠져나가는 지향성 가스 흐름을 생성한다. 도 1b와 관련하여 상기에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 이온 깔때기(46A)는, 모세관(24)을 빠져나가는 이 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는 그리고 이온이 깔때기(46A)를 통해 통과할 때 깔때기(46A) 내의 이온을, 또한, 적어도 부분적으로 열적 평형화하는 가상 제트 파괴기를 정의한다. 가스가 드리프트 영역(48A) 및 깔때기 영역(50A) 안으로 더 깊숙이 흐름에 따라, 배압이 발생하여 증가하는데, 이것은 가스 흐름을 느리게 하고, 결국에는, 상기에서 설명되는 바와 같이, 깔때기 영역(50A) 내부에서, 거꾸로 이온 깔때기(46A)의 이온 유입구(54A)를 향해 그리고 그 밖으로 나가는 가스의 역류를 야기하는 축적 압력의 영역을 생성한다. 압력 축적의 이러한 영역 및 가스의 역류의 조합은, 이온 깔때기(46A)의 깔때기 영역(50A) 내에 가상 제트 파괴기를 생성하는데, 이것은 가스 흐름 제트를 적어도 부분적으로 소산시키고 이온 깔때기(46A)를 통해 통과하는 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화한다.
P2와 P3 사이의 압력 차이는, 마찬가지로, 이온 깔때기(46A) 및 이온 카펫(58A)을 빠져나가는 이온을 이온 깔때기(46B)의 유입구(54B)로 이송하는 제트의 형태로 이온 카펫(58A)을 빠져나가는 다른 지향성 가스 흐름을 생성한다. 이온 깔때기(46A)와 같이, 이온 깔때기(46B)는, 이온 깔때기(46A) 및 이온 카펫(58A)을 빠져나가는 이 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는 그리고 이온이 깔때기(46B)를 통해 통과할 때 깔때기(46B) 내의 이온을, 또한, 적어도 부분적으로 열적 평형화하는 가상 제트 파괴기를 정의한다. 가스가 드리프트 영역(48B) 및 깔때기 영역(50B) 안으로 더 깊숙이 흐름에 따라, 배압이 발생하여 증가하는데, 이것은 가스 흐름을 느리게 하고, 결국에는, 상기에서 설명되는 바와 같이, 깔때기 영역(50B) 내부에서, 거꾸로 이온 깔때기(46B)의 이온 유입구(54B)를 향해 그리고 그 밖으로 나가는 가스의 역류를 야기하는 축적 압력의 영역을 생성한다. 압력 축적의 이러한 영역 및 가스의 역류의 조합은, 이온 깔때기(46B)의 깔때기 영역(50B) 내에 가상 제트 파괴기를 생성하는데, 이것은 가스 흐름 제트를 적어도 부분적으로 소산시키고 이온 깔때기(46B)를 통해 통과하는 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화한다.
몇몇 실시형태에서, 도 11에서 예시되는 다중 스테이지 인터페이스(20')는 도 1b 및 도 6a 내지 도 6c에서 예시되는 단일 스테이지 설계(20)에 비해 다수의 이점을 가질 수도 있다. 예를 들면, 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안되는 하나의 예시적인 실시형태에서, 도 1b 및 도 6a 내지 도 6c에서 예시되는 이온 깔때기(46)는 축 방향 길이가 대략 15 인치이고, 이 예시적인 실시형태에서, 펌프(42)는, 예시적으로, 챔버(30) 내의 압력을 대략 10-20 torr의 범위 내의 압력으로 제어하도록 동작 가능하다. 그러한 만큼, 챔버(30)와 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22) 사이에는 상당한 압력 차이가 존재하는데, 이것은 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)로의 대응하는 상당히 높은 가스 유량으로 나타난다. 또한, 대략 15 인치의 축 방향 길이에서, 이온 깔때기(46)는 자신을 통과하는 가스의 유량을 소망되는 레벨로 감소시키기에 충분히 길지 않을 수도 있다.
대조적으로, 도 11에서 예시되는 인터페이스(20')의 실시형태에서 챔버(30')를 두 개의 순차적 영역(200, 202)으로 분할하는 것은, 챔버(30')와 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(20) 사이의 전체적인 압력 차이가, 인터페이스(20)의 것보다, 예를 들면, 10 배 이상, 더 적어지는 것을 허용한다. 비교의 관점에서, 도 1b 및 도 6a 내지 도 6c의 이온 깔때기(46)가 질량 분광분석계 또는 질량 분석기(22)로의 가스 유량을 인터페이스(20')를 사용하여 달성 가능한 것으로 감소시키기 위해서는, 20 피트의 범위 내의 어떤 것의 이온 깔때기(46)의 축 방향 길이를 필요로 할 수도 있다. 따라서, 다중 스테이지 인터페이스(20')의 구현예는, 비교 가능한 동작 파라미터를 갖는 단일 스테이지 설계 인터페이스(20)와는 대조적으로, 디바이스의 전체 축 방향 길이에서 실질적인 감소를 허용한다. 여전히 또한, 챔버(30)의 내부를 대략 760 torr에서부터 10 torr까지 펌핑하는 데 필요한 펌프(42)의 사이즈 및 용량은, 몇몇 실시형태에서, 엄청나게 비쌀 수도 있고, 반면, 도 11에서 예시되는 실시형태의 두 펌프(204 및 206)의 각각에 대한 압력 강하 요구는 실질적으로 더 적고, 펌프(204 및 206)의 사이즈 및 용량은, 상응하여, 펌프(42)의 것보다 실질적으로 더 적을 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 두 개의 펌프(204, 206)를 사용하는 것의 비용은 단일의 펌프(42)의 비용보다 더 적을 수도 있다.
도 11에서 예시되는 다중 스테이지 인터페이스(20')가 단지 두 개의 순차적으로 배열된 이온 깔때기(46A, 46B)만을 포함하지만, 대안적인 실시형태는 챔버(30')의 세 개 이상의 대응하는 영역 - 각각은 각각의 더 낮은 압력으로 펌핑됨 - 에 배치되는 세 개 이상의 순차적으로 배열된 이온 깔때기를 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는, 하나의 완전한 발진 사이클 동안, 정전기 선형 이온 트랩(ELIT) 검출기의 전하 검출 실린더에서 이온에 의해 소비되는 시간 및 대향하는 이온 미러 및 전하 검출 실린더의 조합을 순회하는(traversing) 이온에 의해 소비되는 총 시간의 비율에 대응하는, 이온 발진의 소망되는 듀티 사이클을 내부에서 확립하도록 설계되는 적어도 하나의 ELIT 검출기를 포함하는 임의의 CDMS 디바이스의 이온 소스에서 구현될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 대략 50 %의 듀티 사이클은 측정된 신호의 고조파 주파수 성분으로부터 유래하는 기본 주파수 크기 결정에서 노이즈를 감소시키는 목적에 대해 바람직할 수도 있다. 예를 들면, 50 %와 같은 소망되는 듀티 사이클을 달성하기 위한 치수 및 전기장 고려 사항에 관련되는 세부 사항은, 2018년 1월 12일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/616,860호, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,343호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013251호 - 이들 모두의 발명의 명칭은 "ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP DESIGN FOR CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY"임 - 에서 예시되고 설명되는데, 이들의 개시 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는, 하나 이상의 ELIT 또는 ELIT 영역을 구비하는 정전기 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이를 포함하는 임의의 CDMS 디바이스의 이온 소스에서 구현될 수도 있다는 것이 추가로 이해될 것이다. 몇몇 그러한 ELIT 및/또는 ELIT 어레이의 예는, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,315호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013283호 - 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "ION TRAP ARRAY FOR HIGH THROUGHPUT CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY"임 - 에서 예시되고 설명되는데, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본 명세서에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는 검출기를 포함하는 임의의 CDMS 디바이스의 이온 소스에서, 예를 들면, ELIT, 오르비트랩, 또는 다른 검출기의 형태로, 구현될 수도 있다는 것을 추가로 이해될 것인데, 여기서, 예를 들면, 트리거 트래핑(trigger trapping) 및/또는 다른 전하 검출 이벤트를 위해 하나 이상의 전하 검출 최적화 기술이 사용된다. 몇몇 그러한 전하 검출 최적화 기술의 예는, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,296호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013280호 - 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "APPARATUS AND METHOD FOR CAPTURING IONS IN AN ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP"임 - 에서 예시되고 설명되는데, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는 검출기를 포함하는 임의의 CDMS의 이온 소스에서, 예를 들면, ELIT, 오르비트랩 또는 다른 검출기의 형태로, 구현될 수도 있다는 것이 추가로 이해될 것인데, 여기서 하나 이상의 전하 캘리브레이션 또는 재설정 장치가 적어도 하나의 전하 검출 실린더 또는 전극과 함께 사용될 수도 있다. 하나의 그러한 전하 캘리브레이션 또는 재설정 장치의 예는, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제62/680,272호에서 그리고 2019년 6월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013284호에서 예시되고 설명되는데, 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "APPARATUS AND METHOD FOR CALIBRATING OR RESETTING A CHARGE DETECTOR"이며, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는 실시간 분석 및/또는 실시간 제어 기술에 따라 동작하도록 구성되는 임의의 CDMS 디바이스 또는 시스템에서 구현될 수도 있다는 것이 여전히 추가로 이해될 것인데, 그 몇몇 예는, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,245호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013277호 - 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY WITH REAL TIME ANALYSIS AND SIGNAL OPTIMIZATION"임 - 에서 예시되고 설명되며, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
첨부의 도면에서 예시되며 본원에서 설명되는 시스템(10, 100, 130) 중 임의의 것에서 ELIT(14)는 오르비트랩으로 대체될 수도 있다는 것이 여전히 또한 이해될 것이다. 하나의 그러한 오르비트랩의 예가, 2018년 11월 20일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/769,952호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 일련번호 제PCT/US2019/013278호 - 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "ORBITRAP FOR SINGLE PARTICLE MASS SPECTROMETRY"임 - 에서 예시되고 설명되는데, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본원에서 예시되고 설명되는 FUNPET 인터페이스(20, 20')는, ELIT(14) 내의 다수의 개개의 이온의 동시적 측정을 제공하기 위해 하나 이상의 이온 유입구 궤적 제어 장치 및/또는 기술이 사용되는 임의의 CDMS 디바이스 또는 시스템에서 구현될 수도 있다는 것이 여전히 또한 이해될 것이다. 몇몇 그러한 이온 유입구 궤적 제어 장치 및/또는 기술의 예는, 2018년 12월 3일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/774,703호 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 제PCT/US2019/013285호 - 이들 둘 모두의 발명의 명칭은 "APPARATUS AND METHOD FOR SIMULTANEOUSLY ANALYZING MULTIPLE IONS WITH AN ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP"임 - 에서 예시되고 설명되는데, 이들의 개시 둘 모두는 참조에 의해 그들 전체가 본원에 명시적으로 통합된다.
본 개시가 도면 및 전술한 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 단지 예시적인 실시형태만이 도시되고 설명되었다는 것 및 모두 본 개시의 취지 내에 속하는 모든 변경예 및 수정예는 보호되도록 소망된다는 것이 이해되기 때문에, 그러한 예시 및 설명은 특성에서의 제한이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 예를 들면, 다양한 실시형태가 대기압 환경으로부터 저압 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스로서 본원에서 설명되었지만, 그러한 실시형태는 단지 하나 이상의 비제한적인 예만을 나타낸다는 것, 첨부의 도면에서 예시되는 그리고 본원에서 설명되는 개념은, 제1 압력 환경으로부터 제2 압력 환경 - 제1 압력은 제2 압력보다 더 큼 - 으로 이온을 이송하기 위해 설명된 인터페이스 중 임의의 것이 구현될 수도 있는 임의의 기기, 장치, 디바이스 또는 시스템에 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (39)

  1. 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스에 있어서,
    제1 영역;
    상기 제1 영역에서, 상기 제1 압력보다 더 작은 그리고 상기 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프;
    상기 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역을 구비하는 제1 이온 깔때기 ― 상기 제1 깔때기 영역은 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 환경으로부터의 상기 이온은 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나오고, 상기 제2 축 방향 통로는 내부에서 제1 가상 제트 파괴기(virtual jet disrupter)를 정의함 ― ;
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구(outlet)를 정의하는 제1 이온 카펫;
    제2 영역;
    상기 제2 영역에서 상기 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프;
    상기 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역을 구비하는 제2 이온 깔때기 ― 상기 제2 깔때기 영역은 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나오고, 상기 제4 축 방향 통로는 내부에서 제2 가상 제트 파괴기를 정의함 ― ;
    상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구를 정의하는 제2 이온 카펫 ― 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 상기 분석 기기의 이온 유입구(inlet)에 진입함 ―
    을 포함하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가상 제트 파괴기는 상기 제1 및 제2 이온 깔때기 중 각각의 이온 깔때기를 통과하는 이온을 열적 평형화하도록(thermalize) 구성되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 가상 제트 파괴기는 상기 제1 이온 깔때기 내에서의 압력 축적 및 가스 역류(counter-flow)의 조합에 의해 생성되고, 그 결과, 상기 제1 가상 제트 파괴기는 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부로부터 상기 제1 이온 깔때기에 진입하는 가스 제트를 파괴하고,
    상기 제2 가상 제트 파괴기는 상기 제2 이온 깔때기 내에서의 압력 축적 및 가스 역류의 조합에 의해 생성되고, 그 결과, 상기 제2 가상 제트 파괴기는 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부로부터 상기 제2 이온 깔때기에 진입하는 가스 제트를 파괴하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 카펫은 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 향하는 자신의 주요 평면의 표면 상에서 상기 제1 이온 유출구를 중심으로 제1 복수의 내포된(nested) 동심의 전기 전도성 링을 정의하는 제1 평면의 기판을 포함하고,
    상기 제2 이온 카펫은 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 향하는 자신의 주요 평면의 표면 상에서 상기 제2 이온 유출구를 중심으로 제2 복수의 내포된 동심의 전기 전도성 링을 정의하는 제2 평면의 기판을 포함하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 DC 전압 소스를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 DC 전압 소스는:
    상기 제1 복수의 내포된 동심의 전기 전도성 링 사이에서 제1 전기장 기울기를 확립하도록 ― 상기 제1 전기장 기울기는 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 빠져나가는 이온을 상기 제1 이온 카펫의 상기 제1 이온 유출구를 통해 빠져나가게 안내하도록 배향됨 ― ; 그리고
    상기 제2 복수의 내포된 동심의 전기 전도성 링 사이에서 제2 전기장 기울기를 확립하도록 ― 상기 제2 전기장 기울기는 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 빠져나가는 이온을 상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 통해 빠져나가게 안내하도록 배향됨 ―
    구성되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  6. 제5항에 있어서,
    적어도 하나의 RF 전압 소스를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 RF 전압 소스는:
    상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 빠져나가는 이온을 상기 제1 이온 카펫의 상기 제1 이온 유출구를 통해 빠져나가게 안내하기 위해 상기 제1 복수의 내포된 동심의 전기 전도성 링에 적어도 제1 RF 전압을 인가하도록; 그리고
    상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부를 빠져나가는 이온을 상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 통해 빠져나가게 안내하기 위해 상기 제2 복수의 내포된 동심의 전기 전도성 링에 적어도 제2 RF 전압을 인가하도록
    구성되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 카펫은 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부로부터 떨어져 이격되고, 상기 제2 이온 카펫은 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부로부터 떨어져 이격되고,
    상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에 상기 제1 이온 카펫을 밀봉하기 위한 수단; 및
    상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에 상기 제2 이온 카펫을 밀봉하기 위한 수단
    을 더 포함하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 축 방향 통로는 제1 일정한 단면적을 가지며,
    상기 제2 드리프트 영역의 상기 제3 축 방향 통로는 제2 일정한 단면적을 갖는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 일정한 단면적은 상기 제2 일정한 단면적과 동일한, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 압력과 제2 압력 사이의 압력 차이는, 상기 이온을 상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제1 제트의 형태의 지향성 가스 흐름(directed gas flow)을 생성하고, 상기 제1 깔때기 영역 내의 상기 제1 가상 제트 파괴기는 상기 제1 제트를 적어도 부분적으로 소산시키고,
    상기 제2 압력과 상기 제3 압력 사이의 압력 차이는, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 상기 이온을 상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제2 제트의 형태의 다른 지향성 가스 흐름을 생성하고, 상기 제2 깔때기 영역 내의 상기 제2 가상 제트 파괴기는 상기 제2 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 드리프트 영역에 진입하는 상기 이온은 달톤(dalton)과 메가달톤(megadalton ) 사이의 범위에 이르는 질량을 가지며,
    상기 제1 및 제2 가상 제트 파괴기는 상기 제1 및 제2 각각의 이온 깔때기를 통과하는 상기 이온을 열적 평형화하고, 그 결과, 상기 열적 평형화된 이온은 낮은 잉여 운동 에너지를 가지고 상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 깔때기는, 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제1 깔때기 영역의 각각을 따라 축 방향으로 떨어져 이격되며 자신을 관통하는 상기 제1 및 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 복수의 링 전극을 포함하고, 상기 제2 이온 깔때기는, 상기 제2 드리프트 영역 및 상기 제2 깔때기 영역의 각각을 따라 축 방향으로 떨어져 이격되며 자신을 관통하는 상기 제3 및 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 복수의 링 전극을 포함하고, 상기 인터페이스는:
    적어도 하나의 DC 전압을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 DC 전압 소스; 및
    상기 제1 및 제2 축 방향 통로를 통해 상기 제1 이온 카펫을 향해 이온을 유도하도록 배향되는 제1 전기장을 상기 제1 및 제2 축 방향 통로 내에서 확립하기 위해, 그리고 상기 제3 및 제4 축 방향 통로를 통해 상기 제2 이온 카펫을 향해 이온을 유도하도록 배향되는 제2 전기장을 상기 제3 및 제4 축 방향 통로 내에서 확립하기 위해, 상기 적어도 하나의 DC 전압을 상기 제1 및 제2 복수의 전극에 커플링하기 위한 수단
    을 더 포함하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 깔때기는, 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제1 깔때기 영역의 각각을 따라 축 방향으로 떨어져 이격되며 자신을 관통하는 상기 제1 및 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 복수의 링 전극을 포함하고, 상기 제2 이온 깔때기는, 상기 제2 드리프트 영역 및 상기 제2 깔때기 영역의 각각을 따라 축 방향으로 떨어져 이격되며 자신을 관통하는 상기 제3 및 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 복수의 링 전극을 포함하고, 상기 인터페이스는:
    적어도 하나의 RF 전압을 생성하도록 구성되는 적어도 하나의 RF 전압 소스; 및
    상기 제1 및 제2 축 방향 통로를 통과하는 이온을, 상기 제1 및 제2 축 방향 통로를 통해 중심에서 정의되는 제1 길이 방향 축을 향해 반경 방향에서 집속시키기 위해, 그리고 상기 제3 및 제4 축 방향 통로를 통과하는 이온을, 상기 제3 및 제4 축 방향 통로를 통해 중심에서 정의되는 제2 길이 방향 축을 향해 반경 방향에서 집속시키기 위해, 상기 적어도 하나의 RF 전압을 상기 제1 및 제2 복수의 링 전극에 커플링하기 위한 수단
    을 더 포함하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압력은 대기압이고 상기 기기 압력은 제1 진공이고,
    상기 제1 펌프는 상기 제1 영역의 상기 제2 압력을 수십 torr의 범위 이내로 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 펌프는 상기 제2 영역의 상기 제3 압력을 상기 제1 진공 내지 10 torr의 것보다 더 작은 진공 크기를 갖는 대략 제2 진공의 범위 이내로 제어하도록 구성되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  15. 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스에 있어서,
    제1 영역;
    상기 제1 영역에서, 상기 제1 압력보다 더 작은 그리고 상기 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프;
    상기 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역을 구비하는 제1 이온 깔때기 ― 상기 제1 깔때기 영역은 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 환경으로부터의 상기 이온은 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나옴 ― ;
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구(outlet)를 정의하는 제1 이온 카펫;
    제2 영역;
    상기 제2 영역에서 상기 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프;
    상기 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역을 구비하는 제2 이온 깔때기 ― 상기 제2 깔때기 영역은 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나옴 ― ; 및
    상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구를 정의하는 제2 이온 카펫 ― 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 상기 분석 기기의 이온 유입구에 진입함 ―
    을 포함하며,
    상기 제1 깔때기 영역 내에서의 압력 축적 및 가스 역류의 조합은, 상기 제1 이온 깔때기를 통과하는 상기 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화하는 제1 영역을 상기 제1 깔때기 영역 내에서 생성하고,
    상기 제2 깔때기 영역 내에서의 압력 축적 및 가스 역류의 조합은, 상기 제2 이온 깔때기를 통과하는 상기 이온을 적어도 부분적으로 열적 평형화하는 제2 영역을 상기 제2 깔때기 영역 내에서 생성하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 압력 차이는, 상기 이온을 상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제1 제트의 형태의 지향성 가스 흐름을 생성하고, 상기 제2 압력과 상기 제3 압력 사이의 압력 차이는, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 상기 이온을 상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제2 제트의 형태의 다른 지향성 가스 흐름을 생성하고,
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 깔때기 영역 내의 제1 생성된 영역은 상기 제1 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는 제1 가상 제트 파괴기를 정의하고, 상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 깔때기 영역 내의 제2 생성된 영역은 상기 제2 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는 제2 가상 제트 파괴기를 정의하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 축 방향 통로는 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 제1 일정한 단면적을 정의하고,
    상기 제2 드리프트 영역의 상기 제3 축 방향 통로는 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 제2 일정한 단면적을 정의하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 일정한 단면적은 상기 제2 일정한 단면적과 동일한, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압력은 대기압이고 상기 기기 압력은 제1 진공이고,
    상기 제1 펌프는 상기 제1 영역의 상기 제2 압력을 수십 torr의 범위 이내로 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 펌프는 상기 제2 영역의 상기 제3 압력을 상기 제1 진공 내지 10 torr의 것보다 더 작은 진공 크기를 갖는 대략 제2 진공의 범위 이내로 제어하도록 구성되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  20. 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스에 있어서,
    제1 영역;
    상기 제1 영역에서, 상기 제1 압력보다 더 작은 그리고 상기 기기 압력보다 더 큰 제2 압력을 확립하도록 구성되는 제1 펌프;
    상기 제1 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제1 축 방향 통로를 정의하는 제1 드리프트 영역, 및 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제2 축 방향 통로를 정의하는 제1 깔때기 영역을 구비하는 제1 이온 깔때기 ― 상기 제1 깔때기 영역은 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제1 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 환경으로부터의 상기 이온은 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제1 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나옴 ― ;
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제1 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제1 이온 유출구를 정의하는 제1 이온 카펫;
    제2 영역;
    상기 제2 영역에서 상기 제2 압력보다 더 작고 제2 압력기기 압력보다 더 큰 제3 압력을 확립하도록 구성되는 제2 펌프;
    상기 제2 영역에서 배치되며, 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제3 축 방향 통로를 정의하는 제2 드리프트 영역, 및 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제2 단부에 커플링되는 제1 단부, 대향하는 제2 단부 및 자신을 관통하는 제4 축 방향 통로를 정의하는 제2 깔때기 영역을 구비하는 제2 이온 깔때기 ― 상기 제2 깔때기 영역은 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제1 단부에서의 상기 제3 축 방향 통로의 단면적으로부터 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서의 감소된 단면적으로 점점 가늘어지고, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온은 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부에 진입하고 상기 제2 깔때기 영역의 상기 제2 단부에서 빠져나옴 ― ; 및
    상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 단부 반대편의 상기 제2 영역에서 배치되며 자신을 관통하는 제2 이온 유출구를 정의하는 제2 이온 카펫 ― 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온은 상기 분석 기기의 이온 유입구에 진입함 ―
    을 포함하며,
    상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 압력 차이는 상기 이온을 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제1 가스 흐름을 생성하고, 상기 제1 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 상기 제2 축 방향 통로는 상기 제1 가스 흐름을 감소시키고,
    상기 제2 압력과 상기 제3 압력 사이의 압력 차이는 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온을 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제2 가스 흐름을 생성하고, 상기 제2 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 상기 제4 축 방향 통로는 상기 제2 가스 흐름을 감소시키는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 가스 흐름은 상기 환경으로부터의 상기 이온을 상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 드리프트 영역의 제1 단부로 이송하는 제1 제트를 형성하고,
    상기 제1 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 제2 축 방향 통로는 상기 제1 제트를 적어도 부분적으로 소산시키도록 구성되는 제1 가상 제트 파괴기를 내부에서 정의하고,
    상기 제2 가스 흐름은, 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 상기 이온을 상기 제2 이온 깔때기의 상기 제3 드리프트 영역의 상기 제1 단부로 이송하는 제2 제트를 형성하고,
    상기 제2 깔때기 영역의 점점 가늘어지는 제4 축 방향 통로는 상기 제2 제트를 적어도 부분적으로 소산시키도록 구성되는 제2 가상 제트 파괴기를 내부에서 정의하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 이온 깔때기를 통과하는 이온은 상기 제1 가상 제트 파괴기에 의해 열적 평형화되고, 상기 제2 이온 깔때기를 통과하는 이온은 상기 제2 가상 제트 파괴기에 의해 열적 평형화되는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 축 방향 통로는 상기 제1 드리프트 영역의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 제1 일정한 단면적을 정의하고,
    상기 제2 이온 깔때기의 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제3 축 방향 통로는 상기 제2 드리프트 영역의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 제2 일정한 단면적을 정의하는, 제1 압력의 환경으로부터 상기 제1 압력보다 더 작은 기기 압력으로 제어되는 분석 기기로 이온을 이송하기 위한 인터페이스.
  24. 이온을 분석하기 위한 시스템에 있어서,
    제1 압력의 환경에서 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스;
    상기 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 상기 이온 소스에 커플링되는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항의 상기 인터페이스; 및
    진공 환경에 배치되며 상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 이온 분리 기기에 진입하도록 상기 인터페이스에 커플링되는 상기 이온 분리 기기 ― 상기 이온 분리 기기는 적어도 하나의 분자 특성에 기초하여 이온을 분리하도록 구성됨 ―
    를 포함하는, 이온을 분석하기 위한 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 압력과 상기 제2 압력 사이의 압력 차이는 상기 생성된 이온을 상기 제1 이온 깔때기의 상기 제1 축 방향 통로의 상기 제1 단부로 이송하는 제1 제트의 형태의 제1 지향성 가스 흐름을 생성하고,
    상기 제1 이온 깔때기는 상기 제1 이온 깔때기를 통한 가스 흐름을 감소시키기 위해 상기 제1 제트를 적어도 부분적으로 소산시키고,
    상기 제2 압력과 상기 제3 압력 사이의 압력 차이는 상기 제1 이온 깔때기를 빠져나가는 이온을 상기 제2 이온 깔때기의 상기 제3 축 방향 통로의 상기 제1 단부로 이송하는 제2 제트의 형태의 제2 지향성 가스 흐름을 생성하고,
    상기 제2 이온 깔때기는 상기 제2 이온 깔때기를 통한 가스 흐름을 감소시키기 위해 상기 제2 제트를 적어도 부분적으로 소산시키는, 이온을 분석하기 위한 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 이온 소스에 의해 생성되는 상기 이온은 달톤과 메가달톤 사이의 범위에 이르는 질량을 가지며,
    상기 제1 및 제2 이온 깔때기는 자신을 관통하는 상기 이온을 열적 평형화하고, 그 결과, 상기 열적 평형화된 이온은 낮은 잉여 운동 에너지를 가지고 상기 이온 분리 기기에 진입하는, 이온을 분석하기 위한 시스템.
  27. 이온을 분리하기 위한 시스템에 있어서,
    제1 압력의 환경에서 샘플로부터 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스;
    상기 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 상기 이온 소스에 커플링되는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항의 상기 인터페이스;
    진공 환경에 배치되며 상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 이온 분리 기기에 진입하도록 상기 인터페이스에 커플링되는 적어도 하나의 상기 이온 분리 기기 ― 상기 이온 분리 기기는 적어도 하나의 분자 특성의 함수로서 이온을 분리하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기기를 빠져나가는 이온의 전하 및 질량 대 전하 비율을 측정하도록 구성되는 검출기
    를 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기기는, 이온을 질량 대 전하 비율의 함수로서 분리하기 위한 적어도 하나의 기기, 이온을 이온 이동성의 함수로서 시간적으로 분리하기 위한 적어도 하나의 기기, 이온을 이온 유지 시간(ion retention time)의 함수로서 분리하기 위한 적어도 하나의 기기, 및 이온을 분자 사이즈의 함수로서 분리하기 위한 적어도 하나의 기기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기기는 질량 분광분석계(mass spectrometer) 및 이온 이동도 분광분석계(ion mobility spectrometer) 중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인터페이스와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기기 사이에서 배치되는 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기를 더 포함하며, 상기 인터페이스와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기기 사이에서 배치되는 상기 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기는, 이온을 수집 또는 저장하기 위한 적어도 하나의 기기, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기기, 이온을 해리하기 위한 적어도 하나의 기기, 및 이온 전하 상태를 정규화하기 위한 또는 시프팅하기 위한 적어도 하나의 기기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기기와 상기 검출기 사이에서 배치되는 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 이온 분리 기기와 상기 검출기 사이에서 배치되는 상기 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기는, 이온을 수집 또는 저장하기 위한 적어도 하나의 기기, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기기, 이온을 해리하기 위한 적어도 하나의 기기, 및 이온 전하 상태를 정규화하기 위한 또는 시프팅하기 위한 적어도 하나의 기기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  32. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는 적어도 하나의 정전기 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap)을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  33. 제27항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는 오르비트랩(orbitrap)을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  34. 제27항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기를 빠져나가는 이온을 수용하도록 그리고 상기 수용된 이온을 적어도 하나의 분자 특성의 함수로서 분리하도록 배치되는 적어도 하나의 이온 분리 기기를 더 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 검출기와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기기 사이에서 배치되는 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기를 더 포함하며, 상기 검출기와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기기 사이에서 배치되는 상기 적어도 하나의 이온 프로세싱 기기는, 이온을 수집 또는 저장하기 위한 적어도 하나의 기기, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기기, 이온을 해리하기 위한 적어도 하나의 기기, 및 이온 전하 상태를 정규화하기 위한 또는 시프팅하기 위한 적어도 하나의 기기 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  36. 이온을 분리하기 위한 시스템에 있어서,
    제1 압력의 환경에서 샘플로부터 이온을 생성하도록 구성되는 이온 소스;
    상기 생성된 이온이 제1 이온 깔때기의 제1 축 방향 통로에 진입하도록 상기 이온 소스에 커플링되는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항의 인터페이스;
    상기 제2 이온 카펫의 상기 제2 이온 유출구를 빠져나가는 이온이 상기 이온 분리 기기에 진입하도록 상기 인터페이스에 커플링되는 제1 질량 분광분석계 ― 상기 이온 분리 기기는 질량 대 전하 비율의 함수로서 이온을 분리하도록 구성됨 ― ;
    상기 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 수용하도록 배치되며 상기 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 이온을 해리하도록 구성되는 이온 해리 스테이지(ion dissociation stage);
    상기 이온 해리 스테이지를 빠져나가는 해리된 이온을 질량 대 전하 비율의 함수로서 분리하도록 구성되는 제2 질량 분광분석계; 및
    전하 검출 질량 분광분석계(charge detection mass spectrometer; CDMS)가 상기 제1 질량 분광분석계 및 상기 이온 해리 스테이지 중 어느 하나를 빠져나가는 이온을 수용할 수 있도록 상기 이온 해리 스테이지와 병렬로 커플링되는 상기 CDMS
    를 포함하며,
    상기 제1 질량 분광분석계를 빠져나가는 프리커서 이온(precursor ion)의 질량은 CDMS를 사용하여 측정되고, 임계 질량 미만의 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온의 질량 대 전하 비율은 상기 제2 질량 분광분석계를 사용하여 측정되고, 상기 임계 질량 이상의 질량 값을 갖는 프리커서 이온의 해리된 이온의 질량 대 전하 비율 및 전하 값은 상기 CDMS를 사용하여 측정되는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  37. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압력은 대기압이고, 상기 기기 압력은 진공이고,
    상기 제1 펌프는 상기 제1 영역의 상기 제2 압력을 수십 torr의 범위 이내로 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 펌프는 상기 제2 영역의 상기 제3 압력을 상기 제1 진공 내지 10 torr의 것보다 더 작은 진공 크기를 갖는 대략 제2 진공의 범위 이내로 제어하도록 구성되는, 이온을 분석하기 위한 시스템.
  38. 제27항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압력은 대기압이고, 상기 기기 압력은 진공이고,
    상기 제1 펌프는 상기 제1 영역의 상기 제2 압력을 수십 torr의 범위 이내로 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 펌프는 상기 제2 영역의 상기 제3 압력을 상기 제1 진공 내지 10 torr의 것보다 더 작은 진공 크기를 갖는 대략 제2 진공의 범위 이내로 제어하도록 구성되는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 제1 압력은 대기압이고, 상기 기기 압력은 진공이고,
    상기 제1 펌프는 상기 제1 영역의 상기 제2 압력을 수십 torr의 범위 이내로 제어하도록 구성되고,
    상기 제2 펌프는 상기 제2 영역의 상기 제3 압력을 상기 제1 진공 내지 10 torr의 것보다 더 작은 진공 크기를 갖는 대략 제2 진공의 범위 이내로 제어하도록 구성되는, 이온을 분리하기 위한 시스템.
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