WO2014025182A1 - 질량 분석기용 rf/dc 이온가이드 - Google Patents

질량 분석기용 rf/dc 이온가이드 Download PDF

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WO2014025182A1
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WO
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ion guide
ions
ring
ion
rings
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PCT/KR2013/007060
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English (en)
French (fr)
Inventor
황인범
김태만
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(주)영린기기
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/065—Ion guides having stacked electrodes, e.g. ring stack, plate stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly to an ion guide for use in a mass spectrometer.
  • Mass spectrometers that analyze ions produced at atmospheric pressure use a vacuum system that includes several vacuum stages where the pressure gradually decreases to efficiently transfer ions from the ion source to the high vacuum with the mass spectrometer. Each vacuum stage uses ion guides to effectively send ions to the next vacuum stage.
  • the ions move along the flow of the background gas, which expands freely in the first vacuum stage and diffuses the ions together.
  • an ion guide is needed to effectively collect the ions.
  • the breakdown voltage is low and the discharge is easily generated. Therefore, a special type of RF ion guide that operates in a low electric field is required.
  • tandem mass spectrometry capable of multi-step mass spectrometry
  • fragments are collided by colliding ions with heavy molecules in a collision cell operated by RF ion guides, and then sent to the mass spectrometer of the next stage at high speed. Analyze this to get information about the structure of the molecule.
  • An ion guide that efficiently collects and delivers a wide range of ions quickly and is required for the interface between atmospheric ion sources and mass spectrometers and for collision cells in tandem mass spectrometry systems.
  • the inventors of the present invention have completed the present invention after a long research effort to efficiently solve the problems related to the ion guide as described above.
  • a first aspect of the present invention for achieving the above object is an ion guide for delivering ions to the mass spectrometer:
  • a plurality of DC rings and a plurality of RF multipole electrode rings intersect each other and are arranged between an inlet through which ions enter and an outlet through which ions are delivered.
  • the number of the plurality of electrodes of the RF multi-pole electrode ring is a multiple of 2, it is preferable to form a ring by arranging apart from each other.
  • a DC electric potential is formed between the adjacent DC ring and the RF multi-pole electrode ring to form a DC electric field in the axial direction in the ion guide and arranged to cross
  • the potential of the bias between the rings can be made to increase or decrease gradually.
  • the inner diameter of the DC ring and the inscribed circle of the RF multipole electrode ring arranged in a cross may be equal, gradually decreased or gradually increased or decreased.
  • the inner diameter of the DC ring arranged alternately and the central axis of the inscribed circle of the RF multipole electrode ring may be in a straight line or in a curve.
  • a second aspect of the present invention for achieving the above technical problem is characterized by an atmospheric pressure ion source mass spectrometer having the above-described ion guides.
  • the ion guide may be installed in a vacuum chamber of a multiple vacuum system that sends ions from the atmospheric pressure to the vacuum in the mass spectrometer.
  • the ion guide is installed in a collision cell filled with neutral gas molecules in the mass spectrometer to fragment ions and collect and transfer ions to a secondary mass spectrometer.
  • an interface using a vacuum system with several vacuum stages in which the pressure gradually decreases is required to efficiently transfer ions from an ion source into a high vacuum chamber with a mass spectrometer.
  • the present invention can increase the ion transfer efficiency of the interface to significantly improve the detection sensitivity of the mass spectrometer and can exert the effect of increasing the ion transfer rate.
  • the ions selected by the first mass spectrometer collide with the heavy molecules in the collision cells filled with gas molecules, causing fragmentation.
  • the second mass spectrometer interprets the analyzed results of the fragmented ions to obtain information about the structure of the original sample.
  • the ion guides of the impact cells must collect fragmented ions scattered at specific energies and send them to the secondary mass spectrometer at high speed.
  • the ion guide of the present invention can effectively collect ions in a wide mass range and quickly transfer them to the second mass spectrometer, thereby improving the efficiency of the collision cell of the tandem mass spectrometer.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an ion guide 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating in detail the configuration and circuit connection of the DC ring 110 and the RF multipole electrode ring 120 among the configuration of the ion guide 100 of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the ion guide 100 according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the configuration of an atmospheric pressure ion source tandem mass spectrometer 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of an ion guide 100c according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of an ion guide 100d according to another embodiment of the present invention.
  • the efficiency of transferring ions from the ion source to the high vacuum with the mass spectrometer is one of the important factors that determine the detection limit of the mass spectrometer. .
  • Modern API-MSs use a vacuum system that goes through several vacuum stages where the pressure gradually decreases, and ion guides are used for each vacuum stage.
  • the present invention collects the ions scattered at various angles and lowers the energy of the ions by collision with the background gas so that the ions are collected on the ion guide axis to efficiently transfer the ions to the next vacuum step.
  • the ion guide according to an embodiment of the present invention has a form in which a DC ring and an RF ring-shaped multipole electrode are alternately stacked.
  • the neighboring electrodes of each RF multipole electrode ring apply an RF voltage with the same amplitude but 180-degree phase to create a multipole electric field inside the ring.
  • the inner diameter of the DC ring is equal to the diameter of the inscribed circle of the multipole electrodes, the multipole electric field made from neighboring multipole electrode rings is also maintained inside the DC ring.
  • a DC potential difference is provided between the adjacent DC ring and the multipole electrode ring to form a DC electric field in the axial direction within the ion guide.
  • the ions Due to the effect of the RF electric field between the DC ring and adjacent multipole electrodes and the radial RF multipole electric field, the ions are gathered close to the center of the ion guide axis and the ion is induced by the DC electric field formed along the ion guide axis. Direction is transferred to the next ion optical system.
  • the inner diameter of the DC ring and the inscribed circle of the RF multipole electrode ring may have a form that gradually increases or decreases, increases and decreases, and may have a curved shape.
  • You can add Increasingly decreasing the inner diameter of the ring can be used to effectively collect ions that are distributed in a wide range of spatially or scattered in various directions, and increasing and decreasing the inner diameter of the ions It can be used for confinement and release inside the guide.
  • the ion guides which are curved or added with a deflection plate, can be used to reduce the effects of neutral particles or to alter the layout occupied by the various stages of ion optics.
  • the ion guide 1 shows an ion guide 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the ion guide 1 of the present invention has a structure in which the DC rings 110, 110... And the RF multipole electrode rings 120, 120. .
  • the ions entering through the inlet 101 are passed through the ion guide 100 and then transferred to another ion guide or mass spectrometer through the outlet 102.
  • FIG. 2 illustrates the DC ring 110 and the RF multipole electrode ring 120 constituting the ion guide 100 in more detail.
  • 2 (a) shows the shape of one DC ring 110
  • Figure 2 (b) shows the shape of one RF multi-pole electrode ring 120.
  • the RF multipole electrode ring 120 has four segment electrodes 120a, 120b, 120c, and 120d having a ring shape.
  • each of the electrodes 120a, 120b, 120c, and 120d of the RF multipole electrode ring 120 has an alternating voltage having the same amplitude but opposite phase to the adjacent electrodes and the same DC. Voltage is applied. That is, each neighboring electrode of the RF multipole electrode ring 120 is applied with an RF voltage having the same amplitude but different phase to form an RF multipole electric field. In addition, a DC voltage is applied to the DC ring 110 (Fig. 2 (c)).
  • the ion guide 100 may apply a voltage to the DC and RF power supplies in parallel with the DC voltage divider and the AC capacitor.
  • the neighboring multipole electrodes 120 alternately arrange electrodes having the same phase in multiples of two.
  • the bias voltage is applied to each ring by the DC divided electric circuit, and a DC electric field is generated in the axial direction inside the ion guide by the DC potential difference of the ring.
  • the ion guide according to the present invention applies a bias voltage to each of the DC loops and the RF multipole electrode rings alternately arranged with DC divided electric circuits, thereby forming a DC electric field in the axial direction inside the ring array structure to axially accumulate ions.
  • Atmospheric pressure ion source tandem mass spectrometer 1 comprises an ion source 5 operating under atmospheric pressure and mass spectrometers 21 and 23 in vacuum chamber 20.
  • the ions produced at the atmospheric ion source 5 flow into the first vacuum chamber 10 through the ion inlet 14.
  • the ions introduced into the first vacuum chamber 10 are collected through the ion guide 100a of the present invention as described above, and gathered around the ion guide axis X to collect the ions through the ion lens 15 connected to the next step.
  • 1 Move to mass spectrometer (21).
  • the first mass spectrometer 21 selects ions having a specific mass-to-charge ratio, is sent to the collision cell 22, and collides with gas molecules in the collision cell 22 to be fragmented.
  • the fragmented ions are collected by the ion guide 100b of the present invention described above, and receives the mass information of the fragmented ions in the second mass spectrometer 23 from the detector 25 and then analyzes the structural information of the ionized sample. Can be obtained.
  • the ion guide 100a operates on the background gas introduced from the atmospheric ion source 5, and the ion guide 100b operates on the background gas supplied to the collision cell 100b.
  • the configuration of the ion guide 100 and the atmospheric principle of the atmospheric pressure ion source tandem mass spectrometer 1 in which the ion guide 100 is installed have been described.
  • the operation principle of the ion guide will now be described in more detail.
  • the RF multipole electrode rings 120, 120... are arranged in the same radial direction with electrodes of the same RF phase so that two adjacent multipole electrode rings and the inside of the DC ring 110, 110.
  • Other distant multipole electrode rings form an RF multipole electric field.
  • the ions are gathered near the guide axis under radial force directed toward the ion guide axis (X).
  • the radial force along the axis exerted on the ions by the RF multipole electric field by the RF multipole electrode rings 120, 120... Is a force received by charged particles in a non-uniform RF electric field. -potential).
  • the RF multipole electric field in the RF multipole electrode ring is different from that of ordinary multipole ionguides. This is because the electric field in the ring is affected by the DC rings 110, 110 as well as the multipole electrode rings and the strength of the pseudo potential by the RF multipole electric field is determined by the multipole electrode rings 120, 120. It is determined by the inner diameter and the amplitude of the RF voltage.
  • the pseudo potential is that of the RF multipole field by the RF multipole electrode rings 120, 120..., And the DC ring 110, 110 ... and the multipole electrodes.
  • the sum is the lowest value on the center axis (X) of the ion guide.
  • the pseudo potential due to the RF electric field is also formed by the electric field between the multipole electrodes 120, 120... And the DC ring 110, 110 .., together with the electrodes of the multipole electrode rings 120, 120.
  • the intensity of is determined by the distance between adjacent rings and the RF amplitude applied to the RF multipole electrode ring regardless of the inner diameter of the ring.
  • the force on the ions due to the pseudo potential of the RF multipole electric field is weak, but the pseudo potential by the DC rings 110, 110... and the RF multipole electrodes is the distance between the rings and the RF amplitude. Because it is determined by, it is kept constant even if the inner diameter of the ring increases.
  • the analogous potential thereby plays an important role in collecting ions since it has an effect of trapping ions.
  • the ions reciprocate around the pseudo-potential minimum, except for fine motion, and the constant sum of total energy, potential energy and kinetic energy remains constant.
  • the ion guide acts in a space containing neutral gas molecules.
  • the ions collide with gas molecules to lose energy and have minimal potential energy.
  • the ions are collected along the ion guide axis X, which is the lowest part of the pseudo potential. If there are a large number of ions with the same electricity, all ions are not only driven by similar potentials but also by the space charge effect caused by the pushing force between the ions. It is distributed in the closer to the ion guide axis (X) has a higher density of distribution of ions.
  • Ions distributed around the ion guide axis (X) are moved to the ion guide axis (X) direction by the DC electric field formed by the difference in the DC voltage applied to the DC / RF multipole electrode rings and sent to the mass spectrometer.
  • the detection limit of the mass spectrometer decreases as the transfer efficiency increases.
  • Another preferred embodiment of the present invention is an embodiment in which the inner diameters of the DC rings 110, 110... Of the ion guide and the RF multipole electrode rings 120, 120. There is.
  • the inner diameter (R 1 , R 2 ) of the rings constituting the ion guide (100c) may have a configuration that gradually decreases. As shown in FIG. 5, the inner diameter R 1 of the DC rings 110, 110... Is gradually smaller, and the inner diameter R 2 of the RF multipole electrode rings 120, 120. . Also, it may preferably have a relationship of R 1 > R 2 .
  • a mass spectrometer using an ionization source that operates under atmospheric pressure, it has a multi-stage vacuum system in which the pressure is lowered step by step to transfer ions to a vacuum, and an ion guide is used in each vacuum step.
  • the neutral gas freely expands, and ions introduced into the vacuum chamber 10 together with the gas are scattered in various directions as gas molecules.
  • an ion guide that can collect ions even at a large inlet is required.
  • the ion guide shown in this embodiment has a large inlet and maintains a large inlet, even though the inner diameter is large, and thus, the ion guide has a high ion collection effect.
  • FIG. 6 shows another preferred modification of the present invention.
  • the inner diameters (R 3 , R 4 ) of the rings constituting the ion guide (100d) may be changed into a configuration that gradually increases and decreases (in the drawings are exaggerated to show this better).
  • the inner diameter R 2 of the DC rings 110, 110 Increases gradually and gradually decreases.
  • the inner diameter R 4 of the RF multipole electrode rings 120, 120 It gradually increases and then gradually decreases.
  • it may have a relationship of R 3 ⁇ R 4 in a certain section (section in which the inner diameter of the rings increases gradually), and may have a relationship of R 3 > R 4 in another section (section in which the inner diameter of the rings decreases gradually). have.
  • the ion guides have a circular ring shape, but may have various geometric shapes such as ellipses or polygons.
  • the thickness of the ion guides of the present invention is shown to be constant, but this does not presuppose the uniformity of the thickness.
  • the thicknesses of the DC rings and the RF multipole electrode rings may gradually become thinner or thicker.
  • the arrangement of the DC rings and the RF multipole electrode rings constituting the ion guides of the present invention is shown as being located in a straight line with respect to the central axis, but in a curved shape having a predetermined curvature. Can be arranged.
  • the RF multipole electrode ring of the present invention is shown as having four electrodes, but may be composed of a plurality of electrodes of six, eight or more.
  • the DC rings and the RF multipole electrode rings constituting the ion guides of the present invention are shown in a structure in which they are spaced apart from each other without any medium, but are sealed with an insulator or the insulator is It can be connected to each other via a medium.
  • the ion guide of the present invention also includes a configuration in which a plurality of DC rings and a plurality of RF multipole electrode rings are arranged to cross each other between an inlet through which ions enter and an outlet through which ions are delivered.
  • the plurality of DC rings and the plurality of RF multipole electrode rings do not have to be arranged to cross each other as a whole.
  • the embodiment shown in the drawings is exemplary, and the ion guide including such an alternating arrangement in any part is also within the protection scope of the present invention.
  • a cross-arrangement portion a plurality of RF multi-pole electrode rings are successively arranged in a row and coupled to the cross-array portion, or a configuration in which a plurality of DC rings are arranged in duplicate is combined.

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Abstract

본 발명은 이온을 질량분석기로 전달하는 이온가이드에 관한 것이다. 본 발명의 이온가이드(100)는 이온이 진입하는 입구(101)와 이온을 전달하는 출구(102) 사이에 복수의 DC 고리(110, 110…)와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)가 서로 교차하면서 배열되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 이와 같은 이온가이드(100)가 내장된 대기압 이온원 질량 분석기를 제안한다.

Description

질량 분석기용 RF/DC 이온가이드
본 발명은 질량분석기에 관한 것이며, 특히 질량분석기에 사용하는 이온가이드에 관한 것이다.
대기압에서 생성된 이온을 분석하는 질량분석기는 이온원에서 질량분석부가 있는 고진공까지 이온을 효과적으로 전달하기 위해서 압력이 점차 감소하는 여러 진공단계를 포함하는 진공계(Vacuum System)를 사용한다. 그리고 각 진공단계는 다음 진공단계로 이온을 효과적으로 보낼 수 있도록 이온가이드를 사용한다.
대기압에서 첫 번째 단계의 진공챔버로 들어갈 때 이온은 배경가스의 흐름에 따라서 이동하는데, 배경가스는 첫 번째 진공단계에서 자유팽창하고 이온도 함께 확산된다. 여러 방향으로 흩어진 이 이온을 모아 다음 진공단계로 통로 역할을 하는 이온 렌즈를 통과시키기 위해서는 효과적으로 이온을 모아주는 이온가이드가 필요하다. 1단계 진공 챔버의 압력인 1torr 부근의 압력에서는 절연파괴 전압이 낮아 방전이 쉽게 발생하므로 낮은 전기장에서도 작동하는 특별한 형태의 RF 이온가이드가 필요하다.
또한 다단계 질량분석이 가능한 탠덤 질량분석시스템에서는 RF 이온가이드로 작동하는 충돌셀 (Collision Cell) 내에서 이온을 중성분자와 충돌시켜 조각화한 후 빠른 속도로 다음 단계의 질량분석기로 보내어 조각화된 이온의 질량을 분석하여 분자의 구조에 대한 정보를 얻는다.
넓은 질량범위의 이온을 효과적으로 수집하고 빠른 시간에 전달하는 이온가이드는 대기압 이온원과 질량분석기를 연결하는 인터페이스와 탠덤 질량분석시스템의 충돌셀에 사용하는 데에 필요하다.
본 발명의 발명가들은 위와 같은 이온가이드에 관련한 과제를 효율적으로 해결하기 위해 오랫동안 연구 노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 대기압에서 생성된 이온을 질량분석기의 질량분석부로 전달하기 위한 이온가이드와 탠덤 질량분석기의 충돌 셀을 위한 이온전달 기능을 가지는 이온가이드를 제공함에 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 국면은 이온을 질량분석기로 전달하는 이온가이드로서:
이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 RF 멀티폴 전극 고리가 서로 교차하면서 배열되는 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 이온가이드의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 RF 멀티폴 전극고리의 각 이웃한 전극에는 진폭은 같지만 반대 위상의 RF 전압을 인가하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 이온가이드의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 상기 복수의 전극의 개수는 2의 배수이며 서로 이격하여 배열함으로써 고리를 형성하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 이온가이드의 바람직한 일 실시예에 있어서, 인접한 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 사이에는 DC 바이어스 전위차를 주어 이온가이드 내에서 축방향으로 DC 전기장이 형성되며 교차하여 배열된 고리 사이의 바이어스의 전위는 점차 증가하거나 감소하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 이온가이드의 바람직한 일 실시예에 있어서, 교차하여 배열된 상기 DC 고리의 내경과 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 내접원은 같거나 점차 감소하거나 점차 증가하였다 감소하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 이온가이드의 바람직한 일 실시예에 있어서, 교차하여 배열된 상기 DC 고리의 내경과 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 내접원의 중심축은 일직선상에 있거나 또는 곡선상에 있는 것이 좋다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제2 국면은 상기의 이온가이드들이 내장된 대기압 이온원 질량 분석기를 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 질량 분석기에 있어서, 상기 이온가이드는 상기 질량 분석기 내에서 이온을 대기압에서 진공으로 보내는 다중 진공계의 진공 챔버 내에 설치되는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 질량 분석기에 있어서, 상기 이온가이드는 상기 질량 분석기내의 중성 가스분자가 채워져 있는 충돌 셀에 설치되어 이온을 조각화하여 이차 질량분석계로 이온을 수집하여 전달한다.
대기압에서 생성된 이온을 분석하는 질량분석기에 있어서, 이온원으로부터 질량분석부가 있는 고진공의 챔버 안으로 이온을 효과적으로 보내기 위해서는 압력이 점차 감소하는 여러 진공단계를 갖는 진공계를 사용하는 인터페이스가 필요하다. 본 발명은 인터페이스의 이온 전달 효율을 증가시켜 질량분석기의 검출감도를 크게 향상하고 이온의 전달속도를 높이는 효과를 발휘할 수 있다.
또한 탠덤 질량분석기의 경우, 첫 번째 질량분석기에서 선별한 이온은 가스 분자로 채워진 충돌 셀에서 중성분자와 충돌하여 조각화된다. 두 번째 질량분석기에서는 조각화된 이온의 분석된 결과를 해석하여 원래 시료의 구조에 대한 정보를 얻는다. 충돌 셀의 이온가이드는 특정한 에너지로 산란하는 조각화된 이온을 수집하고 빠른 속도로 이차단계의 질량분석기로 보내야 한다. 본 발명의 이온가이드는 넓은 질량범위의 이온을 효과적으로 수집하고 빠르게 두 번째 질량분석기에 전달할 수 있으므로 탠덤 질량분석기 충돌셀의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드(100)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 이온가이드(100)의 구성 중 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 전극 고리(120)의 구성 및 회로 연결을 보다 상세히 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이온가이드(100)에 대한 회로 구성의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 이온원 탠덤 질량분석기(1)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드(100c)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이온가이드(100d)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
대기압 이온원 (Atmosphere Pressure Ionization Source)를 사용하는 질량분석기 (API-MS)의 경우에는, 이온원에서 질량분석기가 있는 고진공으로 이온을 전달하는 효율이 질량분석기의 검출한계를 결정짓는 중요한 요소 중의 하나이다.
현대의 API-MS는 압력이 점차 낮아지는 여러 진공단계를 거치는 진공계를 사용하고 각 진공단계에는 이온가이드를 사용한다. 본 발명은 여러 각도로 산란하는 이온을 수집하고 배경가스와의 충돌로 이온의 에너지를 낮추어 이온이 이온가이드 축상에 모이도록 하여 이온을 다음 진공단계로 효율적으로 전달할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드는, DC 고리와 RF 고리 모양의 멀티폴 전극을 번갈아 가면서 적층한 형태를 가진다. 각 RF 멀티폴 전극 고리의 이웃한 전극은 진폭은 같지만 180도 위상을 가진 RF전압을 가해서 고리 내부에 멀티폴 전기장을 만든다. 또한 DC 고리의 내경이 멀티폴 전극들의 내접원의 직경과 같으므로 이웃한 멀티폴 전극 고리들로부터 만들어진 멀티폴 전기장은 DC 고리 내부에도 유지된다. 또한, 인접한 DC고리와 멀티폴 전극 고리 사이에 DC 전위차를 두어 이온가이드 내에서 축 방향으로 DC 전기장이 형성된다. DC 고리와 인접한 멀티폴 전극들 사이의 RF 전기장 효과와 반경 방향의 RF 멀티폴 전기장의 효과로 인해서 이온은 이온가이드 중심축에 가깝게 모이게 되고 이온가이드 축 방향으로 형성된 DC 전기장에 의해서 이온은 이온가이드 축 방향으로 이동하여 다음의 이온 광학계에 전달된다.
본 발명의 다른 형태의 적용은 DC고리의 내경 및 RF 멀티폴 전극 고리의 내접원이 점진적으로 커지거나 작아지는 형태, 증가하였다가 감소하는 형태, 굽은 형태를 가질 수 있으며 이온의 방향을 바꾸기 위해서 편향판을 추가할 수 있다. 고리의 내경이 점진적으로 작아지는 형태는 이온들이 공간적으로 넓은 범위에 분포되어 있거나, 여러 방향으로 산란하는 이온들을 효과적으로 모으기 위해서 사용될 수 있고, 내경이 증가하였다가 감소하는 형태는 많은 양의 이온을 이온가이드 내부에 가두었다가 방출하는 용도에 사용될 수 있다. 굽은 형태이거나 편향판이 추가된 이온가이드는 중성입자의 영향을 줄이거나 여러 단계의 이온광학계가 차지하는 배치를 변경하기 위하여 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드(100)를 나타내었다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 이온가이드(1)는 중심축(X)을 따라서 DC 고리(110, 110…)와 RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)가 연이어서 교차 배열된 구조를 가진다. 입구(101)를 통해서 들어온 이온들이 이온가이드(100)를 통과한 후에 출구(102)를 통해서 다른 이온가이드나 질량분석기로 전달된다.
도 2는 이온가이드(100)를 구성하는 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 전극 고리(120)를 보다 상세하게 나타내었다. 도 2(a)는 1개의 DC 고리(110)의 형태를 나타내며, 도 2(b)는 1개의 RF 멀티폴 전극 고리(120)의 형태를 나타낸다. 도 2(b)에 도시된 것처럼, RF 멀티폴 전극 고리(120)는 4개의 분절 전극(120a, 120b, 120c, 120d)이 고리 형태를 가지고 있다.
그리고 도 2(d)에 나타낸 것처럼, RF 멀티폴 전극 고리(120)의 각 전극(120a, 120b, 120c, 120d)에는 진폭은 같지만 위상이 반대인 교류전압이 인접한 전극들에 가해지고 또한 같은 DC 전압이 가해진다. 즉 RF 멀티폴 전극 고리(120)의 각 이웃한 전극에는 진폭은 같지만 다른 위상의 RF 전압이 가해져 RF 멀티폴 전기장이 형성된다. 또한, DC 고리(110)에는 DC 전압이 가해진다(도 2(c)).
이온가이드(100)는 도 3에 도시된 것처럼, DC 분압 회로 및 교류 축전기의 병렬연결과 DC 및 RF 전원 장치로 전압을 인가할 수 있다. 이웃한 멀티폴 전극(120)은 2의 배수로 위상이 같은 전극들은 번갈아 배치된다.
DC 분압 전기회로에 의해서 바이어스 전압들이 각 고리에 가해지고, 고리의 DC 전위차에 의해서 이온가이드 내부에는 축 방향으로 DC 전기장이 생긴다.
본 발명에 따르는 이온가이드는 DC 분압 전기회로가 번갈아 배치된 각각의 DC고리와 RF멀티폴 전극 고리들에 바이어스 전압을 인가하고 이에 따라 고리 배열 구조 내부에 축방향으로 DC 전기장이 형성되어 이온들을 축방향으로 이동시킬 수 있는 구조로 가진다.
도 4는 본 발명의 이온가이드가 설치된 대기압 이온원 탠덤 질량분석기(1)의 구성을 개략적으로 나타내었다. 대기압 이온원 탠덤 질량분석기(1)는 대기압 하에 작동하는 이온원(5)과 진공챔버(20) 내에 있는 질량분석기(21, 23)를 포함한다. 대기압 이온원(5)에서 만들어진 이온은 이온 도입구(14)를 통해서 제 1 진공 챔버(10)로 유입된다. 제 1 진공챔버(10)로 유입된 이온은 전술한 본 발명의 이온가이드(100a)를 통해서 수집되고, 이온가이드 축(X) 주위로 모여 다음 단계와 연결되어 있는 이온 렌즈(15)를 통해서 제 1 질량분석기(21)로 이동한다. 제 1 질량분석기(21)는 특정한 질량대 하전비를 가지는 이온은 선별해서 충돌 셀(22)로 보내지고, 충돌 셀(22) 내에서 가스 분자와 충돌하여 조각화된다.
조각화된 이온은 전술한 본 발명의 이온가이드(100b)에 의해서 수집되고, 제 2 질량분석기(23)에서 조각화된 이온의 질량정보를 검출기(25)에서 받은 다음 이를 해석하여 이온화된 시료의 구조적 정보를 얻을 수 있다.
상기 이온가이드(100a)는 대기압 이온원(5)으로부터 유입된 배경가스에서 작동하고, 이온가이드(100b)는 충돌셀(100b)에 공급된 배경가스에서 작동한다.
이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드(100)의 구성과, 이 이온가이드(100)를 설치한 대기압 이온원 탠덤 질량분석기(1)의 개략적인 원리를 살펴보았다. 이제 이온가이드의 작동원리를 보다 구체적으로 설명한다.
DC/RF 멀티폴 전극 고리 배열에서 RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)들은 같은 RF 위상의 전극들이 동일한 반경 방향으로 배열되어 DC 고리(110, 110…) 내부에서는 두 인접한 멀티폴 전극 고리 및 다른 멀리 떨어진 멀티폴 전극 고리들에 의해서 RF 멀티폴 전기장이 형성된다. RF 멀티폴 전기장에 의해서 이온들은 이온가이드 축(X)으로 향하는 반경 방향의 힘을 받아서 가이드 축 근처에 모인다.
RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)에 의한 RF 멀티폴 전기장에 의해서 이온들에 가해지는 축으로 향하는 반경 방향의 힘은 균일하지 않은 RF 전기장에서 전하를 띤 입자들이 받는 힘으로 유사 퍼텐셜 (Pseudo-potential)에 의한다. RF 멀티폴 전극 고리 내의 RF 멀티폴 전기장은 보통의 멀티폴의 이온가이드의 것과는 다르다. 이는 고리내부에서 전기장이 멀티폴 전극 고리들뿐만 아니라 DC 고리들(110, 110…)에 의해서 영향을 받기 때문이며 RF 멀티폴 전기장에 의한 유사 퍼텐셜의 세기는 멀티폴 전극 고리(120, 120…)의 내경과 RF 전압의 진폭에 의해서 결정된다.
본 발명에 따른 이온가이드에 있어서 유사 퍼텐셜은 RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)에 의한 RF 멀티폴 필드와, DC 고리(110, 110…)와 멀티폴 전극들에 의한 것이 있는데, 이들의 총합은 이온가이드의 중심축(X)상에서 가장 낮은 값을 가진다.
RF 전기장에 의한 유사 퍼텐셜은 멀티폴 전극 고리(120, 120…)의 전극들과 함께 멀티폴 전극(120, 120…)과 DC 고리(110, 110…)사이의 전기장에 의해서도 형성되는데, 그 전기장의 세기는 고리의 내경에는 상관없이 인접한 고리들 사이의 거리와 RF 멀티폴 전극 고리에 가해진 RF 진폭에 의해 결정된다. 고리의 내경이 커지면, RF 멀티폴 전기장의 유사 퍼텐셜에 의한 이온에 미치는 힘은 약하게 되지만, DC 고리(110, 110…)와 RF 멀티폴 전극들에 의한 유사 퍼텐셜은 고리들 사이의 거리와 RF 진폭에 의해서 결정되기 때문에 고리의 내경이 커져도 일정하게 유지한다. 이에 의한 유사 퍼텐셜은 이온을 가두는 효과를 가지므로 이온의 수집에 중요한 역할을 한다.
만약 이온가이드가 진공에서 작용한다면, 이온들은 미세 운동을 제외하면, 유사 퍼텐셜 최소값 주위를 왕복 운동을 하고 일정한 총에너지, 퍼텐셜에너지와 운동에너지의 합이 일정하게 유지된다.
본 발명에 의한 이온가이드의 적용에서는 이온가이드가 중성 가스 분자가 있는 공간에서 작용한다. 그 경우에 이온은 가스 분자와 충돌하여 에너지를 잃고 최소의 퍼텐셜 에너지를 갖게 된다. 따라서 이온들은 유사 퍼텐셜이 가장 낮은 부분인 이온가이드 축(X)을 따라서 모이게 된다. 만약 같은 전기를 띤 많은 수의 이온들이 있다면 모든 이온들은 유사 퍼텐셜에 의한 힘뿐만 아니라 이온들 상호 간의 밀치는 힘에 의한 공간 전하 효과(Space Charge Effect)의 작용으로, 이온가이드 중심축(X) 주위에 분포되는데, 이온가이드 축(X)으로 가까이 갈수록 밀도가 높은 이온의 분포를 갖게 된다.
이온가이드 축(X) 주위에 분포된 이온들은 DC/RF 멀티폴 전극 고리들에 가해진 DC 전압들의 차이에 의해서 형성된 DC 전기장에 의해서 이온가이드 축(X) 방향으로 이동하여 질량분석기에 보내진다. 이때 이온들이 이온가이드 축(X) 주위에 밀집하므로 전달 효율이 증가함에 따라 질량분석기의 검출한계도 낮아진다.
[본 발명의 다른 실시형태]
(1) 본 발명의 바람직한 다른 실시형태로는 이온가이드의 DC 고리(110, 110…)와 RF 멀티폴 전극 고리(120, 120…)의 내경이 점차 줄어들거나 점차 커지는 부위를 가지도록 하는 실시형태들이 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시형태로서, 이온가이드(100c)를 구성하는 고리들의 내경(R1, R2)이 점차 작아지는 구성을 가질 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 DC 고리들(110, 110…)의 내경(R1)도 점차로 작아지며, RF 멀티폴 전극 고리들(120, 120…)의 내경(R2)도 점차로 작아지게 된다. 또한, 바람직하게는 R1＞R2의 관계를 가질 수 있다.
대기압 하에서 작용하는 이온화원을 사용하는 질량분석기에 있어서, 이온을 진공으로 보내기 위해서 압력이 단계적으로 낮아지는 다단계 진공계를 갖고, 각 진공단계에서 이온가이드를 사용한다. 특히 대기압에서 생성된 이온이 제 1 진공 챔버(10)로 들어갈 때 중성인 가스는 자유팽창하고 가스와 함께 진공 챔버(10)로 유입된 이온도 가스 분자와 같이 여러 방향으로 흩어지다. 여러 방향으로 산란하는 이온을 수집하기 위해서는 입구가 크고 큰 입구에서도 이온을 수집할 수 있는 이온가이드가 필요하다. 본 실시예에서 나타낸 이온가이드는 보통의 RF 멀티폴 이온가이드와 달리 내경이 커도 이온 수집효과가 유지되어 큰 입구를 가지며 점차 내경이 감소하는 고리들로 구성되므로 이온의 수집 효과가 높다.
(2) 도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 변형예를 나타낸다. 이온가이드(100d)를 구성하는 고리들의 내경(R3, R4)가 점차 커졌다가 작아지는 구성으로 변형될 수 있다(도면에서는 이를 보다 잘 나타내기 위하여 과장되게 표현하였다). 도 6에 도시된 바와 같이 DC 고리들(110, 110…)의 내경(R2)이 점차로 커졌다가 순차적으로 작아지며, 마찬가지로 RF 멀티폴 전극 고리들(120, 120…)의 내경(R4)도 점차로 커졌다가 순차적으로 작아지게 된다. 바람직하게는 일정 구간(점차로 고리들의 내경이 커지는 구간)에서는 R3＜R4의 관계를 가질 수 있으며, 다른 구간(점차로 고리들의 내경이 작아지는 구간)에서는 R3＞R4의 관계를 가질 수 있다.
(3) 상기 실시예들에 있어서 이온가이드들은 원형 고리 형태를 예시하였으나, 타원이나 다각형의 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있다.
(4) 도시된 실시예에 있어서, 본 발명의 이온가이드들의 두께는 일정한 것으로 나타나 있지만 이는 두께의 균일성을 전제로 한 것은 아니다. DC 고리들과 RF 멀티폴 전극 고리들의 두께는 점차적으로 얇아지거나 또는 두꺼워질 수 있다.
(5) 도시된 실시예에 있어서, 본 발명의 이온가이드들을 구성하는 DC 고리들과 RF 멀티폴 전극 고리의 배열은 중심축을 기준으로 일직선상에 위치하는 것으로 나타내었으나, 소정의 곡률을 갖는 곡선상으로 배열될 수 있다.
(6) 도시된 실시예에 있어서, 본 발명의 RF 멀티폴 전극 고리는 4개의 전극을 가진 것으로 나타냈으나 6, 8개 이상의 복수의 전극으로 구성할 수 있다.
(7) 도시된 실시예에 있어서, 본 발명의 이온가이드들을 구성하는 DC 고리들과 RF 멀티폴 전극 고리들은 어떤 매개물 없이 서로 이격 되어 설치되어 있는 구조로 도시되어 있으나, 절연체로 밀봉되거나 또는 절연체를 매개로 서로 연결될 수 있다.
(8) 또한, 본 발명의 이온가이드는 이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 RF 멀티폴 전극 고리가 서로 교차하면서 배열되는 구성을 포함한다. 이온가이드 전체적으로 복수의 DC 고리와 복수의 RF 멀티폴 전극 고리가 모두 서로 교차하면서 배열해야 하는 것은 아니다. 도면에 나타난 실시예는 예시적인 것이며, 어느 일부분에 그와 같은 교차 배열이 포함된 이온가이드도 본 발명의 보호범위에 속한다. 즉, 본 발명의 이온가이드는 교차 배열 부분이 존재함과 동시에, 이 교차 배열 부분에 복수의 RF 멀티폴 전극 고리가 연이어 중복 배열되어 결합하거나, 복수의 DC 고리가 중복 배열되는 구성이 결합될 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (7)

  1. 이온을 질량분석기로 전달하는 이온가이드로서:
    이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 RF 멀티폴 전극 고리가 서로 교차하면서 배열되는 구성을 포함하며, 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 이웃한 전극에 진폭은 같지만 반대 위상의 RF 전압을 가하고, 배열된 DC 고리와 RF 멀티폴 전극 고리에 DC 바이어스를 인가하는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 DC 고리의 내경과 상기 복수의 RF 멀티폴 전극 고리의 내접원은 서로 동일한 이온가이드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC 고리의 내경과 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 내접원의 직경이 점차 감소하거나 증가하였다 감소하는 부위를 갖는 이온가이드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 전극 고리의 배열에 있어 각 고리의 중심은 일직선상에 있거나 또는 곡선상에 위치하여 배열되는 이온가이드.
  5. 제1항에 있어서,
    이온의 이동 방향을 변경하기 위한 이온편향판이 결합된 형태의 이온가이드.
  6. 제1항에 있어서,
    인접한 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 전극 고리에 DC 바이어스 전위차를 가하는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 이온가이드가 다중 진공계의 진공 챔버 내에 내장되며, 상기 이온가이드가 이온을 전달하거나 이온을 조각화하는 질량 분석기.
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