KR102036259B1

KR102036259B1 - 질량분석기용 이온가이드 및 이를 이용한 이온소스

Info

Publication number: KR102036259B1
Application number: KR1020180064056A
Authority: KR
Inventors: 김태만; 박한오
Original assignee: (주)바이오니아
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-06-04
Also published as: EP3806134A4; EP3806134A1; JP2021524143A; US20210233759A1; WO2019235806A1; JP7018525B2; CN112262453A

Abstract

본 발명은 이온을 질량분석기로 전달하는 이온가이드에 관한 것으로서, 본 발명의 이온가이드는 이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되되, 상기 입구에서 출구 방향으로 상기 DC 고리의 내경은 일정하게 유지되고, 상기 RF 멀티폴 고리의 내경은 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 RF 멀티폴 고리의 전극로부터 멀리 떨어진 이온가이드의 중심축에까지 강한 전기장이 형성되어 이온을 이온가이드의 중심축 상에 더욱 효과적으로 모이게 할 수 있다.

Description

질량분석기용 이온가이드 및 이를 이용한 이온소스{ION GUIDE FOR MASS SPECTROMETER AND ION SOURCE USING THE SAME}

본 발명은 질량분석기에 관한 것으로, 특히 질량분석기를 위한 이온가이드 및 이를 이용한 이온소스에 관한 것이다.

질량분석법에서 시료 중의 목표 화합물 성분을 이온화하는 방법으로서는 다양한 방법이 알려져 있다. 이러한 이온화법은 진공 분위기에서 이온화하는 방법과 대략 대기압 분위기에서 이온화하는 방법으로 대별할 수 있고, 후자는 일반적으로 대기압 이온화법(Atmosphere Pressure ionization) 또는 주변 이온화법(Ambient Ionization)으로 총칭될 수 있다.

대기압 이온화법을 이용하는 질량분석기에 있어서, 이온소스로부터 질량분석기가 있는 고진공의 챔버 내로 이온을 효과적으로 보내기 위한 수단이 필요하다. 이를 위해서 압력이 점차 감소하는 여러 진공단계를 포함하는 진공계(vacuum system)를 사용하게 된다.

그런데 각 진공단계에서 다음 단계로 이온을 효율적으로 보내기 위해서는 전달효율이 높은 이온가이드가 필요하다. 특히 첫 번째 진공챔버로 들어갈 때 이온은 공기의 흐름에 따라서 이동하게 되는데, 공기는 첫 번째 진공단계에서 자유팽창하고, 이온도 여러 방향으로 흩어진다. 여러 방향으로 흩어진 이온을 모아서 다음 진공단계로 나있는 이온 렌즈를 통과시키기 위해서는 효과적으로 이온을 모아주는 이온가이드가 필요하다. 특별히 1단계 진공 챔버의 압력인 1 torr 정도의 압력 범위에서는 전기적 방전이 진공이나 대기압에서보다 더 낮은 전압에서 일어나기 때문에 약한 전기장에서도 작동하는 특별한 형태의 RF 이온가이드가 필요하다.

이와 관련하여, 한국 공개특허공보 제2014-0020152호에는 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되는 질량분석기용 RF/DC 이온가이드가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 이온가이드를 나타낸 도면으로서, DC 고리(110') 및 RF 멀티폴 고리(120') 모두 내경이 점차 줄어드는 형태의 이온가이드(100')가 개시되어 있다. 그러나 이와 같은 형태의 이온가이드는 RF 멀티폴 고리(120')로부터 생성되는 전기장이 RF 멀티폴 고리(120') 주위에만 형성되는 단점이 있다.

본 발명자는 상기와 같은 단점을 보완하고 이온을 더욱 효과적으로 전달할 수 있는 이온가이드를 개발하기 위해 오랫동안 연구 노력한 끝에 본 발명을 완성하게 되었다.

한국 공개특허공보 제2014-0020152호

본 발명의 목적은 종래의 이온가이드에 비해 이온을 이온가이드의 중심축 상에 효과적으로 모이게 하여 이온의 전달 효율을 더욱 향상시키는 이온가이드를 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 이온가이드를 이용하여 이온화 효율을 더욱 증대시킬 수 있는 이온소스를 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드는, 이온을 효과적으로 전달하는 이온가이드로서, 이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되되, 상기 입구에서 출구 방향으로 상기 DC 고리의 내경은 일정하게 유지되고 상기 RF 멀티폴 고리의 내경은 점진적으로 감소될 수 있다.

또한, 상기 복수의 DC 고리와 상기 복수의 RF 멀티폴 고리의 각 중심이 일직선상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 일정한 비율로 감소될 수 있다.

또한, 상기 RF 멀티폴 고리의 복수의 전극은 서로 이격하여 배열됨으로써 고리를 형성할 수 있다.

또한, 상기 복수의 RF 멀티폴 고리는 내경으로부터 외경까지의 거리가 모두 동일하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 RF 멀티폴 고리의 각 이웃한 전극에 진폭은 같지만 다른 위상의 RF 전압이 가해질 수 있다.

또한, 인접한 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리는 서로 상이한 DC 바이어스 전압이 가해질 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드는, 이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되어 이온을 전달하는 이온가이드에 있어서, 상기 입구에서 출구 방향으로 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 모두 점진적으로 감소되되, 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 감소되는 정도가 상기 DC 고리의 내경이 감소되는 정도보다 크게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이온가이드는, 이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되어 이온을 전달하는 이온가이드에 있어서, 상기 입구로부터 일정 거리까지는 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 모두 동일한 비율로 감소되고, 상기 일정 거리 이후부터 상기 출구까지는, 상기 DC 고리의 내경은 일정하게 유지되고 상기 RF 멀티폴 고리의 내경은 점진적으로 감소되거나, 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 점진적으로 감소되되, 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 감소되는 정도가 상기 DC 고리의 내경이 감소되는 정도보다 크게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 이온소스는, 이온화 물질을 방출하는 이온화물질원; 상기 이온화물질원으로부터 방출되는 이온화 물질에 의해 시료의 이온화가 이루어지는 이온화 챔버; 및 상기 이온화 챔버에 의해 이온화된 시료의 이온을 다음 이온 광학계로 전달하는 적어도 하나 이상의 진공 챔버;를 포함하고, 상기 진공 챔버 내부에는 전술한 이온가이드가 내장되어 있을 수 있다.

또한, 상기 이온화 챔버는, 상기 이온화 챔버의 입구에서 출구 방향으로 다른 전압이 가해지는 DC 전극들과 상기 DC전극들 사이의 절연체들로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 이온화 챔버 내부의 압력은, 상기 이온화 챔버 바로 다음의 이온 광학계를 내장하는 제1 진공 챔버 내부의 압력보다 높고 대기압보다 낮게 형성될 수 있다.

또한, 상기 이온화 챔버의 중심축과 상기 제1 진공 챔버의 상기 이온가이드의 중심축은 소정의 각도를 이루어 경사지게 배치될 수 있다.

또한, 상기 이온화 챔버의 중심축과 상기 제1 진공 챔버의 상기 이온가이드의 중심축이 이루는 각도는 10° 내지 170° 일 수 있다.

또한, 상기 제1 진공 챔버 내부에는 상기 이온가이드의 반대측에 이온 디플렉터가 배치되고, 상기 이온 디플렉터와 상기 이온가이드 사이에 상기 이온화 챔버의 출구가 배치될 수 있다.

또한, 상기 이온소스는, 광 이온화(Photoionization) 이온소스, 화학 이온화(Chemical Inonization) 이온소스 또는 양성자 전달 반응(Proton Transfer Reaction) 이온소스일 수 있다.

이온소스로부터 질량분석기가 있는 고진공의 챔버 안으로 이온을 효과적으로 보내기 위해서는 압력이 점차 감소하는 여러 진공단계를 갖는 진공계를 사용하는 인터페이스가 필요하다. 본 발명의 과제해결수단에 따르면, 그와 같은 인터페이스의 이온 전달 효율이 높아지고 질량분석기의 검출감도가 향상된다는 뛰어난 효과를 발휘할 수 있다.

특히, 본 발명의 이온가이드에 의하면 RF 멀티폴 고리의 전극으로부터 멀리 떨어진 이온가이드의 중심축에까지 강한 전기장이 형성되어, 이온을 이온가이드의 중심축 상에 더욱 효과적으로 모이게 할 수 있다.

도 1은 종래의 이온가이드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드의 측단면과 DC 고리 및 RF 멀티폴 고리를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드의 DC 고리 및 RF 멀티폴 고리의 구성 및 회로 연결을 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드에 대한 회로 구성의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 이온가이드에 의해 형성되는 전기장과 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드에 의해 형성되는 전기장을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드의 사시도 및 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이온가이드의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 이온소스의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 이온화물질원 및 이온화 챔버를 상세히 나타낸 도면이다.

대기압 이온화법을 이용하는 질량분석기(API-MS)의 경우에는 이온원에서 질량분석기가 있는 진공으로 얼마나 효율적으로 이온을 전달할지가 장비의 분석성능을 결정하는 주요 요건이 된다.

즉, 이온을 전달하는 효율이 질량분석기의 검출한계를 결정하는 중요한 요소가 된다. 현대의 API-MS는 압력이 점차적으로 낮아지는 여러 진공단계를 거치는 진공계를 사용하고 각 진공단계에서 이온가이드들을 사용한다. 본 발명은 여러 각도로 산란하는 이온을 효과적으로 수집하고, 이온의 에너지를 배경가스와의 충돌로 낮춤으로써 이온을 이온가이드의 중심축 상에 모이게 하여서 이온을 다음 단계로 효율적으로 전달해 준다.

본 발명에 따른 이온가이드는, DC 고리와 RF 멀티폴(Multipole) 고리(낮은 두께의 고리모양의 멀티폴 전극)들을 번갈아 가면서 쌓인 모양을 갖는다. 어느 한 RF 멀티폴 고리에서, 이웃한 전극들에는 RF 전압은 진폭은 같지만 위상이 서로 180도 다른 RF 전압들이 가해져서 고리 내부에서 멀티폴 전기장이 형성된다.

이때, 복수개의 DC 고리는 모두 내경이 동일하게 유지하되 복수개의 RF 멀티폴 고리는 입구에서 출구방향으로 각 RF 멀티폴 고리의 내경이 점진적으로 감소하도록 구성함으로써, 이웃한 RF 멀티폴 고리로부터 만들어진 RF 멀티폴 전기장이 DC 고리 내부에도 어느 정도 유지됨과 동시에, 이온가이드 중심축에까지 강한 전기장이 형성될 수 있다.

또한, 인접한 DC 고리와 RF 멀티폴 고리 사이에 다른 DC 전압들이 가해져서 이온가이드 내에서 중심축 방향으로 DC 전기장이 만들어진다. DC 고리와 멀티폴 전극들 사이의 RF 전기장 효과와 반경 방향의 RF 멀티폴 전기장의 효과로 인해서 이온은 이온가이드의 중심축에 가깝게 모이게 되고 이온가이드 축 방향으로 형성된 DC 전기장에 의해서 이온은 이온가이드 축 방향으로 이동되어 이온가이드 다음의 이온 광학계에 전달된다.

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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 이온가이드(100)는 중심축(X)을 따라서 DC 고리(110, 110 …)와 RF 멀티폴 고리(120, 120 …)가 연이어서 교차 배열되되, 입구(101)에서 출구(102) 방향으로 DC 고리(110)의 내경은 일정하게 유지되고, RF 멀티폴 고리(120)의 내경은 점진적으로 감소되는 구조로 이루어 질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 이온가이드의 측단면과 DC 고리 및 RF 멀티폴 고리를 함께 나타낸 것으로서, 본 발명의 이온가이드(100)는 복수의 DC 고리(110)와 복수의 RF 멀티폴 고리(120)의 각 중심이 일직선상에 위치되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 이온가이드(100)는 복수의 DC 고리(110)의 내경(R1)이 중심축(X)을 따라 모두 동일하게 형성되고, 복수의 RF 멀티폴 고리(120)의 내경(R2)이 중심축(X)을 따라 점진적으로 감소되도록 형성될 수 있다.

여기서, 본 발명은 입구(101)에서 출구(102) 방향으로 이온가이드(100)의 각 RF 멀티폴 고리(120)의 내경이 점차 작아지는 형태로 형성되는 것이면 어느 것이라 하여도 무방하나, 입구(101)에서 출구(102) 방향으로 이온가이드(100)의 각 RF 멀티폴 고리(120)의 내경(R2)이 일정한 비율로 감소되도록 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 입구(101)와 근접한 순서로 RF 멀티폴 고리(120)를 제1 RF 멀티폴 고리, 제2 RF 멀티폴 고리, … 제n RF 멀티폴 고리라 한다면, 본 발명의 이온가이드(100)는 제1 RF 멀티폴 고리의 내경과 제2 RF 멀티폴 고리의 내경의 비율이 제2 RF 멀티폴 고리의 내경과 제3 RF 멀티폴 고리의 내경과 비율이 동일하게 형성되고, 이것이 제n RF 멀티폴 고리까지 동일하게 유지되도록 형성될 수 있다.

또한, 각 RF 멀티폴 고리(120)는 내경으로부터 외경까지의 거리가 모두 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 상술한 제1 RF 멀티폴 고리~제n RF 멀티폴 고리의 내경으로부터 외경까지의 거리가 모두 동일하게 형성될 수 있다.

도 4는 이온가이드(100)를 구성하는 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 고리(120)를 보다 상세하게 나타낸다. 도 4(a)는 1개의 DC 고리(110)의 형태를 나타내며, 도 4(b)는 1개의 RF 멀티폴 고리(120)의 형태를 나타낸다. 도 4(b)에 도시된 것처럼, RF 멀티폴 고리(120)는 4개의 분절 전극(120a, 120b, 120c, 120d)이 고리 형태를 이루게 된다.

또한, 도 4(c)에 도시된 것처럼 DC 고리(110)에는 DC 전압이 가해지며, 도 4(d)에 도시된 것처럼 RF 멀티폴 고리(120)의 각 전극(120a, 120b, 120c, 120d)에는 진폭은 같지만 위상이 다른 전압이 인접한 전극들에 가해지고 또한 동일한 DC 전압이 중첩해서 가해진다. 즉 RF 멀티폴 고리(120)의 각 이웃한 전극에는 진폭은 같지만 다른 위상의 RF 전압이 가해져서, 고리내부에 RF 멀티폴 전기장을 만들게 된다.

이온가이드(100)에 인가된 전압들은, 도 5에 도시된 것처럼, DC 분압 전기 회로 및 교류 축전기 병렬연결과 DC 및 RF 전원 장치에 의해서 가해질 수 있다. 이웃한 멀티폴 전극(120a, 120b, 120c, 120d)들에서 위상이 같은 전극들(예를 들어, 120a와 120c, 120b와 120d)은 동일한 반경 방향으로 배치된다.

DC 분압 전기회로에 의해서 다른 전압들이 각 고리에 가해지고, 고리의 DC 전압 차에 의해서 이온가이드(100) 내부에 중심축(X) 방향으로 DC 전기장이 생긴다. 본 발명에 따르면 인접한 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 고리들(120)에서는 서로 상이한 DC 바이어스 전압이 가해져서 고리 배열 구조 내부에 중심축(X) 방향으로 DC 전기장이 형성되어서, 이온들을 중심축(X) 방향으로 이동시킬 수 있다.

도 6은 종래의 이온가이드에 의해 형성되는 전기장(6(a)) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드에 의해 형성되는 전기장(6(b))을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 종래의 이온가이드(100'), 즉 DC 고리(110')와 RF 멀티폴 고리(120')의 내경이 모두 점차 줄어드는 형태의 이온가이드는 전기장이 RF 멀티폴 고리 주위에만 강하게 형성되나(도 6(a)), 본 발명에 따른 이온가이드(100)에 의하면 이웃한 RF 멀티폴 고리(120)로부터 만들어진 멀티폴 전기장이 DC 고리(110) 내부에도 어느 정도 유지됨과 동시에, RF 멀티폴 고리(120)로부터 멀리 떨어진 이온가이드의 중심축(X)에까지 강한 전기장이 형성되어 이온을 이온가이드(100)의 중심축(X) 상에 더 효과적으로 모이게 할 수 있다(도 6(b)).

또한, 입구(101)가 출구(102)에 비해 크게 형성되기 때문에 여러 방향으로 산란하는 이온을 입구(101)에서 수집하기에 용이하고, 출구(102)가 좁게 형성되기 때문에 이온을 원하는 곳으로 효율적으로 전달할 수 있다.

한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드의 사시도(a) 및 단면도(b)로서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드(100)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드(100)와 달리 입구(101)에서 출구 방향(102)으로 DC 고리(110)의 내경이 일정하게 유지되는 것이 아니라 DC 고리(110)의 내경 또한 점진적으로 감소되되, RF 멀티폴 고리(120)의 내경이 감소되는 정도가 DC 고리(100)의 내경이 감소되는 정도보다 크게 형성될 수 있다.

또한, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이온가이드의 단면도로서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이온가이드(100)는 입구(101)로부터 일정 거리(S)까지는 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 고리(120)의 내경이 모두 동일한 비율로 감소되도록 형성되고, 일정 거리(S) 이후부터 출구(102)까지는, 도 8(a)와 같이 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이온가이드(100)와 같이 DC 고리(110)의 내경은 일정하게 유지되고 RF 멀티폴 고리(120)의 내경은 점진적으로 감소되도록 형성되거나, 도 8(b)와 같이 전술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드(100)와 같이 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 고리(120)의 내경이 점진적으로 감소되되, RF 멀티폴 고리(120)의 내경이 감소되는 정도가 DC 고리의 내경(110)이 감소되는 정도보다 크게 형성될 수 있다.

여기서, 본 발명의 이온가이드는 이온가이드의 입구(101)가 DC 고리(110)로 시작하고, 이온가이드의 출구(102)가 RF 멀티폴 고리(120)로 끝나도록 배치하는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온가이드 및 또 다른 실시예에 따른 이온가이드는 본 발명에서 다양하게 변형될 수 있는 이온가이드의 변형예들 중 몇 가지의 구체적인 변형예를 나타낸 것이다.

한편, 본 명세서에서 도시된 DC 고리(110)와 RF 멀티폴 고리(120)는 원형 고리 형태이나, 타원이나 다각형의 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있다.

또한, 본 명세서에서 도시된 DC 고리(110) 및 RF 멀티폴 고리(120)의 두께는 일정한 것으로 나타나 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 각 DC 고리(110)들과 RF 멀티폴 고리(120)들의 두께는 점차적으로 얇아지거나 또는 두꺼워질 수 있다.

또한, 본 명세서에서 도시된 RF 멀티폴 고리(120)는 4개의 전극을 가진 것으로 나타나 있으나, 복수의 전극이라면 좋고, 바람직하게는 2, 4, 6, 8개 이상의 복수의 전극인 것이 좋다.

또한, 본 명세서에서 도시된 이온가이드(100)를 구성하는 DC 고리(110)들과 RF 멀티폴 고리(120)들은 어떤 매개물 없이 서로 이격되어 설치되어 있는 구조로 도시되어 있으나, 절연체로 밀봉되거나 또는 절연체를 매개로 서로 연결되는 구조로 이루어질 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 이온가이드(100)가 내장된 이온소스(1)에 대하여 살펴본다.

도 9는 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 이온소스(혹은, 이온 소스)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 10은 이온소스의 이온화 챔버를 상세히 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 이온소스(1)는 이온화 물질을 방출하는 이온화물질원(10), 시료의 이온화가 이루어지는 이온화 챔버(20) 및 적어도 하나 이상의 진공 챔버(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

이온화 물질은 후술하는 바와 같이 본 발명의 이온화 소스(1)가 광 이온화 이온소스인 경우 빛(photon)일 수 있고, 화학 이온화 이온소스인 경우 시약(reagent)의 일차이온(primary ion)일 수 있고, 양성자 전달 반응 이온소스인 경우 양성자(proton)를 전달할 수 있는 일차이온일 수 있으며, 이때 이온화물질원(10)은 상기 각 종류의 이온화 물질을 방출하는 공지된 기기 또는 장치일 수 있다.

이온화 챔버(20)는 DC 전극들과 그들 사이의 절연체들로 이루어지고, 상기 DC 전극은 DC 분압 전기 회로(미도시)에 의해 이온화 챔버의 출구(23) 방향으로 다른 전압이 가해짐으로써, 전압차에 의해 이온화 챔버(20) 내부에 DC 전기장이 형성될 수 있다.

진공 챔버(30) 내에는 전술한 본 발명의 이온가이드(100)가 내장되어 있고, 진공 챔버(30) 내의 이온가이드(100)는 이온화 챔버 출구(23)에서 진공 챔버(30) 내로 유입된 가스 분위기 하에서 작동된다.

이하, 본 명세서에서는 이온화 챔버(20) 바로 다음의 이온 광학계에 해당하는 진공 챔버(30)를 제1 진공 챔버(30-1)라 하여 설명하도록 한다.

도 10과 같이 본 발명의 이온소스(1)는, 이온화 챔버(20)에 시료 주입구(21) 및 보조가스 주입구(22)가 있고, 시료 주입구(21)를 통해 분석하고자 하는 시료가 주입되어 이온화 챔버(20) 내로 이동되며, 이온화 챔버(20) 내에서 이온화물질원(10)으로부터 방출된 이온화 물질과 반응하여 이온화된다.

이온화 챔버(20)의 보조가스 주입구(22)를 통하여 주입되는 보조가스는 이온화 챔버의 압력을 조절하여 시료의 이온화 효율을 조절하는 목적으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면 분석하려는 시료를 이온화 챔버 출구(23)쪽에서 출구 반대쪽으로 주입하여 시료가 이온화 챔버(20)에 오래 머물게 하여 이온화 효율을 높이며, 이온화 된 시료이온을 이온화 챔버(20) 내의 DC 전기장을 이용하여 이온화 챔버의 출구(23) 쪽으로 이동시킴으로써 이온의 방출 효율을 높일 수 있다.

이온화 챔버의 출구(23)를 지나 제1 진공 챔버(30-1)로 이동된 시료이온은 제1 진공 챔버(30-1) 내의 이온가이드(100)를 통해 수집되어 이온가이드(100)의 중심축(X) 주위로 모아진 후 다음 이온 광학계로 전달되게 된다.

이때, 제1 진공 챔버(30-1) 다음의 이온 광학계는, 이온소스(1)가 다단계 진공계로 구성되는 경우에는 제2 진공 챔버(30-2)일 수 있고, 이온소스(1)가 단일 진공계로 구성되는 경우에는 질량분석기(200)가 있는 진공 챔버일 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 이온소스(1)는 이온화 챔버(20) 내부의 압력이 대기압보다 낮고 제1 진공 챔버(30-1)의 압력보다 높게 형성될 수 있다. 일 예로서, 이온화 챔버(20) 내의 압력은 약 10 torr로 형성될 수 있고, 제1 진공 챔버(30-1)의 압력은 약 1 torr로 형성될 수 있다. 단 이에 한정되는 것은 아니고, 이온화 챔버(20) 내의 압력이 제1 진공 챔버(30-1) 내의 압력에 비해 약 3배 이상으로 형성될 수도 있다.

이와 같이, 이온화 챔버(20) 내의 압력이 제1 진공 챔버(30-1)의 진공 압력보다 높게 형성되므로, 가스가 이온화 챔버(20) 내에 머무는 시간이 진공 챔버(30-1) 내에서 머무는 시간보다 증가하게 되어 시료의 이온화 효율이 증가되며, 시료이온의 가속이 적어 시료이온의 조각화가 적게 일어난다.

또한, 이온화 챔버(20) 내의 압력이 대기압보다 낮게 형성되므로, 대기압하에서 시료를 이온화 하는 경우에 비해 이온화 챔버(20)로부터 제1 진공 챔버(30-1)로 전달되는 중성 가스 분자의 양이 줄어들게 되므로, 제1 진공 챔버(30-1)에 작은 용량의 펌프를 적용할 수 있게 된다.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이온소스(1)는, 이온화 챔버(20)의 중심축(Y)과 이온가이드(100)의 중심축(X)이 소정의 각도를 이루어 경사지도록 배치될 수 있다.

즉, 이온화 챔버(20)의 중심축(Y)과 이온가이드(100)의 중심축(X)을 동일선상에 형성되도록 배치하지 않고 비스듬하게 기울여 배치함으로써, 이온화 챔버의 출구(23)에서 방출되는 가스가 다음의 이온 광학계로 이송되는 것을 최소화할 수 있다.

이때, 이온화 챔버(20)의 중심축(Y)과 이온가이드(100)의 중심축(X)이 이루는 각은 10~170˚일 수 있고, 바람직하게는 이온화 챔버(20)의 중심축(Y)과 이온가이드(100)의 중심축(X)이 서로 수직하게 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이 경우, 제1 진공 챔버(30-1) 내에 이온가이드(100)가 배치된 측의 반대측에 이온 디플렉터(Ion Deflector, 300)를 배치하여, 이온 디플렉터(300)와 이온가이드(100) 사이에 이온화 챔버의 출구(23)가 배치되도록 할 수 있다.

이온 디플렉터(300)에 의해 이온화 챔버(20)에서 방출되어 제1 진공 챔버(30-1) 내에서 여러 방향으로 산란하는 이온들의 진행 방향을 바꾸어 이온가이드(100)로 보낼 수 있게 됨에 따라, 이온가이드(100)를 통한 이온 수집 효율이 증가하여 질량분석기 전체의 이온 검출 감도가 증가된다.

나아가, 본 발명에 따른 이온소스(1)는 광이온화(Photoionization: PI) 이온소스, 화학 이온화(Chemical Ionization: CI) 이온소스, 또는 양성자 전달 반응(Proton Transfer Reaction: PTR) 이온소스로 구성될 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 이온화 챔버(20) 내의 압력이 진공보다 높게 형성될 수 있으므로, 특히 이온소스(1)가 PI 이온소스인 경우, 광이온화 과정에서 발생하는 시료이온과 중성가스분자나 자유전자와의 충돌에 의한 시료이온의 조각화 현상을 줄일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 이온가이드
101 : 이온가이드 입구
102 : 이온가이드 출구
110 : DC 고리
120 : RF 멀티폴 고리
120a, 120b, 120c, 120d : RF 멀티폴 고리의 각 분절 전극
1 : 이온소스
10 : 이온화물질원
20 : 이온화 챔버
21 : 시료 주입구
22 : 보조가스 주입구
23 : 이온화 챔버 출구
30 : 진공 챔버
200 : 질량분석기
300 : 이온 디플렉터

Claims

이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되어 이온을 전달하는 이온가이드에 있어서,
상기 입구에서 출구 방향으로 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 모두 점진적으로 감소되되,
상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 감소되는 정도가 상기 DC 고리의 내경이 감소되는 정도보다 큰 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
상기 복수의 DC 고리와 상기 복수의 RF 멀티폴 고리의 각 중심이 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 일정한 비율로 감소되는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
상기 RF 멀티폴 고리의 복수의 전극은 서로 이격하여 배열됨으로써 고리를 형성하는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
상기 복수의 RF 멀티폴 고리는 내경으로부터 외경까지의 거리가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
상기 RF 멀티폴 고리의 각 이웃한 전극에 진폭은 같지만 다른 위상의 RF 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
제1항에 있어서,
인접한 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리는 서로 상이한 DC 바이어스 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 이온가이드.
이온이 진입하는 입구와 이온을 전달하는 출구 사이에 복수의 DC 고리와 복수의 전극을 갖는 복수의 RF 멀티폴 고리가 서로 교차하면서 배열되어 이온을 전달하는 이온가이드에 있어서,
상기 입구로부터 일정 거리까지는 상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 모두 동일한 비율로 감소되고,
상기 일정 거리 이후부터 상기 출구까지는,
상기 DC 고리와 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 점진적으로 감소되되, 상기 RF 멀티폴 고리의 내경이 감소되는 정도가 상기 DC 고리의 내경이 감소되는 정도보다 큰 것을 특징으로 하는 이온가이드.
이온화 물질을 방출하는 이온화물질원;
상기 이온화물질원으로부터 방출되는 이온화 물질에 의해 시료의 이온화가 이루어지는 이온화 챔버; 및
상기 이온화 챔버에 의해 이온화된 시료의 이온을 다음 이온 광학계로 전달하는 적어도 하나 이상의 진공 챔버;를 포함하고,
상기 진공 챔버 내부에는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 이온가이드가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 이온소스.
제9항에 있어서,
상기 이온화 챔버는,
상기 이온화 챔버의 출구 방향으로 다른 전압이 가해지는 DC 전극들과 상기 DC 전극들 사이의 절연체들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온소스.
제9항에 있어서,
상기 이온화 챔버 내부의 압력은,
상기 이온화 챔버 바로 다음의 이온 광학계에 해당하는 제1 진공 챔버 내부의 압력보다 높고 대기압보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 이온소스.
제11항에 있어서,
상기 이온화 챔버의 중심축과 상기 제1 진공 챔버의 상기 이온가이드의 중심축은 소정의 각도를 이루어 경사지게 배치되거나, 이격되게 배치되거나, 혹은 이격되고 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 이온소스.
제12항에 있어서,
상기 이온화 챔버의 중심축과 상기 제1 진공 챔버의 상기 이온가이드의 중심축이 이루는 각도는 10° 내지 170° 인 것을 특징으로 하는 이온소스.
제11항에 있어서,
상기 제1 진공 챔버 내부에는 상기 이온가이드의 입구측에 이온 디플렉터가 배치되고,
상기 이온 디플렉터와 상기 이온가이드 사이에 상기 이온화 챔버의 출구가 배치되는 것을 특징으로 하는 이온소스.
제9항에 있어서,
상기 이온소스는,
광 이온화(Photoionization) 이온소스, 화학 이온화(Chemical Inonization) 이온소스 또는 양성자 전달 반응(Proton Transfer Reaction) 이온소스인 것을 특징으로 하는 이온소스.
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