B I O M E D I C A L   A P P L I C A T I O N

 

 Mass Spectrometer

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

Fig 1. The photograph of the fabricated ion source and separator.

Fabrication of a Novel a Micro Time-of-flight mass spectrometer
H. J. Yoon, J. H. Kim, E. S. Choi, S. S. Yang, and K. W. Jung

ABSTRACT
  
The mass spectrometer is a powerful instrument that serves for establishment of the molecular weight and structure of organic compounds, and the identification and determination of the components of inorganic substances.  It is used as a definitive method to monitor environmental pollutants, to analyze biological samples and drugs, to detect residual gas, and to determine chemical abuse in athletic competitions.  The mass spectrometer uses the difference in mass-to-charge ratio (m/e) of ionized atoms or molecules to separate them from each other.  It consists of an ion source that generates ions from the sample, an analyzer that separates the ions according to their m/e values, and a detector that gives the intensity of the ion current for each species.
  
The major types of mass spectrometers are the magnetic type [1,2], the quadrupole type [3], the time-of-flight type [4], and the Fourier transform ion cyclotron resonance type [5].  The time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) has some advantages over others [4].  A unique advantage is the speed with which a spectrum can be obtained conveniently.  With practical parameter values a complete spectrum can be obtained every few microseconds.  A second feature of the TOFMS is that the entire mass spectrum can be recorded for each accelerating pulse.  The TOFMS is also mechanically simple and easy to construct and operate.
  
Conventional mass spectrometers that are operated with high voltage in high vacuum are bulky and expensive.  The micro mass spectrometer, however, can analyze some samples in low vacuum and can be made cheap by batch-fabrication.  Recent reports on mass spectrometers fabricated by micromachining technology show the possibility of the miniature mass spectrometer.  Feustel first proposed the structure of a micro mass spectrometer by using micromachining [6].  Siebert fabricated a miniature mass spectrometer by anisotropic etching and electroplating [7].  But the mass spectrometer of Siebert has a difficulty in generating plasma.  Oleg Kornienko fabricated a miniature ion trap mass spectrometer [8].  Tunstall fabricated the micro quadrupole mass filter by using micromachinig [9].  Tunstall used a bulky conventional ion source.  The micro mass spectrometer of this paper differs from others with respect to the ionization and the ion separation method.  In this paper, the bulk of the proposed mass spectrometer that is small compared with those mentioned above is fabricated by micromachining.  And the fabricated micro ion source and the ion separator are tested respectively

Fig. 2. The principle of the micro time-of-flight
mass spectrometer

Fig. 3. The SEM image of the fabricated tungsten filament.

 

 

 

Fig. 4. The mass spectrum of acetone using the fabricated TOFMS.

 

Fig. 5. The photograph of the fabricated micro TOFMS with a laser hole.

 

 KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

  물질의 분자량을 측정하는 것은 혼합물 내의 물질의 성분과 조성을 파악할 수 있는 기본적인 방법으로서 물질/화학 등의 기초과학 연구에서 매우 중요한 일이다.  질량 분석법은 최근의 급속한 기기 개발과 새로운 이온화 기법의 개발로 인하여 수십만 질량 단위 고분자의 질량 분석을 가능하게 하였으며, 단백질 등의 생체 고분자 분석을 통한 의학 및 생명공학 분야 연구의 새로운 장을 열고 있다.  질량 분석기는 고진공하에서 기화된 시료 분자나 원자를 이온화하여 이들을 전장이나 자장 혹은 전자장하에서 운동시킬 때 이온화된 입자의 질량 대 하전비 (m/e)의 값에 따라 운동 반경 혹은 속도 등이 다른 것을 이용하여 분리하고 이온을 검출 함으로써 가스 혹은 액체의 분자량을 측정하고 성분을 분석하는 장비이다.  기존의 질량 분석기는 고진공 중에서 수천 볼트 이상의 고전압을 사용하여 분석하는 고가의 대형 장비이다.  이러한 장비를 마이크로머시닝 기술을 이용하여 크기를 소형화하면 저진공 중에서 시료의 분석이 가능하게 되고 저가의 일반 보급형 질량 분석기를 제작할 수 있다.  또, 질량 분석기를 소형화한다면 작은 양의 시룔로 분석이 가능하고, 분석 비용이 절감될 수 있다.
  본 연구에선는 열전자 방출을 이용한 초소형 비행 시간 질량 분석기를 설계하고 제작한다.  필라멘트에서 발생하는 열을 견디기 위해서 필라멘트 재료로 텅스텐을 사용하고, 텅스텐 필라멘트에서의 열전장 방출을 시험한다.

 

  Related Papers

  1. 윤현중, 김정훈, 박태규, 양상식, 정광우, “초소형 질량 분석기를 위한 열전자 방출 시험," 제3회 MEMS 학술대회 논문집, 한국정밀공학회, pp.209-213, 2001. 4.
  2. H. J. Yoon, J. H. Kim, T. G. Park, S. S. Yang, and K. W. Jung, "The test of hot electron emission for the micro mass spectrometer," Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS 2001, Cote d'Azur, France, 2001. 4.
  3. H. J. Yoon, J. H. Kim, T. G. Park, S. S. Yang and K. W. Jung, " The Fabrication of the Novel Micro Time-of-Flight (TOF) Mass Spectrometer with a Micro Ion Source," The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Transducers '01 and Eurosensors XV Munich, Germany, June 10-14, 2001.
  4. 윤현중, 김정훈, 박태규, 양상식, 정광우, “초소형 질량 분석기를 위한 이온 발생기의 열전자 방출 시험,” 대한전기학회 논문지, 50C권 8호, pp. 419-422. 2001, 8.
  5. H. Y. Yoon, J. H. Kim, E. S. Choi, S. S. Yang, K. W. Jung, "Fabrication of a novel micro time-of-flight mass spectrometer," Sensors and Actuators A, Vol. 97-98, pp. 441-447, 2002. 6.
  6. Hyeun Joong Yoon, Seong Ho Song, Nguyen Tuan Hong, Kwang Woo Jung, Soonil Lee and Sang Sik Yang ,  "Fabrication of two types of micro ion sources for a micro time-of-flight mass spectrometer", Journal of Micromechanics and Microengineering, , Vol. 17, No. 8, pp. 1542-1548, 2007. 8.
  7. Jung Bin Cho, Soonil Lee, Hyeun Jung Yoon, Sang Sik Yang, Ken Ha Koh, "Fabrication and operation of triode electron emitters as ion source for miniature mass spectrometer", J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.26, No.2, pp.689-693, 2008.3/4.
  8. 한규성, 전도한, Nguyen Tuan Hong, 이순일, 양상식, “이온발생기용 탄소나노튜브 전자 방출원의 특성”, 제11회 한국 MEMS 학술대회 논문집, pp. 31-32, 2009. 4


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