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이온원

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목차

1. 개요

이온원은 원자 또는 분자를 이온으로 만드는 장치로, 다양한 이온화 방법을 사용한다. 이온화 방법에는 전자 이온화, 광 이온화, 열 이온화, 주변 이온화, 탈착 이온화, 분무 이온화 등이 있다. 전자 이온화는 유기 분자 분석에, 광 이온화는 광자와의 상호 작용을 통해 이온을 생성하며, 열 이온화는 고온 표면을 이용한다. 주변 이온화는 질량 분석기 외부에서 이온을 생성하며, 탈착 이온화는 표면에서 이온을 생성한다. 분무 이온화는 액체 용액으로부터 에어로졸을 형성하여 이온을 생성한다. 이온화 기술은 질량 분석, 입자 가속기, 표면 개질 등 다양한 분야에 응용된다. 질량 분석에서는 시료의 이온화와 질량 대 전하 비율에 따른 분리를 통해 물질을 분석하며, 입자 가속기에서는 입자 빔을 생성하기 위해 사용된다. 또한 재료 표면의 특성을 변화시키는 데에도 활용된다.

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이온원
지도
개요
유형플라스마 이온 소스
표면 이온화 소스
광 이온화 소스
전계 이온화 소스
주요 기능이온 생성
이온 추출
이온 가속
활용 분야질량 분석법
이온 주입
입자 가속기
표면 과학
우주 추진
플라스마 처리
작동 원리
플라스마 이온 소스플라스마 내에서 기체를 이온화
표면 이온화 소스뜨거운 표면에서 물질을 이온화
광 이온화 소스빛을 이용하여 원자를 이온화
전계 이온화 소스강한 전기장으로 원자를 이온화
주요 특징
이온화 효율이온화 과정에서 생성되는 이온의 비율
이온 빔 품질이온 빔의 균일성, 에너지 분포 등
에너지 범위생성되는 이온의 운동 에너지 범위
이온 종류생성할 수 있는 이온의 종류
유지 보수소스의 수명과 유지 보수 요구 사항
이온 소스의 구성 요소
이온 생성 영역이온화가 일어나는 곳
추출 시스템생성된 이온을 추출하고 가속하는 시스템
전원 공급 장치이온 소스 작동에 필요한 전력 공급
냉각 시스템작동 중 발생하는 열을 관리하는 시스템
다양한 이온 소스
듀오플라스마트론플라스마 기반 이온 소스
다중극 이온 소스자기장을 사용하는 플라스마 이온 소스
이온화원다양한 질량 분석에 사용되는 이온 소스
홀 효과 추진기플라스마 이온을 사용한 우주 추진 장치
일본어 정보
일본어 명칭イオン源 (이온겐)
한국어 정보
한국어 명칭이온원

2. 이온화 방법

전자 이온화는 특히 유기 분자, 질량 분석에서 널리 사용된다.[86][87] 광 이온화는 광자와 원자 또는 분자의 상호작용으로 이온이 생성되는 이온화 과정이다.

전자이온화원 개략도


원자물리학에서는 전자빔 이온원(EBIS)을 사용하여 강력한 전자빔으로 원자에 충돌시켜 고전하 이온을 생성한다. 작동 원리는 Electron beam ion trap|전자빔 이온 트랩영어을 참고할 수 있다.

이온화 방법에는 다음과 같은 다양한 방식들이 존재한다.

  • 전자 이온화
  • 화학 이온화
  • 전하 교환 이온화
  • 화학 이온화
  • 결합 이온화
  • 페닝 이온화
  • 이온 부착
  • 가스 방전 이온원
  • 유도 결합 플라스마
  • 마이크로파 유도 플라스마
  • 전자 사이클로트론 공명 이온원
  • 글로 방전
  • 듀오플라즈마트론
  • 스파크 이온화
  • 광 이온화
  • 다광자 이온화
  • 공명증강 다광자 이온화
  • 대기압 광 이온화
  • 탈착 이온화
  • 전계 탈착
  • 입자 충격
  • 레이저 탈착 이온화
  • 분무 이온화
  • 용매 보조 이온화
  • 매트릭스 지원 이온화
  • 대기압 화학 이온화
  • 열 분무 이온화
  • 전기 분무 이온화
  • 비접촉 대기압 이온화
  • 소닉 스프레이 이온화
  • 초음파 보조 분무 이온화
  • 열 이온화
  • 주변 이온화
  • 탈착 전기 분무 이온화
  • 실시간 직접 분석
  • 레이저 기반 주변 이온화

2. 1. 전자 이온화 (Electron Ionization, EI)

전자 이온화(EI)는 유기 분자 질량 분석에 널리 사용되는 이온화 방법이다. 기체 상태의 원자나 분자에 고에너지 전자를 충돌시켜 이온을 생성한다.

기체 상 반응은 다음과 같다.

:M + e^- -> M^{+\bullet} + 2e^-

여기서 M은 이온화되는 원자 또는 분자이고, e^-는 전자이며, M^{+\bullet}는 생성된 이온이다.

전자는 음극과 양극 사이의 아크 방전에 의해 생성될 수 있다.

전자빔 이온원(EBIS)은 원자 물리학에서 강력한 전자빔으로 원자를 충돌시켜 고전하 이온을 생성하는 데 사용된다.[2][3] 그 작동 원리는 전자빔 이온 트랩과 공유된다.

2. 1. 1. 전자 포획 이온화 (Electron Capture Ionization, ECI)

기체 상태의 원자 또는 분자가 전자를 얻어 A-• 형태의 이온을 생성하는 이온화 과정이다. 반응식은 다음과 같다.

:A + e^- ->[M] A^-

여기서 화살표 위의 M은 에너지와 운동량 보존을 위해 세 번째 물질(반응의 분자도는 3)이 필요함을 나타낸다.

전자 포획은 화학적 이온화와 함께 사용될 수 있다.[4]

전자 포획 검출기는 일부 기체 크로마토그래피 시스템에 사용된다.[5]

2. 2. 화학 이온화 (Chemical Ionization, CI)

화학 이온화(CI)는 전자 이온화(EI)보다 낮은 에너지를 사용하여 이온-분자 반응을 통해 이온을 생성하는 방법이다.[6] 낮은 에너지는 분열을 덜 일으켜, 일반적으로 더 간단한 스펙트럼을 생성하고 쉽게 식별 가능한 분자 이온을 만든다.[7]

CI 실험에서는 시약 기체의 이온과 분석물 분자가 이온원에서 충돌하여 이온이 생성된다. 일반적인 시약 기체로는 메탄, 암모니아, 이소부탄 등이 사용된다. 이온원 내부에는 시약 기체가 분석물보다 훨씬 많이 존재한다. 이온원으로 들어가는 전자는 시약 기체를 우선적으로 이온화시키고, 다른 시약 기체 분자와의 충돌을 통해 이온화 플라스마를 생성한다. 이 플라스마와의 반응을 통해 분석물의 양이온과 음이온이 형성된다.

양성자화의 예시는 다음과 같다.

:CH₄ + e⁻ → CH₄⁺ + 2e⁻ (1차 이온 형성)

:CH₄ + CH₄⁺ → CH₅⁺ + CH₃ (시약 이온 형성)

:M + CH₅⁺ → CH₄ + [M + H]⁺ (생성 이온 형성)

이온 부착 이온화는 반응성 충돌에서 양이온이 분석물 분자에 부착되는 화학 이온화와 유사하다.[18]

:M + X+ + A -> MX+ + A

(M은 분석물 분자, X+는 양이온, A는 비반응성 충돌 파트너)

방사성 이온원에서는 63Ni 또는 241Am과 같은 소량의 방사성 물질을 사용하여 기체를 이온화하며, 이는 이온화 연기 감지기와 이온 이동도 분광계에 사용된다.

2. 2. 1. 전하 교환 이온화 (Charge Exchange Ionization)

전하 교환 이온화(또는 전하 전달 이온화라고도 함)는 이온과 중성 원자 또는 분자 사이의 기체 상 반응으로, 이온의 전하가 중성 종으로 전달되는 과정이다.[8][92]

:A⁺ + B → A + B⁺

2. 2. 2. 화학 이온화 (Chemi-ionization)

화학 이온화는 기체 상태의 원자 또는 분자가 여기 상태의 원자 또는 분자와 반응하여 이온이 생성되는 과정이다.[9][10] 화학 이온화는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:G* + M → M+• + e- + G

여기서 G는 여기 상태 종(상첨자 별표로 표시), M은 전자를 잃어 라디칼 양이온(상첨자 "+·"으로 표시)을 형성하는 이온화되는 종이다.

연상 이온화는 두 개의 원자 또는 분자가 상호 작용하여 단일 생성물 이온을 형성하는 기상 반응이다.[95][96][97] 상호 작용하는 종 중 하나 또는 둘 모두가 과도한 내부 에너지를 가지고 있다.

:A* + B → AB+• + e-

페닝 이온화는 중성 원자 또는 분자 사이의 반응을 수반하는 화학 이온화의 한 종류이다.[98][99] 1927년에 처음 보고된 네덜란드의 물리학자 프랑스의 미셸 페닝(F. M. Penning)의 이름을 따서 명명되었다.[100] 페닝 이온화는 기상의 여기 상태의 원자 또는 분자 G*와 표적 분자 M의 반응을 포함하며, 라디칼 분자 양이온 M+을 형성한다.[101]

:G* + M → M+• + e- + G

페닝 이온화는 표적 분자의 이온화 포텐셜이 여기 상태의 원자 또는 분자의 내부 에너지보다 낮을 때 발생한다.

:G* + M → MG+• + e-

표면 페닝 이온화(오제 탈여기라고도 함)는 여기 상태의 기체와 벌크 표면 S의 상호 작용을 가리킨다.

:G* + S → G + S + e-

2. 2. 3. 결합 이온화 (Associative Ionization)

결합 이온화는 두 개의 여기된 원자 또는 분자가 상호작용하여 하나의 이온을 생성하는 기상 반응이다.[11][12][13] 상호작용하는 종 중 하나 또는 둘 모두 과잉 내부 에너지를 가질 수 있다.

예를 들어,

:A^\ast{} + B -> AB^{+\bullet}{} + e^-

여기서 과잉 내부 에너지(별표로 표시)를 가진 A 종이 B와 상호작용하여 AB+ 이온을 형성한다.

2. 2. 4. 페닝 이온화 (Penning Ionization)

페닝 이온화는 중성 원자 또는 분자 사이의 반응을 포함하는 일종의 화학 이온화이다.[14][15] 이 과정은 1927년에 처음으로 이를 보고한 네덜란드 물리학자 프란스 미셸 페닝의 이름을 따서 명명되었다.[16] 페닝 이온화는 기체 상태의 들뜬 상태 원자 또는 분자(G*)와 표적 분자(M) 사이의 반응을 포함하며, 라디칼 분자 양이온(M+.), 전자(e−) 및 중성 기체 분자(G)의 형성으로 이어진다.[17]

:G^\ast{} + M -> G{} + M^{+\bullet}{} + e^-

페닝 이온화는 표적 분자의 이온화 에너지가 들뜬 상태 원자 또는 분자의 내부 에너지보다 낮을 때 발생한다.

결합 페닝 이온화는 다음을 통해 진행될 수 있다.

:G^\ast{} + M -> MG^{+\bullet}{} + e^-

표면 페닝 이온화(오거 탈여기라고도 함)는 들뜬 상태 기체와 벌크 표면(S)의 상호 작용을 말하며, 다음과 같이 전자 방출로 이어진다.

:G^\ast{} + S -> G{} + S{} + e^-

2. 3. 이온 부착 (Ion Attachment)

이온 부착 이온화는 반응성 충돌에서 양이온이 분석물 분자에 결합하는 화학 이온화와 유사하다.[18] 반응식은 다음과 같다.

:M + X+ + A -> MX+ + A

여기서 M은 분석물 분자이고, X+는 양이온이며, A는 비반응성 충돌 파트너이다.[18]

방사성 이온원에서는 63Ni이나 241Am과 같은 소량의 방사성 물질을 사용하여 기체를 이온화한다. 이는 이온화 연기 감지기와 이온 이동도 분광계에 사용된다.

2. 4. 가스 방전 이온원 (Gas-Discharge Ion Sources)

가스 방전 이온원은 이온을 생성하기 위해 플라스마 또는 전기 방전을 이용한다.

전자 이온화(EI)는 질량 분석법, 특히 유기 분자에 널리 사용되는 방법이다. 기체 상에서 일어나는 전자 이온화 반응은 다음과 같다.

:M{} + e^- -> M^{+\bullet}{} + 2e^-

여기서 M은 이온화되는 원자 또는 분자, e^-는 전자, M^{+\bullet}는 생성된 이온을 나타낸다. 전자는 음극과 양극 사이의 아크 방전을 통해 생성될 수 있다.

전자빔 이온원(EBIS)은 원자 물리학에서 강력한 전자빔을 사용하여 원자를 충돌시켜 고전하 이온을 생성하는 데 사용된다.[2][3]

화학 이온화(CI)는 전자 제거 대신 이온/분자 반응을 이용하므로 전자 이온화(EI)보다 에너지가 낮다.[90] 낮은 에너지는 단편화를 줄이고, 일반적으로 더 단순한 스펙트럼을 만든다.[91] 일반적인 CI 스펙트럼에서는 분자 이온을 쉽게 식별할 수 있다. CI에서는 메탄, 암모니아, 이소부탄 등의 시약 가스 이온과의 충돌을 통해 이온이 생성된다. 이온원 내부에는 시료보다 시약 가스가 훨씬 많다. 이온원으로 들어가는 전자는 시약 가스를 우선적으로 이온화하고, 그 결과 생성된 다른 시약 가스 분자와의 충돌로 이온화 플라스마가 생성된다. 이 플라스마와의 반응을 통해 시료의 양이온과 음이온이 형성된다.

:CH₄ + CH₄⁺ → CH₅⁺ + CH₃

:M + CH₅⁺ → CH₄ + [M + H]⁺

전하 교환 이온화(전하 이동 이온화)는 이온과 원자 또는 분자 사이의 기체 상 반응으로, 이온의 전하가 중성 종으로 이동하는 현상이다.[92]

:A⁺ + B → A + B⁺

페닝 이온화는 여기 상태의 기체 원자 또는 분자(G*)와 표적 분자(M) 사이의 반응을 통해 라디칼 분자 양이온(M+•)을 형성하는 화학 이온화의 한 종류이다.[98][99][100][101]

:G^\ast{} + M -> M^{+\bullet}{} + e^- + G

페닝 이온화는 표적 분자의 이온화 에너지가 여기 상태의 원자 또는 분자의 내부 에너지보다 낮을 때 발생한다.

:G^\ast{} + M -> MG^{+\bullet}{} + e^-

표면 페닝 이온화(오제 탈여기)는 여기 상태의 기체와 벌크 표면(S)의 상호 작용을 의미한다.

:G^\ast{} + S -> G{} + S{} + e^-

이온 부착 이온화는 화학 이온화와 유사하게, 반응성 충돌에서 양이온이 분석물 분자에 결합하는 현상이다.[102]

:M + X+ + A -> MX+ + A

방사성 이온원에서는 63Ni이나 241Am과 같은 방사성 물질 조각을 사용하여 기체를 이온화한다. 이는 이온화 연기 감지기 및 이온 이동도 분광법 검출기에 사용된다.

폐쇄형 드리프트 이온원은 기체를 이온화하기 위해 환형 공동 내의 방사형 자기장을 사용하여 전자를 가둔다. 이러한 이온원은 이온 주입 및 우주 추진 (홀 효과 추력기)에 사용된다.

2. 4. 1. 유도 결합 플라스마 (Inductively-Coupled Plasma, ICP)

섬네일


유도 결합 플라스마는 전자기 유도로 생성된 전류를 통해 에너지를 공급받는 플라스마원이다.[19][103] 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 생성된다.

2. 4. 2. 마이크로파 유도 플라스마 (Microwave-Induced Plasma, MIP)

마이크로파 유도 플라스마 이온원은 무전극 기체 방전을 여기시켜 미량 원소 질량 분석용 이온을 생성할 수 있다.[20][21] 마이크로파 플라스마는 GHz 범위의 고주파 전자기파를 가지고 있으며, 무전극 기체 방전을 여기시킬 수 있다. 표면파 지지 모드로 작동될 경우, 높은 플라즈마 밀도의 대면적 플라즈마를 생성하는 데 특히 적합하다. 표면파와 공진기 모드 모두에서 작동될 경우, 높은 수준의 공간 국재화를 보일 수 있다. 이를 통해 플라즈마 생성 위치와 표면 처리 위치를 공간적으로 분리할 수 있다. 이러한 분리(적절한 기체 흐름 방식과 함께)는 처리된 기판에서 방출되는 입자가 기체 상의 플라즈마 화학에 미치는 부정적인 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

2. 4. 3. 전자 사이클로트론 공명 이온원 (Electron Cyclotron Resonance Ion Source, ECR)

전자 사이클로트론 공명 (ECR) 이온원은 전자 사이클로트론 공명을 이용하여 플라즈마를 이온화한다. 마이크로파는 자기장에 의해 정의되는 전자 사이클로트론 공명 주파수에 해당하는 주파수로, 저압 기체가 들어있는 부피 내부로 주입된다.

2. 4. 4. 글로 방전 (Glow Discharge)

이온은 전기적 글로 방전에서 생성될 수 있다. 글로 방전은 저압 기체를 통해 전류가 통과하여 형성되는 플라즈마이다. 이는 기체가 포함된 진공 챔버 내에 두 개의 금속 전극 사이에 전압을 인가하여 생성된다. 전압이 여기 전압(striking voltage)이라고 불리는 특정 값을 초과하면 기체는 플라즈마를 형성한다.

듀오플라즈마트론(duoplasmatron)은 음극(열음극 또는 냉음극)으로 구성된 글로 방전 이온원의 한 유형으로, 기체를 이온화하는 데 사용되는 플라즈마를 생성한다.[1][22] 양이온 또는 음이온을 생성할 수 있다.[23] 이들은 이차 이온 질량 분석법, 이온 빔 식각 및 고에너지 물리학에 사용된다.[24][25][26]

석영 모세관이 있는 캐필라리트론(Capillaritron)이 진공 챔버 내에서 작동 중: 왼쪽에는 플라즈마가 추출 음극까지 이르는 빛나는 모세관이 있고, 오른쪽 뒤에는 푸르스름하게 빛나는 이온 빔이 있다.

2. 4. 5. 스파크 이온화 (Spark Ionization)

전기 스파크 이온화는 고체 시료로부터 기체 상태의 이온을 생성하는 데 사용된다. 질량 분석기와 결합하면 스파크 이온화 질량 분석기 또는 스파크 소스 질량 분석기(SSMS)라고 불리는 완전한 기기가 된다.[32]

2. 5. 광 이온화 (Photoionization)

광 이온화는 광자와 원자 또는 분자의 상호작용으로 이온이 생성되는 이온화 과정이다.[33][118]

2. 5. 1. 다광자 이온화 (Multi-photon Ionization, MPI)

다광자 이온화(MPI, Multi-photon ionization)는 이온화 한계보다 낮은 에너지를 가진 여러 광자가 그 에너지를 합쳐 원자를 이온화하는 방법이다.[1]

공명증강 다광자 이온화(REMPI, Resonance-enhanced multiphoton ionization)는 하나 이상의 광자가 이온화되는 원자 또는 분자에서 결합-결합 전이에 접근하는 공명 상태인 MPI의 한 형태이다.[2]

2. 5. 2. 대기압 광 이온화 (Atmospheric Pressure Photoionization, APPI)

대기압 광이온화(APPI)는 진공 자외선(VUV) 램프를 광원으로 사용하여 단일 광자 이온화 과정으로 분석물을 이온화하는 방법이다. 다른 대기압 이온원과 유사하게, 용매 분무는 400°C 이상의 높은 온도로 가열되고 많은 양의 질소 기류로 분무되어 탈용매화된다. 생성된 에어로졸은 자외선 조사를 받아 이온을 생성한다. 대기압 레이저 이온화는 자외선 레이저 광원을 사용하여 MPI를 통해 분석물을 이온화한다.

2. 6. 탈착 이온화 (Desorption Ionization)

탈착 이온화(Desorption Ionization)는 고체 또는 액체 시료 표면에서 직접 이온을 생성하는 방법이다.

  • 전계 탈착 (Field Desorption, FD): 날카로운 표면을 가진 방출체에 고전위 전기장을 가하여 기체 분자를 이온화한다. 질량 스펙트럼은 단편화가 거의 없고, 주로 분자 라디칼 양이온(M+·)이 나타나며, 덜 흔하게는 양성자화된 분자([M + H]+)가 나타난다.[34]
  • 입자 충격 (Particle Bombardment): 원자를 이용한 충격을 고속원자충격(FAB), 이온을 이용한 충격을 이차이온질량분석(SIMS)이라고 한다.[35] FAB에서는 분석물을 매트릭스와 혼합하고 고에너지 원자 빔으로 충격을 가한다.[36]
  • 레이저 탈착 이온화 (Laser Desorption Ionization, LDI): 레이저를 이용하여 시료 표면에서 이온을 생성한다. 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI)는 매트릭스가 레이저 에너지를 흡수하여 탈착 및 이온화를 일으키고, 시료 분자도 함께 탈착되어 이온화된다.[119] 표면지원 레이저 탈착/이온화(SALDI)는 나노 재료 등 무기 매트릭스를 사용하기도 한다.[126] 표면증강 레이저탈착/이온화(SELDI)는 변형된 표적을 사용하여 단백질 혼합물을 분석한다.[127]

2. 6. 1. 전계 탈착 (Field Desorption, FD)

전계 탈착(Field desorption, FD)은 면도날과 같이 날카로운 표면을 가진 방출체 또는 더 일반적으로는 미세한 "수염"이 형성된 필라멘트에 고전위 전기장을 인가하는 이온원이다.[34] 이로 인해 매우 높은 전기장이 발생하여 분석물의 기체 분자를 이온화할 수 있다. 전계 탈착에 의해 생성된 질량 스펙트럼은 단편화가 거의 또는 전혀 없다. 분자 라디칼 양이온 M|M영어+·이 주를 이루고, 덜 흔하게는 양성자화된 분자 [M + H]|[M + H]+영어가 나타난다.

전계 탈착 개략도

2. 6. 2. 입자 충격 (Particle Bombardment)

원자를 이용한 입자 충격을 고속원자충격(FAB)이라고 하며, 원자 또는 분자 이온을 이용한 충격을 이차이온질량분석(SIMS)이라고 한다.[35] 핵분열 이온화는 적절한 핵종(예: 캘리포늄 동위원소 252Cf)의 핵분열 결과로 생성된 이온 또는 중성 원자를 사용한다.

FAB에서는 분석물을 비휘발성 화학적 보호 환경(매트릭스라고 함)과 혼합하고, 고에너지(4000~10,000전자볼트) 원자 빔으로 진공 상태에서 충격을 가한다.[36] 원자는 일반적으로 아르곤 또는 크세논과 같은 비활성 기체에서 유래한다. 일반적인 매트릭스에는 글리세롤, 티오글리세롤, 3-니트로벤질알코올(3-NBA), 18-크라운-6 에테르, 2-니트로페닐옥틸 에테르, 설폴란, 디에탄올아민, 트리에탄올아민 등이 있다. 이 기술은 이차이온질량분석 및 플라스마 탈착 질량분석법과 유사하다.

2. 6. 3. 레이저 탈착 이온화 (Laser Desorption Ionization, LDI)

MALDI 이온원 도표


레이저 탈착 이온화(Laser Desorption Ionization, LDI)는 레이저를 이용하여 시료 표면에서 이온을 생성하는 방법이다. 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI)는 부드러운 이온화 기법의 하나로, 시료를 매트릭스 물질과 혼합한 후 레이저 펄스를 가하면 매트릭스가 레이저 에너지를 흡수하여 탈착 및 이온화된다. 이 과정에서 시료 분자도 함께 탈착되며, 매트릭스가 시료 분자(예: 단백질 분자)에 양성자를 전달하여 시료를 하전시키는 것으로 알려져 있다.[119]

표면지원 레이저 탈착/이온화(SALDI)는 질량 분석을 이용한 생체 분자 분석에 사용되는 소프트 레이저 탈착 기술이다.[124][125] 초기에는 흑연 매트릭스를 사용했으나, 현재는 나노 재료 등 다른 무기 매트릭스를 사용하는 레이저 탈착/이온화법도 SALDI의 변형으로 간주된다.[126]

표면증강 레이저탈착/이온화(SELDI)는 분석 대상 화합물과의 생화학적 친화성을 얻기 위해 변형된 표적을 사용하는 단백질 혼합물 분석에 사용되는 MALDI의 변형 기술이다.[127]

레이저 증발 클러스터 이온원은 레이저 탈착 이온화와 초음속 팽창을 조합하여 이온을 생성한다.[129] '''스몰리 이온원'''(또는 '''스몰리 클러스터 이온원''')[130]은 1980년대에 라이스 대학교의 리처드 스몰리(Richard Smalley)에 의해 개발되었으며, 1985년 풀러렌 발견에 중요한 역할을 하였다.[131][132]

비행시간 분석을 이용한 에어로졸 질량 분석에서는 대기에서 추출된 마이크로미터 크기의 고체 에어로졸 입자들이 비행시간 이온 추출 장치의 중심을 통과할 때 정확한 타이밍의 레이저 펄스에 의해 동시에 탈착 및 이온화된다.[133][134]

2. 7. 분무 이온화 (Spray Ionization)

스프레이 이온화는 액체 용액에서 에어로졸 입자를 형성하고 용매를 증발시켜 이온을 생성하는 방법이다.[50]

스프레이 이온화에는 다음과 같은 다양한 방식이 있다.

  • 용매 보조 이온화
  • 매트릭스 지원 이온화
  • 대기압 화학 이온화
  • 열 분무 이온화
  • 전기 분무 이온화
  • 비접촉 대기압 이온화
  • 소닉 스프레이 이온화
  • 초음파 보조 분무 이온화

2. 7. 1. 용매 보조 이온화 (Solvent Assisted Ionization, SAI)

용매 보조 이온화(SAI)는 분석물을 포함하는 용액을 대기압 이온화 질량 분석기의 가열된 입구관에 도입하여 대전된 작은 액체 방울을 생성하는 방법이다.[51] 전기분무 이온화(ESI)와 마찬가지로, 대전된 작은 액체 방울의 용매 제거는 다중 대전 분석물질 이온을 생성한다. SAI는 휘발성 및 비휘발성 화합물을 분석하며, ESI와 비교할 만한 감도를 얻기 위해 고전압이 필요하지 않다.[51] 융합 실리카 관에 연결된 0 데드 볼륨 피팅을 통해 가열된 입구로 들어가는 용액에 전압을 가하면 ESI와 유사한 질량 스펙트럼이 생성되지만 감도는 더 높다.[52] 질량 분석기의 입구관이 이온원이 된다.

2. 7. 2. 매트릭스 지원 이온화 (Matrix-Assisted Ionization, MAI)

매트릭스 지원 이온화(MAI, Matrix-Assisted Ionization)는 시료 준비 과정에서 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화(MALDI)와 유사하지만, 매트릭스 화합물에 포함된 분석물 분자를 기체상 이온으로 전환하는 데 레이저가 필요하지 않다. MAI에서 분석물 이온은 전기분무 이온화(ESI)와 유사한 전하 상태를 갖지만, 용매 대신 고체 매트릭스에서 얻어진다.[53] 전압이나 레이저는 필요하지 않지만, 이미징을 위한 공간 분해능을 얻기 위해 레이저를 사용할 수 있다. 매트릭스-분석물 시료는 질량 분석기의 진공 상태에서 이온화되며, 대기압 유입구를 통해 진공 상태로 삽입될 수 있다. 2,5-디하이드록시벤조산과 같은 휘발성이 낮은 매트릭스는 MAI에 의해 분석물 이온을 생성하기 위해 가열된 유입관이 필요하지만, 3-니트로벤조니트릴과 같은 휘발성이 높은 매트릭스는 열, 전압, 레이저가 필요하지 않다. 매트릭스-분석물 시료를 대기압 이온화 질량 분석기의 유입구 개구부에 도입하기만 하면 풍부한 이온이 생성된다. 이 방법으로 소 혈청 알부민(Bovine Serum Albumin, BSA) [66 kDa]만큼 큰 화합물도 이온화될 수 있다.[53] [138] 이 방법에서 질량 분석기의 유입구는 이온원으로 간주될 수 있다.

2. 7. 3. 대기압 화학 이온화 (Atmospheric-Pressure Chemical Ionization, APCI)

대기압 화학 이온화(APCI)는 대기압에서 용매 분무를 사용하는 화학 이온화의 한 종류이다.[139] 용매 분무는 섭씨 400도 이상의 고온으로 가열되고, 다량의 질소 기체와 함께 분무된다. 생성된 에어로졸 구름은 코로나 방전에 노출되며, 이때 증발된 용매는 화학 이온화 시약 가스 역할을 하여 이온을 생성한다. APCI는 전기분무 이온화(ESI)만큼 "부드러운"(낮은 파편화) 이온화 기술은 아니며,[140] 대기압 이온화(API)와 APCI는 동의어가 아니므로 주의해야 한다.[141]

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2. 7. 4. 열 분무 이온화 (Thermospray Ionization)

열분무 이온화(Thermospray ionization)는 질량 분석법에서 대기압 이온화의 한 형태이다. 이것은 분석을 위해 액체상에서 기체상으로 이온을 전달하는 방법으로, 액체 크로마토그래피-질량 분석법에 특히 유용하다.[57][142]

전기분무 이온원

2. 7. 5. 전기 분무 이온화 (Electrospray Ionization, ESI)

전기분무 이온화(Electrospray ionization)에서는 액체가 매우 작고, 대전되어 있으며, 일반적으로 금속인 모세관을 통해 밀려나온다.[58] 이 액체에는 연구 대상 물질인 분석물이 다량의 용매에 녹아 있으며, 용매는 일반적으로 분석물보다 훨씬 더 휘발성이 높다. 휘발성 산, 염기 또는 완충 용액이 이 용액에 추가되는 경우도 많다. 분석물은 용액에서 음이온 또는 양이온 형태로 이온으로 존재한다. 같은 전하끼리는 서로 밀어내기 때문에 액체는 모세관에서 스스로 밀려나와 약 10μm 크기의 작은 물방울 안개인 에어로졸을 형성한다. 에어로졸은 적어도 부분적으로는 테일러 콘의 형성과 이 콘의 끝에서 분출되는 제트를 포함하는 과정에 의해 생성된다. 질소와 같은 중성 운반 기체가 때때로 액체를 분무하고 물방울 내의 중성 용매를 증발시키는 데 사용된다. 용매가 증발함에 따라 분석물 분자는 서로 더 가까이 밀착되어 서로 밀어내고 물방울을 분해한다. 이 과정은 대전된 분자 사이의 반발적인 쿨롱 힘에 의해 구동되기 때문에 쿨롱 분열이라고 한다. 분석물이 용매로부터 분리되어 벌거벗은 이온이 될 때까지 이 과정이 반복된다. 관찰된 이온은 양성자(수소 이온)의 첨가에 의해 생성되며, 또는 나트륨 이온과 같은 다른 양이온, 또는 양성자의 제거로 표시된다. 다중 전하 이온이 종종 관찰된다. 고분자의 경우, 서로 다른 빈도로 발생하는 많은 전하 상태가 있을 수 있다.

2. 7. 6. 비접촉 대기압 이온화 (Contactless Atmospheric Pressure Ionization)

비접촉 대기압 이온화는 질량 분석법을 이용하여 액체 및 고체 시료를 분석하는 기술이다.[60] 비접촉 API는 추가적인 전력 공급 (소스 방출기에 전압 공급), 가스 공급 또는 주사기 펌프 없이 작동할 수 있다. 따라서 이 기술은 대기압에서 질량 분석법을 사용하여 화합물을 분석하는 간편한 방법을 제공한다.[145]

2. 7. 7. 소닉 스프레이 이온화 (Sonic Spray Ionization, SSI)

소닉 스프레이 이온화(Sonic Spray Ionization, SSI)는 메탄올과 물의 혼합물처럼 액체 용액에서 이온을 만드는 방법이다.[61] 공기 분무기(pneumatic nebulizer)를 써서 용액을 작은 방울들의 초음속 분무(supersonic spray)로 만든다. 용매가 증발하면서 방울들에 통계적으로 불균형한 전하 분포가 생겨 순 전하를 띠게 되면 이온이 만들어지고, 용매가 완전히 제거되면(desolvation) 이온 형성이 일어난다. 소닉 스프레이 이온화는 작은 유기 분자나 약물을 분석하는 데 쓰이며, 모세관에 전기장을 가해 전하 밀도를 높이고 단백질의 다중 전하 이온을 만들면 큰 분자도 분석할 수 있다.[62]

소닉 스프레이 이온화는 약물 분석을 위해 고성능 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography)와 함께 사용된다.[63][64] 올리고뉴클레오타이드도 이 방법으로 연구되었다.[65][66] SSI는 주변 이온화(ambient ionization)를 위해 탈착 전기분무 이온화(desorption electrospray ionization)와 비슷하게 쓰이며, 박층 크로마토그래피(thin-layer chromatography)와 결합되기도 한다.[68]

2. 7. 8. 초음파 보조 분무 이온화 (Ultrasonication-Assisted Spray Ionization, UASI)

초음파 보조 분무 이온화(UASI)는 물질의 미립화와 이온 생성을 위해 초음파 트랜스듀서를 사용하는 이온화 방식이다.[69][70] 이 방식은 초음파를 이용하여 이온화를 수행한다.[154][155]

2. 8. 열 이온화 (Thermal Ionization)

열 이온화(표면 이온화 또는 접촉 이온화라고도 함)는 기화된 중성 원자를 고온 표면에 분무하여 원자가 이온 형태로 재증발하는 과정이다.[71] 양이온을 생성하려면 원자 종의 이온화 에너지가 낮고 표면의 일함수가 높아야 한다. 이 기술은 낮은 이온화 에너지를 가지고 쉽게 증발하는 알칼리 금속(리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs))에 가장 적합하다.[71]

음이온을 생성하려면 원자 종의 전자 친화도가 높고 표면의 일함수가 낮아야 한다. 이 두 번째 방법은 할로겐 원소(염소(Cl), 브로민(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At))에 가장 적합하다.[72]

2. 9. 주변 이온화 (Ambient Ionization)

주변 이온화(Ambient Ionization)는 시료 전처리나 분리 없이 질량 분석기 외부에서 이온을 생성하는 방법이다.[73][74][75][158][159][160] 이온은 하전된 전기분무 방울로 추출되거나, 열적으로 탈착되어 화학 이온화에 의해 이온화되거나, 레이저 탈착 또는 벗겨내기되어 질량 분석기에 들어가기 전에 후이온화될 수 있다.

고체-액체 추출 기반 대기압 이온화는 하전된 분무를 사용하여 시료 표면에 액체 필름을 생성한다.[74][76][159][161] 표면의 분자는 용매로 추출된다. 일차 방울이 표면에 부딪히는 작용은 질량 분석기의 이온원이 되는 이차 방울을 생성한다.

플라스마 기반 대기압 이온화는 흐르는 기체에서의 방전을 기반으로 하며, 이는 준안정 원자 및 분자와 반응성 이온을 생성한다. 열은 종종 시료로부터 휘발성 종의 탈착을 돕는 데 사용된다. 이온은 기체 상에서 화학적 이온화에 의해 형성된다.

실시간 직접 분석 대기압 이온화 이온원

2. 9. 1. 탈착 전기 분무 이온화 (Desorption Electrospray Ionization, DESI)

탈착 전기 분무 이온화(DESI)는 하전된 방울을 고체 시료에 분사하여 이온을 생성하는 방법이다. 하전된 방울은 시료 표면과 상호작용하면서 시료를 흡수하고, 고도로 하전된 이온을 형성한다. 이렇게 형성된 이온은 질량 분석기로 들어가 분석된다.[77][162] 이 방법은 시료와 이온원 사이의 거리가 수 밀리미터에서 수 센티미터 정도인 경우에 적용된다.[77][162]

2. 9. 2. 실시간 직접 분석 (Direct Analysis in Real Time, DART)

실시간 직접 분석(DART)은 준안정 상태의 원자 또는 분자를 포함하는 기체 흐름에 시료를 노출시켜 이온을 생성하는 방법이다.[78][163] 일반적으로 헬륨 또는 질소 기체가 사용되며, 이러한 기체는 글로우 방전을 통해 여기 상태가 된다. 대기 고체 분석 프로브 (Atmospheric Solids Analysis Probe, ASAP)는 DART와 유사한 방법이다.[78][163]

2. 9. 3. 레이저 기반 주변 이온화

레이저 기반 대기압 이온화는 펄스 레이저를 사용하여 시료 물질을 탈착 또는 벗겨내기하고, 물질 플룸이 전기분무 또는 플라스마와 상호 작용하여 이온을 생성하는 2단계 과정이다. 전기분무 지원 레이저 탈착/이온화(ELDI)는 337 nm UV 레이저[79] 또는 3 μm 적외선 레이저[80]를 사용하여 물질을 전기분무 원천으로 탈착한다. 매트릭스 지원 레이저 탈착 전기분무 이온화(MALDESI)[81]는 다중 하전 이온 생성을 위한 대기압 이온화 방법이다. 자외선 또는 적외선 레이저는 분석 대상 물질과 매트릭스를 포함하는 고체 또는 액체 시료에 조사되어 중성 분석물질 분자를 탈착시키고, 이는 전기분무 용매 방울과의 상호 작용을 통해 이온화되어 다중 하전 이온을 생성한다. 레이저 벗겨내기 전기분무 이온화(LAESI)는 중적외선(mid-IR) 레이저의 레이저 벗겨내기와 보조 전기분무 이온화(ESI) 과정을 결합하는 질량 분석법을 위한 대기압 이온화 방법이다.

3. 이온화 기술의 응용

이온화 기술은 다양한 분야에 응용된다.


  • 질량 분석법(Mass Spectrometry): 시료를 이온화하여 질량 대 전하 비율에 따라 분리하고 검출하여 시료의 구성 성분을 분석하는 기술이다. 전자 이온화(EI), 화학 이온화(CI), 필드 탈착(FI), 고속 원자 충격법(FAB), 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법(MALDI) 등 다양한 이온화 방법이 사용된다.
  • 입자 가속기(Particle Accelerator): 이온원을 사용하여 입자 빔을 생성한다. 전자, 양성자, H− 이온, 중이온 등 생성해야 하는 입자의 종류에 따라 다양한 이온원이 사용된다.
  • 표면 개질: 이온 빔을 사용하여 재료 표면의 물리적, 화학적 특성을 변화시킨다. 표면 세척 및 전처리, 박막 증착, 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 박막 증착, 고분자의 표면 거칠기화 등에 활용된다.

3. 1. 질량 분석 (Mass Spectrometry)

질량 분석법은 시료를 이온화하여 질량 대 전하 비율에 따라 분리하고 검출하여 시료의 구성 성분을 분석하는 기술이다.

전자 이온화(EI)는 특히 유기 분자의 질량 분석에서 널리 사용된다. 전자는 음극과 양극 사이의 아크 방전에 의해 생성되며, 반응식은 다음과 같다.

:M{} + e^- -> M^{+\bullet}{} + 2e^-

원자물리학에서는 전자빔 이온원(EBIS)을 사용하여 강력한 전자빔으로 원자에 충돌시켜 고전하 이온을 생성한다.[86][87]

전자 포획 이온화(ECI)는 기체 상태의 원자 또는 분자가 전자를 얻어 A⁻ 형태의 이온을 생성하는 이온화 과정이다. 반응식은 다음과 같다.

:A + e⁻ →[M] A⁻

전자 포획은 화학적 이온화와 함께 사용될 수 있다.[88] 전자 포획 검출기는 일부 기체 크로마토그래피 시스템에 사용된다.[89]

화학 이온화(CI)는 전자 제거가 아닌 이온-분자 반응을 포함하기 때문에 전자 이온화(EI)보다 에너지가 낮은 과정이다.[90] 에너지가 낮을수록 단편화가 적어지고 일반적으로 스펙트럼이 더 단순해진다. 전형적인 CI 스펙트럼에는 쉽게 식별 가능한 분자 이온이 있다.[91] CI에서는 이온원의 시약 가스 이온과의 충돌에 의해 이온이 생성된다. 일반적인 시약 가스에는 메탄, 암모니아, 이소부탄 등이 있다. 이온원 내부에서는 시료보다 시약 가스가 훨씬 많이 존재한다. 이온원으로 들어가는 전자는 시약 가스를 우선적으로 이온화한다. 그 결과 생성되는 다른 시약 가스 분자와의 충돌에 의해 이온화 플라스마가 생성된다. 이 플라스마와의 반응에 의해 시료의 양이온과 음이온이 형성된다. 반응식은 다음과 같다.

:CH₄ + CH₄⁺ → CH₅⁺ + CH₃

:M + CH₅⁺ → CH₄ + [M + H]⁺

화학 이온화는 기체 상태의 원자 또는 분자와 여기 상태의 원자 또는 분자의 반응에 의해 이온을 형성하는 것이다.[93][94] 반응식은 다음과 같다.

:G* + M → M+• + e- + G

필드 탈착(Field desorption, FI)은 면도날과 같이 날카로운 표면을 가진 방출체 또는 더 일반적으로는 미세한 "수염"이 형성된 필라멘트에 고전위 전기장을 인가하는 이온원을 말한다.[119] 이로 인해 매우 높은 전기장이 발생하여 분석물의 기체 분자를 이온화할 수 있다. FI에 의해 생성된 질량 스펙트럼은 단편화가 거의 또는 전혀 없다. 분자 라디칼 양이온 }이 주를 이루고, 덜 흔하게는 양성자화된 분자 가 나타난다.

원자에 의한 입자 충격을 고속 원자 충격법(FAB)이라고 하며, 원자 또는 분자 이온에 의한 충격을 이차 이온 질량 분석법(SIMS)이라고 한다.[120] 핵분열 조각의 이온화는 적절한 핵종(예: 캘리포늄 동위원소 252Cf)의 핵분열 반응 결과로 생성되는 이온 또는 중성 원자를 사용한다.

FAB에서는 분석물을 매트릭스라고 불리는 비휘발성 화학적 보호 환경과 혼합하여 진공 하에서 고에너지(4000~10,000 전자볼트)의 원자 빔으로 조사한다.[121] 원자는 일반적으로 아르곤이나 크세논과 같은 비활성 기체에서 유래한다. 일반적인 매트릭스에는 글리세롤, 티오글리세롤, 3-니트로벤질알코올(3-NBA), 18-크라운-6 에테르, 2-니트로페닐 옥틸 에테르, 술폴란, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민이 포함된다. 이 기술은 이차 이온 질량 분석법 및 '''플라스마 탈착 질량 분석'''과 유사하다.

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법(MALDI)은 소프트 이온화 기술이다. 시료는 매트릭스 물질과 혼합된다. 레이저 펄스를 받으면 매트릭스가 레이저 에너지를 흡수하고, 이 현상으로 주로 매트릭스가 탈착 및 이온화되는 것으로 여겨진다(프로톤의 부가에 의해). 시료 분자도 탈착된다. 매트릭스는 시료 분자(단백질 등)에 프로톤을 이동시켜 시료를 하전시키는 것으로 여겨진다.

표면 지원 레이저 탈착/이온화(SALDI)는 질량 분석법을 이용한 생체 분자 분석에 사용되는 소프트 레이저 탈착 기술이다.[124][125] 초기에는 흑연 매트릭스를 사용했다. 현재 나노 재료 등 다른 무기 매트릭스를 사용하는 레이저 탈착/이온화법은 종종 SALDI의 변형으로 간주된다.[126] 기존 SALDI와 DART 이온원을 결합한 주변 질량 분석법인 "ambient SALDI"라는 방법도 시연되었다.

열 이온화(표면 이온화 또는 접촉 이온화라고도 함)는 증발된 중성 원자를 고온의 표면에 분무하여 원자가 이온 형태로 재증발하는 것을 포함한다. 양이온을 생성하려면 원자 종의 이온화 에너지가 낮고 표면의 일함수가 높아야 한다. 이 방법은 이온화 에너지가 낮고 증발하기 쉬운 알칼리 원자(Li, Na, K, Rb, Cs)에 가장 적합하다.[156] 음이온을 생성하려면 원자 종의 전자 친화도가 높고 표면의 일함수가 낮아야 한다. 이 두 번째 접근 방식은 할로겐 원자 Cl, Br, I, At에 가장 적합하다.[157]

주변 이온화는 이온이 질량 분석기 외부에서 생성되며, 시료의 전처리나 분리는 수행되지 않는다.[158][159][160] 이온은 대전된 전기 분무 방울로의 추출, 열 탈착 및 화학 이온화, 또는 질량 분석기에 들어가기 전의 레이저 탈착 또는 에이브레이션 및 후이온화에 의해 생성될 수 있다.

고체-액체 추출 기반의 주변 이온화는 대전된 스프레이를 사용하여 시료 표면에 액체 막을 만든다.[159][161] 표면의 분자는 용매에 추출된다. 표면에 충돌하는 1차 방울의 작용에 의해 질량 분석기의 이온원인 2차 방울이 생성된다. 탈착 전기 분무 이온화(DESI)는 전기 분무 소스를 사용하여 수 밀리미터에서 수 센티미터 떨어진 고체 시료를 향해 대전된 방울을 생성한다. 대전된 방울은 표면과의 상호 작용을 통해 시료를 채취하고, 질량 분석기에 샘플링할 수 있는 고대전 이온을 형성한다.[162]

플라스마 기반의 주변 이온화는 준안정 원자와 분자 및 반응성 이온을 생성하는 유동 가스의 방전을 기반으로 한다. 시료로부터의 휘발성 종의 탈착을 지원하기 위해 열이 자주 사용된다. 이온은 기상에서의 화학 이온화에 의해 생성된다. 실시간 직접 분석(DART)은 장수명의 전자적으로 또는 진동적으로 여기된 중성 원자 또는 분자(또는 "메타스테이블")를 포함하는 건조 가스 스트림(일반적으로 헬륨 또는 질소)에 시료를 노출시킴으로써 작동한다. 여기 상태는 일반적으로 DART 소스에서 가스가 흐르는 챔버 내에 글로우 방전을 생성함으로써 형성된다. 대기 고체 분석 프로브(ASAP)라고 불리는 유사한 방법에서는 ESI 또는 APCI 프로브로부터의 가열 가스를 사용하여 ESI/APCI 소스에 삽입된 융점 튜브에 놓인 시료를 증발시킨다.[163] 이온화는 APCI에 의한 것이다.

레이저 기반의 주변 이온화는 펄스 레이저를 사용하여 시료로부터 물질을 탈착 또는 에이브레이션하고, 물질의 플룸이 전기 분무 또는 플라스마와 상호 작용하여 이온을 생성하는 2단계 과정이다. 전기 분무 지원 레이저 탈착/이온화(ELDI)는 337 나노미터를 사용하는 UV 레이저[164] 또는 물질을 전기 분무 소스에 탈착하기 위한 3 마이크로미터 적외선 레이저[165]를 사용한다. 매트릭스 지원 레이저 탈착 전기 분무 이온화(MALDESI)[166]는 다가 이온을 생성하기 위한 대기압 이온화 원이다. 자외선 또는 적외선 레이저는 대상 시료와 전기 분무된 용매 방울과의 상호 작용에 의해 다가 이온을 생성하는 이온화된 중성 시료 분자를 탈착하는 매트릭스를 포함하는 고체 또는 액체 시료를 향한다. 레이저 에이브레이션 전기 분무 이온화(LAESI)는 중적외선(중간 IR) 레이저로부터의 레이저 에이브레이션과 2차 전기 분무 이온화(ESI) 과정을 결합한 질량 분석을 위한 주변 이온화 방법이다.

3. 2. 입자 가속기 (Particle Accelerator)

입자 가속기에서 이온원은 기계의 시작 부분, 즉 ''소스''에서 입자 빔을 생성한다. 입자 가속기용 이온원을 생성하는 기술은 생성해야 하는 입자의 종류(전자, 양성자, H− 이온 또는 중이온)에 따라 크게 달라진다.

  • '''전자:''' 다양한 종류의 전자총으로 생성된다.
  • '''양성자:''' 플라스마 기반 장치(예: 듀오플라스마트론 또는 마그네트론)로 생성된다.
  • '''H− 이온:''' 마그네트론 또는 페닝 원으로 생성된다.
  • '''마그네트론:''' 양극으로 둘러싸인 중앙 원통형 음극으로 구성된다. 방전 전압은 일반적으로 150V보다 크고 전류 소모량은 약 40A이다. 약 0.2 테슬라의 자기장은 음극 축과 평행하다. 수소 가스는 펄스 가스 밸브로 주입된다. 세슘은 종종 음극의 일함수를 낮추는 데 사용되어 생성되는 이온의 양을 증가시킨다. 대형 세슘 처리 장치는 핵융합 장치에서 플라스마 가열에도 사용된다.
  • '''페닝 원:''' 시스의 전기장과 평행한 강한 자기장은 전자와 이온을 음극에서 음극으로 사이클로트론 나선형으로 유도한다. 빠른 H-마이너스 이온은 마그네트론과 마찬가지로 음극에서 생성된다. 이온들은 플라스마 구멍으로 이동하면서 전하 교환 반응으로 인해 속도가 느려진다. 이는 마그네트론에서 얻은 이온보다 차가운 이온 빔을 만든다.
  • '''중이온:''' 전자 사이클로트론 공명 이온원으로 생성될 수 있다.
  • '''전자 사이클로트론 공명(ECR) 이온원:''' 고전하 이온의 강력한 빔 생성을 위해 사용되며, 지난 10년 동안 사용이 크게 증가했다. 핵 및 소립자 물리학에서 선형 가속기, 반데그래프 발전기 또는 사이클로트론으로의 주입기로 사용된다. 원자 및 표면 물리학에서 ECR 이온원은 충돌 실험 또는 표면 조사를 위한 고전하 이온의 강력한 빔을 제공한다.
  • '''전자빔 이온원(EBIS):''' 가장 높은 전하 상태의 중이온(예: 벌거벗은 우라늄 이온)을 생성할 수 있다. 전자빔 이온 트랩(EBIT)도 같은 원리로 작동하며 이온원으로 사용될 수 있다.
  • '''이온총:''' 전자의 열전자 방출을 사용하여 기체 상태의 물질을 이온화하며, 주로 표면 분석에 사용된다.



3. 3. 표면 개질 (Surface Modification)

이온 빔을 사용하여 재료 표면의 물리적, 화학적 특성을 변화시키는 기술이다. 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.

  • 대면적 증착을 위한 표면 세척 및 전처리
  • 박막 증착
  • 두꺼운 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 박막 증착
  • 접착력 및/또는 생체 적합성을 위한 고분자의 표면 거칠기화[84],[169]

참조

[1] 서적 Handbook of Ion Sources https://books.google[...] CRC Press 1995-08-31
[2] 서적 The Physics and Technology of Ion Sources https://books.google[...] John Wiley & Sons 2006-03-06
[3] 서적 X-Ray Radiation of Highly Charged Ions https://books.google[...] Springer Science & Business Media 1997-08-14
[4] 논문 Electron capture negative ion chemical ionization mass spectrometry
[5] GoldBook electron capture detector (in gas chromatography)
[6] 논문 Chemical Ionization Mass Spectrometry. I. General Introduction
[7] 서적 Mass Spectrometry: Principles and Applications John Wiley & Sons, Ltd. 2003
[8] GoldBook charge-exchange ionization
[9] GoldBook chemi-ionization
[10] 논문 Chemi-ionization processes
[11] GoldBook associative ionization
[12] 논문 Theory of associative ionization 1988-04
[13] 논문 Multistate curve-crossing model for scattering: Associative ionization and excitation transfer in helium 1976
[14] 논문 Cold atomic collisions: coherent control of penning and associative ionization 2006
[15] 논문 Atmospheric-pressure Penning ionization of aliphatic hydrocarbons 2006
[16] 간행물 Über Ionisation durch metastabile Atome 1927
[17] GoldBook Penning gas mixture
[18] 논문 Lithium ion attachment mass spectrometry: Instrumentation and features 2001
[19] 논문 Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectrometry Eds.: A. Montaser and D. W. Golightly VCH, Weinheim, 2nd Edition. 1992, ISBN 3-527-28339-0, 984 pp., Hardcover, DM 296,— 1993-01
[20] 논문 High-sensitivity microwave-induced plasma mass spectrometry for trace element analysis 1994
[21] 논문 Elemental analysis with a microwave-induced plasma/quadrupole mass spectrometer system 1981
[22] 논문 Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source 1974
[23] 논문 Characteristics of a Low Energy Duoplasmatron Negative Ion Source 1967
[24] 논문 A high-brightness duoplasmatron ion source for microprobe secondary-ion mass spectrometry 1995
[25] 서적 Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry: Principles and Applications https://books.google[...] John Wiley & Sons 2013-04-09
[26] 서적 Charged Particle Beams https://books.google[...] Dover Publications 2013-07-25
[27] 서적 Ion-Molecule Reaction Rates Measured in a Discharge Afterglow 1969
[28] Submitted manuscript A Personal history of the early development of the flowing afterglow technique for ion-molecule reaction studies https://zenodo.org/r[...] 1992
[29] 논문 Go with the flow: Fifty years of innovation and ion chemistry using the flowing afterglow 2014
[30] 논문 Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis 2005
[31] 논문 Studies in search of selective detection of isomeric biogenic hexen-1-ols and hexanal by flowing afterglow tandem mass spectrometry using [H3O]+ and [NO]+ reagent ions 2012-08-30
[32] 논문 Part I. Principles of spark source mass spectrometry (SSMS) 1981
[33] GoldBook photoionization
[34] 논문 Field ionization mass spectrometry 1969
[35] 논문 Aspects of the production of FAB and SIMS mass spectra 1987
[36] 논문 Fast atom bombardment: a new mass spectrometric method for peptide sequence analysis 1981
[37] 논문 Californium-252 plasma desorption mass spectroscopy 1976
[38] 논문 Approaches to plasma desorption mass spectrometry by some theoretical physics concepts 1993
[39] 논문 Graphite surface-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry of peptides and proteins from liquid solutions 1995
[40] Submitted manuscript Surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry https://zenodo.org/r[...] 2006
[41] 논문 Graphite-Coated Paper as Substrate for High Sensitivity Analysis in Ambient Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry 2012
[42] 논문 Current developments in SELDI affinity technology 2004
[43] 논문 Desorption-ionization mass spectrometry on porous silicon 1999
[44] 논문 Invited Review Article: Laser vaporization cluster sources 2012
[45] 서적 Laser Ablation and Desorption https://books.google[...] Academic Press 1997-12-10
[46] 논문 Discovering the fullerenes 1997
[47] 서적 Atomic and Molecular Clusters https://books.google[...] CRC Press 2002-04-25
[48] 논문 On-line chemical analysis of aerosols by rapid single-particle mass spectrometry 1995
[49] 논문 Real time monitoring of size-resolved single particle chemistry during INDOEX-IFP 99 2000
[50] 서적 Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry https://books.google[...] John Wiley & Sons 2007-05-11
[51] 논문 Solvent Assisted Inlet Ionization: an Ultrasensitive New Liquid Introduction Ionization Method for Mass Spectrometry 2011
[52] 논문 Increasing the Sensitivity of Liquid Introduction Mass Spectrometry by Combining Electrospray Ionization and Solvent Assisted Inlet Ionization 2012
[53] 논문 New Ionization Processes and Applications for Use in Mass Spectrometry
[54] 논문 Analytical strategies for identifying drug metabolites 2007
[55] 논문 Derivatization in mass spectrometry--8. Soft ionization mass spectrometry of small molecules 2006
[56] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2009
[57] 논문 Liquid Chromatograph-Mass Spectrometer for Analysis of Nonvolatile Samples 1980
[58] 논문 Electrospray Ionization-Principles and Practice 1990
[59] 논문 Development of probe electrospray using a solid needle 2007
[60] 논문 Capillary Action-Supported Contactless Atmospheric Pressure Ionization for the Combined Sampling and Mass Spectrometric Analysis of Biomolecules 2011
[61] 논문 Sonic spray mass spectrometry 1995
[62] 논문 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for the analysis of biomolecules in solution 2011-11-22
[63] 논문 Comparison of SSI with APCI as an interface of HPLC-mass spectrometry for analysis of a drug and its metabolites 2002
[64] 논문 Sonic spray ionization technology: performance study and application to a LC/MS analysis on a monolithic silica column for heroin impurity profiling 2002
[65] 논문 Matrix effect on the analysis of oligonucleotides by using a mass spectrometer with a sonic spray ionization source 2001
[66] 논문 Multi-charged oligonucleotide ion formation in sonic spray ionization 2002
[67] 논문 Desorption sonic spray ionization for (high) voltage-free ambient mass spectrometry 2006
[68] 논문 Easy Ambient Sonic-Spray Ionization Mass Spectrometry Combined with Thin-Layer Chromatography 2008
[69] 논문 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for the analysis of biomolecules in solution
[70] 논문 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for on-line monitoring of organic reactions https://zenodo.org/r[...] 2011-11-04
[71] Submitted manuscript Characterization of a cesium surface ionization source with a porous tungsten ionizer. I https://zenodo.org/r[...] 1988
[72] 웹사이트 A Negative-Surface Ionization for Generation of Halogen Radioactive Ion Beams https://web.archive.[...] 2014-01-20
[73] 논문 Ambient Mass Spectrometry 2006
[74] 논문 Mass Spectrometry: Recent Advances in Direct Open Air Surface Sampling/Ionization 2013
[75] 논문 Ambient Ionization Mass Spectrometry 2010
[76] 논문 Chemical Aspects of the Extractive Methods of Ambient Ionization Mass Spectrometry 2013
[77] 논문 Ambient mass spectrometry using desorption electrospray ionization (DESI): instrumentation, mechanisms and applications in forensics, chemistry, and biology 2005
[78] 논문 Analysis of Solids, Liquids, and Biological Tissues Using Solids Probe Introduction at Atmospheric Pressure on Commercial LC/MS Instruments 2005
[79] 논문 Electrospray-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry for direct ambient analysis of solids 2005
[80] 논문 Electrospray-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (ELDI-MS) with an infrared laser for characterizing peptides and proteins 2010
[81] 논문 Generation and detection of multiply charged peptides and proteins by matrix-assisted laser desorption electrospray ionization (MALDESI) Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry 2006
[82] 서적 35 years of H- ions at Fermilab http://www-ad.fnal.g[...] Fermilab 2015-08-12
[83] 논문 Ion Beam Sources https://web.archive.[...] 2006-12-14
[84] 웹사이트 Ion Beam Source Technology https://web.archive.[...] Advanced Energy 2006-12-14
[85] 서적 Handbook of Ion Sources https://books.google[...] CRC Press 1995-08-31
[86] 서적 The Physics and Technology of Ion Sources https://books.google[...] John Wiley & Sons 2006-03-06
[87] 서적 X-Ray Radiation of Highly Charged Ions https://books.google[...] Springer Science & Business Media 1997-08-14
[88] 논문 Electron capture negative ion chemical ionization mass spectrometry 1978
[89] GoldBook electron capture detector (in gas chromatography)
[90] 논문 Chemical Ionization Mass Spectrometry. I. General Introduction 1966
[91] 서적 Mass Spectrometry: Principles and Applications John Wiley & Sons, Ltd. 2003
[92] GoldBook charge-exchange ionization
[93] GoldBook chemi-ionization
[94] 논문 Chemi-ionization processes 1993
[95] GoldBook associative ionization
[96] 논문 Theory of associative ionization 1988-04
[97] 논문 Multistate curve-crossing model for scattering: Associative ionization and excitation transfer in helium 1976
[98] 논문 Cold atomic collisions: coherent control of penning and associative ionization 2006
[99] 논문 Atmospheric-pressure Penning ionization of aliphatic hydrocarbons 2006
[100] 간행물 Über Ionisation durch metastabile Atome 1927
[101] GoldBook Penning gas mixture
[102] 논문 Lithium ion attachment mass spectrometry: Instrumentation and features 2001
[103] 서적 Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectrometry VCH Publishers, Inc. 1992
[104] 논문 High-sensitivity microwave-induced plasma mass spectrometry for trace element analysis 1994
[105] 논문 Elemental analysis with a microwave-induced plasma/quadrupole mass spectrometer system 1981
[106] 서적 Handbook of Ion Sources https://books.google[...] CRC Press 1995-08-31
[107] 논문 Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source 1974
[108] 논문 Characteristics of a Low Energy Duoplasmatron Negative Ion Source 1967
[109] 논문 A high-brightness duoplasmatron ion source for microprobe secondary-ion mass spectrometry 1995
[110] 서적 Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry: Principles and Applications https://books.google[...] John Wiley & Sons 2013-04-09
[111] 서적 Charged Particle Beams https://books.google[...] Dover Publications 2013-07-25
[112] 서적 Ion-Molecule Reaction Rates Measured in a Discharge Afterglow 1969
[113] 논문 A Personal history of the early development of the flowing afterglow technique for ion-molecule reaction studies https://zenodo.org/r[...] 1992
[114] 논문 Go with the flow: Fifty years of innovation and ion chemistry using the flowing afterglow 2014
[115] 논문 Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis 2005
[116] 논문 Studies in search of selective detection of isomeric biogenic hexen-1-ols and hexanal by flowing afterglow tandem mass spectrometry using [H3O]+ and [NO]+ reagent ions 2012-08-30
[117] 논문 Part I. Principles of spark source mass spectrometry (SSMS) 1981
[118] 백과사전 photoionization
[119] 논문 Field ionization mass spectrometry 1969
[120] 논문 Aspects of the production of FAB and SIMS mass spectra 1987
[121] 논문 Fast atom bombardment: a new mass spectrometric method for peptide sequence analysis 1981
[122] 논문 Californium-252 plasma desorption mass spectroscopy 1976
[123] 논문 Approaches to plasma desorption mass spectrometry by some theoretical physics concepts 1993
[124] 논문 Graphite surface-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry of peptides and proteins from liquid solutions 1995
[125] 논문 Surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry https://zenodo.org/r[...] 2006
[126] 논문 Graphite-Coated Paper as Substrate for High Sensitivity Analysis in Ambient Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry 2012
[127] 논문 Current developments in SELDI affinity technology 2004
[128] 논문 Desorption-ionization mass spectrometry on porous silicon 1999
[129] 논문 Invited Review Article: Laser vaporization cluster sources 2012
[130] 서적 Laser Ablation and Desorption https://books.google[...] Academic Press 1997-12-10
[131] 논문 Discovering the fullerenes 1997
[132] 서적 Atomic and Molecular Clusters https://books.google[...] CRC Press 2002-04-25
[133] 논문 On-line chemical analysis of aerosols by rapid single-particle mass spectrometry 1995
[134] 논문 Real time monitoring of size-resolved single particle chemistry during INDOEX-IFP 99 2000
[135] 서적 Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry https://books.google[...] John Wiley & Sons 2007-05-11
[136] 논문 Solvent Assisted Inlet Ionization: an Ultrasensitive New Liquid Introduction Ionization Method for Mass Spectrometry 2011
[137] 논문 Increasing the Sensitivity of Liquid Introduction Mass Spectrometry by Combining Electrospray Ionization and Solvent Assisted Inlet Ionization 2012
[138] 논문 New Ionization Processes and Applications for Use in Mass Spectrometry 2013
[139] 논문 Analytical strategies for identifying drug metabolites 2007
[140] 논문 Derivatization in mass spectrometry--8. Soft ionization mass spectrometry of small molecules 2006
[141] 서적 IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2009
[142] 학술지 Liquid Chromatograph-Mass Spectrometer for Analysis of Nonvolatile Samples 1980
[143] 학술지 Electrospray Ionization-Principles and Practice 1990
[144] 학술지 Development of probe electrospray using a solid needle 2007
[145] 학술지 Capillary Action-Supported Contactless Atmospheric Pressure Ionization for the Combined Sampling and Mass Spectrometric Analysis of Biomolecules 2011
[146] 학술지 Sonic spray mass spectrometry 1995
[147] 학술지 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for the analysis of biomolecules in solution 2011-11-22
[148] 학술지 Comparison of SSI with APCI as an interface of HPLC-mass spectrometry for analysis of a drug and its metabolites 2002
[149] 학술지 Sonic spray ionization technology: performance study and application to a LC/MS analysis on a monolithic silica column for heroin impurity profiling 2002
[150] 학술지 Matrix effect on the analysis of oligonucleotides by using a mass spectrometer with a sonic spray ionization source 2001
[151] 학술지 Multi-charged oligonucleotide ion formation in sonic spray ionization 2002
[152] 학술지 Desorption sonic spray ionization for (high) voltage-free ambient mass spectrometry 2006
[153] 학술지 Easy Ambient Sonic-Spray Ionization Mass Spectrometry Combined with Thin-Layer Chromatography 2008
[154] 학술지 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for the analysis of biomolecules in solution
[155] 학술지 Ultrasonication-assisted spray ionization mass spectrometry for on-line monitoring of organic reactions https://zenodo.org/r[...] 2011-11-04
[156] 학술지 Characterization of a cesium surface ionization source with a porous tungsten ionizer. I https://zenodo.org/r[...] 1988
[157] 웹사이트 A Negative-Surface Ionization for Generation of Halogen Radioactive Ion Beams http://www.ornl.gov/[...]
[158] 학술지 Ambient Mass Spectrometry 2006
[159] 학술지 Mass Spectrometry: Recent Advances in Direct Open Air Surface Sampling/Ionization 2013
[160] 학술지 Ambient Ionization Mass Spectrometry 2010
[161] 학술지 Chemical Aspects of the Extractive Methods of Ambient Ionization Mass Spectrometry 2013
[162] 학술지 Ambient mass spectrometry using desorption electrospray ionization (DESI): instrumentation, mechanisms and applications in forensics, chemistry, and biology 2005
[163] 학술지 Analysis of Solids, Liquids, and Biological Tissues Using Solids Probe Introduction at Atmospheric Pressure on Commercial LC/MS Instruments 2005
[164] 학술지 Electrospray-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry for direct ambient analysis of solids 2005
[165] 학술지 Electrospray-assisted laser desorption ionization mass spectrometry (ELDI-MS) with an infrared laser for characterizing peptides and proteins 2010
[166] 학술지 Generation and detection of multiply charged peptides and proteins by matrix-assisted laser desorption electrospray ionization (MALDESI) Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry
[167] 서적 35 years of H- ions at Fermilab http://www-ad.fnal.g[...] Fermilab 2015-08-12
[168] 학술지 Ion Beam Sources http://www.advanced-[...] 2006-12-14
[169] 웹사이트 Ion Beam Source Technology http://www.advanced-[...] Advanced Energy 2006-12-14


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