KR20190066600A - 무기 이온 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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마이클 찰스 브레드모어
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Abstract

샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템으로서,
● 3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층(alternating layers)의 내부 코팅을 갖는 분리 채널;
● 상기 분리 채널의 검출 구역을 통과하는 무기 음이온을 검출하기 위한 검출기; 및
● 샘플 용액과 배경 전해질을 함유하는 유체를 분리 채널의 유입 단부 내로 분사하기 위한 분사 시스템;을 포함하며,
상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층이고,
배경 전해질은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 포함하며,
양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 폴리에틸이민이 아니다.

Description

무기 이온 검출 시스템 및 방법
본 출원은 호주 가출원 제2016903232호 및 제2017902304호의 우선권을 주장한다. 상기 호주 가출원에 대한 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 모세관 전기영동과 같은 전기영동법을 사용하여 샘플의 무기 음이온을 분리하고 검출하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템 및 방법은 폭발물(explosives)에 존재하는 무기 음이온의 존재를 검출할 수 있도록 샘플 분석에 특정 응용을 갖는다. 본 발명은 또한 시스템 및 방법과 관련된 모세관, 키트 및 용도에 관한 것이다.
이러한 분석 결과가 테러리스트 공격의 연구 및 예방하는데 필수적인 도구이기 때문에, 폭발물을 식별하기 위한 빠르고 신뢰할 수 있는 분석 방법을 개발하는 것에 상당한 관심이 있다.
무기 급조 폭발물(inorganic improvised explosive devices, IEDs)은 강력한 무기 산화제와 연료의 조합을 기반으로 한다. 엄격하게 통제된 유기 고성능 폭발물과 달리, 무기 IED 구성요소 저비용으로 쉽고 합법적으로 얻을 수 있다. 이러한 구성요소으로부터의 IED 제조도 비교적 간단하다.
폭발성 잔류물의 검출은 폭발 전 또는 폭발 후 분석으로 크게 분류할 수 있다. 폭발 후 분석은 폭파 지점 바로 주변의 폭발물 분석 및 식별을 다룬다. 반면에 폭발 전 분석은 일종의 장치로 폭발성 구성요소를 식별하며, 대중교통 위치, 화물 진입 지점 및 보안 시설에 사용된다. 두 가지 검출 범주 모두 중요하지만, 폭발 전 검출의 예방적 성질은 매우 유용하다. 폭발 전 검출은 벌크 검출 기술(예를 들어, X 선, 라만 및 IR) 또는 폭발물 검출지(explosive trace detection,ETD)를 사용하여 수행될 수 있다. 흔적 검출은 장비에 놓인 스압(swab)(또는 공기의 퍼프)을 사용하고 제공된 각 폭발물의 양을 측정하여 표면으로부터 폭발성 잔류물 또는 마커를 제거하는 것이다.
이온 이동성 분광계(Ion Mobility Spectrometry, IMS) 및 가스 크로마토그래피 - 질량 분석계(Gas Chromatography - Mass Spectrometry, GC-MS)를 사용하는 직접적인 폭발 전 분석은 현재 전 세계 대부분의 주요 공항에서 사용되고 있다. 스왑 샘플은 이 장비에 직접 삽입되어 몇 초 후에 결과가 전달되지만 무기물 또는 과산화물 기반 폭발물에 대한 적용 가능성은 타겟 종류의 물리 화학적 특성으로 인해 제한된다.
모세관 전기영동(CE)은 무기 IED의 식별 가능성이 있는 특성의 매력적인 조합을 제공한다. CE 사용의 주된 한계는 비교적 높은 검출 한계, 현존하는 형태의 분리 컬럼에서 재현 가능한 이동 시간을 얻는데 어려움, 비교적 긴 분석 시간이다. 따라서, 무기 IED에 존재하는 유형의 무기 음이온을 검출하기 위한 대안적 또는 개선된 방법, 시스템 및/또는 구성요소가 필요하다. 이온 간의 적절한 분해능과 적절한 시간 범위 내에서의 분리를 달성하고, 신뢰할 수 있는 재현성을 갖는 것이 바람직하다.
제1 양태에 따르면, 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
● 3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층(alternating layers)의 내부 코팅을 갖는 분리 채널;
● 분리 채널의 검출 구역을 통과하는 무기 음이온을 검출하기 위한 검출기;
● 샘플 용액과 배경 전해질(background electrolyte)을 포함하는 유체를 분리 채널의 유입 단부 내로 분사하기 위한 분사 시스템;을 포함하며
상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층이고, 상기 배경 전해질은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 포함하며, 상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 폴리에틸이민이 아니다.
분리 채널을 코팅하는데 사용된 양이온성 중합체는 3차 아민 폴리양이온 또는 4차 아민 폴리양이온(예를 들어, 헥사디메트린(hexadimethrine) 중합체)일 수 있다. 분리 채널을 코팅하는데 사용된 음이온성 중합체는 술폰화된 중합체(sulfonated polymer), 술폰화된 공중합체(sulfonated copolymer), 설페이트화된 중합체(sulphated polymer) 또는 공중합체(sulphated copolymer), 예를 들어 폴리스티렌 술포네이트(polystyrene sulfonate)일 수 있다.
제2 양태에 따르면, 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
● 3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층의 내부 코팅을 갖는 분리 채널을 포함하는 교체형 카트리지(replaceable cartridge)를 수용하도록 형성된 리시버(receiver);
● 분리 채널을 포함하는 카트리지가 리시버에 위치될 때, 분리 채널의 검출 구역을 통과하는 무기 음이온을 검출하도록 배치된 검출기;
● 카트리지가 리시버에 위치될 때, 샘플 용액과 배경 전해질을 포함하는 유체를 카트리지에 포함된 분리 채널의 유입 단부에 분사하기 위한 분사 시스템;
● 분사 시스템, 유체의 흐름 및 무기 음이온의 검출을 위한 검출기의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러;를 포함하며,
상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층이다.
배경 전해질에서 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하는 층의 사용과 추가 양이온성 중합체의 사용과의 조합은 충분한 효율 및 분해능을 유지하면서 분리 시간이 감소할 수 있게 한다. 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하는 층은 전기 삼투 유동(Electro-Osmotic Flow)를 제어하는 반면, 배경 전해질에서 추가 양이온성 중합체의 존재는 이온 교환 메카니즘에 의한 분리 선택성을 변경시킨다. 또한, 분리 채널의 다층 코팅으로 인해 증가된 안정성은 무기 음이온의 우수한 분리 분해능을 유지하면서 채널 수명을 연장시킨다. 신속한 분리와 더 오랜 실행 시간의 조합으로 전기영동 시스템은 자동화 및 많은 시료 처리량 응용 분야에 적합하다.
제1 및 제2 양태에 따르면, 코팅은 배경 전해질과 같이 채널을 따라 흐르는 유체와 접촉하게 되는 채널 또는 모세관의 내부 표면상에 있다.
제3 양태에 따르면, 전기영동법을 사용하여 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:
- 샘플과, 폴리에틸렌이민을 포함하는 배경 전해질을 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하는 층으로 코팅된 분리 채널 내로 도입시키는 단계;
- 분리 채널에 전압 전위를 가하여 무기 음이온의 분리를 수행하는 단계; 및
- 분리된 무기 음이온의 존재를 검출하는 단계;를 포함하는 샘플 처리 시퀀스를 포함하며,
상기 분리 채널 코팅의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층이며, 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 폴리에틸렌이민이 아니다.
시스템은 분사 시스템과 분리 채널을 통해 배경 전해질의 흐름을 생성하기 위한, 예를 들어 펌프와 같은 유동 발생기를 더 포함할 수 있다.
시스템은 분사 시스템, 분사 시스템을 통한 배경 전해질의 흐름 및 전극에 가해지는 전압을 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
제4 양태에 따르면, 3개 이상의 층으로서, 헥사디메트린 중합체 및 폴리스티렌 술포네이트 또는 공중합체, 염 또는 이의 유도체가 교대하여 형성된 층(제1층과 마감층은 헥사디메트린 브로마이드 층)의 내부 코팅을 포함하는 샘플에서 무기 음이온의 분리 및 검출을 위한 분리 모세관이 제공된다..
헥사디메트린 브로마이드(hexadimethrine bromide)와 같은 양이온성 헥사디메트린 중합체와 음이온성 폴리스티렌 술포네이트의 교대하는 층으로 코팅된 모세관은 양이온성 중합체의 단일층으로 코팅된 모세관에 비해 증가된 안정성을 갖는다. 코팅의 안정성이 향상되어 시스템이 이동 시간의 재현성 및 EOF의 유지율을 유지하는 런 수(number of runs)가 늘어난다.
제5 양태에 따르면, 이러한 분리 모세관을 포함하는 카트리지가 제공된다. 카트리지는 또한 본 명세서에 개시된 배경 전해질을 포함하는 배경 전해질 저장소를 포함할 수 있다. 분리를 수행하기 위한 시스템에 분리 가능하게 삽입되도록 성형된 카트리지에 모세관을 포함시키면, 장치의 소모품을 신속하게 보충할 수 있으며 현장의 숙련되지 않은 사용자에 의해 수행될 수 있다.
다른 변형 예에서, 분리 모세관 및 배경 전해질을 포함하는 교체형 카트리지로 시스템을 고안하는 대신, 그 자리에 코팅을 형성하고 배경 전해질을 보충하는 데 필요한 용액을 함께 패키징하여 키트로 판매할 수 있다. 이 경우, 다음을 포함하는 시약 키트(reagent kit)가 제공된다:
- 헥사디메트린 중합체를 포함하는 제1 모세관 코팅 조성물;
- 폴리스티렌 술포네이트를 포함하는 제2 모세관 코팅 조성물; 및
- 폴리에틸렌이민을 포함하는 배경 전해질 조성물.
키트의 다른 형태는 다음을 포함할 수 있다:
- 3개의 층으로서, 헥사디메트린 브로마이드와 폴리스티렌 술포네이트가 교대하여 형성된 층(제1층과 마감층은 헥사디메트린 브로마이드 층)의 내부 코팅 포함하는 분리 모세관; 및
- 폴리에틸렌이민을 포함하는 배경 전해질 조성물.
모든 도면에서, 피크가 수치 참조로 도시되어 있으며, 피크 참조는 다음과 같다: 1=클로라이드(chloride), 2=니트레이트(nitrate), 3=클로레이트(chlorate), 4=플루오라이드(fluoride), 5=퍼클로레이트(perchlorate), 6=티오시아네이트(thiocyanate), 7=카보네이트(carbonate), 8=프로판술포네이트(propanesulfonate), 9=설페이트(sulphate), 10=메탄술포테이트(methanesulfonate), 12=포르메이트(formate), 및 13=펜탄술포네이트(pentanesulfonate).
도 1은 Scantex SI-CE 셋업의 도식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기기 배치 및 다음의 조건을 이용하여 타켓 음이온 혼합(1ppm)을 분석하여 얻어진 전기영동 도이다: BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 25μm x 35cm (검출기까지 26.5cm) HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 1초 동안 1kV 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 샘플 음이온.
도 3은 타겟 음이온의 SI-CE 분리에 따른 %PEI의 효과를 도시하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+ varied PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 26.5cm) HDMB 코팅됨, 전압: 50kV, 0초 동안 1μL/sec 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 5ppm에서 메탄술포네이트 및 2ppm에서 프로판술포네이트를 제외한 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 4는 도 4는 HDMB의 단일층으로 코팅된 모세관을 사용하는 SI-CE 시스템의 재현성을 보여주는 전기영동 도의 비교도이며, 분석 사이의 플러시 단계는 없다. BGE: 50mM Tris/CHES+ 0.05% PEI, 모세관: 25μm x 35cm(검출기까지 25cm) HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 1초 동안 1μL/sec 분사.
도 5는 HDMB의 단일층으로 코팅된 모세관을 사용하는 SI-CE 시스템의 재현성을 나타내는 전기영동 도의 비교도이며, 분석 사이에 BGE로 플러싱한(flushing) 것이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 25μm x 35cm (검출기까지 25cm) HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0.5초 동안 0.5μL/sec 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 5ppm에서 프로판술포네이트를 제외한 2ppm에서의 샘플 음이온.
도 6은 사용된 모세관을 새로운 HDMB 층으로 재코팅하는 효과를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 25μm x 35cm (검출기까지 25cm) HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 1초 동안 1kV 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 7은 3 또는 5개의 코팅된 모세관을 사용하여 Scantex SI-CE 분리를 도시하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.07% PEI, 모세관: 25μm x 35cm (25cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 및 HDMB/PSS/HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초 동안 0μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 5ppm에서의 프로판술포네이트를 제외하고 2ppm에서의 샘플 음이온.
도 8은 Scientex SI-CE In-BES에 HDMB 및 PDDAC 코팅 모세관을 사용하여 얻은 분리를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 50μm x 35cm (25cm 검출기까지) HDMB 및 PDDAC/PSS/PDDAC 코팅됨, 전압: 25kV, 0.5초 동안 0.5μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 5ppm에서의 프로판술포네이트를 제외하고 2ppm에서의 샘플 음이온.
도 9는 표 2에 설명된 코팅 시퀀스를 사용하여 모세관 대 모세관 재현성을 도시하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 50μm x 40cm (26.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초 동안 0μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 프로판술포네이트를 제외하고 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 10은 도 10은 코팅 과정을 사용하여 모세관 대 모세관 재현성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 타겟 음이온의 In-BES 분리에 대한 BGE의 노화 효과를 도시하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (36.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 50kV, 0초 동안 0μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 메탄술포네이트 및 프로판술포네이트를 제외하고 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 12는 pH 6.0에서 Scantex In-BES 분리에 대한 PEI의 효과를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: pH 6.0에서 30mM MES/21mM 히스티딘, 모세관: 50μm x 60cm (46.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: FES 압력을 사용하여 4초종안 종료된 솔레노이드. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 13은 pH 6.0에서 Mes/히스티딘 BGE를 사용하여 타겟 음이온 혼합물의 분리를 보여주는 전기영동 도이다. pH 6.0에서의 BGE. BGE: pH 6.0에서의 30mM MES/21mM 히스티딘 + 0.02% PEI, 모세관: 50μm x 60cm (46.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: FES 압력을 사용하여 4초종안 종료된 솔레노이드. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 14는 pH 6.0에서 MES/히스티딘 BGEs를 사용하여 EOF 안정성을 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: pH 6.0에서 30mM MES/21mM 히스티딘 + 0.02% PEI, 모세관: 50μm x 60cm (46.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: FES 압력을 사용하여 4초종안 종료된 솔레노이드. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 15는 관찰된 분리에 대한 모세관 직경의 영향을 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 25/50μm x 35cm (검출기까지 26.5cm) HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0.5초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 5ppm에서의 프로판술포네이트를 제외한 1ppm에서의 음이온.
도 16은 모세관 출구/고전압 인터페이스에 대한 변경을 도시하는 개략도이다.
도 17은 타겟 무기 폭발물 마커 음이온(target inorganic explosive marker anions)의 SI-CE 분리를 위한 전압을 비교하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 50μm x 35/50cm (검출기까지 21.5/36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 30/50kv, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 프로판술포네이트를 제외한 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 18은 Spellman SL120PN HV 전원 및 도 16에 도시된 인터페이스를 사용하여 타겟 음이온의 SI-CE 분리에 의해 증가된 전압의 영향을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 50μm x 35cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 분류된대로, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 프로판술포네이트를 제외한 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 19는 Spellman SL120PN HV 전원 공급 장치를 사용하여 베이스 라인 안정성에 대한 검출기 위치의 영향을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.05% PEI, 모세관: 50μm x 35cm (검출기까지 ~26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 30kV, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 2ppm에서의 프로판술포네이트를 제외한 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 20은 분리 시간 대 인가된 전압을 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 분류된대로, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 21은 그림 21은 표준 375μm OD 용융 실리카 모세관을 사용하여 높은 전계 강도 분리를 도시하는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm (375μm OD) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 분류된대로의 길이, 전압: 40kV, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 22는 표준 375μm OD 용융 실리카 모세관을 사용하여 높은 전계 강도 분리를 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm (375μm OD) x 20cm (6.5cm 검출기까지) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분류된대로 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 23은 시스템에서 사용된 상이한 T-피스 유닛의 효과를 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.055% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 4초 동안 솔레노이드가 닫힌 상태에서 FES 압력 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 메탄술포네이트, 스왑으로부터 남아있는 다른 피크 부분.
도 24는 하나의 T-피스 디자인의 개략도이다.
도 25는 Scantex SI-CE 시스템의 대체 T-피스 레이아웃을 보여주는 개략도이다.
도 26은 도 24 및 25에 도시된 3개의 T- 피스 방향을 사용하여 9개의 타겟 음이온 표준의 분리를 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: 상단 분리에서 2초, 하단 2 분리에서 4초 동안 솔레노이드가 닫힌 상태에서 FES 압력. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 27은 도 25B에 도시된 T-피스 방향을 사용하여 40ppm의 10μL 표준을 첨가한 스왑의 Scantex 분석에 따른 클리어다운(cleardown)을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: 솔레노이드가 4초 동안 닫힌 상태에서 FES 압력. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 28은 양성 분석 후 FES 캐리오버(carryover)를 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: 솔레노이드가 5초 동안 닫힌 상태에서 수동 분사 또는 FES 압력. 실행 사이에 플러싱된 모세관. C1SO3 -
도 29는 Scantex In-BES 내의 모세관 설치의 재현성을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.055% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 분사: 솔레노이드가 5 초 동안 닫힌 상태에서 FES 압력. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 30은 Scantex -In-BES 분리에서 샘플 유속의 효과를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 45kV, 분류된대로 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm에서의 샘플 음이온.
도 31은 Scantex In-BES를 사용한 다양한 샘플 유량의 피크 면적 및 피크 높이에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다. 도 30과 같은 조건.
도 32는 온도 제어가 없는 965회 연속 실행에서 Scantex In-BED의 재현성을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 45kV, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 1ppm의 메탄설포네이트 및 프로판 설포네이트를 제외하고는 0.5ppm에서의 샘플 음이온.
도 33은 도 32에 도시된 분리를 위한 이동 시간 및 상대 이동 시간을 나타내는 그래프이다.
도 34는 온도 조절 하우징을 사용한 1875 연속 분석에 대한 이동 시간과 상대 이동 시간을 보여주는 그래프이다. 다른 조건은 25kV인 분리 전압을 제외하고 도 32와 같다.
도 35는 온도 제어 하우징을 사용하는 Scantex In-BES의 재현성을 연구하는 동안 첫 번째와 마지막 실행을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES+0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초 동안 1μL/초 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 샘플 음이온은 1ppm 인 메탄술포네이트 및 프로판술포네이트를 제외하고는 0.5ppm이다.
도 36은 핸드 스왑의 분석 및 그 이후 추출을 나타내는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관. 피크는; 1=클로라이드 및 7=카보네이트.
도 37은 최근 바닷물에 노출된 피부에서 채취한 스왑의 분석을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 38은 Coles 항균 핸드워시로 세척한 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 39는 Redwin 소르보렌 모이스처라이저를 도포한 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 40은 Coles 스타일링 겔을 사용한 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 41은 Aerogard Tropical Strength 구충제를 사용한 후의 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 42는 존슨즈 베이비 파우더를 사용한 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 43은 유기농 컨디셔닝 샴푸를 사용한 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 44는 CC의 Cheese Supreme Corn Chips를 취급한 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트): 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 45는 도 44에 도시된 전기 영동도의 비교를 나타낸 확대도이다.
도 46은 콜스 롤-온 땀 억제제(Coles Roll-on Antiperspirant)의 적용 후 손의 스왑을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 추출 용액 BGE에 직접 첨가된 1ppm 내부 표준 (메탄 술포네이트) : 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 47은 하루 동안의 타겟 음이온 표준을 첨가한 스왑의 분석 및 동일한 스왑의 세척 후 후속 분석을 나타내는 전기 현미경 사진의 비교이다. 기기의 설정은 Scantex 시스템의 후속 반복에서 수정되었다. 샘플 또는 BGE를 SI-CE T-피스로 전환하는데 사용되는 스위칭 밸브는 간단한 T-피스로 교체되었다. 이 레이아웃은 최종 Scantex In-BES와 동일한 방식으로 작동하지만 FES 및 BES의 플러싱은 분리가 완료된 후에만 수행할 수 있다. 샘플링 : Scantex 시스템에 삽입하기 전에 스왑을 100ppm 타겟 음이온 표준에 담근다. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 48은 범위에서 취한 샘플의 분석을 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 샘플링 : 젖은 스왑과 마른 스왑을 IED의 준비 범위에서 개인의 한 손에 닦았다. 또 다른 젖은 스왑은 IED 기반의 흑색 파우더가 폭발한 후 목격자 플레이트(witness plate)를 통해 닦았다. 모든 스왑을 꺼내서 Scantex 시스템이 위치한 현장의 이동 연구실로 가져갔다. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 40cm (검출기까지 26.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 25kV, 0초동안 종료된 솔레노이드 분사. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 49는 일반 대중으로부터의 자원 봉사자를 대상으로 한 검사에서 선발된 검사 결과를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 스왑을 자원 봉사자의 손과 바지 다리, 신발의 맨 위에 올려놓은 채로 단일 스왑 샘플을 각 자원 봉사자에게서 가져 왔다. Milli-Q 물로 적신 새로운 스왑을 각 분석에 사용하였다. 최고 궤적은 40ppm 표준 10μL을 첨가한 빈 스왑(blank swab)을 사용하여 얻었다. The top trace was obtained using a blank swab spiked with 10μL of 40ppm standard. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 4초동안 종료된 솔레노이드 분사. 34 B와 같은 T-피스 구성. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 50은 도 49에서 언급한 것과 다른 요일과 장소에 있는 일반 대중의 자원 봉사자를 대상으로 한 시험에서 선발된 검사 결과를 보여주는 전기 영동도의 비교이다. 스왑을 자원 봉사자의 손과 바지 다리, 신발의 맨 위에 올려놓은 채로 단일 스왑 샘플을 각 자원 봉사자에게서 가져 왔다. 각각의 스왑을 새로운 스왑으로 교체하는 대신 단일 스왑을 모든 검사에 사용하였다. 스왑에 10ppm의 40ppm 표준을 첨가하고 분석하여 샘플을 얻었다. BGE: 50mM Tris/CHES + 0.06% PEI, 모세관: 25μm x 50cm (검출기까지 36.5cm) HDMB/PSS/HDMB 코팅됨, 전압: 40kV, 4초동안 종료된 솔레노이드 분사. 34 B와 같은 T-피스 구성. 실행 사이에 플러싱된 모세관.
도 51은 Scantex 시스템의 전체 분석 시간 프레임을 보여주는 개략도이다. 표 1과 같은 조건. 샘플: 스테인리스 강판의 젖은 스왑에 5μL의 100ppm 표준 용액을 묻혀 건조시킨다.
전술한 바와 같이, 본 출원은 전기영동법을 사용하여 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템 또는 방법에서 분리 채널 상의 코팅으로서 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하는 층의 사용을 포함한다. 하기에서, 일부 실시 양태에서 배경 전해질에서 양이온성 중합체의 사용과 조합되는 분리 채널 상에 다층 코팅체의 사용을 기술하였다. 모세관 전기영동법 및 분리 모세관의 사용 또한 기술되었지만, 본 발명은 모세관뿐 아니라 다른 형태의 분리 채널의 사용으로도 확장된다.
분리 채널
용어 "분리 채널(separation channel)" 분리 모세관 및 분석물 또는 이온의 분리가 수행될 수 있는 마이크로 칩의 미세 가공 채널과 같은 다른 채널 장치를 포함한다. 다음에서, 모세관 전기영동에 대한 참조가 있는 경우, 동일한 배열이 마이크로 칩 전기영동 및 MEKC와 같은 다른 형태의 전기영동에 적용될 수 있음이 이해될 것이며, 따라서 이러한 참조는 이 점에 국한되지 않는다.
분리 채널은 용융 실리카 모세관일 수 있다. 구멍이 더 작은 모세관(smaller bore capillaries)을 사용하면, 작은 모세관에서의 더 큰 표면 대 부피 비율로 인해 증가된 전기 삼투 유동(electroosmotic flow, EOF)로 인한 분석 시간이 단축된다. 분리 모세관의 내부 직경은은 약 10 내지 100 μm, 예를 들어 10 내지 75 μm, 10 내지 50 μm, 20 내지 50 μm, 20 내지 30 μm, 25 내지 50 μm일 수 있다. 분리 모세관의 공칭 내부 직경은 25 미크론(microns), 30 미크론 또는 50 미크론일 수 있다.
구멍이 더 작은 모세관, 예를 들어 25 μm 모세관을 사용하면, 오직 25 kV의 분리 전압을 사용하여 50초 이내에 타겟 음이온을 분리할 수 있다. 이러한 차이는 상대적으로 적지만 며칠 또는 몇 주 동안 지속적으로 사용하면 합계가 커질 수 있다.
분리 모세관의 길이는 약, 15 cm 또는 그 이상 및 최대 100 cm일 수 있지만, 분리 시간을 단축시키기 위해 15 내지 60 cm의 짧은 모세관 길이가 바람직하다. 이 길이는 전체 컬럼 길이를 나타탠다. 검출 구역은 전형적으로 모세관의 배출 단부로부터 이격될 것이므로, 유효 길이는 검출 구역 위치에 대응하는 길이만큼 더 짧다. 실시예에서 사용된 분리 모세관의 길이는 20 내지 60 cm이었다.
용융 실리카 모세관과 같은 분리 채널은 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 3개 이상의 교대하는 층으로 코팅되며, 코팅의 제1층(최내각층)과 마감층(최외각층)은 모두 양이온성 중합체층이다. 층은 채널 또는 모세관의 내표면 상에 있다. 이러한 배열에서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하는 층은 안정적인 코팅의 형성을 초래한다. 일례로서, 양이온성 중합체의 제1층은 (음이온성 표면을 형성하기 위해 초기에 염기로 처리된 용융 실리카 모세관과 같은) 분리 모세관의 음전하로 하전된 표면 상에 형성되고, 이어서 음이온성 중합체의 제2층이 제1 양이온성 중합체 층의 양전하로 하전된 표면 상에 형성되며, 마지막으로 양이온성 중합체의 제3층이 음이온성 중합체의 음전하로 하전된 표면 상에 형성되어 마감층으로서 양이온성 중합체 층을 남긴다. 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 추가 교대하는 층이 코팅에 첨가될 수 있으며, 마감층(최외각층)이 양이온성 중합체 층인 것을 이해할 것이다.
코팅체는 홀수의 층을 가질 것이다. 층의 수는 3 이상이며, 3, 5, 7, 9, 11 또는 13개의 층일 수 있다. 3, 5 또는 7개의 층이 바람직하며, 3개가 특히 바람직하다.
분리 채널을 코팅하는데 사용된 양이온성 중합체는 3차 아민 폴리양이온(tertiary amine polycation) 또는 4차 아민 폴리양이온(quaternary amine polycation)일 수 있다. 분리 채널을 코팅하는데 사용된 양이온성 중합체는 헥사디메트린 중합체(hexadimethrine polymer) 또는 폴리디알릴디메틸암모늄 중합체(polydiallyldimethylammonium polymer)일 수 있다. 헥사디메트린 중합체의 예는 헥사디메트린 브로마이드(hexadimethrine bromide), 헥사디메트린 할라이드(hexadimethrine halides)(브로마이드, 요오다이드 등등) 및 헥사디메트린 하이드록사이드(hexadimethrine hydroxide)를 포함한다. 폴리디알릴디메틸암모늄 중합체의 예는 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드(polydiallyldimethylammonium chloride), 폴리디알릴디메틸암모늄 할라이드(polydiallyldimethylammonium chloride)(클로라이드, 브로마이드, 요오다이드 등등), 폴리디알릴디메틸암모늄 하이드록사이드(polydiallyldimethylammonium hydroxide), 폴리디알릴디메틸암모늄 설페이트(polydiallyldimethylammonium sulfate), 폴리디알릴디메틸암모늄 비설페이트(polydiallyldimethylammonium bisulfate), 폴리디알릴디메틸암모늄 카보네이트(polydiallyldimethylammonium carbonate), 및 폴리디알릴디메틸암모늄 아세테이트(polydiallyldimethylammonium acetate)를 포함한다. 폴리디알릴디메틸암모늄 중합체는 최대 1,000,000의 분자량을 가질 수 있으며, 일례로서 100,000 내지 1,000,000의 분자량을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 분리 채널을 코팅하는데 사용된 양이온성 중합체는 헥사디메트린 브로마이드이다.
분리 채널을 코팅하는데 사용된 음이온성 중합체는 폴리스티렌 술포네이트(polystyrene sulfonate), 덱스트란 설페이트(dextran sulfate), 폴리(비닐술포네이트)(poly(vinylsulfonate))와 같이 술폰화된 또는 설페이트화된 중합체 또는 공중합체이거나, 아크릴산(acrylic acid) 또는 아크릴릭 에스테르(acrylic ester)와 같은 2차 단량체를 갖는 술폰화된 또는 설페이트화된 모노머의 공중합체일 수 있으며, 일례는 폴리(4-스티렌술폰산-코-말레산)(poly(4-styrenesulfonic acid-co-maleic acid))이다. 주목할만한 예로는 폴리스티렌 술포네이트 및 이의 공중합체, 염 또는 유도체가 있다. 폴리스티렌 술포네이트의 공중합체는 각각 술폰화되거나 설페이트화된, 다른 방향족 단량체, 비닐 단량체, 아크릴산 단량체 또는 에스테르 단량체와 같은 다른 공중합가능한 단량체와 함께 폴리스티렌 술포네이트를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 술폰화 또는 비술폰화 될 수있다. 폴리스티렌 술포네이트의 염은 나트륨염, 칼슘염 및 칼륨염을 포함할 수 있다. 폴리스티렌 술포네이트의 유도체는 폴리스티렌 에탄술포네이트(unsulfonated)와 같은 폴리스티렌 술포네이트의 알킬 유도체를 포함할 수 있다. 일례에서, 분리 채널을 코팅하는데 사용된 음이온성 중합체는 폴리스티렌 술포네이트이다. 폴리스티렌 술포네이트는 최대 10,000의 분자량을 가질 수 있으며, 일례로서 500 내지 10,000의 분자량을 가질 수 있다.
분리 채널은 "3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층(제1층 및 마감층은 양이온성 중합체 층)의 내부 코팅"를 갖는 것으로 기술되어 있다. 분리 채널의 코팅을 설명하는 또 다른 방법은 "양이온성 중합체의 제1 코팅층, 음이온성 중합체의 제2 코팅층, 및 제1층을 형성하는 상기 양이온성 층의 제3 코팅층을 포함하는, 3개 이상인 홀수 개의 내부 코팅"을 갖는다는 것이다. 이 두 인용 표현은 서로 바꿔서 사용할 수 있다.
분리 채널 또는 모세관은 시스템 (장치)과 함께 제공되거나 별도의 소모품으로 제공될 수 있다. 어느 경우 에나, 분리 채널은 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하는 층으로 예비-코팅 될 수 있거나, 원위치에 코팅될 수있다. 일반적으로 채널을 처리 용액으로 초기 처리(예를 들어, 채널을 알칼리 용액으로 처리) 한 다음, 각각의 중합체를 포함하는 모세관 코팅 조성물을 분리 채널을 통해 순차적으로 통과시킴으로써 코팅이 달성될 수 있다. 적합한 처리 용액은 1M NaOH 용액과 같은 약 알칼리성 용액을 포함하고, 물(Milli-Q water와 같은)로 세척한다. 제1 모세관 코팅 조성물을 분리 채널에 통과시킨 후 제2 모세관 코팅 조성물과 그 다음 모세관 코팅 조성물을 도입하기 전에 제거한다. 모세관 코팅 조성물이 채널을 통과하는 시간은 약 1 내지 10분, 예를 들어 약 5분이다. 코팅 시퀀스 중에 사용되는 유속은 약 1 내지 100 μL/min 일 수 있지만, 유속은 모세관의 내부 직경에 따라 달라질 수 있다. 모세관 코팅 조성물은 0.01 내지 20%의 (제1 모세관 코팅 조성물 용) 양이온성 중합체 또는 (제2 모세관 코팅 조성물 용) 음이온성 중합체, 예를 들어 0.1 내지 10%의 중합체를 포함할 수 있으며, 1% 용액이 특히 적합하다. 모세관 코팅 조성물은 제1층(즉, 채널 벽에 인접하며 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)을 통해 채널 벽 실리카에 연결된 층)과 마감층이 양이온성 중합체를 함유하는 제1 모세관 코팅 조성물로 제조되도록 순차적으로 도포된다. 그 결과, 코팅체는 양극 표면을 가지며, 채널은 양전하로 하전된 내부 표면을 갖는다.
생성된 분리 채널은 안정한 코팅체, 연장된 수명을 가지며, 재현성있게 준비될 수 있다. 특정 조건 하에서 채널은 인접한 피크 사이의 상대적 이동 시간 및/또는 분해능에서 안정성을 유지하면서 최대 30,000회 또는 최대 20,000회 반복하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 채널은 인접한 피크 사이의 상대적 이동 시간 및/또는 분해능에서 안정성을 유지하면서 최대 30,000개, 최대 20,000개, 2,000개 이상, 1,000개 이상, 1,000 내지 30,000개, 1,000 내지 20,000개, 2,000 내지 30,000개, 2,000 내지 20,000개, 1,000 내지 2,000개, 3,000 내지 30,000개, 3,000 내지 20,000개, 3,000 내지 2,000개, 5,000 내지 20,000개, 3,000 내지 10,000개 또는 5,000 내지 10,000개의 샘플 분리 시퀀스를 수행할 수 있다. 분리 모세관은 새로운 분리 채널로 분리 채널을 교체하기 전에 여러 시료 처리 과정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 분리 채널은 새로운 분리 채널로 분리 채널을 교체하기 전 2000개 이상 또는 1000개 이상의 샘플 처리 시퀀스를 수행하기 위해 사용될 수 있다.
모세관은 검출 구역을 포함한다. 이 검출 구역은 분리가 수행되는데 충분한 거리만큼 모세관의 입구로부터 떨어져있다. 일부 실시예에 따르면, 모세관은 발생하는 무기 음이온의 분리를 위해 모세관 입구로부터 적당한 거리에 위치된 C4D 검출 구역을 포함한다. 광 검출기가 사용되는 경우, 검출기에 의해 검출 가능하도록 모세관의 광학적으로 투명한 구역이 있을 수 있다. 동작 중에, 고 전압(HV) 전위가 한 쌍의 전극 사이의 분리 채널을 따라 인가된다. 쌍 또는 전극은 전형적으로 HV 전극 및 접지 전극이다. 전압 전위는 분리 채널을 통해 샘플 내의 이온을 HV 전극 쪽으로 이동시킨다. 모세관에는 저 전압(LV) 단부와 HV 단부가 있다. 감지 구역은 HV 말단 쪽에 위치한다.
고 전압은 유체 채널을 통한 배경 전해질의 흐름이 있을 때 분리 단계 동안 분리 컬럼을 가로 질러(종방향으로) 인가된다. 이 단계 동안 인가되는 전형적인 전압은 약 -20 내지 -45 kV, 약 -30 내지 -50 kV, 약 -20 내지 -45 kV, 약 -25 내지 -45 kV, 또는 약 -30 -40kV에 이른다.
검출기
검출기는 무기 음이온의 존재(및 상대적인 양)을 검출하기 위한 임의의 적합한 형태의 검출기일 수 있다. 예를 들면 용량성-결합 비접촉 전도도 검출기( capacitively-coupled contactless conductivity detectors)(C4D 검출기), 모세관 유체와 접촉하는 전극을 갖는 전도성 검출기 및 광도계 검출기(광 투과도/흡광도 검출기)와 같은 광 검출기를 포함하는 비접촉식 전도도 검출기를 포함한다. 실시예에서 사용된 검출기는 C4D 이다. 검출기에 의해 생성된 신호는 신호의 기록 및 분석을 용이하게 하기 위해 컨트롤러에 의해 시각적 이미지로 변환될 수 있다. 분리 채널(분리 모세관)의 검출기 구역은 분리 채널의 출구로부터 5 내지 15cm의 거리, 예를 들어 분리 채널의 출구로부터 10cm의 거리에 적절하게 위치한다. 검출기는 검출 구역과 정렬된다.
방법 및 시스템은 10 ppm 또는 그 이하의 농도에서 관심있는 무기 이온의 검출을 가능하게 한다. 이 시스템은 샘플을 추출로부터 샘플을 스크리닝 하여 1분의 시간 내에 전기영동 시스템으로 분석할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 샘플 분사부터 전기영동 시스템에 의한 무기 음이온의 분리까지 걸리는 시간은 1분 미만일 수 있으며, 어떤 경우에는 30초 미만일 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템은 30초 내지 2분, 30초 내지 1분, 20초 내지 50초 또는 1분 미만의 시간 동안 니트레이트, 퍼클로레이트, 아지드(azide), 및 클로레이트 이온을 포함하는 무기 이온을 분리한다.
방법/시스템에 의해 분리될 수 있는 무기 음이온은 폭발물에 존재하는 니트레이트, 퍼클로레이트, 아지드 및 클로레이트 이온을 포함한다. 또한, 방법/시스템은 클로라이드, 설페이트, 티오시아네이트, 플루오라이드, 포스페이트 및 카보네이트와 같은 폭발물과 연관되지 않는 배경 이온으로부터 무기 음이온을 분리한다. 폭발물 탐지에 대한 거짓 양성(false positive) 또는 거짓 음성(false negative) 판독 값 또는 분석을 받지 못하도록 하기 위해 이러한 음이온을 각각 분리하고 검출할 필요가 있다.
분사 시스템
분사 시스템은 샘플 용액과 배경 전해질을 포함하는 유체를 분리 채널의 유입 단부 내로 분사한다. 일부 실시예에서, 분사 시스템은 샘플 분사 시스템; 샘플 분사 포트(sample injection port)와 유체 연통(fluid communication)하는 유체 채널; 및 유체 채널을 통해 유체가 분리 채널의 유입 단부 내로 흐르도록 하는 샘플 분사 시스템과 유체 연통하는 배경 전해질을 저장하기 위한 배경 전해질 저장소;를 포함한다.
샘플 분사 시스템은 샘플 분사 포트를 포함할 수 있으며, 유체 채널 내로 유체의 유입을 가능하게 하는 샘플 분사 포트 또는 배경 전해질 중 어느 하나에 대한 유체 채널의 개방을 제어하도록 작동될 수 있는 분사 밸브를 더 포함할 수 있다.
방법은 샘플 처리 시퀀스를 수행하기 전에 샘플 분리 단계를 포함할 수 있다. 이는 표면의 스왑을 취하고 시료 용액으로 무기 음이온을 추출하기 위해 스왑을 시료 용액과 접촉시키는 것을 포함할 수있다. 그런 다음 시료 용액을 분사 포트에 분사할 수 있다.
시스템은 샘플 다음에 배경 전해질을 순차적으로 분사하여, 배경 전해질의 희석 효과를 통해 샘플의 "플러그(plug)"의 분산을 방지하거나 최소화할 수 있다. 결과적으로 분리 효율에 영향을 미치는 높은 유속이 필요하지 않으며 시약 소비량은 적다. 이 순차 시스템은 분사 시간을 약 5 초 이하로 줄일 수 있다.
시스템은 샘플을 분리 모세관 상에 로딩하기 위해 압력 분사 또는 동전기 분사(electrokinetic injection)을 사용할 수 있다. 동전기 분사를 사용하여, 시료에 존재하는 이온이 모세관을 통과하게 하기 위해 시료 분사의 마지막 단계에서 모세관에 전압 전위를 인가할 수 있다
배경 전해질을 포함하는 분리 채널을 통한 유체의 흐름은 펌프 또는 임의의 다른 유체 흐름 발생기의 작동을 통해 달성될 수 있다. 분리 채널로 이어진 시스템의 치수 및 구성 요소는 본원의 이전 출원 PCT/AU2013/000889에 기술된 바와 같을 수 있으며, 이의 전체 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
배경 전해질은 분사 시스템과 유체 연통하는 배경 전해질 저장소에 저장되어, 분리 채널을 통해 및 분리 채널 내로 흐를 수 있다. 배경 전해질 저장소는 시스템(장치) 자체 내에 위치할 수 있거나, 장치 내에 삽입될 수 있는 카트리지 내에 위치할 수 있다. 분리 시간 동안, 배경 전해질 유속은 약 10 내지 1000 μL/min일 수 있으며, 일반적으로 약 10 내지 200 μL/min일 것이다. 50 μL/min의 유속이 실시예에서 사용되며, 이 수준의 유속은 공정에 적합하다.
배경 전해질은 분리 채널 또는 모세관 상의 코팅체로서 사용된 양이온성 중합체와는 다른 양이온성 중합체 성분을 포함한다. 배경 전해질에 사용된 양이온성 중합체는 3차 아민 폴리양이온 또는 4차 아민 폴리양이온일 수 있다. 배경 전해질에 사용된 양이온성 중합체는 양이온성 인터페이스 활성제일 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 배경 전해질의 중합체 성분은 폴리에틸렌이민(PEI)이다.
PEI는 분자량이 높은 PEI일 수 있으며, 예를 들어 최대 1,000,000의 분자량, 예를 들어 최대 100,000의 분자량 또는 50 내지 100,000의 분자량, 일례로 50 내지 60,000의 분자량을 갖는 PEI일 수 있다. 배경 전해질 중 PEI의 양은 약 0.01 내지 0.5%, 예를 들어 약 0.01 내지 0.4%, 0.01 내지 0.3%, 0.01 내지 0.2%, 0.01 내지 0.1%, 0.02 내지 0.08%, 0.03 내지 0.08% 및 0.04 내지 0.08%인 것이 적당하다. 약 0.06%가 효과적인 것을 발견하였다.
배경 전해질은 하나 이상의 버퍼(buffers) 및 임의의 다른 전형적인 전해질 성분을 더 포함할 수 있다. 배경 전해질에 사용되는 버퍼는 강염기 및 약산, 강산 및 약 염기, 또는 약산 및 약 염기의 임의의 조합을 포함 할 수 있다. 적절한 버퍼의 예로는 Tris, CHES, 인산염, 아세테이트, 붕산염, 포름산 염, HEPES, 비스-트리스-프로판(bis-tris-propane), 에틸렌 디아민 및 트리에탄올 아민이 포함된다. 실시예에 따르면, 사용된 버퍼는 Tris 및 CHES이다. 전해질의 pH는 약 7.5 내지 11, 약 8 내지 10, 또는 약 8 내지 9일 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 전해질의 pH는 약 8.9이지만, 다른 조건에 따라, 상기 pH로부터 pH는 +/- 1.0 일 수 있다.
추가 시스템 특징
시스템은 사용 준비가 된 위치에 (모세관과 같은)분리 채널을 포함할 수 있거나, 시스템이 분리 모세관을 별도로 구매하여 시스템에 분리 가능하게 삽입되는 카트리지에 직접 또는 이의 내포물을 통해 삽입할 예정으로 모세관없이 공급될 수 있다. 휴대용 장치의 형태일 수 있는 시스템은 카트리지 리시버(cartridge receiver) 또는 카트리지 또는 분리 모세관을 원하는 위치로 로딩하기 위한 모세관 로딩 영역을 포함할 수 있다. 카트리지는 시스템에 분리 가능하게 삽입될 수 있도록 성형될 수 있다. 이 경우, 시스템/장치의 리시버는 카트리지를 수용할 수 있는 상보적인 형상을 가지며, 이와 관련하여 클립, 멈춤 쇠 또는 다른 형상 특징을 포함할 수 있다. 카트리지의 삽입은 분리 컬럼이나 모세관을 올바른 위치에 배치하여 한번 삽입하면 샘플 처리가 이루어질 수 있도록 한다. 카트리지가 배경 전해질 저장소를 포함하는 경우, 이는 시스템/장치의 구성 요소에 맞게 정렬되므로, 저장소에 포함된 배경 전해질이 필요에 따라 시스템을 통해 흐를 수 있다.
컴퓨터와 같은 제어 시스템이 장치를 작동시키는데 사용된다. 컨트롤러는 분사 시스템의 제어, 펌프 작동 제어(및 배경 전해질의 흐름 속도), 전압 전위의 인가 등을 포함하는 장치의 작동 단계를 제어한다. 또한, 제어 시스템은 또한 검출기에 의해 수신된 신호의 처리 및 신호를 시각적 표현(디스플레이 또는 기타)으로 변환시키는 것을 포함하는 검출 시스템을 제어한다. 제어 시스템은 퍼스널 컴퓨터 또는 장치의 이동성(portability)에 적합한 크기의 전용 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 일부 양태에서 양이온성 중합체 및 음이온성 중합체의 3개 이상의 교대하는 층의 내부 코팅의 도포를 위한 분리 채널 코팅 시퀀스을 조절할 수 있다. 컨트롤러는 전형적으로 사용자에 대한 입력 요청을 제시하고, 입력 장치를 통해 하나 이상의 입력을 수신하고, 메모리에 저장된 입력 및 명령에 따른 방사선 소스를 제어하기 위해 연관된 유형의 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능 명령을 처리하는 프로세서를 포함할 것이다. "프로세서"라는 용어는 방사선 소스를 제어하기 위해 저장된 명령에 따라 입력을 처리할 수 있는 모든 장치를 일반적으로 지칭하는 데 사용되며, 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 프로그램 가능 논리 소자(programmable logic device) 또는 기타 연산 장치, 범용 컴퓨터(general purpose computer)(예를 들어 PC) 또는 서를 포함할 수 있다.
시스템은 분사 시스템, 배경 전해질의 흐름 및 다음의 단계들의 시퀀스를 생성하기 위해 인가된 전압을 적절하게 제어하는 제어기를 포함할 수 있다:
- 샘플 분사 포트 내로 샘플을 분사하여 유체 채널을 통한 배경 전해질의 흐름 없이 유체 채널의 인터페이스 영역(interface zone) 내로 흐르도록 하는 단계;
- 이후의 플러싱 단계 이전에 전극들에 걸쳐 전압 전위를 인가하여, 인터페이스 영역에 위치한 샘플에 존재하는 무기 음이온을 분리 채널로 이동시키는 단계;
- 유체 채널을 통해 배경 전해질을 흐르게 하여 전극들에 걸쳐 전압 전위를 인가하지 않고 유체 채널의 인터페이스 영역으로부터 샘플을 플러싱하는 단계;
- 플러싱 단계 후에 전극들에 걸쳐 전압 전위를 인가하여 유체 채널을 통한 배경 전해질의 흐름으로 샘플 내의 무기 음이온을 분리시키는 단계.
시스템은 휴대용 장치의 형태일 수 있다. 장치는 원-파트 장치(one-part device) 또는 별개의 부품일 수 있다.
키트
카트리지를 포함하는 실시예가 위에서 설명되었다. 다른 실시예에서, 시스템 또는 장치는 다음을 포함하는 시약 키트로 보충될 수 있다:
- 헥사디메트린 브로마이드를 함유하는 제1 모세관 코팅 조성물;
- 폴리스티렌 술포네이트를 포함하는 제2 모세관 코팅 조성물; 및
- 폴리에틸렌이민을 포함하는 배경 전해질 조성물.
키트용 조성물은 분리 채널의 층 형성 및 배경 전해질 조성물에 대해 앞서 기술된 바와 같다. 제1 모세관 코팅 조성물 중 헥사디메트린 중합체의 농도는 일반적으로 0.1 내지 10중량/부피%, 바람직하게 0.1 내지 5중량/부피%이다. 동일한 농도 범위가 폴리스티렌 술포네이트 용액에 사용될 수 있다.
실시예
본 발명은 본 발명의 기본 원리 및 본 발명의 특정 실시 양태를 입증하는 하기 실 예를 참조하여 더욱 상세히 기술될 것이다. 광범위하게 기술된 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 특정 실시예들에 도시된 바와 같이 본 발명에 많은 변형 및 또는 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다. 따라서, 본 실시예는 모든 면에서 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
1. 실험
1.1 화합 물질
모든 시약은 Sigma-Aldrich (Sydney, Australia)에서 얻은 분석 등급이며, 달리 명시하지 않는 한 공급된 것으로 사용되었다. 시약의 용해는 항상 Milli-Q 워터 (Millipore, Bedford, MA, USA)에서 제조되었다.
퍼클로레이트, 클로레이트, 포스페이트, 니트레이트, 설페이트(BDH, Kilsyth, VIC, Australia), 티오시아네이트, 클로라이드(Univar, Redmond, WA, USA), 플루오라이드, 아지드(AJAX, Sydney-Melbourne, Australia)의 나트륨염 또는 칼륨염을 용해하여 음이온 표준 용액 (1000 μgL-1)을 제조하였다. 프로판술포네이트 나트륨(propanesulfonate Sodium)(Fluka, Buch, Switzerland)을 내부 표준으로 사용하였다. 이들 용액은 작업 표준 용액을 제조하기 위해 매일 용적 측정으로(volumetrically) 희석되었다.
1.2 배경 전해질
최적의 배경 전해질은 pH 8.9에서 50 mM의 2-아미노-2-하이드록시메틸-프로판-1,3-디올(2-Amino-2-hydroxymethyl-propane-1,3-diol)(Tris) 및 50 mM의 2-(사이클로헥실아미노)에탄술폰산(2-(Cyclohexylamino)ethanesulfonic acid)(CHES)으로 구성되었다. 0.06 %(w/v)의 최적 농도로 선택성을 변경시키기 위해 PEI(폴리(에틸렌이민), M.W. 50-60000, ACROSS organics, Geel, Belgium)를 첨가하였다.
1.3 전기영동 순서
폴리마이크로 기술(Polymicro Technologies)(Phoenix, AZ, USA)로부터 25 또는 50 μm의 내경을 갖는 용융 실리카 모세관을 사용하여 분리를 수행하였다.
1.4 모세관 코팅
전기 삼투 유동(electroosmotic flow, EOF)를 반전시키기 위하여 헥사디메트린 브로마이드(HDMB, 폴리브렌)과 폴리(나트륨 4-스티렌술포네이트)(PSS)를 용융 실리카 모세관의 벽을 코팅하는데 사용하였다. 모세관 코팅 시약을 도포하기 전에 모세관을 나트륨 하이드록사이드(NaOH)의 용액으로 플러싱하였다.
모세관을 다음의 순서를 사용하여 코팅하였다:
1. 50cm 조각의 25 μm FS 모세관을 절단.
2. Upchurch FingerTight 10-32 너트(P/N: F-300-01), 고압 페룰(P/N: F-142X), 1/16x0.0155 FEP 슬리브(P/N:F-242X) 및 10-32 암형-암형 루어 어댑터(female to female luer adaptor)를 사용하여 1M NaOH가 들어있는 일회용 주사기에 모세관의 한쪽 끝을 연결.
3. 주사기와 모세관을 주사기 펌프에 로딩하고 유속을 0.03ml/시간 (0.5μL/초)으로 설정.
4. 10분 동안 1M NaOH를 플러싱.
5. 1M NaOH 주사기를 여과된 증류수가 들어있는 다른 주사기로 교체.
6. 10분 동안 물로 모세관을 플러싱.
7. 물 주사기를 1%(w/v)의 헥사디메트린 브로마이드(HDMB)가 들어있는 다른 주사기로 교체.
8. 15분 동안 HDMB로 모세관을 플러싱.
9. HDMB로 플러싱한 후 루어 어댑터를 제거하고 물로 완전히 플러싱하여 잔류 HDMB를 제거.
10. 물 주사기를 부착하고 10분 동안 모세관을 플러싱.
11. 물 주사기를 1%(w/v)의 폴리스티렌 술포네이트(PSS)가 들어있는 다른 주사기로 교체.
12. 15분 동안 PSS로 모세관을 플러싱.
13. PSS로 플러싱한 후 루어 어댑터를 제거하고 물로 완전히 플러싱하여 잔류 PSS를 제거.
14. 물 주사기를 부착하고 10분 동안 모세관을 플러싱.
15. 물 주사기를 1%(w/v) HDMB가 들어있는 주사기로 교체.
16. 15분 동안 HDMB로 모세관을 플러싱.
17. HDMB 주사기를 In-BES용 BGE(50mM Tris/CHES +0.06% PEI)가 들어있는 주사기로 교체.
18. 60분 동안 BGE로 모세관을 플러싱.
19. 이제 모세관을 In-BES에 삽입할 준비가 되었다.
1.5 기기
모든 실험는 사내에서 제작 된 순차 분사 - 모세관 전기 영동 장치(Scantex SI-CE)로 수행되었다. 기기의 개략도가 도 1에 도시되었다. 이 기기는 연속 BGE 및 샘플 공급이 가능한 2 개의 MilliGAT 펌프로 구성된다. 펌프는 시스템을 통해 시료와 BGE를 전달하는데 사용되었다. 6 포트 분사 밸브(MXP-7980, Rheodyne, Oak Harbor, WA, USA)를 사용하여 샘플 또는 BGE를 인터페이스에 전달하였다.
유동 시스템과 CE 모세관을 연결하기 위해 상용 PEEK 티형(tee shaped) 연결부(P-727, Upchurch Scientific, Oak Harbor, WA, USA)를 사용하였다. 이 구성 요소는 실시예에 사용된 장치에서 사용되었지만, 특히 맞춤형 장치의 경우 기기의 변형이 사용될 수 있다.
주사기 바늘(0.51 mm i.d.)에서 2cm 절단된 스테인레스 강 튜브를 출구 및 접지 전극으로 사용하여, 그랜드 전극(grand electrode)의 단면을 원형으로 또는 그랜드 전극을 관 형상으로 만들었다. 실시예의 장치에 사용된 접지 전극은 이러한 구성이었지만, 상이한 형상, 구성 또는 구조의 전극이 사용될 수 있다.
인터페이스는 모세관이 인터페이스의 중앙에 삽입될 수 있도록 최소 내부 용적(0.57 μL)과 충분히 큰 내부 직경(0.5 mm)의 베이스에 상업적으로 사용 가능한 옵션 중에서 선택되었다. 이 내부 직경은 분사 밸브와 펌프를 인터페이스에 연결하여 무용 부피(dead volume)를 제거하고 난류를 더 줄이는데 사용되는 PEEK 튜브의 내부 직경과 일치한다. 모세관 팁은 티(tee)의 수평 암에 걸쳐 도입된 모세관 (360μm O.D.)의 도움으로 인터페이스 중심에 가까운 일정한 위치에 고정되었다. 모세관의 출구 쪽을 BGE가 채워진 유리병 25 mL에 넣었다. 이 설계로, 2000 Vcm-1까지의 전기장이 상당한 전류 누출없이 적용되었다.
용량성-결합 비접촉 전도도 검출기(C4D)(Tracedec)를 혁신 센서 기술(Innovative Sensor Technologies)(Strassahof, Austria)에서 구입하였다. 검출 매개 변수는 각 모세관 내부 직경 및 BGE 구성에 맞게 최적화되었다. 최종 선택된 조건에서, 검출기 동작 매개 변수들은 주파수, 높음; 전압, -6 Db; 이득, 100 % 및 오프셋, 004;를 포함한다. 실시예에 사용된 검출기 대신에 다른 C4D 검출기가 사용될 수 있다. 이들은 다른 상업적 공급자로부터 얻을 수 있거나, 상업적 규모로 생산된 장치을 위해 특별히 제조될 수 있다. 애질런트 35900E A/D 컨버터 (Agilent Technologies, Waldbronn, Germany)를 사용하여 C4D에서 생성된 신호와 신호를 기록하고 분석하는 애질런트 ChemStation 소프트웨어를 인터페이스하였다. 다시, 다른 변환기가 사용될 수 있다. 검출기 헤드를 CE 모세관의 출구에서 10cm 떨어진 곳에 위치시켰고, 검출 지점까지의 유효 길이는 다른 언급이 없는 한 모든 실험 동안 총 모세관 길이에서 10cm를 뺀 값이었다.
분리는 EMCO DX-250 고압 전원 공급 장치가 역 극성으로 작동하여 음극 (-) 전극이 출구 유리병에 담구어짐으로써 수행되었다.
이 시스템은 주사기 펌프를 위한 RS232 직렬 연결을 사용하는 퍼스널 컴퓨터로 제어되었다. 분사기 밸브와 고전압 전원 공급 장치(극성 제어, 스위치 온/오프 및 전압 출력)는 내쇼날 인스트루먼트(National Instruments)(Austin, TX, USA)의 NI USB-6212 데이터 수집 장치를 통해 컴퓨터에 연결되었다. 이 시스템은 내쇼날 인스트루먼트의 LabView 8.1을 사용하여 작성된 소프트웨어를 사용하여 제어되었다. 동일한 소프트웨어를 사용하여 전원 공급 장치가 제공하는 전압과 전류를 모니터링하였다. 상업적 규모로 생산되는 장치의 경우, 필요한 기능을 수행하기 위해 맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어를 사용할 수 있다.
1.6 작동 조건
Scantex 시스템의 작동 조건은 표 1에 도시되었다. 스왑된 시료의 전체 분석은 스왑을 추출하여 생성된 샘플을 무기 음이온의 분석을 위한 SI-CE인 무기-백 엔드 시스템(Inorganic-Back End System)으로 전달하기 위해, 프런트 엔드 시스템(Front End System, FES)에 의해 25초 동안, 60초 이내에 완료되었다. 분석에 앞서 CE T-피스에서 샘플 용액을 플러싱하기 위해 In-BES에 의해 추가로 10초가 필요하다. In-BES의 전체 분석은 내부 표준(메탄술포네이트)이 CE 시스템을 통해 이동하는데 걸린 시간인 25초 내에 완료된다.
In-BES 매개변수
모세관y 25μm x 40cm, HDMB/PSS/HDMB 코팅됨
BGE 50mM Tris/50mM CHES + 0.06%PEI
전압 40kV
온도 ~30ºC
샘플링 FES 압력을 사용하여 5-10초 동안 모세관 입구를 통과 한 시료
사후 샘플 BGE 흐름 10초 @15μL/초
사후 분석 플러싱 60초 @ 100mbar
Scantex 시스템용 매개변수
도 2는 본 발명의 코팅된 모세관 대신에 단일층 HDMB 코팅된 모세관 및 50 mM Tris/CHES와 0.05% PEI(비교 조성물)을 함유하는 배경 전해질을 사용하는, 도 1에 도시된 기기 레이아웃을 사용하여 달성된 분리를 도시한다. 타겟 화합물(니트레이트, 클로레이트 및 퍼클로레이트)은 모두 45초 이내에 완전히 용해되었으며, 시스템의 재현성은 연속 40회 이상 양호하였다.
2. 화학성 최적화
2.1 분석물의 선택
4 개의 무기 음이온이 폭발물 확인을 위한 타겟으로 선택되었다. 퍼클로레이트, 클로레이트 및 니트레이트는 IEDs에 칼륨염 또는 암모늄염으로 사용되는 가장 일반적인 산화제이다. 납 아지드는 일반적으로 2차 폭발을 일으키는 기폭 장치의 일부로 사용된다.
클로라이트, 설페이트, 포스페이트, 그리고 보다 적게는 플루오라이드와 티오시아네이트가 샘플에 존재할 가능성이 가장 높은 배경 이온이다. 대기 중 이산화탄소를 샘플과 표준 용액에 빠르게 용해시키는 카보네이트도 고려해야 한다.
2.2 배경 전해질 조성물
50 mM Tris, 50 mM CHES 및 0.05 % PEI를 함유하는 배경 전해질을 출발 조성물로 사용하였다. 시스템에서 이 농도를 사용하면, 도 3의 하단에 도시된 분리가 발생한다.
가능한 모든 오염 물질뿐만 아니라 모든 타겟 음이온에 대해 전체 분해능(full resolution)이 얻어진다. PEI의 농도를 증가시키는 효과가 상부의 두 분리에서 보여지며, 플루오라이드과 퍼클로레이트의 분해능이 현저히 향상됨을 알 수 있다. 또한, 나중에 보여지듯이, 플루오라이드는 티오시아 네이트보다 실제 샘플을 분석할 때 더 널리 퍼진 오염 물질임이 입증되었다. 도 3에 도시된 결과에 기초하여, 바람직한 전해질 조성물을 0.06 % PEI의 양으로 설정하였다.
2.3 비교 예 - 단일층 모세관 코팅
도 4는 HDMB의 단일층으로 코팅된 모세관을 포함하고 분석 사이의 플러싱 단계를 포함하지 않는 비교예에 관한 것이다. 하루 동안의 재현성이 비교적 좋지만, 여러 날 동안 같은 모세관을 사용하면 관측 EOF가 감소(분석물의 이동 후에 보여지는 큰 딥(large dip))하고 타겟 음이온 사이의 분해능이 감소한다는 것을 알 수 있다.
도 5는 단일 코팅된 모세관을 사용하는 시스템의 재현성과 분석 사이의 세척 단계 사용을 보여준다. 타겟 음이온의 분해능은 2~4 일 연속 사용으로 인해 악화되기 시작한다. 분석 시간이 일정하게 유지된다는 사실은 모세관 코팅이 상대적으로 안정하다는 것을 암시하지만, 도 4에서 볼 수 있듯이 코팅이 천천히 제거되어 분석 시간이 길어지고 분해능이 떨어질 수있는 잠재력이 여전히 남아 있다.
모세관의 견고성(ruggedness)은 HDMB의 새로운 층으로 모세관을 재코팅 할 수 없기 때문에 중요하다. 이는 HDMB의 새로운 층으로 모세관을 재코팅하는 과정이 모세관 성능을 부활시키는데 성공하지 못한 도 6에서 볼 수 있다.
HDMB의 제1 층(상기와 같음), 양이온성 중합체 폴리스티렌술포네이트(PSS)의 제2 층, HDMB의 마감층을 포함하는 3중 코팅된 모세관의 사용을 테스트하였다. 이 3중 코팅된 모세관은 단일 코팅 품종과 유사한 분리 성능을 보였으나 견고성과 사용성이 훨씬 뛰어났다.
5중 코팅된 모세관(HDMB / PSS / HDMB / PSS / HDMB)을 사용할 수도 있다. 도 7은 3중 코팅 및 5중 코팅 모세관을 사용하여 얻은 분리 사이의 비교를 도시한다.
더 강한 양이온성 중합체 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드(PDDAC)의 사용은 pH에 의존하는 HDMB보다 모세관 표면에 더 강한 코팅을 형성하는 것으로 알려져 있기 때문에 테스트되었다. 도 8은 HDMB 또는 PDDAC/PSS/PDDAC 기반의 삼중 코팅 모세관을 사용하여 얻은 분리를 비교한다. 두 코팅 모두 역전된 EOF 및 비교적 빠른 분리(25 kV를 사용하야 약 70초)를 유발하지만 HDMB 코팅 모세관의 성능은 PDDAC 기반 모세관보다 우수하다.
다층 코팅된 모세관은 때때로 교체해야한다. 따라서 모세관과 모세관의 재현성은 새로운 모세관이 설치될 때 신뢰할 수있는 결과를 기대할 수있는 중요한 고려 사항이다.
HDMB/PSS/HDMB 3중 코팅된 모세관을 준비하는데 필요한 절차는 표 2에 도시되었다. 절차는 코팅 용액을 도입하기 전에 이전 중합체를 철저하게 제거하도록 순차적으로 모세관을 통해 중합체 용액을 플러싱하는 단계를 포함한다.
도 9는 표 2에 설명된 절차를 사용하여 제조된 8개의 다른 모세관을 사용하여 얻은 SI-CE 분리를 도시한다. 테스트한 8개의 모세관에서 우수한 이동 시간 재현성을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 타겟 음이온 사이의 일관된 분해능이 모든 모세관에 걸쳐 유지된다.
단계 번호 설명
단계 1 0.5μL/분으로 5분 동안 1M NaOH로 모세관을 플러싱
단계 2 0.5μL/분으로 5분 동안 MilliQ 워터로 모세관을 플러싱
단계 3 0.5μL/분으로 10분 동안 1%(w/v) HDMB 용액으로 모세관을 플러싱
단계 4 주사기/모세관 인터페이스를 물로 철저히 헹굼
단계 5 0.5μL/분으로 5분 동안 MilliQ 워터로 모세관을 플러싱
단계 6 0.5μL/분으로 10분 동안 1%(w/v) PSS 용액으로 모세관을 플러싱
단계 7 주사기/모세관 인터페이스를 물로 철저히 헹굼
단계 8 0.5μL/분으로 5분 동안 MilliQ 워터로 모세관을 플러싱
단계 9 0.5μL/분으로 10분 동안 1%(w/v) HDMB 용액으로 모세관을 플러싱
단계 10 주사기/모세관 인터페이스를 물로 철저히 헹굼
단계 11 0.5μL/분으로 30분 동안 BGE로 모세관을 플러싱
모세관 코팅 순서
도 10은 8개의 모세관의 이동 시간 재현성과 타겟 음이온의 메탄술포네이트(IS)에 대한 이동 시간을 보여준다. 테스트된 8개의 컬럼에 대한 타겟 음이온의 상대적 이동 시간은 매우 양호하다(<0.48 % RSD).
2.4 BGE 안정성
시스템 재현성에서 중요한 문제는 BGE 안정성이다. 도 11의 아래쪽 추적(trace)은 대기 중에 저장되어 있고 실험실 온도 변동에 노출된 오래된 BGE를 사용하여 타겟 음이온을 분리한 것이다.
BGE가 대기 중으로 장기간 노출되는 것을 최소화하기 위해 두 가지 접근법을 조사하였다. 첫 번째는 BGE 저장소에 이산화탄소 트랩을 사용하는 것이다. 트랩은 이산화탄소 흡착제(아스카라이트(ascarite))를 수용하여 저장소로 흡입되는 공기가 이산화탄소를 제거하도록 하였다. 이 접근법은 흡착된 이산화탄소의 문제를 제한하는 데 효과적이었지만 여전히 BGE를 공기 중에 노출시켰다. 그 다음 접근법은 모든 공기가 BGE 헤드스페이스(headspace)에서 제거되도록 사용하기 전에 아침마다 BGE 저장소를 질소로 퍼지하는 것이었다. 이 접근법은 단순하고 신뢰할 수있는 것으로 입증되어 며칠 또는 몇 주간의 지속적인 분석을 통해 양호한 BGE 안정성을 이끌어 냈다.
2.5 배경 전해질 pH
BGE pH는 또한 장기 안정성을 개선하기위한 옵션으로 조사되었다. 도 12의 아래쪽 추적은 pH 6.0에서 MES/히스티딘 BGE를 사용하여 BGE에 PEI를 추가하지 않은 9개의 음이온 표적 혼합물의 In-BES 분리를 도시한다. PEI의 양을 0.02 %로 증가 시키면 잠재적인 배경 간섭으로부터 타겟 이온을 완전히 분리할 수 있다(내부 표준인 8번과 10번 피크는 추출 용액에 첨가되어 다른 ISs로 쉽게 제거 및/또는 교체될 수 있다). 도 13은 pH 6.0에서 MES/히스티딘 BGE를 사용하고 내부 표준 메탄 술포네이트를 제거하여 타겟 음이온 혼합물의 최적화된 분리를 도시한다.
2.6 전기 삼투 유동(EOF)의 안정성
도 14는 pH 6.0에서 MES/히스티딘 BGE를 사용하여 EOF 안정성을 보여준다. PEI는 표면을 씻어내는 HDMB 분자를 대체하여 모세관 벽에 HDMB 코팅을 안정화시키는 역할을 한다.
3. 하드웨어 최적화
주어진 간격에 대한 분석 시간은 보어 길이가 더 짧고 작은 모세관과 더 높은 전압의 조합으로 효과적으로 단축될 수 있다. 그러나 시간을 줄이려면 적절한 분해능와 민감도를 분리해야 한다. 적절한 분리 특성을 유지하면서 분석 시간을 줄이기 위해 분리의 효율 및 성능에 영향을 미치는 주요 기기 변수를 테스트하고 최적화하였다.
3.1 모세관 직경
관찰된 Scantex SI-CE 분리에 대한 모세관 직경의 효과는 도 15에 도시되었다.
3.2 전압
Scantex SI-CE 시스템에 필요한 정확한 처리 시간은 적용되는 특정 응용 프로그램에 따라 다소 상이하다. EMCO DX-250 HV 전원 공급 장치는 25kV 만 생성할 수 있다. 120 kV까지 생성할 수 있는 Spellman SL120PN 장치를 사용하여 더 높은 전압의 사용을 조사하였다.
3.2.1 인터페이스 설계
도 16은 Scantex SI-CE 시스템 내의 모세관 출구/고전압 인터페이스에 이루어진 변경 사항을 도시한다.
3.2.2 고전압 시스템 성능
높은 분리 전압의 장점은 도 17에 나와 있으며 50kV와 50cm 모세관을 사용하면 60초 이내에 모든 타겟 음이온을 완전히 분해할 수 있다.
도 18은 최대 50kV 전압에서 Spellman SL120PN 장치를 사용하여 타겟 음이온의 HV 분리를 보여준다.
도 19는 Scantex SI-CE 시스템을 사용할 때 모세관 위치가 관측된 베이스 라인에 미치는 영향을 도시한다.
도 20은 40cm 모세관과 30 내지 45kV를 사용하여 얻어진 분리를 보여준다. 전압이 증가함에 따라 분리 시간이 줄어들고 분해능의 손실은 제한된다. 전체 분석은 30kV(IS가 이동하는데 걸리는 시간)를 사용하여 45초 이내에 완료되지만, 시스템을 45kV에서 작동시키면 30초 가까이 줄일 수 있다.
3.2.3 고 전계 강도
도 21은 클로라이드 및 퍼클로레이트뿐만 아니라 배경 음이온 클로라이드 및 카보네이트의 높은 전계 강도 분리를 도시한다. 이 시스템에서 신뢰성을 향상시키기 위해 인가 전압을 40kV로 제한했지만, 분리 모세관을 점진적으로 단축시켜 전계 강도를 1.0kV/cm에서 2.0kV/cm까지 증가시켰다. (40cm 모세관, 검출기까지 26.5cm의 사용에 해당하는) 1.0 kV/cm의 전계 강도에서 4개의 음이온의 비교적 빠른 분리는 얻어지는 반면, 이는 전계 강도가 증가함에 따라 상당히 감소될 수 있음을 알 수 있다. 4개의 음이온의 완전한 분리는 1.6kV/cm의 전계 강도에서 여전히 관찰되지만, 분리의 시간 척도는 이제 10초 미만이다.
3.2.4 전압 결론
고 전압 및/또는 고 전계 강도의 사용에 대한 조사에서, 분해능, 속도 및 견고성 간의 최상의 절충은 30-50 cm 사이의 375μm OD 모세관의 사용이라고 결론지었다. 이러한 조건은 이후의 시험 작업에 사용되었다.
3.3 T-피스 설계
도 23은 2개의 다른 T-피스 유닛(동일한 타입 및 공급업자)을 사용할 때 얻어진 분리를 도시한다. 도 24는 샘플 유체 관통 시스템에 분리 모세관을 연결시키는데 사용된 T-피스 내 용적을 도시한다. 2개의 다른 레이아웃이 도 25에 도시되었다. 도 26은 전술한 3개의 T-피스 배향(orientation)을 사용하여 달성된 분리를 도시한다.
도 27은 도 25b에 도시된 T-피스 구성을 사용하여 10μL의 40 ppm 표준이 첨가된 스왑의 분석에 따른 클리어다운을 도시한다.
3.4 모세관 설치
모세관 설치의 다른 방법이 분리 결과에 미치는 영향을 조사한 결과는 도 29와 같다. 모세관을 포함하는 카트리지는 재현성 있는 분리가 가능하도록 장치에 삽입할 때 모세관이 정확하게 위치할 수 있어야 한다.
4. 성능
4.1 직선성
도 30과 도 31은 다양한 샘플 유속의 분리에 미치는 영향을 보여준다.
4.2 재현성
도 32는 시스템과 방법의 장기간 재현성을 도시하지만 이동 시간과 상대 이동 시간은 도 33에 도시되었다. 이러한 작업은 온도 조절없이 수행되었으며 24시간 동안의 이동 시간에 대한 결과가 명확하게 나타난다. 절대 이동 시간은 온도 변화에 영향을 받지만, 메탄술포네이트(IS)에 대한 이동 시간은 1,000회 연속 실행에 비해 0.20 % 미만의 RSD로 매우 안정적이다. 상대 이동 시간의 안정성뿐만 아니라 인접한 피크 사이의 분해능도 1000회 실행되는 동안 유지되었다(퍼클로레이트 및 티오시아네이트의 최악의 분해 피크의 경우 3.5 %의 분해능 RSD).
도 33에서, 상대적 이동 시간의 사용은 시스템의 재현성을 현저히 향상시킬 수 있음을 보여준다. 온도 제어 환경의 사용은 온도 변동에 의해 야기되는 변동을 더욱 완화시킬 수 있다.
도 34는 온도 조절 하우징을 사용할 때 얻은 이동 시간과 상대 이동 시간을 도시한다.
도 35는 도 35에 표시된 장기 재현성 연구의 첫 번째와 마지막 실행을 도시한다. 두 실험 사이의 우수한 일치는 보다 밀접하게 이동하는 음이온(퍼클로로레이트, 티오시아네이트 및 메탄술포네이트) 사이의 분해능에서 약간의 손실만을 볼 수 있다. 또한, 이 일련의 작업은 온도 조절 환경에서 수행되었지만, 모든 분석을 위해 입구 및 출구 위치 모두에서 동일한 BGE를 사용하여 시스템을 가동할 때는 다른 특별한 주의를 기울이지 않았다. 분해능뿐만 아니라 피크 면적과 높이가 1875회 연속 실행 과정에서 상대적으로 영향을 받지 않았음을 알 수 있다.
4.3 배경 인터페이스
Scantex 시스템을 사용하여 일상적인 화학 물질, 식품 및 재료를 스크리닝하여 잠재적 마스킹 제제(masking agent)가 있는지를 확인함으로써 실제 시스템에 시스템을 적용하여 테스트하였다. 가능한 경우 재료를 실제 사용 방법과 가장 일치하는 방식으로 시험하였다.
도 36은 손의 스왑에서 나온 분석 결과와 4번의 헹굼(아래 3개의 추적)으로 구성된 세척 순서에 이어 같은 스왑의 후속 추출을 도시한다. 피부의 스왑을 채취할 때 관찰되는 주성분은 클로라이드로 도 36에서 명확히 볼 수 있다.
피부에서 채취한 다음 100ppm의 타겟 음이온 표준을 첨가한 스왑도 분석하여, 클로라이드로부터 잘 분해 된 3개의 타겟 피크와 카보네이트 이 후에 이동한 미지의 피크를 보여주었다. 이 미지의 피크가 무엇인지는 명확하지 않지만, 피부의 스왑을 취할 때 일반적으로 존재한다. 그러나, 미지의 피크가 카보네이트 피크 이후에 이동하고, 이 피크의 표적 화합물 식별로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 중요한 것으로 간주되지 않았다.
실제 샘플 분석에서 클로라이드가 주요 오염 물질이 되기 쉽기 때문에 최근 바닷물에 노출된 피부를 스왑한 효과가 테스트되었다(도 37).
예상대로 매우 큰 클로라이드 피크가 관찰되었으며, 이 피크는 니트레이트와 클로레이트의 이동 시간에 영향을 미치지만 양쪽 모두의 이동 시간을 수 초 이내로 밀어 내면 두 피크가 분명하게 보여진다.
도 38 내지 46은 잠재적인 실제 오염 물질의 범위를 분석한 것이다. 각 제품은 취급되었거나 직접 손에 묻혀서 스왑을 취한 다음 Scantex 시스템을 사용하여 직접 분석하였다. 샘플링은 다음에 따라 수행되었다:
● 도 38에서, 항 박테리아 핸드워시를 사용하여 손을 씻고 헹구었다. 스왑을 취하여 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 타겟 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 39에서, 모이스처라이저를 손에 바르고 스왑을 취했다. 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 타겟 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 40에서, 스타일 젤을 사용하려고하는 것처럼 손에 도포하고 스왑을 채취하였다. 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 41에서, 살충제를 손에 도포하고 스왑을 채취하였다. 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 42에서, 베이비 파우더를 손에 도포하고 털어내어 스왑을 채취하였다. 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 43에서, 샴푸를 사용하려고 하는 것처럼 손에 도포하고 스왑을 채취하였다. 그 다음, 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 44에서, 콘칩은 손의 스왑을 채취한 후 먹은 것처럼 다루어졌다. 그 다음, 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
● 도 46에서, 땀 억제제를 손에 직접 도포하여 스왑을 채취하였다. 그 다음, 스왑을 직접 분석하거나 10μL의 100ppm 표적 음이온 표준을 첨가하여 스왑에 직접 적용한 다음 Scantex 시스템으로 분석하였다.
5. 필드 분석
시스템을 3번에 걸쳐 여러 범위로 평가하였다. 첫 번째 테스트는 위치 A에서 수행되었으며 Scantex SI-CE(또한, 무기물-백 엔드 시스템(Inorganic-Back End System) 또는 "In-BES"로 지칭됨)와 결합된 샘플 추출을 위한 프런트 엔드 시스템(Front End System, FES)가 포함되었다. 다른 두 사례는 대학 캠퍼스 내에서 발생했으며(위치 B와 C) FES와 In-BES를 포함한 전체 시스템의 테스트가 포함되었다.
5.1 위치 A에서 범위 테스트
IED 제조 및 폭발에 노출된 개인 및 시료에 대한 직접 분석은 폭발물 폭발 실험이 수행되는 위치에서 수행되었다.
도 47은 위치 A에 있는 변경된 시스템을 사용하여 첨가된 스왑 샘플을 분석한 것이다. 타겟 종(니트레이트, 클로레이트, 퍼클로레이트)의 우수한 검출이 얻어졌음을 알 수 있다. 또한, 동일한 스왑의 후속 분석은 FES 및 In-BES의 효과적인 세척을 보여주었고, 스왑을 3회 세척한 후에 대부분의 타겟 잔류물이 제거되었다.
도 48은 사용된 IED의 제조에 따라 폭탄 기술자의 손에 대한 습식 및 건식 스왑 분석과 블랙 파우더 기반 IED와 함께 사용되는 목격자 플레이트 중 하나에서 채취한 스왑 샘플을 나타낸다. 건식 스왑을 사용했을 때 타겟 잔류물을 채취하지는 않았지만, 폭탄 기술자의 습식 스왑은 IED 중 하나를 제조하는 동안 아마도 사용된 클로라이트의 흔적을 찾아 냈다.
예상대로 블랙 파우더 IED 목격자 플레이트의 습식 스왑은 폭발 전 스크리닝 뿐만 아니라 폭발 후 분석에 Scantex 시스템을 적용할 가능성을 강조하는 니트레이트에 대한 큰 신호를 나타낸다.
위치 A 테스트의 결과는 IED 제조에 관여한 사람들에게 클로레이트와 같은 타겟 종을 검출할 수 있음을 보여주었다. 또한, 위치 A 테스트(위치 B 및 C 테스트에서 관찰된 바와 같이)동안 니트레이트의 배경 수준이 검출되는 동안, 스왑 샘플이 블랙 파우더 기반 장치에 노출된 목격자 플레이트로부터 취해질 때 상승된 수준이 관찰되었다.
5.2 위치 A에서 테스트
위치 B와 C에서 일반 대중으로부터 개인에 대한 스크리닝은 Scantex 시스템을 사용하여 2일 동안 서로 다른 두 위치(위치 B와 C)에서 수행되었다. 개인들은 의류와 신발의 젖은 스왑과 Scantex 시스템의 후속 분석을 포함하는 "무작위" 스크리닝을 위해 자신을 제출하도록 초대되었다. 분석 결과가 즉석에서 실행되었다.
5.2.1 위치 B에서 테스트
5.2.1.1 In-BES 결과
도 49는 위치 B 현장 테스트 첫날부터 선발된 일부 선별 결과를 나타낸다. 시스템은 문제없이 작동하였다.
도 49는 네 명의 개인의 검사 결과를 나타낸다. 각 테스트는 Milli-Q 물에 적신 새로운 스왑을 사용하여 수행되었다. 결과로부터, 플루오라이드 피크는 스왑 자체 또는 스왑을 적시는데 사용된 물의 오염으로 인해 생기는 것 같지만, 클로라이드, 카보네이트, 그리고 보다적은 정도로 플루오라이드와 유사한 수준의 공통 배경 이온이 관찰된다는 것을 알 수 있다. 니트레이트의 배경 수준도 대부분의 샘플에서 관찰되지만, 이러한 수치는 낮고 상대적으로 일정하여, 일상적인 스크리닝 목적으로 임계 한계를 설정하고 임계값 수준을 벗어난 경우에만 "양성" 결과만 반환할 수 있어야한다. 예상한 바와 같이, 어떤 샘플에서도 클로레이트 또는 퍼클로레이트가 검출되지 않았다.
5.2.2 위치 C에서 테스트
5.2.2.1 In-BES 결과
도 50은 위치 C에서 수행 된 테스트의 선별 검사 결과를 나타낸다. 사용된 조건과 프로토콜은 이전의 현장 시험과 유사하지만 모든 분석에 단일 스왑을 사용하였다. 결과에서 볼 때, 클로라이드, 카보네이트 및 카보네이트에 뒤 따르는 알려지지 않은 종의 공통 배경 종은 모든 샘플에 다시 존재하지만, 특히 클로라이드의 수준은 개인마다 다를 수 있음을 알 수 있다. 이전의 필드 테스트에서와 같이 관측 된 수치는 질량에 대해 ~ 15 pg 내지 75 pg (도 50에 도시된 바와 같은 피크 높이를 기준으로 계산)의 비교적 낮은 수치를 나타냈지만, 많은 샘플에서 니트레이트가 다시 관찰되었다. 클로레이트 또는 퍼클로레이트는 샘플 중 어디서도 관찰되지 않았다.
도 50은 또한 실제 스크리닝 샘플과 첨가된 블랭크 스왑 모두에 따른 후속 분석 결과를 나타낸다. 두 경우 모두 스크린 사이에 사용된 플러싱 프로토콜이 새로운 분석을 할 때마다 준비된 스왑을 완전히 씻어 버리기에 충분하다는 것을 의미하는 무시할만한 캐리오버(negligible carryover)가 관찰되었음을 알 수 있다.
5.3 위치 B와 C에서 필드 테스트의 결론
Scantex 시스템은 기기 문제가 없는 세 가지 필드 테스트에서 모두 훌륭하게 수행되었다.
위치 B 및 C의 필드 테스트의 예비 배경 분석 결과는 클로라이드 및 카보네이트과 같은 방해 종의 표준 배경 수준이 타겟 종인 니트레이트, 클로레이트 및 퍼클로레이트을 방해하지 않는다는 것을 보여준다. 또한, 초기에 고려되지 않은 추가 배경 종은 타겟 종의 분석에 아무런 문제가 없다는 것을 발견하였다. 방해 종의 수준은 위치 B 및 C 필드 테스트 동안 테스트된 모든 자원 봉사자에 대해 상대적으로 일정한 것으로 나타났다. 타겟 종 중 니트레이트 만이 일반 대중에서 검출되었지만, 그 수치는 상대적으로 낮았으며 실제 분석에 스크리닝 절차를 적용할 때 그러한 최소 한계 값을 쉽게 설정할 수 있었다.
6. 결론 및 결과
위의 결과와 논의는 무기물 및 퍼옥사이드 기반 폭발 장치를 나타내는 타겟 종의 존재 여부를 테스트 할 수 있는 프로토타입 폭발성 잔류물 스크리닝 장치(prototype explosive residue screening device)의 개발 및 시험에 대해 설명한다. 이 시스템은 1분의 시간 프레임에서 무기 폭발물 기반 잔류물(니트레이트, 클로레이트, 퍼클로레이트)의 존재에 대해 스왑 샘플을 재현성있게 분석할 수 있다. 시스템에 유연성이 남아있어 무기 잔류물을 검사하는데 필요한 분석 시간을 특정 응용 분야에 맞게 쉽게 조정할 수 있다.
Scantex 시스템의 주요 기능은 다음과 같다:
● 무기질 기반의 폭발성 잔류물이 있는지 표면을 간단히 분석할 수있는 방법을 제공한다
● 스크리닝 시간은 현재 1-2분 정도이지만 비교적 간단하게 줄일 수 있다
● 시스템은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 쉽게 제어된다
● 분석 결과를 실시간으로 컴퓨터에 표시한다
● 분석 당 ~ 4ml의 용액(주로 물)을 사용하는 FES; 및 분석 당 ~ 0.3ml의 용액을 사용하는 In-BES;를 사용하여 FES 및 In-BES에 의한 시약 사용을 최소화한다.
● 시스템의 재현성이 좋기 때문에 장기간의 연속 작동이 가능하다.
6.1 최종 시스템 매개변수
Scantex 시스템의 매개 변수는 표 1에 나와 있으며 결과 분석 시간대와 결과는 도 51과 같다. 스왑 샘플의 전체 분석은 FES가 면봉을 추출하여 In-BES에 전달하기 위해 취한 25초 동안, 60초 이내에 완료된다. 분석에 앞서 CE T-피스에서 샘플 용액을 세척하기 위해 In-BES에 의해 추가로 10초가 필요하다. In-BES의 전체 분석은 내부 표준(메탄술포네이트)이 CE 시스템을 통해 이동하는데 걸린 시간인 25초 내에 완료된다. 도 51에 도시된 분석 타임 라인은 60초 이내에 무기 IED 잔류 물을 신속하게 스왑으로 스크리닝한다.
선행 기술 문헌이 본 명세서에서 언급되는 경우, 그러한 참고 문헌은 그 출원서가 호주 또는 다른 나라에서 당업계의 통상적인 지식의 일부를 형성한다는 인용을 구성하지 않는다는 것을 이해해야한다.
다음의 청구 범위 및 본 발명의 전술 한 설명에서, 명시적인 언어 또는 필요한 의미로 인해 문맥이 다른 것을 요구하는 경우를 제외하고, 단어 "포함한다(comprise)" 또는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은 포괄적인 의미로 사용되며, 즉 명시된 특징의 존재를 명시하지만 본 발명의 다양한 실시 예에서 다른 특징의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

Claims (20)

  1. 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템으로서,
    ● 3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층(alternating layers)의 내부 코팅을 갖는 분리 채널;
    ● 상기 분리 채널의 검출 구역을 통과하는 상기 무기 음이온을 검출하기 위한 검출기; 및
    ● 샘플 용액과 배경 전해질을 함유하는 유체를 상기 분리 채널의 유입 단부 내로 분사하기 위한 분사 시스템;을 포함하며,
    상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층이고,
    상기 배경 전해질은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 포함하며,
    상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 폴리에틸이민이 아닌, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음이온성 중합체 층을 형성하는 음이온성 중합체는 술폰화된 중합체(sulfonated polymer), 술폰화된 공중합체(sulfonated copolymer), 설페이트화된 중합체(sulphated polymer) 또는 설페이트화된 공중합체(sulphated copolymer)인, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 헥사디메트린 중합체(hexadimethrine polymer) 또는 폴리디알릴디메틸암모늄 중합체(polydiallyldimethylammonium polymer)인, 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 헥사디메트린 브로마이드(hexadimethrine bromide)인, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 시스템; 상기 분리 채널을 통한 유체의 흐름; 및 상기 무기 음이온을 검출하기 위한 상기 검출기의 작동;을 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층을 상기 분리 채널 상에 도포하기 위한 채널 코팅 시퀀스를 제어하는, 시스템
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 채널은 3개, 5개 또는 7개의 코팅층을 갖는, 시스템.
  8. 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템으로서,
    ● 3개 이상의 층으로서, 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하여 형성된 층의 내부 코팅을 갖는 분리 채널을 포함하는 교체형 카트리지를 수용하도록 형성된 리시버(receiver);
    ● 상기 분리 채널을 포함하는 상기 카트리지가 상기 리시버에 위치할 때, 상기 분리 채널의 검출 구역을 통과하는 무기 음이온을 검출하도록 배치된 검출기;
    ● 상기 카트리지가 상기 리시버에 위치할 때, 샘플 용액 및 배경 전해질을 함유하는 유체를 상기 카트리지에 포함된 상기 분리 채널의 유입 단부 내로 분사하기 위한 분사 시스템; 및
    ● 분사 시스템, 유체의 흐름 및 상기 무기 음이온의 검출을 위한 상기 검출기의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 양이온성 중합체와 음이온성 중합체의 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층인, 시스템.
  9. 전기영동법을 사용하여 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 방법으로서,
    - 샘플과, 폴리에틸렌이민을 함유하는 배경 전해질을 양이온성 중합체와 음이온성 중합체가 교대하여 형성된 층으로 코팅된 분리 채널 내로 도입시키는 단계;
    - 상기 분리 채널에 전압 전위를 가하여 상기 무기 음이온의 분리를 수행하는 단계; 및
    - 분리된 무기 음이온의 존재를 검출하는 단계;를 포함하는 샘플 처리 시퀀스를 포함하며,
    상기 분리 채널의 제1층 및 마감층은 양이온성 중합체 층이며, 상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 폴리에틸렌이민이 아닌, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 샘플 처리 시퀀스를 수행하기 전에, 상기 샘플 처리 시퀀스가 수행될 수 있도록 상기 분리 채널을 포함하는 카트리지를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 샘플 처리 시퀀스를 수행하기 전에, 상기 샘플 처리 시퀀스가 수행될 수 있도록 하는 위치에 상기 분리 채널과 배경 전해질 저장소를 포함하는 카트리지를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    다수의 샘플 처리 시퀀스를 수행한 후에, 상기 카트리지를 교체 카트리지로 교체하기 전에 다수의 샘플 처리 시퀀스를 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 교체된 카트리지로 1000회 이상의 샘플 처리 시퀀스를 수행한 후에 상기 카트리지를 교체 카트리지로 교체하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양이온성 중합체 층을 형성하는 양이온성 중합체는 헥사디메트린 브로마이드이며,
    상기 음이온성 중합체 층을 형성하는 상기 음이온성 중합체는 폴리스티렌 술포네이트인, 방법.
  15. 샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 분리 모세관으로서,
    3개 이상의 층으로서, 헥사디메트린 중합체와, 폴리스티렌 술포네이트 또는 이의 공중합체, 이의 염 또는 이의 유도체가 교대하여 형성된 층의 내부 코팅을 포함하며,
    상기 헥사디메트린 중합체와, 폴리스티렌 술포네이트 또는 이의 공중합체, 이의 염 또는 이의 유도체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층인, 분리 모세관.
  16. 분리 모세관을 포함하는 카트리지로서,
    상기 분리 모세관은, 3개 이상의 층으로서, 헥사디메트린 중합체와, 폴리스티렌 술포네이트 또는 이의 공중합체, 이의 염 또는 이의 유도체가 교대하여 형성된 층의 내부 코팅을 포함하며,
    상기 헥사디메트린 중합체와, 폴리스티렌 술포네이트 또는 이의 공중합체, 이의 염 또는 이의 유도체가 교대하여 형성된 층의 제1층과 마감층은 양이온성 중합체 층인, 카트리지.
  17. 제16항에 있어서,
    폴리에틸렌이민-함유 배경 전해질 조성물을 포함하는 배경 전해질 저장소를 더 포함하는, 카트리지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 배경 전해질 조성물 중 상기 폴리에틸렌이민의 농도는 약 0.04 내지 0.08중량%인, 카트리지.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헥사디메트린 중합체는 헥사디메트린 브로마이드인, 카트리지.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플에서 무기 음이온을 분리 및 검출하기 위한 시스템의 리시버 내로 분리 가능하게 삽입되도록 성형되는, 카트리지.
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