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질량 분석법

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목차

1. 개요

질량 분석법은 시료를 이온화하여 질량 대 전하비에 따라 분리하고 검출하여 질량 스펙트럼을 얻는 분석 기술이다. 19세기 말 양극선 연구에서 시작되어, 20세기 초 뎀스터와 아스턴에 의해 현대적인 기술이 개발되었다. 질량 분석 장치는 시료 도입부, 이온원, 분석부, 이온 검출부, 데이터 처리부로 구성되며, 이온화 기술, 분석기의 종류, 탠덤 질량 분석법(MS/MS) 등의 다양한 기술이 활용된다. 환경, 식품, 의약품, 생체 분자 분석 등 다양한 분야에 응용되며, 미지 화합물 확인, 구조 결정, 정량 분석 등에 사용된다.

2. 역사

1886년, 외젠 골드슈타인(Eugen Goldstein)은 저압 방전관에서 양극에서 멀어지면서 구멍이 뚫린 음극의 채널을 통과하는 광선을 관찰했는데, 이는 음으로 대전된 음극선과 반대 방향으로 이동하는 것이었다. 골드슈타인은 이러한 양으로 대전된 양극선을 "카날선(canal rays)"이라고 불렀다. 빌헬름 빈(Wilhelm Wien)은 강한 전기장 또는 자기장이 카날선을 편향시킨다는 것을 발견했고, 1899년에 전기장과 자기장을 직각으로 배치하여 전하 대 질량 비율(''Q/m'')에 따라 양의 광선을 분리하는 장치를 만들었다. 빈은 전하 대 질량 비율이 방전관 내 기체의 종류에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 영국의 과학자 J. J. 톰슨(J. J. Thomson)은 나중에 압력을 낮춰 질량 분광기를 만드는 빈의 연구를 개선했다.

프랭크 윌리엄 아스턴(F.W. Aston)의 세 번째 질량 분석기 복제품


"분광기(spectrograph)"라는 단어는 1884년까지 국제 과학 어휘의 일부가 되었다.[2][3] 이온의 질량 대 전하 비율을 측정하는 초기의 ''분광측정(spectrometry)'' 장치는 ''질량 분광기(mass spectrographs)''라고 불렸는데, 이는 사진 건판에 질량 값의 스펙트럼을 기록하는 기기를 포함했다.[4][5]

현대적인 질량 분석법 기술은 1918년과 1919년에 각각 아서 제프리 뎀스터(Arthur Jeffrey Dempster)와 프랭크 윌리엄 아스턴(F.W. Aston)에 의해 고안되었다.

1989년, 노벨 물리학상의 절반은 1950년대와 1960년대에 이온 트랩 기술을 개발한 한스 데멜트(Hans Dehmelt)와 볼프강 파울(Wolfgang Paul)에게 수여되었다.

2002년, 노벨 화학상은 전기분무 이온화(electrospray ionization)](ESI)] 개발에 대한

3. 원리

이온원(ion source)은 질량 분석기에서 분석 대상 물질(분석물)을 이온화하는 부분이다. 이온은 그 후 자기장 또는 전기장에 의해 질량 분석기로 이동한다.

고전압을 건 진공 상태에서 시료를 이온화하면, 정전력에 의해 시료는 장치 내부를 비행한다. 비행하는 이온을 전기적·자기적인 작용 등에 의해 질량-전하비에 따라 분리하고, 그 후 각각을 검출함으로써, ''m/z''를 가로축, 검출 강도를 세로축으로 하는 질량 스펙트럼을 얻을 수 있다.

질량 분석에서는 시료 분자가 양 또는 음의 전하를 하나만 가진 이온 외에도, 2가 이상으로 하전된 다가 이온, 이온화 과정 또는 장치를 비행하는 동안 해리된 이온('''조각 이온''', 과거에는 '''딸 이온'''이라고도 불렸지만 현재는 이 명칭은 권장되지 않는다), 또는 시료끼리 회합한 회합 이온 등이 생성된다. 또한, 일반적으로 분자는 동위원소를 포함하고 있으며, 각각의 피크는 이에 기인하는 분자 고유의 분포를 가지고 나타난다.

질량 스펙트럼에는 이러한 정보가 모두 포함되어 있기 때문에, 경우에 따라서는 상당히 복잡한 스펙트럼이 된다. 따라서, 미지 물질의 질량 스펙트럼을 귀속하는 것은 쉽지 않다. 반대로, 이 풍부한 정보량은 기지 물질의 동정이나 미지 물질의 구조 결정에는 매우 강력한 수단이 되기 때문에, 유기 화학이나 생화학 분야에서 매우 많이 사용되고 있으며, 중요한 분석법이 되고 있다.[11][12][13]

4. 장치 구성

질량 분석기는 시료 도입부, 이온원, 분석부, 이온 검출부, 데이터 처리부로 구성된다.[41][42]

질량 분석기의 개략도. 시료 도입부 및 이온원(왼쪽 아래), 분석부(왼쪽 위, 자기장 편향형), 이온 검출부(오른쪽 위), 데이터 처리부(오른쪽 중앙)로 구성된다.

  • 이온원: 시료를 이온화하는 장치이다. 전자 이온화(EI), 화학 이온화(CI), 전기분무 이온화(ESI), 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화(MALDI) 등 다양한 방식이 사용된다.
  • 분석부: 이온을 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리한다. 자기장 섹터형, 사중극자형, 비행시간형 등 다양한 방식이 사용된다.
  • 이온 검출부: 분리된 이온을 검출하는 장치이다. 전자 증배관, 마이크로채널 플레이트, 패러데이 컵 등이 사용된다.
  • 데이터 처리부: 검출된 이온 신호를 처리하여 질량 스펙트럼을 생성하고, 필요에 따라 데이터베이스를 이용하여 시료를 분석한다.[13]

4. 1. 시료 도입부

시료는 질량 분석기에 도입되는 물질이다.

시료의 상태(기체, 액체, 고체) 및 휘발성 여부에 따라 다양한 도입 방법이 사용된다. 질량 분석기를 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 기체 크로마토그래프(GC), 모세관 전기영동(CE)과 연결하여 시료를 분리하고 도입하는 LC/MS(엘시엠에스 또는 엘시마스), GC/MS(지시엠에스 또는 지시마스), CE-MS(씨이엠에스 또는 씨이마스)도 널리 사용된다.[41][42] 처리 효율을 높이기 위해 오토샘플러를 사용하여 시료 도입을 자동화하기도 한다.

4. 2. 이온원

전자이온화법(EI법)


화학이온화법(CI법)


매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화법(MALDI법)


전기분무 이온화법(ESI법)


시료 물질에 특정 작용을 가하여 전하를 띠게 만드는 부분이다. 목적에 따라 다양한 이온화 방법이 개발되었다.

  • '''EI(Electron Ionization, 전자이온화)법''': 가열된 필라멘트에서 방출되는 열전자를 시료 분자 또는 원자에 충돌시켜 이온화한다. 주로 1가의 양이온이 생성되지만, 다가이온 생성도 확인된다. 가장 간단하기 때문에 기체 시료의 이온화법으로 널리 보급되어 있지만, 시료가 잘 파편화되기 때문에 얻어지는 질량 스펙트럼은 복잡해진다. 적용 가능한 분자량 범위는 약 1~1000이다.
  • '''CI(Chemical Ionization, 화학이온화)법''': 메탄 등과 같은 특정 기체를 미리 EI법으로 이온화시켜 놓고, 여기에 기체 시료를 도입하여 시료 분자와 미리 이온화된 기체 분자 사이에서 전하 교환 반응을 일으켜 이온화한다. EI법에 비해 파편화가 일어나기 어렵다.
  • '''FD(Field Desorption, 전계탈리)법''': 시료를 수염 모양의 전극(위스커)에 도포하고, 이것을 가열하여 전압을 걸어 전극 끝 부근에 고전장을 발생시켜 터널 효과를 이용하여 이온화한다. 파편화가 잘 일어나지 않지만, 시료는 휘발성이 있는 것에 한정된다.
  • '''FAB(Fast Atom Bombardment, 고속원자충격)법''': 시료를 매트릭스(글리세롤 등)에 섞고, 여기에 고속으로 중성 원자(Ar, Xe 등)를 충돌시켜 이온화한다. 시료를 기화할 필요가 없기 때문에 광범위한 물질에 사용할 수 있다. 적용 가능한 분자량 범위는 약 500~5000이다.
  • '''MALDI(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화)법''': 시료를 매트릭스(방향족 유기 화합물 등)에 섞어 결정을 만들고, 여기에 레이저를 조사하여 이온화한다. 단백질 등의 고분자 화합물이라도 안정적으로 이온화할 수 있다. 적용 가능한 분자량 범위는 약 1~1000000이다.
  • '''ESI(ElectroSpray Ionization, 전기분무 이온화)법''': 주로 LC/MS에서 사용되는 이온화 방법이며, 대기압 이온화(API)법의 일종이다. 시료를 용매에 녹여 고전압을 건 캐필러리에 도입·분무하여 대전된 액적을 형성시키고, 여기서 용매 분자를 증발시켜 액적 표면의 전하가 표면장력을 극복하고 액적이 분열되도록 한다. 이것을 반복하여 최종적으로 이온을 생성한다. MALDI와 마찬가지로 고분자량 화합물의 이온화에 특히 뛰어난 특성(다가 이온을 생성하기 쉽다)을 나타낸다. 캐필러리를 히터로 가열하여 분무하는 APCI법과는 다르지만, 시판 장치에서는 이온화 부분만 교체하면 본체는 공용할 수 있는 경우가 많다. 가장 소프트한 이온화법 중 하나이다. 적용 가능한 분자량 범위는 약 200~1000000이다.
  • '''APCI(Atomospheric Pressure Chemical Ionization, 대기압 화학 이온화)법''': 주로 LC/MS에서 사용되는 이온화 방법이다. 400~500℃의 고온 가열에 의해 시료 용액을 강제로 기화시킨 후, 코로나 니들의 방전을 이용하여 이온을 생성한다. 이름이 나타내듯이 대기압 하에서의 CI이며, 기화된 용매가 반응 기체의 역할을 한다. ESI보다 하드한 이온화법으로, 파편 이온이 약간 생성된다. 낮은 극성~중극성의 화합물, 즉 순상 크로마토그래피에서의 분리가 적용되는 화합물의 이온화에 적합하다.
  • '''ICP(Inductively Coupled Plasma, 유도결합 플라즈마)''': 기체에 고전압을 걸어 플라즈마화시키고, 고주파수의 변동 자기장에 의해 플라즈마 내부에 와전류에 의한 줄열을 발생시켜 얻어지는 고온의 플라즈마를 이온화법으로 이용한다. 금속 단체의 분석에 사용된다.


그 외에도, 페닝 이온화를 이용한 DART법이나, 기상 시료에 리튬 이온을 부착시키는 이온 부착법(IA) 등의 방법이 고안되었다.

4. 3. 분석부

이온화된 시료를 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리하는 부분이며, m/z가 가까운 피크를 구별하는 능력(질량 분해능)과 측정 가능 질량 범위의 두 가지 요소가 중요하다. 요구되는 특성에 따라 여러 분석 방법이 사용된다.

; 자기장 섹터형 (Magnetic Sector)

: 이온을 자기장 속에 통과시켜, 로렌츠 힘에 의해 비행 경로가 변화하는 것을 이용하는 분석법이다. '''이중 집속형'''은 자기장 섹터와 전기장 섹터를 조합하여 이온의 속도와 방향을 모두 집속하여 질량 분해능이 높다. 정밀 질량 측정이 가능하여 mDa 이하의 측정값을 얻을 수 있다.

; 사중극자형 (Quadrupole, Q)

: 4개의 전극 내에 이온을 통과시키고, 전극에 고주파 전압을 가하여 시료에 섭동을 일으켜 원하는 이온만 통과시키는 분석법이다. 측정 가능한 질량 범위는 m/z 약 4000까지이다. 전압을 변화시켜 통과 가능한 이온의 m/z를 변화시키고, 질량 스펙트럼을 얻는다. 소형이고 비교적 저렴하며, 고속 주사가 가능하여 LC/MS 등에 적합하다. 하지만 질량 주사 범위가 좁고, 측정 원소에 간섭을 일으켜 분해능이 좋지 않다.

; 이온 트랩형 (Ion Trap, IT)

: 이온을 전극으로 된 트랩 실에 가두고, 전위를 변화시켜 선택적으로 이온을 방출하여 분리한다. 비교적 저렴하고 분해능도 높지만, 정량성이 낮다.

; 비행시간형 (Time-of-Flight, TOF)

: 이온화된 시료를 펄스적으로 가속하여, 검출기에 도달할 때까지의 시간 차이를 검출한다. 전하량이 같으면 이온이 받는 에너지가 일정하므로, m/z가 클수록 비행 속도가 느려져 검출기에 도달하는 시간이 길어진다. 이 시간 차이로 질량을 구한다. 원리상 측정 가능한 질량 범위에 제한이 없고, 고감도이다.

; 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명형 (Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance, FT-ICR)

: 이온을 정전장과 정자장이 걸린 셀에 넣고, 이온 운동을 여기시키기 위한 고주파 전압을 가하여 이온의 주회 주기를 검출하고, 사이클로트론 조건에서 질량을 구한다. 극히 고분해능이며 밀리마스 측정이 가능하지만, 가격이 비싸다.

; 가속기 질량 분석 (Accelerator Mass Spectrometry, AMS)

: 가속기를 이용하여 물질을 통과할 때의 에너지 손실률 차이 등을 이용하여 동중원소 등을 제거하고, 특정 원자만을 측정한다. 고고학에서 탄소 연대 측정 등에 이용된다. 가속기를 사용하므로 매우 큰 장치가 필요하다.

; 탠덤형

: 위의 분석법을 여러 개 조합하는 방법이다. 첫 번째 질량 분리부에서 특정 이온만 추출하고, 이것을 분열시켜 생성된 조각 이온을 두 번째 질량 분리부에서 분석한다. 이온 트랩과 FT-ICR은 단일 장치에서 조각 이온 분석이 가능하다. 시료가 혼합물이거나 생체 분자 구조 분석 등에 이용된다. 일반적으로 '''MS/MS'''(엠에스엠에스)라고 부른다.

4. 4. 이온 검출부

검출기는 이온이 지나가거나 표면에 부딪힐 때 유도된 전하 또는 생성된 전류를 기록한다. 스캔 장비에서 스캔 과정 중 검출기에 생성된 신호 대 스캔에서 장비의 위치(''m/Q''에서)는 질량 스펙트럼을 생성하며, 이는 ''m/Q''의 함수로서 이온을 기록한 것이다.

일반적으로 어떤 종류의 전자 증배관이 사용되지만, 패러데이 컵과 이온-광자 검출기를 포함한 다른 검출기도 사용된다. 특정 시점에 질량 분석기에서 나오는 이온의 수는 일반적으로 매우 적기 때문에, 신호를 얻기 위해 상당한 증폭이 종종 필요하다. 마이크로채널 플레이트 검출기는 최신 상용 장비에서 일반적으로 사용된다.[29] 푸리에 변환 질량 분석법(FTMS) 및 오비트랩에서 검출기는 질량 분석기/이온 트랩 영역 내에 있는 한 쌍의 금속 표면으로 구성되며, 이온은 진동할 때 이 근처를 지나갈 뿐이다. 직류는 생성되지 않고, 전극 사이의 회로에서 약한 교류 이미지 전류만 생성된다. 다른 유도 검출기도 사용되었다.[30]

분석부에서 선별된 이온을 전자증배관이나 마이크로채널플레이트로 증폭하여 검출한다. 패러데이컵으로 검출하여 계수하는 방식도 있다. 증배관의 수에 따라 단일 채널 검출기 또는 멀티 채널 검출기라고 한다.

4. 5. 데이터 처리부

펩타이드 혼합물의 질량 분석 결과


획득된 데이터로부터 질량 스펙트럼을 작성한다. 또한, 많은 화합물(단백질 등 생체 분자 포함)에 대해서는 질량 스펙트럼의 데이터베이스가 작성되어 있어, 이를 통해 시료를 쉽게 분석할 수 있다.[13]

5. 탠덤 질량 분석법 (MS/MS)

탠덤 질량 분석기는 분자 분열을 통해 분리된 여러 단계의 질량 분석을 수행할 수 있는 장치이다. 예를 들어, 첫 번째 질량 분석기는 질량 분석기로 들어오는 여러 펩타이드 중 하나를 분리할 수 있다. 그런 다음 충돌 셀이 기체와의 충돌을 통해 충돌 유도 해리(CID)에 의해 펩타이드 이온을 분열시킨다. 이후 다른 질량 분석기가 펩타이드에서 생성된 단편을 분류한다. 탠덤 MS는 사중극 이온 트랩과 같이 단일 질량 분석기에서 시간 경과에 따라 수행될 수도 있다. 탠덤 MS를 위한 분자 분열에는 충돌 유도 해리(CID), 전자 포획 해리(ECD), 전자 전달 해리(ETD), 적외선 다광자 해리(IRMPD), 흑체 적외선 복사 해리(BIRD), 전자 탈착 해리(EDD), 표면 유도 해리(SID) 등 여러 가지 방법이 있다. 탠덤 질량 분석법을 사용하는 중요한 응용 분야는 단백질 확인이다.[31]

탠덤 질량 분석법은 다양한 실험 순서를 가능하게 한다. 많은 상용 질량 분석기는 선택 반응 모니터링(SRM), 전구체 이온 스캐닝, 생성 이온 스캐닝, 중성 손실 스캐닝과 같은 일반적인 순서의 실행을 신속하게 하도록 설계되었다.[32] 각 스캔 방식은 아래 표와 같다.

스캔 방식설명
선택 반응 모니터링(SRM)첫 번째 분석기는 단일 질량만 통과시키고 두 번째 분석기는 전체 스캔에서 달성할 수 있는 것보다 더 긴 체류 시간 동안 여러 사용자 정의 단편 이온을 모니터링한다. 이렇게 하면 감도가 향상된다.
생성 이온 스캔첫 번째 질량 분석기는 특정 전구체 이온("모 이온")을 선택하도록 고정되고, 두 번째 분석기는 충돌 셀에서 분열될 수 있는 모든 단편("생성물" 또는 "딸 이온")을 찾기 위해 스캔된다.
전구체 이온 스캔두 번째 질량 분석기는 특정 단편 이온("딸 이온")을 선택하도록 고정되고, 첫 번째 분석기는 이 단편을 생성할 수 있는 모든 가능한 전구체 이온을 찾기 위해 스캔된다.
중성 손실 스캔두 질량 분석기는 병렬로 스캔되지만 분석가에게 중요한 분자 하위 단위의 질량만큼 분리된다. 이온은 분열 중에 고정된 질량을 잃는 경우 감지된다. 이것은 예를 들어 당 잔기와 같은 특정 중성기를 잃을 수 있는 모든 화학 물질을 찾는 데 사용할 수 있다. 중성 손실 및 전구체 이온 스캔을 함께 사용하여 특정 모티프를 가진 화학 물질을 찾을 수 있다.



방사성 탄소 연대 측정에 사용되는 또 다른 유형의 탠덤 질량 분석법은 가속기 질량 분석법(AMS)이며, 이 방법은 일반적으로 메가볼트 범위의 매우 높은 전압을 사용하여 음이온을 탠덤 질량 분석기의 한 유형으로 가속한다.

METLIN 대사체 및 화학 물질 데이터베이스는[33][34][35][36] 표준에서 얻은 실험 탠덤 질량 분석법 데이터의 가장 큰 저장소이다. 2024년 1월 기준 93만 개 이상의 분자 표준에 대한[33][36] 탠덤 질량 분석법 데이터는 탠덤 질량 분석법 실험에서 화학 물질을 식별하기 위해 제공된다.[37] 알려진 분자의 식별 외에도 유사성 검색/분석을 사용하여 알려지지 않은 물질을 식별하는 데에도 유용하다.[38] 모든 탠덤 질량 분석법 데이터는 여러 충돌 에너지와 양이온 및 음이온 이온화 모드 모두에서 표준의 실험 분석에서 나온 것이다.[33]

6. 응용 분야

질량 분석법은 정성적 및 정량적 용도로 모두 활용된다. 미지 화합물 확인, 분자 내 원소의 동위원소 조성 결정, 분열 관찰을 통한 화합물 구조 결정 등이 그 예이다. 시료 내 화합물의 양을 정량화하거나 기상 이온 화학(진공 상태에서 이온과 중성 분자의 화학)의 기본 원리를 연구하는 데에도 사용된다. 현재 질량 분석법은 다양한 화합물의 물리적, 화학적 또는 생물학적 특성을 연구하는 분석 실험실에서 흔히 사용된다. 정량화는 기준 시료에 대한 상대적 분석 또는 표준 곡선 방법을 사용한 절대적 분석으로 이루어진다.[49]

질량 분석법은 다른 분석 기술보다 높은 감도를 가지며, 특징적인 분열 패턴을 통해 미지 물질을 식별하거나 의심되는 화합물의 존재를 확인하는 데 유용하다. 또한 분자량 및 원소의 동위원소 존재비에 대한 정보를 제공하고, 시간 분해 화학 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 광학 이성질체와 기하 이성질체를 구별하기 어렵고, 방향족 고리의 치환체 위치를 정확히 파악하는 데 한계가 있으며, 유사한 분열 이온을 생성하는 탄화수소를 식별하는 데 어려움이 있다는 단점도 존재한다.

질량 분석법의 질량 분해능과 질량 측정 능력을 향상시키기 위해 크로마토그래피와 같은 분리 기술과 함께 사용되기도 한다.


  • 기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC/MS 또는 GC-MS)은 기체 크로마토그래프를 사용하여 서로 다른 화합물을 분리한 후, 이온원(전압이 인가되는 금속 필라멘트)에서 전자를 방출하여 화합물을 이온화한다. 이온과 파편은 질량 분석기에서 검출된다.[39] 하지만 고온(300 °C)으로 인해 분자의 열 분해가 발생하여 실제 분자 대신 분해 생성물이 측정될 수 있다.[40]
  • 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC/MS 또는 LC-MS)은 물과 유기 용매의 혼합물인 액체를 이동상으로 사용하여 화합물을 분리한다. 전자 스프레이 이온화 원이 주로 사용되며, 대기압 화학 이온화, 대기압 광이온화, 레이저 스프레이 등의 이온화 기술도 활용된다.
  • 모세관 전기영동-질량 분석법(CE-MS)은 모세관 전기영동의 액체 분리 과정과 질량 분석법을 결합한 기술로,[41] 전기분무 이온화에 연결되어 사용된다.[42]
  • 이온 이동도 분광법-질량 분석법(IMS/MS 또는 IMMS)은 중성 기체를 통한 이동 시간에 따라 이온을 분리한 후 질량 분석기에 도입하는 기술이다.[43] 듀티 사이클(실험 시간)이 길어 질량 분석기는 IMS 분리 과정에서 샘플링할 수 있으며, LC-MS와 유사하게 IMS 분리 및 이온의 질량 대 전하 비에 대한 데이터를 생성한다.[44] IMS는 액체 크로마토그래피 또는 기체 크로마토그래피 분리와 결합하여 LC/IMS/MS와 같은 3중 모드를 생성할 수 있다.[45]


이 외에도 질량 분석법은 시료 내 원소의 동위원소 조성을 결정하는 데에도 활용된다.

6. 1. 환경 분석

선택 이온 유동관 질량 분석법(SIFT-MS)과 양성자 전달 반응 질량 분석법(PTR-MS)은 공기, 호흡 또는 액체 헤드스페이스의 극미량 가스 분석을 위해 고안된 화학적 이온화의 변형으로, 잘 정의된 반응 시간을 사용하여 내부 표준 또는 보정 없이 알려진 반응 속도론으로부터 분석물 농도를 계산할 수 있다.[52][53]

극미량 가스 분석에 응용되는 또 다른 기법은 2차 전기분무 이온화법(SESI-MS)으로, 이는 전기분무 이온화법의 변형이다. SESI는 순수한 산성 용매의 전기분무 플룸이 중성 증기와 상호 작용하는 방식으로 구성된다. 증기 분자는 전기분무에서 형성된 이온으로부터 분자로 전하가 전달될 때 대기압에서 이온화된다. 이 방법의 장점 중 하나는 대부분의 ESI-MS 시스템과 호환된다는 것이다.[52][53]

6. 2. 식품 분석

질량 분석법은 식품의 안전성 검사, 영양 성분 분석, 원산지 판별 등에 활용된다.

6. 3. 의약품 분석

약물동력학은 복잡한 매트릭스(주로 혈액 또는 소변)의 특성과 저용량 및 장기간 데이터를 관찰해야 하는 높은 감도의 필요성 때문에 질량 분석법을 사용하여 연구하는 경우가 많다. 이 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 기기는 LC-MS이며, 삼중 사중극자 질량 분석기를 사용한다. 추가적인 특이성을 위해 일반적으로 탠덤 질량 분석법이 사용된다.[54][55][56] 표준 곡선과 내부 표준은 일반적으로 샘플 내 단일 의약품의 정량화에 사용된다. 투여 전(t=0) 공백 샘플은 배경을 결정하고 데이터 무결성을 보장하는 데 중요하다. 표준 곡선의 선형성에 주의를 기울이지만, 대부분 질량 분석기의 응답은 넓은 농도 범위에서 선형보다 낮기 때문에 곡선 피팅을 이차 함수와 같은 더 복잡한 함수와 함께 사용하는 경우가 흔하다.

미량 투여 연구에는 매우 높은 감도의 질량 분석법을 사용할 수 있으며, 이는 동물 실험의 유망한 대안으로 여겨진다.

최근 연구에 따르면 이차 전자 분무 이온화(SESI)는 호흡 분석을 통해 약물 동태를 모니터링하는 강력한 기술이다.[57][58] 호흡은 자연적으로 생성되므로 여러 데이터 지점을 쉽게 수집할 수 있어 데이터 지점의 수를 크게 늘릴 수 있다.[59] 동물 연구에서 SESI 접근 방식은 동물 희생을 줄일 수 있다.[58] 사람의 경우 SESI-MS 비침습적 호흡 분석은 개인화된 수준에서 약물의 동태를 연구하는 데 도움이 될 수 있다.[57][60][61]

6. 4. 생체 분자 분석

ESI 또는 MALDI를 사용하는 생체 분자를 위한 탠덤 질량 분석법


탠덤 질량 분석기는 여러 단계의 질량 분석을 통해 분자를 분해하고 분석하는 장치이다. 이 방법은 특히 단백질 확인에 유용하게 사용된다.[31] 탠덤 질량 분석법에서 사용되는 분자 분해 방법에는 충돌 유도 해리(CID), 전자 포획 해리(ECD), 전자 전달 해리(ETD), 적외선 다광자 해리(IRMPD), 흑체 적외선 복사 해리(BIRD), 전자 탈착 해리(EDD), 표면 유도 해리(SID) 등이 있다.

탠덤 질량 분석법은 선택 반응 모니터링(SRM), 전구체 이온 스캐닝, 생성 이온 스캐닝, 중성 손실 스캐닝 등 다양한 실험 순서를 가능하게 한다.[32]

METLIN 대사체 및 화학 물질 데이터베이스는[33][34][35][36] 표준품에서 얻은 실험 탠덤 질량 분석법 데이터의 가장 큰 저장소이다. 2024년 1월 기준으로 93만 개 이상의 분자 표준품에 대한[33][36] 탠덤 질량 분석법 데이터가 제공되어, 탠덤 질량 분석법 실험에서 화학 물질을 식별하는 데 사용된다.[37] 알려진 분자 식별 외에도, 유사성 검색/분석을 통해 알려지지 않은 물질을 식별하는 데에도 유용하다.[38]

질량 분석법은 단백질의 특성 분석 및 서열 분석에 중요한 방법이다. 전체 단백질 이온화의 두 가지 주요 방법은 전기분무 이온화(ESI)와 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화(MALDI)이다. 단백질 특성 분석을 위한 접근 방식에는 "탑다운" 전략과 "바텀업" 방식이 있다. 탑다운 방식은 온전한 단백질을 이온화하여 분석하는 반면, 바텀업 방식은 단백질을 펩타이드로 효소 절단한 후 분석한다. 펩타이드 질량 지문 분석(PMF)은 펩타이드의 특징적인 패턴을 이용하며, 디 노보 펩타이드 서열 분석은 탠덤 MS 분석에서 결정된 서열 데이터를 사용한다. "미들다운" 접근 방식은 일반적인 트립신 펩타이드보다 큰 단백질 분해 펩타이드를 분석하는 세 번째 접근 방식이다.[63]

6. 5. 기타

질량 분석법은 시료 내 원소의 동위원소 조성을 결정하는 데에도 활용된다. 원소의 동위원소 간 질량 차이는 매우 작고, 원소의 존재비가 적은 동위원소는 매우 드물기 때문에, 이를 측정하기 위해서는 매우 민감한 기기가 필요하다. 이러한 기기를 동위원소비 질량 분석기(IR-MS)라고 하며, 주로 단일 자석을 사용하여 이온화된 입자 빔을 여러 개의 패러데이컵으로 휘게 한다. 패러데이컵은 입자 충돌을 전류로 변환하는 역할을 한다. 물의 중수소 함량에 대한 신속한 온라인 분석은 유동 후광 질량 분석법(FA-MS)을 통해 가능하다. 이러한 목적에 가장 민감하고 정확한 질량 분석기는 가속기 질량 분석법(AMS)으로, 개별 원자를 측정하고 주요 안정 동위원소에 대해 ~1015의 동적 범위를 가진 핵종을 측정할 수 있을 정도로 뛰어난 감도를 제공한다.[50] 동위원소 비율은 방사성 탄소 연대 측정법과 같이 재료의 연대를 결정하거나, 안정 동위원소를 이용한 단백질 정량 등 다양한 과정의 중요한 지표로 활용된다.

막 도입 질량 분석법은 동위원소 비 질량 분석법과 기체 투과성 막으로 분리된 반응실/셀을 결합한 방법이다. 이 방법을 통해 용액에서 기체가 생성되는 과정을 연구할 수 있으며, 광계 II에 의한 산소 생성 연구에 광범위하게 사용되었다.[51]

미국 항공우주국(NASA)의 피닉스 화성 착륙선이 열 및 기체 방출 분석기(TEGA) 질량 분석기를 사용하여 "장미빛 붉은색" 도랑에서 채취한 토양 시료를 분석하는 모습


질량 분석기는 우주 탐사에도 활용된다. 바이킹 계획에서는 두 대의 질량 분석기가 화성으로 보내졌으며, 카시니-하위헌스 계획 임무에서는 하위헌스 탐사선에 탑재된 특수 기체 크로마토그래피-질량 분석기(GC-MS) 장비가 토성의 위성인 타이탄의 대기 및 표면 샘플을 분석했다. 이 측정 결과는 각 입자의 동위원소 존재비를 지구의 자연적 존재비와 비교하는 데 사용되었다.[64] 또한 카시니-하위헌스 우주선에는 이온 및 중성 질량 분석기가 탑재되어 타이탄의 대기 성분과 엔켈라두스 간헐천 분출물의 성분을 측정했다. 화성 피닉스 착륙선에는 열 및 기체 방출 분석기(Thermal and Evolved Gas Analyzer) 질량 분석기가 탑재되었다.[65] 이 외에도 질량 분석기는 우주 임무에서 플라스마 구성을 측정하는 데 널리 사용된다. 예를 들어 카시니 우주선에 탑재된 카시니 플라스마 분광계(CAPS)[66]는 토성 자기권 내 이온의 질량을 측정했다.

과거에는 병원에서 호흡 가스 분석에 질량 분석기를 사용하기도 했다. 1975년경부터 20세기 말까지 사용되었으며, 현재는 제조되지 않지만 일부는 여전히 사용 중일 수 있다.[67] 주로 수술실에서 사용되었으며, 마취 중인 환자의 호흡 가스 샘플을 분석하는 데 활용되었다.

질량 분석법은 화학 분석 도구로서의 주요 기능 외에도 재료 합성 분야에서도 잠재력을 보여주고 있다. 이온 소프트 랜딩은 낮은 운동 에너지에서 표면에 온전한 종을 증착하는 특징을 가지며,[69] 1977년 낮은 에너지의 황 함유 이온이 납 표면에서 반응하는 경우에 처음 보고되었다.[70]

7. 관련 자료


  • 프란티셰크 투레체크, 프레드 W. 맥래플러티, 《질량 스펙트럼 해석》, University Science Books, 1993. ISBN 978-0-935702-25-5.
  • 에드먼드 드 호프만, 빈센트 스트로반트, 《질량 분석법: 원리와 응용》, 2판, John Wiley and Sons, 2001. ISBN 978-0-471-48566-7.
  • 케빈 다우너드, 《질량 분석법 – 기초 과정》, Royal Society of Chemistry, 2004. ISBN 978-0-85404-609-6.
  • 게리 시우즈닥, 《생명공학을 위한 질량 분석법》, Academic Press, 1996. ISBN 978-0-12-647471-8.
  • 차빌 다스, 《생물학적 질량 분석법의 원리와 실제》, John Wiley, 2001. ISBN 978-0-471-33053-0.
  • 무지카르 P 외, 〈지질학 연구에서의 가속기 질량 분석법〉, 《미국 지질학회 회보》, 115권, 2003년, 643–654쪽.
  • 마허 S, 주운주 FP, 테일러 S, 〈질량 분석법 100년: 전망과 미래 동향〉, 《현대 물리학 논평》, 87권, 1호, 2015년, 113–135쪽.
  • 프랭크 소봇, 《생물학적 질량 분석법》, CRC Press, 2014. ISBN 978-1-4398-9527-6.
  • O. 데이비드 스파크만, 《질량 분석법 데스크 레퍼런스》, Global View Pub, 2006. ISBN 978-0-9660813-9-8.
  • J. 스록 왓슨, O. 데이비드 스파크만, 《질량 분석법 소개: 기기, 응용 및 데이터 해석 전략》, 4판, John Wiley & Sons, 2007. ISBN 978-0-470-51634-8.
  • 투니즈 C, 《가속기 질량 분석법: 세계 과학을 위한 초고감도 분석》, CRC Press, 1998. ISBN 978-0-8493-4538-8.
  • 칸디아 M, 어반 PL, 〈유기 분자의 초고감도 질량 분석법의 발전〉, 《화학회지 논평》, 42권, 12호, 2013년 6월, 5299–322쪽.
  • 조던 칼메스, 《질량 분석기: 과학 기기의 전기》, 석사논문, 매사추세츠 공과대학교, 2011년.

참조

[1] 서적 Mass spectrometry desk reference Global View Pub
[2] 웹사이트 Definition of spectrograph http://dev.m-w.com/d[...] 2008-06-13
[3] 서적 Mass Spectrometry - A Foundation Course Royal Society of Chemistry
[4] 학술지 Francis Aston and the mass spectrograph
[5] 학술지 Historical account: Francis William Aston: the man behind the mass spectrograph
[6] 서적 Rays Of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analysis https://archive.org/[...] Longman's Green and Company
[7] 학술지 Mass spectroscope for analysis in the low-mass range
[8] 학술지 Standard definitions of terms relating to mass spectrometry : A report from the committee on measurements and standards of the American society for mass spectrometry 1991-08-01
[9] 학술지 The uranium bomb, the calutron, and the space-charge problem
[10] 뉴스 The Nobel Prize in Chemistry 2002: Information for the Public https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2002-10-09
[11] 학술지 Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules 1989-10-01
[12] 학술지 Protein and Polymer Analyses up to m/z 100 000 by Laser Ionization Time-of flight Mass Spectrometry
[13] 학술지 Matrix-Assisted Ultraviolet Laser Desorption of Non-Volatile Compounds
[14] Submitted manuscript The multiplexed chemical kinetic photoionization mass spectrometer: a new approach to isomer-resolved chemical kinetics https://digital.libr[...] 2008-10-01
[15] 학술지 Mass spectrometry with ion sources operating at atmospheric pressure
[16] 학술지 Extending the Mass Range of a Sector Mass Spectrometer
[17] 학술지 Time-of-flight mass analyzers
[18] 학술지 Principles and Instrumentation in Time-of-flight Mass Spectrometry https://pdfs.semanti[...]
[19] 학술지 Quadrupole mass filter operation under the influence of magnetic field 2013-12-01
[20] 학술지 Mapping the stability diagram of a quadrupole mass spectrometer with a static transverse magnetic field applied 2013-08-01
[21] 학술지 Ein neues Massenspektrometer ohne Magnetfeld
[22] 학술지 Quadrupole ion trap mass spectrometry: a view at the turn of the century
[23] 학술지 A two-dimensional quadrupole ion trap mass spectrometer 2002-06-01
[24] 학술지 Miniature toroidal radio frequency ion trap mass analyzer 2006-07-01
[25] 학술지 Miniature and Fieldable Mass Spectrometers: Recent Advances 2016-01-01
[26] 학술지 The Orbitrap: a new mass spectrometer 2005-04-01
[27] 학술지 Fourier-transform ion cyclotron resonance spectroscopy
[28] 학술지 Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer
[29] 학술지 A comparison between ion-to-photon and microchannel plate detectors
[30] 학술지 An inductive detector for time-of-flight mass spectrometry
[31] 학술지 Linked-scan techniques for MS/MS using tandem-in-space instruments
[32] 웹사이트 A Glossary for Mass Spectrometry https://www.waters.c[...] Waters 2024-02-12
[33] 학술지 METLIN MS2 molecular standards database: a broad chemical and biological resource 2020-10-01
[34] 학술지 METLIN: a metabolite mass spectral database https://dx.doi.org/1[...] 2005-12-01
[35] 학술지 METLIN: A Technology Platform for Identifying Knowns and Unknowns 2018-03-01
[36] 논문 METLIN Tandem Mass Spectrometry and Neutral Loss Databases for the Identification of Microbial Natural Products and Other Chemical Entities https://doi.org/10.1[...] Springer International Publishing 2024-03-27
[37] 논문 Tandem Mass Spectrometry across Platforms 2024-03-26
[38] 논문 XCMS2: processing tandem mass spectrometry data for metabolite identification and structural characterization 2008-08-00
[39] 서적 Gas Chromatography Wiley 2000
[40] 논문 Thermal Degradation of Small Molecules: A Global Metabolomic Investigation 2015-11-00
[41] 논문 Peptide and protein analysis by electrospray ionization-mass spectrometry and capillary electrophoresis-mass spectrometry https://zenodo.org/r[...] 1989-06-00
[42] 논문 Twenty years of interface development for capillary electrophoresis-electrospray ionization-mass spectrometry 2008-10-00
[43] 논문 A fundamental introduction to ion mobility mass spectrometry applied to the analysis of biomolecules 2002-06-00
[44] 논문 Two-dimensional separations with electrospray ionization ambient pressure high-resolution ion mobility spectrometry/quadrupole mass spectrometry
[45] 논문 Nanoflow LC/IMS-MS and LC/IMS-CID/MS of protein mixtures 2004-09-00
[46] 서적 Interpretation of mass spectra https://books.google[...] University Science Books
[47] 웹사이트 A New Concept for the Interpretation of Mass Spectra Based on a Combination of a Fragmentation Mechanism Database and a Computer Expert System http://www.highchem.[...]
[48] 논문 Determination of ion structures in structurally related compounds using precursor ion fingerprinting 2009-03-00
[49] 논문 LC-MS-based metabolomics 2012
[50] 논문 100 years of mass spectrometry: Perspectives and future trends
[51] 논문 Studying the oxidation of water to molecular oxygen in photosynthetic and artificial systems by time-resolved membrane-inlet mass spectrometry 2013-11-00
[52] 논문 Direct human breath analysis by secondary nano-electrospray ionization ultrahigh-resolution mass spectrometry: Importance of high mass resolution and mass accuracy 2017-02-00
[53] 논문 Numerical modeling and experimental validation of a universal secondary electrospray ionization source for mass spectrometric gas analysis in real-time 2016-02-00
[54] 논문 Increasing speed and throughput when using HPLC-MS/MS systems for drug metabolism and pharmacokinetic screening 2006-06-00
[55] 논문 High-speed liquid chromatography/tandem mass spectrometry for the determination of drugs in biological samples 1986-10-00
[56] 논문 Thermospray liquid chromatography/mass spectrometry determination of drugs and their metabolites in biological fluids 1985-02-00
[57] 논문 Real-time, in vivo monitoring and pharmacokinetics of valproic acid via a novel biomarker in exhaled breath http://xlink.rsc.org[...] 2011-05-00
[58] 논문 Drug Pharmacokinetics Determined by Real-Time Analysis of Mouse Breath 2015-06-00
[59] 논문 Metabolic effects of inhaled salbutamol determined by exhaled breath analysis http://stacks.iop.or[...] 2017-09-00
[60] 논문 Gauging circadian variation in ketamine metabolism by real-time breath analysis http://xlink.rsc.org[...] 2017-02-00
[61] 논문 Real-Time Monitoring of Tricarboxylic Acid Metabolites in Exhaled Breath 2018-06-00
[62] 논문 Evaluation of Parameters for Confident Phosphorylation Site Localization Using an Orbitrap Fusion Tribrid Mass Spectrometer 2017-09-00
[63] 논문 Mass spectrometry in the postgenomic era 2011
[64] 논문 Ions in space
[65] 논문 Phoenix Mars Mission--the thermal evolved gas analyzer 2008-10-00
[66] 웹사이트 Cassini Plasma Spectrometer http://caps.space.sw[...] Southwest Research Institute 2008-01-04
[67] 논문 Expired gas monitoring by mass spectrometry in a respiratory intensive care unit
[68] 논문 Applications of respiratory mass spectrometry to intensive care 1980-09-00
[69] 논문 Soft-landing preparative mass spectrometry 2012-10-00
[70] 논문 Soft landing of ions as a means of surface modification
[71] 간행물 マススペクトロメトリー関係用語集 http://www.mssj.jp/p[...] 日本質量分析学会用語委員会編
[72] 뉴스 The Nobel Prize in Chemistry 2002: Information for the Public http://nobelprize.or[...] The Nobel Foundation 2007-08-29


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