질량분석기
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1. 개요
질량분석기는 이온의 질량과 전하량의 비를 측정하여 물질을 분석하는 기기이다. 1886년 오이겐 골트슈타인에 의해 처음 발견되었으며, 이후 빌헬름 빈, 조지프 존 톰슨 등의 연구를 거쳐 발전했다. 시료 주입, 이온화, 질량 분석, 검출 등의 과정을 거치며, 사중극자 분석기, 비행시간형 질량분석기 등 다양한 종류가 존재한다. 동위원소 비율 분석, 미량 가스 분석, 프로테오믹스, 법정 증거물 분석, 고분자 특성 분석, 우주 탐사 등 다양한 분야에 응용된다.
질량분석기의 역사는 1886년 오이겐 골트슈타인에 의해서 시작된다. 그는 전하를 띈 기체분자가 저압 조건 양극에서 음극으로 이동하는 선을 발견하고 이를 양극선이라고 명명하였다.[1] 빌헬름 빈은 1899년 이 양극선이 강한 전기장 혹은 자기장에 의해서 휘게 되는 것을 발견하고 기기를 고안해서 전하 대 질량비에 따른 분자의 분리를 시도하였다.[1] 조지프 존 톰슨은 빈이 고안했던 기기를 좀 더 기압이 낮은 상황으로 조성해서 발전시켰다.[1] 1918년과 1919년 사이에는 아서 뎀프스터와 프랜시스 애스턴의 개량을 통해서 초점 질량분석계가,[1] 1935년~1936년에는 이중 초점 질량분석계가 발명되었다.[1] 1953년에는 볼프강 파울과 슈타인베델에 의해서 사중극자 질량분석계가 확립되었다.[1] 1989년에는 데마트와 폴에 의해서 이온을 가두는 방법이 발명되었고 그에 대한 노벨 물리학상이 수상되었다. 또 2002년에는 전기분무 이온화법(Electrospray Ionization)을 고안한 존 베넷 펜과 연성 레이저 탈착법(Soft Laser Desorption)을 발명한 다나카 고이치에 의해서 노벨 화학상이 수상되었다.[1]
질량분석기에서 시료를 분석하기 위해서는 시료를 기체 상태로 만들어 이온화 과정을 거쳐야 한다.[2] 시료의 물리적 상태와 화학적 특성에 따라 다양한 시료 주입 방법이 사용된다.
2. 역사
2. 1. 초기 역사 (19세기 말 ~ 20세기 초)
1886년, 독일의 물리학자 오이겐 골트슈타인(Eugen Goldstein)은 저압 기체 방전 실험 중 양극선을 발견하였다.[1] 1899년, 빌헬름 빈(Wilhelm Wien)은 양극선이 강한 전기장 혹은 자기장에 의해 휘는 현상을 발견하고, 전하 대 질량 비에 따라 입자를 분리하는 장치를 고안하였다.[1] 조지프 존 톰슨(Joseph John Thomson)은 빌헬름 빈의 장치를 개선하여 낮은 압력 조건에서 실험을 수행하였다.[1]
1918년, 미국의 아서 뎀프스터(Arthur Dempster)는 방향 수렴 질량분석기를 개발하였다.[1] 1919년, 영국의 프랜시스 애스턴(Francis Aston)은 속도 수렴 질량분석기를 개발하였다.[1]
2. 2. 질량분석기의 발전 (20세기 중반 ~ 현재)
1935년, 미국의 케네스 베인브리지(Kenneth Bainbridge)와 조지프 매토치(Josef Mattauch)는 이중 수렴 질량분석기를 개발하여 분해능을 크게 향상시켰다.[1] 1953년, 독일의 볼프강 파울(Wolfgang Paul)과 헬무트 슈타인베델(Helmut Steinwedel)은 사중극자 질량분석기를 개발하여 질량분석기의 소형화와 대중화에 기여하였다.[1] 볼프강 파울은 1989년 노벨 물리학상을 수상하였다. 1989년, 미국의 존 베넷 펜(John Bennett Fenn)은 전기분무 이온화법(ESI)을 개발하여 생체 고분자 분석의 새로운 지평을 열었다. 같은 해, 독일의 프란츠 힐렌캄프(Franz Hillenkamp)와 미하엘 카라스(Michael Karas)는 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화법(MALDI)을 개발하여 단백질, 펩타이드 등 생체 분자 분석에 기여하였다. 2002년 노벨 화학상은 전기분무 이온화법(Electrospray Ionization)을 고안한 존 베넷 펜과 연성 레이저 탈착법(Soft Laser Desorption)을 발명한 다나카 고이치(田中 耕一)에게 수여되었다.[1]
3. 시료 주입
3. 1. 직접 증기 유입
가장 간단한 방법으로, 측정하고자 하는 기체 상태의 시료를 바로 본체로 넣는 방법이다. 이 방법은 기체뿐만 아니라 큰 증기압을 가지고 있는 액체나 고체 상태의 물질에도 이용될 수 있다. 비록 증기압이 작더라도 가열을 통해 증기를 형성시키면 된다. 하지만, 분석 물질은 순수한 물질이어야 한다.[2]
3. 2. 기체 크로마토그래피(GC)
기체 크로마토그래피를 이용하는 것은 질량분석기에서 가장 흔한 방법이다. 분석하고 싶은 시료가 보통은 다른 기체들과 섞여 있는 경우가 많으므로, 보통은 기체 크로마토그래피를 통해서 1차적으로 분리를 하는 과정을 거치게 된다.[2] 기체 크로마토그래피는 휘발성 유기 화합물 혼합물을 분리하고 질량분석기에 주입하는 데 가장 널리 사용되는 방법이다. 기체 크로마토그래피의 단점은 기체 크로마토그래피로부터 주입되는 기체의 압력을 조절해야 한다는 점이다. 질량분석기는 거의 진공 상에서 분석이 진행되어야 하기 때문에 압력이 높으면 안 된다. 그래서 다른 부가적인 기기를 통해서 압력을 적정선으로 낮추어주는 과정이 필요하다.[2]
3. 3. 액체 크로마토그래피(LC)
액체 크로마토그래피는 열에 약하고 기체 크로마토그래피에서 분리하기 어려운 혼합물에 이용된다. 최근에는 더욱 발전된 형태로 질량분석기와 함께 자주 이용되는 방법이다.[2]
3. 4. 직접 삽입 프로브(DIP)
증기압 크기가 작아서 기체 상태로 변화하기 어려운 액체나 고체 시료를 분석하는 데 사용되는 방법이다. 시료는 작은 관 속에 넣어진 후 진공 상태의 가열 부분으로 이동된다. 이후 온도를 높여 시료를 기체로 만든다. 직접 기체 주입(Direct Vapor Inlet) 방식보다 더 높은 온도로 가열할 수 있어 다양한 시료 분석이 가능하다.[2]
3. 5. 시료의 직접적 이온화
시료가 조금만 가열해도 쉽게 분해되거나 증기압 크기가 거의 없는 물질 같은 경우에는 바로 이온화시키는 방법을 이용한다.[2] 이러한 기술들은 보통 액체 크로마토그래피, 글로우 방전 질량분석(GDMS), 고속 원자 충격(FAB), 레이저 탈착(LD) 등에 이용된다.[2]
4. 이온화 방법
질량분석기는 비전하 값이 존재해야만 분석이 가능한 기기이다. 그러므로 시료를 이온화시켜야 하는 과정이 꼭 필요하다. 보통은 중성상태에 있는 시료에 전자를 붙이는 [전자 이온화] 방법을 이용한다. 또는 화학반응을 통해서 MH+와 같이 전하를 띄게 만드는 경우도 있다. 그 외에 기타 다양한 방법들이 있지만, 그 모든 방법들은 전부 원자 간의 결합 에너지를 고려해야 한다. 강한 에너지로 이온화를 시키게 되면 분자가 분해될 수 있다. 한편으로는 이와 같은 방법을 통해서 연구를 하는 경우도 존재한다.
== 전자 이온화(EI) ==
전자 이온화(EI)는 질량분석기에서 가장 자주 사용되는 이온화 방법 중 하나이다. 이 방법은 기체 상태의 시료에 가장 적합하지만, 분자를 쉽게 분해시켜 원래 시료가 아닌 그 시료의 일부분이 분석되는 단점이 있다.[2]
전자 이온화의 원리는 다음과 같다. 기기 내 작은 구멍에서 방출된 전자는 전기장에 의해 가속되어 큰 운동 에너지를 갖게 된다. 이 전자 흐름 속에 시료를 흘려주면, 전자와 시료가 충돌하면서 시료의 최외각 전자가 에너지를 받아 이온화된다.[2]
이온화에 사용되는 전자의 에너지는 전자에 걸어준 전압의 크기로 정의된다. 예를 들어 70V의 전압을 걸면 70eVEI라고 한다. 이 정도 에너지는 시료를 조각내기에 충분하다. 70eV 에너지 중 약 1400kJ/mol (15eV) 정도가 분자에 전달되는데, 일반적인 화학 결합 에너지는 290kJ/mole (3eV)이고, 대부분의 유기물질은 10eV 정도의 에너지로도 분해되기 때문이다.[2]
이처럼 이온화 과정에서 원래 시료가 아닌 조각난 시료들이 질량분석기에 들어가기 때문에 스펙트럼에서도 시료의 일부가 검출된다. 전자가 전압에 의해 생긴 운동 에너지에 따라 스펙트럼 결과가 달라지므로, 시료의 구성 성분을 파악할 수 있다.[2]
== 화학적 이온화(CI) ==
화학적 이온화(CI)는 전자 이온화보다 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 이온화를 시키는 방법이다. 이 방법은 시료 분자의 분해, 즉 조각나는 현상을 최소화하여 원래 시료의 비율을 높인다. 따라서 주로 분자량을 모르는 물질을 분석할 때 유용하다.[2]
이온화는 작은 공간 속에서 이루어지며, 이 공간에는 전자 광선이 들어갈 수 있는 구멍이 있다. 이 공간 안에는 이온화에 필요한 기체와 분석 대상 시료가 함께 존재한다. 반응 기체는 CH5+와 같이 전자 광선에 의해 이온화된 상태이며, 이들은 양성자 주개 역할을 한다. 분석 과정은 다음과 같다. 먼저, 반응 기체를 약 10 Pa (0.1 torr) 압력으로 공간 속에 주입한다. 이는 본체 부분의 압력(10-3 Pa)보다 높은 값으로, 평균 자유 이동 거리를 의도적으로 줄이기 위함이다. 10 Pa 정도의 압력에서는 평균 자유 이동 거리가 10-4 m가 되어 분자 간 충돌이 활발해진다. 결과적으로 CH5+와 같은 분자가 시료와 충돌하여 양성자를 전달, 시료를 이온화시킨다.[2]
화학적 이온화에 사용되는 기체는 주로 메탄, 이소부탄, 암모니아이다. 메탄은 가장 강력한 양성자 주개로 양성자 친화도가 5.7 eV이다. 메탄보다 약한 이온화에는 이소부탄(양성자 친화도 8.5 eV)이나 암모니아(9.0 eV)가 사용된다.[2]
== 빠른 원자 충격(FAB) 및 이차 이온 질량분석법(SIMS) ==
빠른 원자 충격(FAB) 및 이차 이온 질량분석법(SIMS)은 고에너지 원자 또는 이온 빔을 시료에 충돌시켜 이온화하는 방법으로, 기체보다는 액체나 고체 시료 분석에 주로 이용된다.[2] 1000 돌턴 정도의 분자에 유용하게 이용되며, 가열이 필요하지 않으므로 열에 약한 물질을 분석할 때 유용하다.
FAB와 SIMS는 시료를 어떻게 전처리하는가에 따라 구분된다. FAB 방법에서는 글리세롤과 같은 증기압을 가진 액체 매트릭스에 시료를 용해시켜 분석한다. 이렇게 하면 광선이 좀 더 효과적으로 시료에 집중될 수 있도록 해준다.
SIMS는 FAB와 다르게 고체 표면을 직접 분석하며, 시료를 액체에 묽히는 과정이 없다. 시료 표면의 구성이나 깊이 등을 분석하는 데 유용하며 높은 감도를 가지고 있지만, 정량화가 어렵다는 단점이 있다.[2]
== 대기압 이온화(API) 및 전기분무 이온화(ESI) ==
대기압 이온화(API)는 대기압 상태에서 물질을 이온화하여 바로 질량분석기로 분석하는 방법이다. API는 열에 약한 펩티드, 단백질, 중합체 등을 분석하는 데 유용하며, 이온화된 물질은 적절한 용매에 용해시켜 질량분석기에서 분석한다.[2] API에서는 시료가 다단계 펌프로 주입된다.[2]
전기분무 이온화(ESI)는 최근 각광받는 API의 한 방법으로, 액체 크로마토그래피와 함께 사용되어 열에 약하고 분자량이 큰 물질 분석에 널리 쓰인다.[2] ESI는 금속 주입구와 API의 첫 번째 스키머에 강한 전기장을 걸어 시료 용액에 전하를 띤 방울을 형성한다.[2] 용매가 기화하면서 방울 크기가 줄어들고 표면 전하 밀도가 증가하여, 반발력이 용매의 표면장력보다 커지면 방울이 분해되면서 다양한 전하량을 가진 이온들이 생성된다.[2] ESI 스펙트럼에서는 실제로 다양한 전하량을 가진 이온들을 확인할 수 있다.[2]
ESI는 다양한 전하량의 이온을 생성하여 큰 분자량을 가진 분자 분석에 유용하다.[2] 큰 분자량을 가진 물질은 보통 더 좋은 기기를 필요로 하지만, 전하량이 커지면 비전하 값이 작아져 비전하가 작은 범위 내에서도 분석이 가능해진다.[2] 즉, ESI를 이용하면 비교적 저렴한 기기로도 큰 분자량을 가진 분자를 분석할 수 있다.[2]
API source는 ICP-MS에서도 이용된다. ICP-MS에 있는 분사기는 액체 시료를 고온의 플라즈마 상태로 만들기 위해 사용되며, 이때 Electrospray와 유사한 방법으로 주입된다.[2]
== 매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화(MALDI) ==
매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화(MALDI)는 레이저를 이용하여 시료의 탈착과 이온화를 동시에 수행하는 기술이다.[2] 주로 고분자인 천연 중합체, 단백질이나 펩티드 같은 물질을 분석하는데 이용된다.[2] 분석을 위해서는 레이저의 파장대를 흡수할 수 있는 배경용액에 시료를 묽혀 혼합한 후, 레이저를 쏘아 배경용액에 에너지를 가한다.[2] 이때 흡수한 에너지를 통해 시료를 이온화시킨다.[2] 레이저를 이용하는 이 방법의 구체적인 원리에 대해서는 아직도 논의가 진행 중이다.[2]
== 기타 이온화 방법 ==
장 탈착(FD), 플라즈마 탈착(PD), 공명 이온화 질량분석법(RIMS), 레이저 마이크로프로브 질량분석법(LAMMA) 등이 있다.
4. 1. 전자 이온화(EI)
전자 이온화(EI)는 질량분석기에서 가장 자주 사용되는 이온화 방법 중 하나이다. 이 방법은 기체 상태의 시료에 가장 적합하지만, 분자를 쉽게 분해시켜 원래 시료가 아닌 그 시료의 일부분이 분석되는 단점이 있다.[2]전자 이온화의 원리는 다음과 같다. 기기 내 작은 구멍에서 방출된 전자는 전기장에 의해 가속되어 큰 운동 에너지를 갖게 된다. 이 전자 흐름 속에 시료를 흘려주면, 전자와 시료가 충돌하면서 시료의 최외각 전자가 에너지를 받아 이온화된다.[2]
이온화에 사용되는 전자의 에너지는 전자에 걸어준 전압의 크기로 정의된다. 예를 들어 70V의 전압을 걸면 70eVEI라고 한다. 이 정도 에너지는 시료를 조각내기에 충분하다. 70eV 에너지 중 약 1400kJ/mol (15eV) 정도가 분자에 전달되는데, 일반적인 화학 결합 에너지는 290kJ/mole (3eV)이고, 대부분의 유기물질은 10eV 정도의 에너지로도 분해되기 때문이다.[2]
이처럼 이온화 과정에서 원래 시료가 아닌 조각난 시료들이 질량분석기에 들어가기 때문에 스펙트럼에서도 시료의 일부가 검출된다. 전자가 전압에 의해 생긴 운동 에너지에 따라 스펙트럼 결과가 달라지므로, 시료의 구성 성분을 파악할 수 있다.[2]
4. 2. 화학적 이온화(CI)
화학적 이온화(CI)는 전자 이온화보다 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 이온화를 시키는 방법이다. 이 방법은 시료 분자의 분해, 즉 조각나는 현상을 최소화하여 원래 시료의 비율을 높인다. 따라서 주로 분자량을 모르는 물질을 분석할 때 유용하다.[2]이온화는 작은 공간 속에서 이루어지며, 이 공간에는 전자 광선이 들어갈 수 있는 구멍이 있다. 이 공간 안에는 이온화에 필요한 기체와 분석 대상 시료가 함께 존재한다. 반응 기체는 CH5+와 같이 전자 광선에 의해 이온화된 상태이며, 이들은 양성자 주개 역할을 한다. 분석 과정은 다음과 같다. 먼저, 반응 기체를 약 10 Pa (0.1 torr) 압력으로 공간 속에 주입한다. 이는 본체 부분의 압력(10-3 Pa)보다 높은 값으로, 평균 자유 이동 거리를 의도적으로 줄이기 위함이다. 10 Pa 정도의 압력에서는 평균 자유 이동 거리가 10-4 m가 되어 분자 간 충돌이 활발해진다. 결과적으로 CH5+와 같은 분자가 시료와 충돌하여 양성자를 전달, 시료를 이온화시킨다.[2]
화학적 이온화에 사용되는 기체는 주로 메탄, 이소부탄, 암모니아이다. 메탄은 가장 강력한 양성자 주개로 양성자 친화도가 5.7 eV이다. 메탄보다 약한 이온화에는 이소부탄(양성자 친화도 8.5 eV)이나 암모니아(9.0 eV)가 사용된다.[2]
4. 3. 빠른 원자 충격(FAB) 및 이차 이온 질량분석법(SIMS)
빠른 원자 충격(FAB) 및 이차 이온 질량분석법(SIMS)은 고에너지 원자 또는 이온 빔을 시료에 충돌시켜 이온화하는 방법으로, 기체보다는 액체나 고체 시료 분석에 주로 이용된다.[2] 1000 돌턴 정도의 분자에 유용하게 이용되며, 가열이 필요하지 않으므로 열에 약한 물질을 분석할 때 유용하다.FAB와 SIMS는 시료를 어떻게 전처리하는가에 따라 구분된다. FAB 방법에서는 글리세롤과 같은 증기압을 가진 액체 매트릭스에 시료를 용해시켜 분석한다. 이렇게 하면 광선이 좀 더 효과적으로 시료에 집중될 수 있도록 해준다.
SIMS는 FAB와 다르게 고체 표면을 직접 분석하며, 시료를 액체에 묽히는 과정이 없다. 시료 표면의 구성이나 깊이 등을 분석하는 데 유용하며 높은 감도를 가지고 있지만, 정량화가 어렵다는 단점이 있다.[2]
4. 4. 대기압 이온화(API) 및 전기분무 이온화(ESI)
대기압 이온화(API)는 대기압 상태에서 물질을 이온화하여 바로 질량분석기로 분석하는 방법이다. API는 열에 약한 펩티드, 단백질, 중합체 등을 분석하는 데 유용하며, 이온화된 물질은 적절한 용매에 용해시켜 질량분석기에서 분석한다.[2] API에서는 시료가 다단계 펌프로 주입된다.[2]전기분무 이온화(ESI)는 최근 각광받는 API의 한 방법으로, 액체 크로마토그래피와 함께 사용되어 열에 약하고 분자량이 큰 물질 분석에 널리 쓰인다.[2] ESI는 금속 주입구와 API의 첫 번째 스키머에 강한 전기장을 걸어 시료 용액에 전하를 띤 방울을 형성한다.[2] 용매가 기화하면서 방울 크기가 줄어들고 표면 전하 밀도가 증가하여, 반발력이 용매의 표면장력보다 커지면 방울이 분해되면서 다양한 전하량을 가진 이온들이 생성된다.[2] ESI 스펙트럼에서는 실제로 다양한 전하량을 가진 이온들을 확인할 수 있다.[2]
ESI는 다양한 전하량의 이온을 생성하여 큰 분자량을 가진 분자 분석에 유용하다.[2] 큰 분자량을 가진 물질은 보통 더 좋은 기기를 필요로 하지만, 전하량이 커지면 비전하 값이 작아져 비전하가 작은 범위 내에서도 분석이 가능해진다.[2] 즉, ESI를 이용하면 비교적 저렴한 기기로도 큰 분자량을 가진 분자를 분석할 수 있다.[2]
API source는 ICP-MS에서도 이용된다. ICP-MS에 있는 분사기는 액체 시료를 고온의 플라즈마 상태로 만들기 위해 사용되며, 이때 Electrospray와 유사한 방법으로 주입된다.[2]
4. 5. 매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화(MALDI)
매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화(MALDI)는 레이저를 이용하여 시료의 탈착과 이온화를 동시에 수행하는 기술이다.[2] 주로 고분자인 천연 중합체, 단백질이나 펩티드 같은 물질을 분석하는데 이용된다.[2] 분석을 위해서는 레이저의 파장대를 흡수할 수 있는 배경용액에 시료를 묽혀 혼합한 후, 레이저를 쏘아 배경용액에 에너지를 가한다.[2] 이때 흡수한 에너지를 통해 시료를 이온화시킨다.[2] 레이저를 이용하는 이 방법의 구체적인 원리에 대해서는 아직도 논의가 진행 중이다.[2]4. 6. 기타 이온화 방법
장 탈착(FD), 플라즈마 탈착(PD), 공명 이온화 질량분석법(RIMS), 레이저 마이크로프로브 질량분석법(LAMMA) 등이 있다.5. 질량분석기
질량분석기는 형성된 이온을 각각의 질량에 따라 분리시켜 주는 기기이다. 질량분석기의 중요한 특징 세 가지 특성으로서 질량분석 상한선, 투과효율, 분해능이 있다. 질량분석 상한선은 m/z ratio에서 가장 높은 값을 의미한다. 이온원(ion source)으로부터 검출기(detector)에 도착하는 이온의 비율을 투과효율이라고 하며 분해능이란 얼마나 작은 분자량의 차이로도 두 신호를 구분할 수 있는 지의 능력을 말한다.
모든 질량분석기에 쓰이는 이론적 부분으로써 Newton's second law와 Lorentz force law가 있는데,
:''F''=''ma'' (Newton's second law)
:''F''=''Q''(''E'' +''v''×''B'') (Lorentz force law)
:''F'': 이온에 작용하는 힘
:''m'': 이온의 질량
:''a'': 이온의 가속도
:''Q'': 이온의 전하량
:''E'': 전기장
:''v'': 이온의 속도
:''B'': 자기장
이 두 식으로부터 주어진 전기장과 자기장에 대해 이온의 운동이 그 이온의 질량과 전하량에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 이러한 질량과 전하량의 비를 m/z ratio라고 한다.
이온화 방법이 매우 다양하듯이 질량분석기기의 종류 또한 다양하다.
5. 1. 사중극자 분석기
사중극자 분석기는 크기가 작고, 가격이 저렴하며, 빠른 스캔 속도와 높은 투과 효율을 가지고 있어 가장 널리 사용되는 질량분석기 중 하나이다.[3]
사중극자 분석기는 네 개의 평행한 금속 막대로 구성되어 있다. 마주보고 있는 한 쌍의 막대에는 +(U-Vcos(wt))의 전압이 걸려있고 다른 한 쌍의 막대에는 -(U-Vcos(wt))의 전압이 걸려있다.[3] 이때 U는 직류 전압이고 V는 교류 전압이다. 이렇게 네 개의 평행한 막대에 걸린 전압은 이온의 이동 경로에 영향을 주게 된다.[3] 주어진 직류, 교류 전압에 대해 특정 m/z 값을 갖는 이온만 사중극자 필터(quadrupole filter)를 통과하고, 나머지 이온은 경로를 벗어난다.[3] 다양한 전압에서 사중극자 필터를 통과하는 이온을 측정하여 질량 스펙트럼(mass spectrum)을 얻는다. 전압을 조절하는 방법으로는 고정된 U, V 값에서 w값을 변경하는 방법과, 고정된 w 값에서 U, V 값을 변경하는 방법이 있다.[3]
5. 2. 사중극자 이온 트랩
사중극자 이온 트랩은 사중극자 분석기와 비슷한 원리를 갖는다. 하지만 사중극자 분석기가 일정 m/z 값을 갖는 이온을 검출기로 보내고 나머지를 경로에서 이탈하게 하는 것과는 달리, 사중극자 이온 트랩은 특정 범위의 이온들을 고리 전극과 두 끝자리 전극 사이의 공간에 가두고 그 이외의 이온들을 검출기를 향해 방출시킨다. 이 때 트랩 되는 이온들의 m/z 값의 범위는 사중극자 분석기처럼 전압의 진폭과 진동수에 의해 결정된다. 가둔 이온을 순차적으로 방출하여 질량 스펙트럼을 얻는다.5. 3. 자기 섹터 질량분석기
자기 섹터 질량분석기(magnetic sector mass spectrometer)는 부채꼴 모양의 자기 섹터를 갖는다. 이온들은 이온원으로부터 높은 속도로 가속되어 자기 섹터를 통과하게 되고 자기 섹터 속에서 자기장의 영향을 받게 된다. 로렌츠 힘에 의해서 이온들의 이동 경로는 오른쪽 그림과 같이 휘게 되고 그 휘는 정도가 이온의 m/z ratio에 따라 달라진다. 따라서 자기 섹터는 이온들을 m/z ratio에 따라 분리하게 된다.[4]
5. 4. 비행시간형 질량분석기(TOFMS)
비행시간형 질량분석기(TOFMS)는 질량분석기 중에서 가장 간단한 구조를 가진다. 이온이 전기장 속에서 가속되어 속도를 갖게 되고, 이 속도로 검출기까지 일정 거리를 비행하는 시간을 측정하여 m/z를 결정한다. 비행 시간은 m/z의 제곱근에 비례한다.[4]이온의 전하량을 , 가속 구간 동안의 전위차를 , 이온의 질량을 , 가속 후 이온의 속도를 , 가속 후 검출기까지의 이동거리를 이라 하면, 다음 식이 성립한다.[4]
:
:⇒
:
즉, 시간은 m/z ratio의 제곱근에 비례한다.[4]
같은 m/z ratio를 가진 이온이라 하더라도 출발 시간과 초기 운동에너지가 완벽히 같지 않을 수 있다. 이는 분해능 저하의 요인이 된다. 이를 해결하기 위해 반사경(reflectron)을 사용한다. 반사경은 이온을 반사시켜 경로를 조절하는데, 느린 이온은 더 가까운 곳에서, 빠른 이온은 더 멀리서 반사되게 하여 시간차를 보정함으로써 분해능을 높인다.[4]
5. 5. 푸리에 변환-이온 사이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR MS)
이온이 자기장 안에서 운동할 때 로렌츠 힘을 받아 원운동을 하게 된다. 이온의 사이클로트론 주파수는 다음과 같이 m/z에 반비례한다.:
:: 이온의 전하량
:: 이온의 속력
:: 자기장
:: 이온의 질량
이온이 원운동을 하면서 생성하는 전류를 측정하고, 라디오 주파수(radio frequency)를 이용하여 이온을 들뜨게 하면 측정 가능한 전류(image current)가 생성된다. 검출된 신호를 각 사이클로트론 주파수에 대해 푸리에 변환(Fourier transform)하면 각 m/z에 대한 정보를 얻을 수 있다. 푸리에 변환-이온 사이클로트론 공명 질량 분석기는 매우 높은 분해능과 정확도를 갖는다는 장점이 있다.[5]
6. 검출기
앞에서 소개한 질량분석기를 통과한 이온들은 검출기를 향해 들어오게 된다. 검출기는 이러한 이온이 만드는 신호를 검출하여 질량 스펙트럼(mass spectrum)을 그리게 된다. 이 때 이온들이 만드는 신호의 크기가 매우 작기 때문에 신호의 증폭이 검출기로 신호를 검출함에 있어서 필수적이다. 이러한 검출기로서 Electron multiplier가 주로 많이 쓰이고 그 외에도 패러데이 컵(Faraday cup), photomultiplier가 있다.
각각의 검출기에 대해 간단히 소개하면 electron multiplier는 2차 전자 복사 효과를 이용한다. 여러 개의 다이노드(dynode)로 구성되어 있어 이온이 처음 다이노드와 충돌하여 전자를 방출하면 그 전자가 다음 다이노드와 충돌하여 전자를 방출하는 과정이 반복되어 신호를 증폭시킨다. 패러데이 컵은 electron multiplier와 유사한데 이온이 다이노드와 충돌하여 2차 전자가 방출되면 이 때 전자가 순간적으로 방출됨으로 인해 전류가 생기게 되어 신호를 측정한다. photomultiplier는 위의 검출기들과 다르게 양성자를 이용하게 되는데 이온이 다이노드와 충돌하여 전자를 방출하면 그 전자가 인막(phosphorus screen)과 충돌하여 양성자가 방출되고 그 양성자를 통해 신호가 증폭된다. 이 검출기는 진공을 유지할 수 있고 수명이 매우 길다는 장점을 갖는다.[5]
6. 1. 전자 증배관(Electron Multiplier)
전자 증배관(Electron Multiplier)은 가장 널리 사용되는 검출기 중 하나로, 이차 전자 방출 효과를 이용하여 신호를 증폭시킨다.[5] 여러 개의 다이노드(dynode)로 구성되어 있으며, 이온이 다이노드와 충돌할 때마다 전자가 방출되어 증폭되는 과정이 반복된다.[5]6. 2. 패러데이 컵(Faraday Cup)
패러데이 컵은 이온이 다이노드와 충돌하여 2차 전자가 방출될 때 전자가 순간적으로 방출됨으로 인해 생기는 전류를 측정하여 신호를 검출한다.[5] 구조가 간단하고 안정적이지만, 감도가 낮다.6. 3. 광전자 증배관(Photomultiplier)
광전자 증배관(photomultiplier)은 이온이 다이노드와 충돌하여 방출된 전자가 인광 스크린(phosphorus screen)과 충돌하여 빛을 발생시키고, 이 빛을 광전자 증배관으로 증폭하여 측정하는 검출기이다.[5] 이 검출기는 진공 유지가 가능하고 수명이 길다는 장점이 있다.[5]7. 분석 방법
7. 1. 데이터 산출
질량분석기는 다양한 종류의 데이터를 산출한다. 가장 일반적인 데이터 표현 방식은 질량 스펙트럼(mass spectrum)이다. 질량 스펙트럼은 m/z를 x축, 이온의 상대적 세기를 y축으로 하는 그래프이다.어떤 종류의 질량 분석 데이터들은 크로마토그램(chromatogram)으로 가장 좋게 묘사된다. 크로마토그램의 종류에는 selected ion monitoring (SIM), total ion current (TIC), selected reaction monitoring chromatogram (SRM) 등이 있다.
다른 종류의 질량 분석 데이터들은 3차원 등고선도로 출력된다. 이러한 형식에서, 질량-전하 비율은 x 축, 강도는 y축, 그리고 시간과 같은 추가적 실험 매개변수가 z축에 기록된다.
7. 2. 질량 스펙트럼 해석
질량 분석 데이터 해석은 실험 데이터가 어떻게 생성되었는지에 따라 달라지며, 매우 복잡하다. 따라서 어느 데이터인지에 따라 이해의 기본이 되는 데이터의 일반적인 구분이 있다.[2]많은 질량 분석기들은 음이온은 물론 양이온에도 이용이 가능하다. 관측된 입자가 음으로 대전되어 있는지 양으로 대전되어 있는지는 매우 중요하다. 이는 가끔 중성 입자를 결정하는 데에도 중요함은 물론, 어떠한 입자 또는 분자의 특성을 알려주기도 한다.[2]
원래 입자 또는 분자에서 쪼개져 나온 다른 종류의 이온들은 다른 배열의 조각들을 야기한다. 하나의 전자 이원화원이 많은 일반적으로 전자가 하나인 라디칼(홀수개의 전자)과 같은 여러 조각들을 만들어내는데 반해 스프레이 이온화방법에 사용하는 이온화원은 라디칼이 아닌 자주 1- 이상으로 대전되는 준분자 이온들을 만들어낸다. 이중 질량 분석기는 고의적으로 조각 이온들을 만들고, 실험에 의해 만들어진 데이터의 유형을 바꿀 수 있다.[2]
샘플의 제조 원리를 이해하는 것으로 샘플의 분자 구성과 그 파편을 추정 가능하게 한다. 합성이나 제조된 샘플은 화학적으로 목적 성분과 관계된 불순물을 포함한다. 비교적 가공되지 않은 생물학적 샘플은 아마도 어떠한 분석기들에 의해 분석될 수 있는 부가 생성물을 형성하는 특정한 양의 염을 포함하고 있을 것이다.[2]
결과는 또한 샘플을 어떻게 준비하고 또 어떻게 사용되었는지에 따라 크게 좌우된다. 중요한 예로, MALDI spotting에 사용되는 matrix를 들 수 있는데, 대부분의 탈착/이온화 에너지 반응이 레이저보다 matrix에 의해 조절되었기 때문이다. 가끔 샘플들은 양성자 종보다는 염이나 다른 부가 생성물을 만드는 이온화기가 첨가되어 있다.[2]
질량분석 전문가가 아닌 사람들이 그들만의 실험이나, 질량분석 전문가와의 공동연구를 할 때 나타나는 가장 큰 문제의 근원은 실험의 연구 목적의 타당성이다. 타당한 정의의 실험 목적은 적절한 데이터와 성공적인 해석을 위한 전제조건이다. 질량분석기에 의해 얻을 수 있는 것들은 분자의 질량, 구조 그리고 순도이다. 각각의 문제들은 다른 방법의 실험을 요구한다. 그저 간단한 질량 스펙트럼만 가지고는 그에 대한 답을 얻을 수 없다.[2]
8. 응용
8. 1. 동위원소 비율 질량분석: 동위원소 연대 측정 및 추적
질량 분석기는 시료 내 원소의 동위원소 조성을 정밀하게 측정하는 데 사용된다. 동위원소와 실제 원소와의 질량 차이가 매우 큰 동위원소들은 보통 매우 드물기 때문에, 매우 정교하고 정밀한 장비가 필요하다. 이러한 장비들을 동위원소 비율 질량 분석기라고 부르며, 이온화된 입자의 빔을 휘게 하는 데 단일 자석을 사용한다. 동위원소 비율은 실험 과정의 변화를 보여주는 중요한 표지로, 탄소 연대 측정과 같이 물질의 연대를 결정하는 데 사용되기도 한다. 안정 동위원소는 단백질 정량 등 생화학 연구에도 이용된다.8. 2. 미량 가스 분석
몇 가지 기술들은 정교한 이온화원(선택적 이온관, 양성자 이동 반응)에서 만들어진 이온들을 사용한다. 이 방법들은 공기, 숨이나 유체 분석을 위한 화학적 이온화의 일종이다. 정확히 결정된 반응 시간은 내부 기준이나 보정 없이 이미 알고 있는 반응에서 나온 농도 계산을 정확히 할 수 있게 한다.8. 3. 신약 개발을 위한 프로테오믹스
환경 요인은 유전자의 변화에 절대적인 영향을 끼쳐 질병 발병의 큰 요인으로 작용한다. 유전자와 환경 간의 상호작용으로 인한 질병 발생 과정에서 유전자의 산물인 단백질은 질병에 대한 일종의 마커(바이오마커) 역할을 하여, 질병의 진단, 치료 및 처치를 위한 기본 정보를 제공한다.[5] 이와 같은 단백질 및 단백질의 변형을 밝히는 연구를 프로테오믹스라고 하는데, 체액 내 단백질을 분석하기 위한 질량분석기와 축적된 실험 정보를 통해 단백질의 신원을 밝히는 바이오인포매틱스는 신약 개발의 주요 도구로 자리잡고 있다.[5]8. 4. 법정 증거물 분석
질량분석기는 다양한 법정 증거물 분석에 활용되고 있다. 법적 분석 분야는 1800년대 분석화학의 발전에 힘입어 시작되었으며, 1800년대 중반에는 니코틴과 같은 독약을 검출하는 방법이 알려졌다.[5]일반적으로 큰 증거물에는 질량분석기를 직접 사용할 수 없기 때문에, 물건의 코팅 시료, 인화 물질, 산화제 등이 질량분석기를 통해 검출되고 결정된다. 최근에는 레이저 조사를 병합하여 높은 감도를 얻는 방식을 사용하고 있다. 이 방법은 전처리가 필요하지 않으며, 300ng의 시료만으로도 분석이 가능하다는 장점이 있다.[5]
8. 5. 고분자 특성 분석
고분자 특성분석은 그 물질이 자연으로부터 유래된 것이든, 합성된 것이든 그 물질의 조성, 특성 그리고 기능까지를 분석하는 것을 말한다. 자연 고분자인 프로테인의 구조, 운동의 kinetic, 다른 분자와의 상호작용, 분자를 둘러싼 환경 등을 통해 이 작업의 어려움을 알 수 있다.[5]질량분석기는 고분자 분석에서 끝 그룹의 특성분석과 정량에 중요한 기능을 한다. 고분자의 특성은 종종 끝 그룹의 조성과 관계되어 있으며, 질량분석기를 사용하여 이 조성을 측정할 수 있다. 고분자가 어떻게 합성되었는지에 대한 정보와 다른 분석 기기에서 얻은 결과로 끝 그룹의 조성을 추측할 수 있다.
정량 분석을 할 때, 신호대 잡음비율은 항상 큰 문제이다. 하지만 고분자가 반복되는 패턴을 보여주므로 일정한 분자량 범위에서 신호를 축적하면 신호대 잡음비를 높일 수 있다.[5]
8. 6. 우주 탐사
질량분석기는 행성과 위성의 대기 및 표면 성분을 분석하는 데 사용된다. 화성 탐사선 바이킹과 토성 탐사선 카시니-호이겐스에 질량분석기가 탑재되었다. 카시니-호이겐스 임무를 통해 특화된 GC-MS(가스 크로마토그래피 질량 분석기)가 토성의 가장 큰 위성인 타이탄의 대기로 보내졌다. 이 장비는 낙하선의 낙하 궤적에 따라 타이탄의 대기 성분을 분석했다.9. 더불어민주당 관련 인물 및 사건
참조
[1]
웹사이트
질량분석법
http://preview.brita[...]
2012-11-17
[2]
PDF
http://science.widen[...]
[3]
PDF
http://instructor.ph[...]
[4]
웹인용
보관된 사본
https://web.archive.[...]
2012-12-03
[5]
PDF
http://www.cheric.or[...]
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