질량 분석법

질량 분석법(Mass Spectrometry)은 다양한 분자 및 생체 분자의 분자량을 측정하는 데 사용되는 분석 기법입니다. 이 기법은 이온화된 분석 물질을 질량 대 전하비(mass-to-charge ratio)에 따라 분류함으로써 단백질에 대한 구조적 정보를 제공하고, 높은 민감도와 특이성을 바탕으로 정량 분석을 수행합니다. 이온화된 분석 물질에 대한 질량 분석 또는 측정 과정은 기체 상태에서 이루어집니다. 분자들은 이온화된 후 전기장 내부로 유입되며, 이 전기장 내에서 질량 대 전하비에 따라 분류됩니다. 질량 분석법은 다양한 분야에서 활용되며, 순수 시료뿐만 아니라 복잡한 혼합물에도 적용됩니다.

질량 분석 과정에서, 어떠한 상태의 시료든 전자 빔을 이용하여 이온화됩니다. 이러한 이온화 과정의 결과로, 시료 내 일부 분자들은 양전하를 띠는 조각들(fragments)로 분해됩니다. 경우에 따라서는 분해가 일어나지 않고 단지 양전하를 띤 입자들만 형성되기도 합니다. 이렇게 생성된 양이온들은 이후 질량 대 전하비에 따라 분리됩니다. 그 후, 이온들은 전자 증배관(electron multiplier) 메커니즘을 통해 검출됩니다. 분석 결과는 질량 대 전하비에 따른 신호 강도의 스펙트럼 형태로 시각화되어 나타납니다. 최종적으로, 시료 내의 원자나 분자는 그 질량을 기준으로 식별되며, 이를 이미 알려진 표준 질량값과 대조함으로써 정체를 확인할 수 있습니다.

질량 분석법의 역사

1886년, 오이겐 골트슈타인(Eugen Goldstein)은 기체 방전 과정에서 광선을 관찰하였으며, 1899년에는 서로 수직인 전기장과 자기장을 이용하여 양극선을 전하 대 질량비(Q/m)에 따라 분리하는 장치를 제작했습니다. 이온의 질량 대 전하비를 측정하던 초기 분광 장치들은 ‘질량 분광기(mass spectrographs)’라 불렸는데, 이는 사진 건판 위에 질량 값의 스펙트럼을 기록하는 기기로 구성되어 있었습니다. 현대적인 질량 분석법은 각각 1918년과 1919년에 아서 제프리 뎀스터(Arthur Jeffrey Dempster)와 F.W. 애스턴(F.W. Aston)에 의해 고안되었습니다.

질량 분석기의 구성 요소:

질량 분석기는 이온 발생기, 질량 분석기, 검출기의 세 부분으로 구성됩니다. 이온 발생기는 시료를 이온으로 변환합니다. 그런 다음 추출 메커니즘을 통해 시료에서 이온이 분리됩니다. 분리된 이온은 질량 분석기를 거쳐 검출기로 이동합니다. 질량 분석기는 이온 조각들의 질량 차이를 이용하여 질량 대 전하비로 이온들을 구분합니다. 검출기는 지시량의 값을 측정하여 각 이온의 존재량을 계산하는 데 필요한 데이터를 제공합니다. 질량 분석기는 정적 또는 동적 자기장, 자기장 또는 전기장을 사용하는 등 여러 종류가 있지만, 모두 위의 미분 방정식에 따라 작동합니다. 각 분석기 유형마다 장단점이 있습니다. 많은 질량 분석기는 탠덤 질량 분석(MS/MS)을 위해 두 개 이상의 질량 분석기를 사용합니다.
다양한 유형의 이온 발생기가 사용됩니다.

전자 이온화(EI):

휘발성 화합물로부터 이온을 생성하는 일반적인 방법으로, 높은 수준의 조각화를 통해 상세한 질량 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 이는 미지 화합물의 구조 규명/특성 분석 및 식별에 활용될 수 있습니다. 그러나 EI는 대기압 조건에서 전자를 생성하는 데 사용되는 필라멘트가 빠르게 소모되기 때문에 HPLC, 즉 LC-MS와의 결합에는 적합하지 않습니다. 따라서 EI는 주로 다른 분석법과 결합하여 사용됩니다. GC, 즉. GC-MS, 전체 시스템이 고진공 상태에 있는 곳

전기분무 이온화(ESI):

펩타이드나 단백질과 같은 비휘발성 및 극성 분자를 분석하는 데 사용됩니다. 세 번째는 매트릭스 보조 레이저 탈착/이온화(MALDI)로, 단백질이나 펩타이드와 같은 거대 분자를 분석하는 데 활용됩니다. 사중극자(Quadrupole), 비행 시간형(TOF), 오비트랩(Orbitrap)은 흔히 사용되는 질량 분석기들입니다. 사중극자는 질량 대 전하비에 따라 이온을 분리하는 데 사용되는 매우 일반적인 유형입니다. TOF 방식에서는 원자가 일정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 기준으로 분리가 이루어지며, 이를 통해 질량에 따른 분리가 가능해집니다. 오비트랩은 전자기장을 이용하여 분리를 수행하며, 다른 분석기들에 비해 매우 높은 분해능을 갖추고 있습니다.

질량 분석법과 다양한 분리 기술의 조합:

다양한 분리 기술을 질량 분석법과 결합하여 질량 분해능 및 질량 측정 능력을 향상시킵니다. 이는 다음과 같은 기술들과 함께 사용됩니다. 크로마토그래피의 및 기타 분리 기술

흔히 사용되는 조합은 가스 크로마토그래피-질량 분석법(GC/MS 또는 GC-MS)입니다. 이 기술에서는, 가스 크로마토그래프 이 장치는 서로 다른 화합물을 분리하는 데 사용됩니다. 분리된 화합물들은 온라인으로 공급됩니다. 이온 원천, 에이 금속성의 필라멘트 그것에 대하여 전압 이 인가됩니다. 이 필라멘트는 전자를 방출하며, 방출된 전자는 화합물을 이온화합니다. 이렇게 생성된 이온들은 이후 추가적으로 분열되어 예측 가능한 패턴을 형성하게 됩니다. 온전한 이온들과 그 분열 조각들은 질량 분석기의 분석부로 유입되어 최종적으로 검출됩니다. 그러나 GC-MS의 주입구와 오븐에서 사용되는 고온 환경으로 인해, 주입된 분자가 열에 의해 분해될 가능성이 존재합니다. 그 결과, 분석 대상인 실제 분자의 질량이 아닌 분해 산물의 질량이 측정될 수도 있습니다.

기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)과 마찬가지로, 액체 크로마토그래피-질량 분석법(LC/MS 또는 LC-MS)은 화합물이 이온원 및 질량 분석기로 도입되기 전에 크로마토그래피를 통해 화합물을 분리합니다. GC-MS와는 달리 이동상이 액체라는 점이 특징이며, 이는 대개 …의 혼합물입니다. 물 그리고 유기농 용매, 가스 대신. 가장 흔하게는 전기분무 이온화 LC-MS에서는 소스가 사용됩니다. 모세관 전기영동과 이온 이동성은 액체 분리 과정을 결합한 다른 기술입니다. 모세관 전기영동 질량 분석법을 이용한다. CE-MS는 일반적으로 전기분무 이온화법(Electrospray ionization)과 결합하여 사용된다. 이온 이동도 분광법-질량 분석법(IMS/MS 또는 IMMS)은 이온들이 질량 분석기로 도입되기 전, 인가된 전기 전위 기울기 하에서 중성 기체를 통과하는 동안의 이동 시간(drift time)에 따라 먼저 분리되는 기법이다.

장점과 단점:

차세대 분석 도구로서, 이 방법은 다른 유사한 분석 도구들과 비교했을 때 고유한 장점과 단점을 가지고 있습니다. 이 방법은 현존하는 분석 기기 중 가장 높은 감도를 자랑합니다. 이는 질량 전하 필터를 사용하여 배경 간섭을 줄이고, 미지 물질을 식별하거나 화합물의 존재를 확인하는 데 있어 최고의 특이성과 감도를 제공하기 때문입니다. 하지만 이 방법의 단점은 광학 이성질체와 기하 이성질체를 구별하지 못하거나, 방향족 고리의 오르토(o), 메타(m), 파라(p) 위치에 있는 치환기의 위치를 ​​구분하지 못하는 경우가 많다는 것입니다. 또한, 유사한 조각 이온을 생성하는 탄화수소를 식별하는 데에도 한계가 있습니다.

질량 분석법의 응용 분야: 질량 분석법은 정성적 및 정량적 용도로 모두 활용됩니다. 현재 질량 분석법(MS)은 매우 다양한 화합물의 물리적, 화학적, 또는 생물학적 특성을 연구하는 분석 실험실에서 널리 사용되고 있습니다. 정량 분석은 상대적 방식이나 절대적 방식으로 수행될 수 있습니다. 이 방법은 질량 스펙트럼을 분석하여 미지의 화합물을 식별하는 데 사용되며, 이미 알려진 화합물의 정량 분석에도 활용됩니다. 또한 분자의 조각화 패턴을 파악함으로써 구조 분석을 수행하는 데에도 이용됩니다. 나아가 특정 원소 내 동위원소의 비율을 측정하는 데에도 적용될 수 있습니다. 질량 분석법은 대사 산물이나 단백질과 같은 거대 분자뿐만 아니라 소분자를 분석하는 데에도 사용됩니다. LC-MS는 의약품 원료나 제형 내에 존재할 수 있는 불순물을 식별하고 정량화하는 데 도움을 주어, 제품의 품질과 안전성을 보장합니다. 또한 LC-MS는 생체 유체(혈액, 혈장, 소변) 내 약물 농도를 측정함으로써 약물의 흡수, 분포, 대사, 배설 과정을 평가하는 데 활용됩니다.

자주 묻는 질문:

References: