질량 분석법(Mass Spectrometry)

질량 분석법(Mass Spectrometry)

질량 분석법(Mass Spectrometry)은 시료를 기체화 후 이온으로 만들고 가속시켜 질량 대 전하 비에 따라 이온을 분리하여 질량 스펙트럼을 얻게 된다. 질량 분석법은 시료 물질의 원소 조성에 대한 정보와 분자 구조에 대한 정보, 복잡한 혼합물의 정성 및 정량 분석, 고체 표면의 정보, 시료에 존재하는 동위원소 비에 대한 정보를 얻을 수 있다. 

또 ICP를 같이 사용하여 금속원소를 분석할 수 있고 μLC나 CZE, SFC를 같이 사용하여 초미량 혼합물을 분석할 수도 있다. 보통 질량 분석법은 광학분광법보다 많은 원소들의 검출 한계가 다른 광학법보다 10³배 정도 더 좋고, 스펙트럼이 매우 간단하여 쉽게 해석이 가능하고, 원자의 동위원소 비를 측정할 수 있는 능력을 가지고 있다. 다만 고진공, 고전압이 필요하여 구입비와 유지비가 고가인 것이 단점이다.

질량 분석법은 전하를 띤 입자가 자기장 안에서 힘을 받아 회전을 하게 되는 원리를 이용한 것이다. 분자 이온이 자기장 속에서 힘을 받아 회전을 하게 되는데, 분자량에 따라서 회전 반경이 다르다. 질량 대 전하 비 (m/z)가 다르면 분리할 수 있기 때문에 분자량을 확정할 때 쓴다. 또 이온화시키는 방법에 따라서 분자가 쪼개지는 조각화(fragmentation)가 일어나는데 조각화되는 패턴은 분자마다 다르다. 따라서 분자량과 고유한 조각화 패턴에 따라서 분자식도 확인할 수 있다.  

질량분석기Mass Spectrometer의 시스템 계통도

 

먼저 시료를 도입하는 주입 시스템, 도입한 시료를 이온화를 시키는 이온 발생원이 있다. 그 후 이온을 질량 대 전하 비로 분리하는 질량 분리기를 거쳐서 검출기로 이온을 검출한다. 그리고 전 과정은 진공속에서 진행되어야하는데, 이온이 직접 날아다니기 때문에 검출기에 도달하기 전에 공기 분자와 충돌하면 신호를 얻을 수 없다. 이 글에서는 각 4개 부분 중에서 주입시스템과 이온발생원에서 다루겠다.

주입 시스템 (Inlet system)

시료를 도입할 때 진공의 손실을 최소로 해야하고, 시료를 이온화를 시켜주는 이온화상자로 보내주는 것이 시료 도입장치이다. 옛날에 사용하던 것으로는 batch inlet system과 고체나 비휘발성 액체를 도입하는 direct probe inlet가 있다. 직접 도입장치는 시료를 모세관 또는 철사등에 붙여서 이온화장치와 가까운 곳에 설치한다. 이 방법은 매우 적은양의 시료를 소비하기 때문에 몇 ng의 적은 시료도 질량 스펙트럼을 얻을 수 있다.

요즘에는 크로마토그래피의 검출기로 질량분석기를 사용한다. 기체 크로마토그래피인 Gas chromatography(GC)와 연결 한 것을 GC/MS라고 약어로 표시하고 GC출구에서 모세관을 바로 질량분석기에 바로 연결한다. 액체 크로마토그래피인 Liquid chromatography(LC)와 연결한 것은 LC/MS라 하고 TS나 ES등의 도입장치가 있다.

이온화 (Ionization)

이온화를 시킬 때는 크게 기체 상태 이온화법(gas phase source)과 탈착 이온화법(desorption source)의 두가지가 있다. 

1. 기체 상태 이온화법(gas phase source)

기체상 이온화법은 일단 기체화된 분자를 이온화시키는 방법으로 기체로 만들기 쉬운 500℃ 이하의 끓는점을 갖고, 열에 안정한 화합물에만 사용할 수 있다. 분자량이 10³amu 이하인 경우에 주로 쓰인다. 기체상 이온화법은 세가지가 있는데, 전자 충격Electron Impact(EI), 화학적 이온화Chemical Ionization(CI), 장 이온화Field Ionization(FI)가 있다.  


전자 충돌 이온화법 (Electorn Impact Ionization, EI)

기체 시료를 약 70eV까지 가속된 열전자로 충돌을 시킨다. 가장 일반적인 이온화방법이다. 반응식은 아래와 같다.

M + e^- → M^{· +} + 2e^-

M의 위첨차로 써진 ^·은 라디칼을 나타낸다(이하 라디칼표시 생략). 이렇게 이온화가 일어나면서 에너지가 높은 전자와 충돌을 하면서 분자가 깨지는 조각화도 일어난다. 조각화에 의한 딸 이온이 생성되며, 분자 이온은 잘 보이지 않는다. 

거의 아무것도 없는 고진공에서 크기가 매우 작은 전자를 전자총으로 쏘면 명중률이 상당히 낮아서 백만개중 한 분자만 이온화가 된다. 충돌 산물로 MH⁺ 이온이 생성되지만 EI에서는 잘 관찰되지 않는다.

조각화가 잘 일어나기 때문에 분자 구조 확인이 용이하지만 분자 이온 검출이 힘들다는 단점이 있다.


화학적 이온화 (Chemical Ionization, CI)

화학적 이온화는 EI와 그 구조가 똑같지만 시약 기체가 차 있는 것이 다른점이다. 시약 기체로는 보통 메탄이 주로 쓰이며, 시약에 대한 시료의 농도비는 10^-4~10^-3이다. 먼저 가속된 열전자가 메탄을 이온화시킨다. CH₄⁺, CH₃⁺, CH₂⁺가 생성되고 또 C₂H₅⁺, C₃H₅⁺도 생긴다. 이온화된 시약 기체가 시료 분자와 충돌을 하여 이온화시킨다. EI와 비교해서 M+1 피크가 크게 나타나며 M-1 피크도 간간히 관찰되며, C₂H₅⁺, C₃H₅⁺가 시료 분자에 붙어서 M+29 피크나 M+41 피크도 관찰된다.


장 이온화 (Field Ionization, FI)

장 이온화법은 10⁸V/cm에 해당하는 강력한 전기장하에서 이온이 생성되는 원리를 이용한다. 이렇게 강한 전기장은 10~20kV 정도의 높은 전압과 양극의 전극 끝의 직경이 1μm이하일 때 생성된다. 요즘은 전극을 강한 전기장 하에서 benzonitrile을 열분해 시켜 수백개의 탄소 마이크로칩을 배양시킨 텅스텐 선으로 되어있다.

확산 기체 시료가 양극 부근에서 이온화되며, 분석물질에서 나온 전자들이 양극의 마이크로 칩으로 빨려들어가는 양자역학적 터널 메카니즘을 통해 이온화 된다. MH⁺가 많이 생성되어 M+1이 base peak가 자주 된다.

 

2. 탈착 이온화법(desorption source)

기체 상태 이온화법은 시료가 기체일때만 가능한 방법이다. 그래서 비휘발성이나 열적으로 불안정한 화합물에는 사용할 수가 없다. 여러 상태의 시료를 분석하기 위해서 다양한 분석법이 개발되었는데 Field Desorption(FD), Electrospray ionization(ESI), Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization(MALDI), Fast Atom Bombardment(FAB), Secondary Ion Mass Spectroscopy(SIMS) 등이 있다.

장 탈착 (Field Desorption, FD)

장 탈착법은 장이온화법과 비슷한 마이크로 양극을 사용한다. 전극의 끝에 고체 시료를 묻히고 높은 전압을 걸어주면 이온화가 일어난다. 다만 어떤 시료는 전극에 전류를 통하게 하여 열이 발생할 수 있는데 열분해가 일어날 수도 있다.


매트릭스 레이저 탈착 이온화법 (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI)

MALDI 분광법은 분자량이 수천에서 수만에 이르는 극성 생화학 고분자 화합물의 정확한 분자량에 대한 정보를 얻을 수 있는 방법이다. 이 방법은 1988년 독일과 일본의 각기 다른 두 연구 단체에 의해 거의 비슷한 시기에 발표되었다. 

MALDI 과정 모식도

MALDI 법은 매트릭스 물질로 자주 사용하는 니코틴 산과 분석 시료를 섞어 스테인리스 강 탐침 끝에 바른다. 매트릭스는 레이저를 강하게 흡수하며 그 후에 매트릭스와 분석물은 탈착되어 이온화된다. MALDI 법은 분석기로 비행 시간(TOF)를 사용한다. 

전자 분무 이온화 (Electrospray ionization, ESI)

ESI 과정의 모형

1984년에 소개된 ESI는 분자량이 10만 이상인 폴리펩티트, 단백질, oligonucleotide를 분석할 수 있다. 포름산이 들어가 약간의 산성을 띠는 용액에 생물질을 넣고 모세관을 통해 분사한다. 이때 모세관은 + 전하를 띠고 산성 용액속에서 +전하를 띠는 생물질들은 서로 반발하게 되어 날라가게 된다. 이때 입구쪽에는 -전하를 걸어둔다. ESI는 열에 불안정한 생화학 분자들의 조각화가 적게 일어난다. 보통 MS는 m/z가 1,500 이하인 곳에서 분해능이 뛰어나다. 그런데 생물질들은 분자량이 10만에 가까운 것도 있어서 보통의 방법으로는 분석할 수 없다. 하지만 ESI 방법을 사용하면 전하가 +2, +3, +4 등 전하가 높기 때문에 분자에 해당하는 z가 커져 충분히 m/z가 1,500이하로 떨어져 분석할 수 있게 된다. ESI는 HPLC를 사용하여 직접 시료를 도입할 수 있는 장점이 있다.

고속 원자 충격법 (Fast Atom Bombardment, FAB)

FAB은 글리세린에 녹인 생화학 물질에 아르곤이나 제논 원자를 충돌시켜서 이온화를 시킨다. 이런 원자 총을 만드는 방법은 10^-5torr 정도의 Ar 나 Xe에 Ar 이온과 Xe 이온을 충돌시켜 아르곤이나 제논을 가속시킨다.