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| 질량분석 시스템 구성 |
질량분석기 개요
질량분석기(Mass Spectrometer)는 복잡한 혼합물 속에서 원하는 물질을 정밀하게 분리하고(LC), 그 물질의 정체와 농도를 정확하게 파악하는(MS) 첨단 분석장비입니다. 이론적 지식을 넘어, 이 장비는 현대 사회의 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 신약 개발 과정의 성분 분석부터 식품 내 미량 오염물질 검출, 환경 유해 물질 감시, 나아가 법의학 수사까지 그 활용 범위는 거의 무한대입니다. 극미량 물질까지 놓치지 않고 분석할 수 있는 뛰어난 감도와, 수많은 물질 속에서 특정 성분을 정확히 가려내는 선택성 덕분에 LC-MS는 현대 분석 화학의 가장 강력한 도구로 자리 잡았습니다. 앞으로 LC-MS의 구성 요소, 시료의 분리 및 이온화 과정, 그리고 질량 분석기의 작동 원리를 통해 분석 결과의 정확도를 높이고 기기를 최적의 상태로 조율하는 방법에 대하여 알아보겠습니다.
질량분석 시스템 구성
질량분석 시스템은 크게 시료 분리부 (LC)와 질량 분석부 (MS)로 구성됩니다.
- LC (액체 크로마토그래피): 질량분석기로 도입되는 시료가 복잡한 혼합물일 경우, 분석 목적에 따라 특정 물질을 분리 및 정제하는 전처리 과정입니다.
- MS (질량분석기): LC를 통해 분리된 물질을 이온화하여 질량-전하비(m/z)를 기준으로 분리 및 검출함으로써 물질의 정성 및 정량 정보를 획득하는 핵심 부분입니다.
MS 구성 요소
모든 질량분석기는 다음과 같은 핵심 구성 요소를 포함합니다.
- 시료 도입부 (Inlet System): 분석 시료를 MS 내부로 효율적으로 전달합니다.
- 이온화 장치 (Ion Source): 중성 상태의 분석물질을 전하를 띤 이온으로 변환합니다. 다양한 이온화 방식에 대해서는 추후 별도의 포스팅에서 상세히 다룰 예정입니다.
- 질량 분석부 (Mass Analyzer): 생성된 이온들을 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리합니다.
- 검출기 (Detector): 질량 분석부를 통과한 이온들을 감지하여 전기 신호로 변환하고 증폭합니다.
- 진공 시스템 (Vacuum System): 이온의 충돌 방지 및 효율적인 이동을 위해 질량분석기 내부를 고진공 상태로 유지합니다.
질량분석기(MS), 질량을 측정하는 원리
우리가 일상적으로 사용하는 저울은 물체의 무게를 바로 측정할 수 있습니다. 반면에 과학 분야, 특히 원자나 분자와 같은 극도로 작은 입자의 질량을 다루는 질량분석기(Mass Spectrometry, MS)는 완전히 다른 접근 방식을 취합니다. 이 장비에서는 물체나 입자의 무게를 직접적으로 측정하는 것이 사실상 불가능합니다.
질량 분석기는 기체 상태 이온을 m/z(질량 대 전하 비) 값에 따라 분리하도록 설계되었습니다. 질량 분석기의 핵심은 기체 상태 이온을 분리하는 것 입니다.
질량분석기는 전기장이나 자기장, 또는 이 둘의 조합을 사용하여 이온을 생성된 영역에서 검출기로 이동시켜야 하고 검출기에서 이온은 증폭된 신호를 생성 해야 합니다.
이온의 이동과 분리는 전기장이나 자기장에 기반하기 때문에 질량뿐만 아니라 질량 대 전하 비(m/z)도 매우 중요하며 이온이 충분한 수율로 검출기까지 이동할 수 있도록 고진공 상태에서 작동하여야 합니다.
관성과 전하를 이용한 간접 측정
질량분석기는 물질의 질량을 직접 측정하기보다는 간접적인 방법을 활용합니다.
- 관성(Inertia)에 기반한 간접 측정 방법: 원자나 분자가 가속 운동을 할 때, 각 입자의 질량에 따라 그 운동 특성이 달라지는 점을 정밀하게 이용합니다. 질량이 큰 입자는 작은 입자에 비해 가속하거나 방향을 바꿀 때 더 많은 힘이 필요하고, 더 느리게 반응하는 '관성'을 지닙니다.
- 전하와의 상호작용 활용: 질량분석기 내에서 입자들은 대부분 전하를 띤 '이온' 형태로 존재합니다. 이 이온들이 전기장이나 자기장 안에서 움직일 때, 각 이온의 질량과 전하에 따라 서로 다른 방식으로 반응하고 움직입니다. 질량분석기는 바로 이러한 움직임의 차이를 감지하여 질량 정보를 얻어냅니다.
질량에 따라 변하는 핵심 측정 변수: MS 종류별 원리
질량분석에서 측정 범주는 질량의 함수입니다. 각 질량분석기 기법은 질량(m)에 따라 변화하는 특정 물리량을 측정하여 그 질량을 판별합니다.
질량분석기 기종별 측정함수
| 질량분석기 종류 | 측정 변수 | Function |
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| TOF MS | 시간 (time) | time = f (m) |
| FT ICR MS | 주파수 (frequency) | frequency = f (m) |
| Sectorfield MS | 궤도 반지름 (orbital radius) | orbital radius = f (m) |
| Quadrupole MS | RF 진폭 (RF Amplitude) | RF Amplitude = f (m) |
| Ion Trap MS | 방출 RF 전압 (ejection RF voltage) | ejection RF Voltage = f (m)
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TOF MS (비행시간 질량분석기): 이온이 특정 거리를 비행하는 데 걸리는 시간(time)이 질량(m)의 함수입니다. 동일한 에너지를 가했을 때, 질량이 큰 이온일수록 더 느리게 움직이므로 비행 시간이 길어지는 원리를 이용합니다. time = f (m)
FT ICR MS (푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량분석기): 자기장 내에서 이온이 사이클로트론 운동을 할 때 발생하는 주파수(frequency)가 질량(m)의 함수입니다. 이온의 질량과 전하에 따라 고유의 공명 주파수를 가지며, 이를 정밀하게 측정하여 질량을 파악합니다. 이 기법은 매우 높은 분해능(Resolution)을 제공합니다. frequency = f (m)
Sectorfield MS (섹터 필드 질량분석기): 이온이 자기장 내에서 휘어지는 궤도 반지름(orbital radius)이 질량(m)의 함수입니다. 질량 대 전하비(m/z)에 따라 이온이 휘는 정도가 달라지며, 특정 궤도를 통과하는 이온만을 검출하여 질량을 측정합니다. orbital radius = f (m)
Quadrupole MS (쿼드러플 질량분석기): 교류(RF) 및 직류(DC) 전압으로 형성된 전기장을 통과하며, 특정 RF 진폭(RF Amplitude)에서 안정적으로 통과하는 이온만 선택적으로 필터링하여 질량을 측정합니다. 질량 대 전하비에 따라 통과할 수 있는 RF 진폭이 달라집니다. RF Amplitude = f (m)
Ion Trap MS (이온 트랩 질량분석기): 이온이 트랩 안에 포집된 후 RF 전압을 스캔(변화)하여 이온을 순차적으로 공명시켜 배출하며, 이때 이온이 트랩 밖으로 방출되는 특정 RF 전압(ejection RF voltage)이 질량(m)의 함수입니다. ejection RF Voltage = f (m)
분자 정도의 질량분석에서는 무게를 직접 측정할 수 없기 때문에 전기장과 자기장 내에서 움직이는 이온들의 운동 특성 변화를 정밀하게 분석하여 질량을 간접적으로 측정합니다. 각기 다른 질량분석기들은 질량에 따라 변화하는 고유의 물리적 특성(시간, 주파수, 궤도, RF 진폭 등)에 반응함으로써 분석 대상 물질을 구성하는 원자와 분자의 질량 정보를 정확하게 판별해 낼 수 있습니다.
질량분석기 종류와 변환 원리
질량분석을 위한 사전 지식
- 동위원소 이온화 방법
- 이온화 방법들
- Liquid chromatography
질량분석기 구성요소들의 작동방식
- Ion source
- Quadrupole
- Hexapole
- Collision Cell
- Pulsar
- Reflector
- Lens
- Detectors
- 기타 소모성 자재들 (Tubing, union, rotor seal, nut and ferrule..)
질량분석기 검출기 원리 및 스펙트럼 해석 기초
크로마토그래피와 질량분석의 연동 (GC-MS, LC-MS)
연동 분석의 필요성 및 장점
질량분석기(MS)의 주요 응용 분야
트러블 슈팅, 오염, 진공, 분리 주요원인과 대처방법
