질량분석기 (LCMS, LC MSMS,Q-TOF, MALDI TOF..) : 동위원소

질량분석을 위한 사전 지식 - 동위원소 패턴 (Isotopic Pattern)

동위원소 패턴은 질량분석 데이터 해석에 있어 핵심적인 역할을 합니다. 특히 탄소의 M+1 피크와 황, 염소, 브롬과 같은 특정 원소들의 고유한 동위원소 분포는 분석자가 분자의 원소 조성을 신속하고 정확하게 판단하는 데 결정적인 정보를 제공합니다.

동위원소 패턴 (Isotopic Pattern) 이란?

동위원소 패턴은 질량분석 스펙트럼에서 관찰되는 독특한 피크 분포로, 시료를 구성하는 원소들의 자연계 존재 동위원소 비율 때문에 생겨납니다. 분자량(M)에 해당하는 주 피크(M+) 외에도, 더 무거운 동위원소를 포함한 분자들로 인해 M+1, M+2 등의 추가 피크들이 특정 상대 강도로 나타나는데, 이러한 전체적인 양상을 동위원소 패턴이라고 합니다. 이 패턴은 마치 분자의 고유한 지문 과도 같아서, 어떤 원소들이 얼마나 포함되어 있는지를 추론하는 데 결정적인 정보를 제공합니다.

원자의 기본 구성 요소

원자의 질량과 종류를 결정하는 데 중요한 역할을 하는 세 가지 핵심 구성 요소입니다.

• 질량수(Mass Number)
  • 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자의 총 개수를 의미합니다.
  • 질량수 = 양성자 수 + 중성자 수
• 원자 번호(Atomic Number)
  • 원자핵에 있는 양성자의 개수를 의미하며, 이는 특정 원소의 고유한 특성입니다.
  • 양성자 수 = 원자 번호

동위원소 : 원자 번호는 같지만, 질량수(Mass Number)가 다른 원소, 

같은 원자 번호(양성자 수)를 가지므로 화학적 성질은 같지만, 중성자 수가 달라 질량수가 다른 원소를 말합니다.

탄소-12 (¹²C) 의 경우

원자 번호가 6이므로 양성자가 6개 있습니다.

질량수가 12이므로, 중성자는 (질량수 12 - 양성자 수 6) = 6개 있습니다.
특징: 자연계에 약 98.9%의 비율로 존재하며, 매우 안정적인 원소입니다. 모든 생명체의 기본 구성 원소이며, 질량의 기준으로도 사용됩니다.

탄소-13 (¹³C)

탄소의 또 다른 안정적인 동위 원소입니다.

원자 번호가 6이므로 역시 양성자가 6개 있습니다.

질량수가 13이므로, 중성자는 (질량수 13 - 양성자 수 6) = 7개 있습니다.

원자 질량 단위(amu)의 기준: 탄소-12

 ¹²C : 12.0000 amu (원자 질량 단위)

 국제 협약에 의해 질량이 정확히 12로 지정되었습니다.

 원자 질량 단위 (amu): atomic mass unit.  1amu 는 탄소-12 원자 질량의 1/12

기본 개념: 동위원소와 자연 존재비

대부분의 원소는 핵 안에 중성자의 수가 다른 여러 종류의 동위원소를 가지고 있습니다. 이 동위원소들은 화학적 성질은 같지만 질량이 다릅니다. 자연계에 특정 비율로 존재하는데, 이를 '자연 존재비(Natural Abundance)'라고 합니다. 질량분석기는 분자를 이온화하여 질량 대 전하량(m/z) 비율에 따라 분리하고 검출하므로, 분자를 구성하는 원소의 동위원소 조합에 따라 다양한 질량의 이온들이 생성되고 각 질량에 해당하는 피크가 스펙트럼에 나타나게 됩니다.

주요 원소별 동위원소 패턴의 이해

1. 탄소 (Carbon, C): C12, C13

유기 화합물에서 가장 중요한 원소인 탄소는 동위원소 패턴을 이해하는 핵심입니다.

• Carbon-12 (${}^{12}$C): 자연 존재비 약 98.9%
• Carbon-13 (${}^{13}$C): 자연 존재비 약 1.1%

분자가 N개의 탄소 원자를 가지고 있다고 가정해 봅시다.

• M+ 피크: 모든 탄소가 ${}^{12}$C로만 이루어진 분자의 질량에 해당하는 피크입니다. 이 피크가 일반적으로 가장 강합니다.
• M+1 피크: 분자 내 탄소 원자 중 하나가 ${}^{13}$C로 대체되고 나머지는 ${}^{12}$C인 분자들의 합에 해당하는 피크입니다. 탄소 원자의 개수가 많을수록 M+1 피크의 상대 강도가 커집니다.
  • 예시: 탄소 원자 1개($\text{CH}\_4$)일 경우 M+1 피크 강도 약 1.1% (M+ 기준)
  • 탄소 원자 10개($\text{C}\ast 10\text{H}\ast 22$)일 경우 M+1 피크 강도 약 10 x 1.1% = 11% (M+ 기준, 다른 원소 기여 무시 시)
• M+2 피크: 분자 내 탄소 원자 중 두 개가 ${}^{13}$C로 대체된 경우 등에 해당합니다. 이 피크는 상대적으로 약하지만, 탄소 수가 매우 많거나 다른 원소(예: 산소-18)의 기여가 있을 때 나타날 수 있습니다.

** ${}^{13}\text{C}$이 기여하는 M+1 피크의 상대적 높이**는 유기 분자의 탄소 원자 수를 추정하는 데 매우 유용하게 사용됩니다.

탄소(C)의 동위원소 패턴

2. 수소 (Hydrogen, H)

• Hydrogen-1 (${}^1$H): 자연 존재비 약 99.98%
• Deuterium (${}^2$H, D): 자연 존재비 약 0.015% (매우 낮음)
  • ${}^2$H의 자연 존재비가 워낙 낮기 때문에, 일반적인 질량분석에서는 수소에 의한 M+1 피크의 기여는 무시할 정도로 작습니다. 탄소-13에 의한 M+1 피크에 비해 훨씬 미미합니다.

3. 질소 (Nitrogen, N)

• Nitrogen-14 (${}^{14}$N): 자연 존재비 약 99.63%
• Nitrogen-15 (${}^{15}$N): 자연 존재비 약 0.37%
  • 질소는 탄소에 비해 M+1 피크에 대한 기여가 작습니다. 그러나 질소의 존재는 질량분석 스펙트럼에서 홀수 분자량 규칙(Nitrogen Rule)과 관련하여 중요합니다 (질소 원자가 홀수 개 존재하면 분자량도 홀수, 짝수 개 존재하면 분자량도 짝수).

4. 산소 (Oxygen, O)

• Oxygen-16 (${}^{16}$O): 자연 존재비 약 99.76%
• Oxygen-17 (${}^{17}$O): 자연 존재비 약 0.04%
• Oxygen-18 (${}^{18}$O): 자연 존재비 약 0.20%
  • ${}^{16}$O가 대부분을 차지하며, ${}^{18}$O는 M+2 피크에 소량 기여할 수 있습니다. 일반적으로 산소의 동위원소 효과는 크지 않습니다.

5. 황 (Sulfur, S)

• Sulfur-32 (${}^{32}$S): 자연 존재비 약 95.02%
• Sulfur-33 (${}^{33}$S): 자연 존재비 약 0.75%
• Sulfur-34 (${}^{34}$S): 자연 존재비 약 4.21%
  • 황을 포함하는 분자는 뚜렷한 M+2 피크를 가집니다. ${}^{34}$S의 존재비가 상대적으로 높기 때문에, M+2 피크의 강도가 M+ 피크의 약 4% 수준으로 나타나, 황의 존재를 쉽게 알 수 있게 합니다.

6. 할로겐 (Halogens)

할로겐 원소는 매우 특징적인 동위원소 패턴을 보여주므로, 분자 내 할로겐의 존재를 확인하는 데 결정적인 단서가 됩니다.

• 염소 (Chlorine, Cl):

  • Chlorine-35 (${}^{35}$Cl): 자연 존재비 약 75.77%
  • Chlorine-37 (${}^{37}$Cl): 자연 존재비 약 24.23%
  • 염소를 하나 포함하는 분자는 M+와 M+2 피크가 대략 3:1의 강도 비율로 나타납니다.
  • 만약 염소 원자가 두 개 이상이라면, M+4, M+6 등의 피크도 나타나며, 그 패턴은 통계적인 조합에 따라 복잡해지지만 매우 독특하고 식별하기 쉽습니다. (예: $\text{CH}\_2\text{Cl}\_2$는 M+, M+2, M+4 피크가 ~9:6:1 비율로 나타남)

• 브롬 (Bromine, Br):

  • Bromine-79 (${}^{79}$Br): 자연 존재비 약 50.69%
  • Bromine-81 (${}^{81}$Br): 자연 존재비 약 49.31%
  • 브롬을 하나 포함하는 분자는 M+와 M+2 피크가 거의 1:1의 강도 비율로 나타납니다.
  • 두 개 이상의 브롬 원자를 가진 분자도 예측 가능한 특징적인 패턴을 보여줍니다. (예: $\text{CH}\_2\text{Br}\_2$는 M+, M+2, M+4 피크가 ~1:2:1 비율로 나타남)

동위원소 패턴의 활용

• 분자식 추정: 질량분석을 통해 얻은 정확한 질량(정밀 질량) 정보와 동위원소 패턴은 미지의 화합물의 분자식을 추정하는 데 있어 매우 강력한 분석 도구로 작용합니다. 특정 동위원소 패턴은 해당 화합물 내 특정 원소의 존재를 강력하게 뒷받침합니다.

• 데이터 검증: 기존에 알려진 화합물의 경우, 이론적으로 계산된 동위원소 패턴과 실제 측정된 패턴을 서로 비교함으로써 분석 데이터의 신뢰성을 효과적으로 검증할 수 있습니다.

주요 원소별 동위원소 및 자연 존재비 표:

아래 표는 질량분석에서 중요하게 다루어지는 주요 원소들의 동위원소 및 그 자연 존재비입니다.

원소 (기호)	동위원소	자연 존재비 (%)	질량 (amu)	비고
탄소 (C)	${}^{12}$C	98.9	12.0000	유기 분자 M+1 피크의 주 기여자
	${}^{13}$C	1.1	13.0034
수소 (H)	${}^1$H	99.98	1.0078
	${}^2$H	0.015	2.0141	(D, Deuterium)
질소 (N)	${}^{14}$N	99.63	14.0031
	${}^{15}$N	0.37	15.0001
산소 (O)	${}^{16}$O	99.76	15.9949
	${}^{17}$O	0.04	16.9991
	${}^{18}$O	0.20	17.9991
황 (S)	${}^{32}$S	95.02	31.9721	M+2 피크의 뚜렷한 기여자
	${}^{33}$S	0.75	32.9715
	${}^{34}$S	4.21	33.9679
염소 (Cl)	${}^{35}$Cl	75.77	34.9689	M+, M+2 피크 약 3:1 비율
	${}^{37}$Cl	24.23	36.9659
브롬 (Br)	${}^{79}$Br	50.69	78.9183	M+, M+2 피크 약 1:1 비율
	${}^{81}$Br	49.31	80.9163

질량 단위

단위 (Unit)	정의 (Definition)	사용 맥락 (Usage Context)
g/mol (그램/몰)	특정 물질 1몰(mole)의 질량을 그램(g)으로 나타낸 단위. 물질의 몰 질량을 의미합니다.	주로 거시적인 양을 다루는 화학 양론 계산, 실험실에서 저울로 측정하는 물질의 질량 표현에 사용됩니다.
Da (달톤)	탄소-12(¹²C) 원자 한 개의 질량의 정확히 1/12로 정의되는 단위입니다. 통합 원자 질량 단위(unified atomic mass unit)와 같습니다.	개별 원자, 분자, 특히 단백질과 같은 생체 고분자(kDa)의 미시적 질량을 나타낼 때 사용됩니다. 질량분석법(MS)에서 m/z 값의 기본 단위입니다.
amu (원자 질량 단위)	Da와 정의 및 값이 정확히 같습니다. 탄소-12(¹²C) 원자 한 개의 질량의 정확히 1/12입니다.	과거에 널리 사용되었던 명칭입니다. 현대에는 Da가 더 보편적이고 선호되는 단위입니다.

질량분석기 종류와 변환 원리

질량분석을 위한 사전 지식

• 동위원소
• 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