LC에서는 화합물을 Retention Time에 따라 분리하고, 질량분석기에서는 이온의 m/z(mass-to-charge ratio)를 측정합니다. MS/MS를 사용하면 생성된 fragment ion을 분석하여 분자의 구조나 펩타이드 서열에 대한 추가적인 정보를 얻을 수 있습니다.
그런데 복잡한 시료를 분석하다 보면 한 가지 문제가 생깁니다.
Retention Time과 m/z만으로 모든 이온을 충분히 구분할 수 있을까요?
특히 서로 비슷한 질량을 갖거나 구조적으로 유사한 이온이 동시에 존재하는 경우에는 추가적인 분리 정보가 필요할 수 있습니다.
이때 사용할 수 있는 기술이 Ion Mobility Spectrometry(IMS), 즉 이온 모빌리티 분석입니다.
Ion Mobility는 기체 상태의 이온이 전기장과 기체 환경에서 이동하는 특성의 차이를 이용하여 이온을 추가적으로 분리합니다. 따라서 LC-MS에 Ion Mobility를 결합하면 기존의 Retention Time과 m/z 정보에 Mobility라는 새로운 분리 차원을 추가할 수 있습니다.
1. LC-MS에는 이미 여러 가지 분리 정보가 있다
Ion Mobility를 이해하기 전에 기존 LC-MS가 어떤 정보를 제공하는지 살펴보겠습니다.
LC-MS 분석에서는 각각의 분석 단계가 서로 다른 정보를 제공합니다.
| 분석 단계 | 주요 정보 |
|---|---|
| LC | Retention Time |
| MS | m/z |
| MS/MS | Fragment ions |
| Ion Mobility | Mobility / CCS |
LC는 액체 상태에서 화합물의 물리화학적 특성 차이를 이용하여 분리합니다.
LC를 통과한 이온은 질량분석기로 이동하고, MS에서는 이온의 m/z가 측정됩니다.
MS/MS에서는 특정 precursor ion을 선택하여 fragmentation을 수행하고 생성된 fragment ion을 분석합니다.
여기에 Ion Mobility를 추가하면 이온의 기체상 이동 특성을 이용한 분리가 추가됩니다.
따라서 개념적으로는 다음과 같은 구조가 됩니다.
Ion Mobility의 핵심은 기존의 질량분석을 대체하는 것이 아니라 질량과 다른 물리적 특성을 이용하여 추가적인 분리 정보를 제공한다는 것입니다.
2. Ion Mobility란 무엇인가?
Ion Mobility Spectrometry는 기체 상태의 이온을 이동도(mobility)의 차이에 따라 분리하는 분석 기술입니다.
질량분석기 내부에서 이온은 기체 환경을 통과하면서 주변의 기체 분자와 충돌합니다.
이때 전기장을 가하면 이온은 특정 방향으로 이동하게 됩니다.
이온의 이동 특성은 단순히 질량에 의해서만 결정되지 않습니다.
대표적으로 다음과 같은 요소가 영향을 줍니다.
- 이온의 전하 상태
- 이온의 크기
- 이온의 형태
- 기체와 이온 사이의 충돌 특성
- 전기장 조건
- 기체의 종류와 온도
따라서 서로 다른 이온은 동일한 환경에서도 서로 다른 이동 특성을 나타낼 수 있습니다.
이것이 Ion Mobility가 LC-MS에 새로운 분리 차원을 제공할 수 있는 기본 원리입니다.
3. 이온은 기체 속에서 어떻게 이동하는가?
Ion Mobility의 원리를 조금 더 구체적으로 살펴보겠습니다.
기체 상태의 이온에 전기장이 가해지면 이온은 전기장에 의해 이동하려는 힘을 받습니다.
반면 이온은 이동하는 동안 주변의 기체 분자와 계속 충돌합니다.
따라서 이온의 이동에는 크게 두 가지 효과가 작용한다고 생각할 수 있습니다.
Electric Field ↓ ┌───────────┐ │ + │ │ Ion │ │ + │ │ │ │ • • • • • │ │ Buffer Gas│ │ • • • • • │ └───────────┘ ↓ Ion Motion
전기장은 이온을 이동시키는 방향으로 작용하고, 기체 분자와의 충돌은 이동을 방해합니다.
이 두 효과의 균형에 의해 이온의 이동도가 결정됩니다.
결국 이온마다 기체 환경에서 이동하는 특성이 다르기 때문에 이 차이를 이용하여 이온을 분리할 수 있습니다.
4. 질량이 같은데도 이동도가 다를 수 있을까?
가능합니다.
이 부분이 Ion Mobility를 이해하는 데 매우 중요합니다.
질량분석에서는 기본적으로 m/z가 핵심적인 측정값입니다.
하지만 두 이온의 질량 또는 m/z가 비슷하더라도 이온의 구조나 형태가 다르면 기체 분자와 충돌하는 방식이 달라질 수 있습니다.
예를 들어 다음과 같이 생각할 수 있습니다.
Ion A Ion B ● ●●● ●● ●● ● ●● compact structure extended structure
두 이온의 질량이 비슷하더라도 기체 분자와 상호작용하는 방식이 다르면 이동 특성에도 차이가 나타날 수 있습니다.
따라서 Ion Mobility에서는 단순한 질량뿐만 아니라 이온의 기체상 이동 특성과 구조적 특성을 함께 고려할 수 있습니다.
다만 여기서 주의해야 할 점이 있습니다.
Ion Mobility가 이온의 "크기"나 "표면적"을 직접 측정하는 것은 아닙니다. 측정된 mobility로부터 물리적 모델을 이용하여 CCS(Collision Cross Section)를 계산할 수 있습니다.
질량이 같아도 Mobility가 달라지는 대표적 사례
- Structural Isomers (구조 이성질체): 질량은 완전히 동일하나 형태(Conformation)가 다른 경우 (예: Glucose vs. Fructose, Lipid Regioisomers).
- Charge State (z) 차이: 질량(m)은 같으나 전하(z)가 달라 m/z와 전기장 내 받는 힘이 달라지는 경우 (예: Proteomics에서 doubly charged vs triply charged 펩타이드).
5. Collision Cross Section(CCS)이란?
Ion Mobility를 설명할 때 가장 많이 등장하는 용어 중 하나가 CCS(Collision Cross Section)입니다.
CCS는 이온과 주변 기체 분자의 충돌 특성을 나타내는 물리적 파라미터입니다.
쉽게 표현하면 이온이 기체 환경에서 이동할 때 나타내는 유효한 충돌 단면적이라고 이해할 수 있습니다.
CCS는 이온의
- 구조
- 형태
- 크기
- 전하 상태
- 기체 환경
등과 관련된 특성을 반영합니다.
따라서 CCS는 단순한 분자량과는 다른 종류의 정보입니다.
특히 복잡한 분자에서는 동일한 분자식이나 유사한 질량을 갖더라도 구조와 conformation에 따라 서로 다른 mobility 특성을 나타낼 수 있기 때문에 CCS가 추가적인 식별 정보로 활용될 수 있습니다.
6. Ion Mobility가 추가되면 무엇이 달라지는가?
기존의 LC-MS에서는 분석물을 다음과 같은 두 가지 주요 축에서 바라볼 수 있습니다.
Retention Time │ │ │ └────────────── m/z
Ion Mobility가 추가되면 여기에 또 하나의 분리 정보가 들어갑니다.
Mobility ↑ │ │ ● │ │ ● │ └────────────────→ m/z
즉, 단순히 m/z가 비슷하다는 이유만으로 같은 영역에 존재하던 이온들을 mobility라는 추가적인 축에서 다시 구분할 수 있습니다.
실제 LC-MS 분석에서는 이를 단순한 2차원 그림보다 훨씬 복잡한 데이터 형태로 다루게 되지만, 개념적으로는 분리 공간이 하나 더 추가된다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
이 때문에 Ion Mobility는 흔히 LC-MS에 additional separation dimension을 제공한다고 설명합니다.
7. Proteomics에서 Ion Mobility
Ion Mobility는 Proteomics에서도 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.
Proteomics에서는 하나의 시료 안에 매우 많은 peptide가 동시에 존재합니다.
각 peptide는 LC에서 서로 다른 Retention Time을 가질 수 있고, MS에서는 서로 다른 m/z를 나타냅니다.
그러나 실제 시료에서는 서로 비슷한 조건을 가진 peptide가 존재하고, 복잡한 스펙트럼에서는 여러 precursor와 fragment가 서로 겹칠 수 있습니다.
이때 Ion Mobility를 추가하면 peptide에 대한 또 하나의 정보를 얻을 수 있습니다.
즉,
Retention Time
→ LC에서의 분리
m/z
→ 질량분석 정보
Mobility / CCS
→ 기체상 이동 및 구조 관련 정보
Fragment ions
→ 구조 및 서열 정보
라는 서로 다른 정보가 결합됩니다.
이러한 다차원적인 정보는 복잡한 proteome에서 peptide를 구분하고 분석하는 데 활용될 수 있습니다. Ion Mobility-MS는 proteomics에서 분석 깊이, 동적 범위, 처리량 등의 개선을 목표로 활용되고 있습니다.
8. Metabolomics에서도 중요한 이유
Ion Mobility는 Proteomics뿐만 아니라 Metabolomics와 Lipidomics에서도 활용되고 있습니다.
대사체 분석에서는 서로 다른 구조를 가진 화합물이 비슷한 질량 특성을 나타내는 경우가 있습니다.
특히 isomer처럼 질량이 같거나 매우 유사하지만 구조가 다른 화합물은 일반적인 MS 정보만으로 구분하기 어려울 수 있습니다.
이때 Ion Mobility를 이용하면 m/z 외에 mobility 또는 CCS라는 추가적인 정보를 얻을 수 있습니다.
따라서 다음과 같은 정보 조합이 가능해집니다.
Retention Time + m/z + Mobility / CCS + Fragment Ions
이러한 추가 정보는 metabolite와 lipid의 식별 신뢰도를 높이는 데 활용될 수 있으며, 특히 CCS를 화합물의 추가적인 물리화학적 descriptor로 사용하는 접근이 연구되고 있습니다.
9. Ion Mobility의 대표적인 방식
Ion Mobility는 하나의 단일한 장비 또는 하나의 측정 방법을 의미하지 않습니다.
전기장과 기체의 흐름을 어떻게 구성하고 이온을 어떻게 분리하는지에 따라 여러 가지 방식이 존재합니다.
대표적으로 다음 네 가지가 많이 언급됩니다.
Drift Tube Ion Mobility Spectrometry — DTIMS
가장 전통적인 형태의 Ion Mobility 중 하나입니다.
이온이 기체로 채워진 drift tube를 통과하면서 전기장에 의해 이동하고, 이온의 이동 시간 차이를 이용하여 분리합니다.
특히 drift time과 mobility의 관계를 이용하여 CCS를 계산할 수 있다는 특징이 있습니다.
Traveling Wave Ion Mobility Spectrometry — TWIMS
TWIMS에서는 일정한 방향으로 이동하는 전기적 wave를 이용하여 기체 환경에서 이온을 이동시킵니다.
이온의 이동 특성에 따라 wave를 따라가는 방식이 달라지므로 이 차이를 이용하여 분리할 수 있습니다.
Trapped Ion Mobility Spectrometry — TIMS
TIMS에서는 기체 흐름과 반대 방향으로 작용하는 전기장을 이용하여 이온을 특정 위치에 가둘 수 있습니다.
이후 전기장 조건을 변화시키면서 이온을 순차적으로 방출하여 mobility에 따른 분리를 수행합니다.
Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry — FAIMS
FAIMS는 Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry의 약자입니다.
FAIMS에서는 비대칭적인 고전계 전기장을 이용하여 이온의 이동 특성 차이를 이용합니다.
특정 조건에서 원하는 mobility 특성을 가진 이온을 통과시키고 다른 이온을 제외하는 방식으로 활용할 수 있습니다.
DTIMS나 일부 다른 IM 방식과 달리 FAIMS의 일반적인 측정 결과를 직접적인 CCS 값으로 해석하는 것은 적절하지 않으며, FAIMS는 선택적 이온 필터링이라는 관점에서도 중요합니다.
10. 네 가지 방식을 간단하게 비교하면
| 방식 | 기본 원리 | 대표적인 정보 |
|---|---|---|
| DTIMS | 전기장에 의한 drift | Drift time / Mobility / CCS |
| TWIMS | Traveling wave | Arrival time / Mobility 관련 정보 |
| TIMS | 전기장에 의한 trapping 및 release | Mobility / CCS |
| FAIMS | 비대칭 전기장 | 선택적 ion transmission |
이 표에서 중요한 것은 어느 방식이 "더 좋은가"를 단순히 비교하는 것이 아닙니다.
각 방식은 서로 다른 물리적 원리로 이온의 이동 특성을 분리하며, 측정 가능한 정보와 데이터 해석 방법에도 차이가 있습니다.
11. Ion Mobility는 질량분석을 대체하는 기술인가?
아닙니다.
Ion Mobility는 질량분석을 대체하기 위한 기술이 아닙니다.
오히려 MS와 서로 다른 정보를 제공하는 보완적인 분석 방법으로 이해하는 것이 정확합니다.
예를 들어 LC-MS/MS에서는 다음과 같은 정보가 순차적으로 결합될 수 있습니다.
LC │ ├── Retention Time │ ▼ Ion Mobility │ ├── Mobility / CCS │ ▼ MS │ ├── m/z │ ▼ MS/MS │ └── Fragment Ions
각 단계가 서로 다른 특성을 측정하기 때문에 이 정보를 함께 사용하면 하나의 측정값만 사용하는 것보다 분석물에 대한 훨씬 풍부한 정보를 얻을 수 있습니다.
12. "분리 차원"이라는 표현이 중요한 이유
Ion Mobility를 처음 접하는 경우 가장 중요한 개념은 새로운 separation dimension이라는 표현입니다.
LC는 화합물을 액체 상태에서 분리합니다.
MS는 기체 상태의 이온을 m/z에 따라 분석합니다.
Ion Mobility는 다시 기체 상태에서 이온의 이동 특성을 이용하여 분리합니다.
따라서 각각의 기술이 서로 다른 물리적 특성을 이용합니다.
LC │ Retention Time │ ▼ Ion Mobility │ Mobility / CCS │ ▼ MS │ m/z │ ▼ MS/MS │ Fragment Ions
결국 Ion Mobility의 가장 큰 의미는 기존 LC-MS에 없던 또 하나의 분리 정보를 추가한다는 것입니다.
13. Ion Mobility를 이용하면 무엇을 더 알 수 있는가?
Ion Mobility가 제공하는 정보는 단순히 "이온이 빨리 움직였는가, 느리게 움직였는가"에 그치지 않습니다.
Mobility는 이온의 구조적 특성과 관련될 수 있으며, 이를 통해 CCS와 같은 추가적인 descriptor를 얻을 수 있습니다.
따라서 분석자는 다음과 같은 여러 정보를 동시에 고려할 수 있습니다.
Retention Time
→ LC에서의 거동
m/z
→ 질량 및 전하 정보
Mobility / CCS
→ 기체상 이동 특성과 구조 관련 정보
Fragmentation
→ 분자 구조 또는 peptide sequence에 대한 정보
이렇게 서로 다른 물리적 특성을 이용하는 것이 Ion Mobility-MS의 가장 큰 장점입니다.
마무리
LC-MS는 이미 매우 강력한 분석 기술입니다.
하지만 복잡한 시료에서는 하나의 측정 차원만으로 모든 이온을 충분히 구분하기 어려울 수 있습니다.
LC는 Retention Time을 제공합니다.
MS는 m/z를 제공합니다.
MS/MS는 Fragment Ion 정보를 제공합니다.
그리고 Ion Mobility는 여기에 Mobility와 CCS와 관련된 추가적인 정보를 제공합니다.
따라서 Ion Mobility를 포함한 분석은 단순히 데이터를 하나 더 기록하는 것이 아니라, 서로 다른 물리적 특성을 이용하여 이온을 추가적으로 분리하고 해석할 수 있는 새로운 분석 차원을 제공합니다.
이를 가장 간단하게 정리하면 다음과 같습니다.
LC separates compounds by their chromatographic behavior.
MS analyzes ions according to m/z.
Ion Mobility separates gas-phase ions according to their mobility characteristics.
그리고 이 세 가지 정보를 MS/MS의 fragment 정보와 함께 사용하면 복잡한 Proteomics, Metabolomics, Lipidomics 시료를 보다 다차원적으로 해석할 수 있습니다.
Ion Mobility의 핵심은 특정 장비가 아니라, LC-MS에 새로운 분리 차원을 추가한다는 데 있습니다.
