B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 서울대학교 화학부 김 명 수 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr

1 이온화법 전자 이온화, 화학 이온화, 광이온화, 고속원자폭격법, 전기분무 이온화, 매트릭스보조 레이저탈착이온화 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1 이온화법 전자 이온화, 화학 이온화, 광이온화, 고속원자폭격법, 전기분무 이온화, 매트릭스보조 레이저탈착이온화 1-1 전자이온화( Electron ionization, EI ) ┉ 질량분석법에 있어서 표준이온화법임. ┉ 고속 전자로 기체 상태의 중성 분자를 때려서 전자를 떼어내 분자이온( 양이온, M+ )을 만듬. M + e- → M+ + 2 e- ┉ 이온화에너지( ionization energy, IE ) – M 에서 M+ 를 만드는 데 필요한 최소한의 에너지. 유기화합물의 이온화 에너지 = 8 ~ 12eV( 800~1200 kJ mol-1 ) ┉ 분자이온 중 내부에너지가 큰 상태에 만들어진 것들은 분해하여 토막이온을 만듬. M+ → M1+, M2+, etc.

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 이온원의 특징 – 이온-분자 반응( EI 에 의해 만들어진 이온과 중성 분자간의 이분자 반응 )에 의한 이온 생성은 없어야 함. M+ + A → B+ + C ⇒ 이온원을 열린 구조로 만들어 전도도를 크게 하고 미량의 시료를 넣어 이온원 내의 압력을 낮춤 ( < 10-5 torr )

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 M+ trap filament 전자 ┉ 필라멘트와 이온원간에 전압을 걸어 필라멘트에서 방출되는 열전자를 가속시킴. 표준 EI 스펙트럼을 얻기 위해서는 70eV 의 운동에너지를 갖는 전자살을 사용. ┉ 전자의 전류를 일정하게 유지하기 위하여 trap 전류를 이용한 negative feedback 회로 구성.

70 eV 운동 에너지를 갖는 전자살을 사용하면 이온화 효율이 높고 전자 에너지 변화에 따른 스펙트럼의 변화가 적음. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 70eV EI 70 eV 운동 에너지를 갖는 전자살을 사용하면 이온화 효율이 높고 전자 에너지 변화에 따른 스펙트럼의 변화가 적음.

( McLafferty and Turecek, “ Interpretation of Mass Spectra”, 4th ed. ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ NIST library 에는 약 105 개 화합물의 EI 스펙트럼이 수록되어 있어 이것과 미지 시료의 스펙트럼을 비교하여 물질확인. 체계적 스펙트럼 해석법이 완성되어 있음. ( McLafferty and Turecek, “ Interpretation of Mass Spectra”, 4th ed. ) ⇒ 미지 시료의 구조 결정, 정량 분석에 널리 활용됨. ┉ EI 의 단점 * 기화될 수 있는 시료에만 사용할 수 있음. * 분자 이온( M+ )이 불안정하여 모두 분해하면 질량 스펙트럼에 M+ 가 나타나지 않게 되어 스펙트럼 해석이 어려워짐.

1-2 화학 이온화 ( Chemical ionization, CI ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1-2 화학 이온화 ( Chemical ionization, CI ) ┉ 시약기체( reagent gas )를 전자 이온화하여 만들어진 이온과 시료간의 화학반응( 이온 – 분자 반응 )에 의해 시료로부터 이온을 만듬. 예) 메탄 CH4 CH4+, CH3+, CH2+, CH+, C+ 이온원에서 메탄의 압력이 높으면 위의 이온들은 메탄과 반응함. CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 , etc. CH5+ 는 H+ 를 쉽게 내어주는 Brnsted acid 임. 시료( M )와 CH5+ 간 산-염기 반응( proton transfer )에 의해 시료 이온 생성. M + CH5+ MH+ + CH4 ┉ CI 의 주안점은 내부 에너지가 매우 작은 MH+ 또는 M+ 를 만들어 그것의 분해를 최소화시키는 데 있음.

H << 0 이면 반응이 잘 진행하나 내부에너지가 큰 MH+ 가 많이 만들어져 분해하여 토막 이온들을 생성함. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 널리 사용되는 시약 기체 CH4 - CH5+ H2O - H3O+ (CH3)3CH – (CH3)3C+ NH3 - NH4+ ┉ 산 – 염기 반응의 반응열 M + RH+ MH+ + R , H H << 0 이면 반응이 잘 진행하나 내부에너지가 큰 MH+ 가 많이 만들어져 분해하여 토막 이온들을 생성함. 시료에 따라 H ~ 0 이 되도록 시약 기체 선택.

Methane chemical ionization spectrum of methyl stearate 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 Methane chemical ionization spectrum of methyl stearate Isobutane chemical ionization spectrum of methyl stearate

┉ EI/CI 이온원 – 이온원 출구 슬릿의 크기를 조절하여 전도도를 바꾸어줌으로써 EI 또는 CI 이온원으로 사용. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ CI 이온원 ┉ 특징 – 시약 기체의 압력을 높이기 위해 ( ~ 1 torr ) 이온원을 최대한 밀폐시킴( vs. EI 이온원 – 열린 구조, 시료 압력 ~ 10-5 torr ) Emission current ( 필리멘트와 이원원 간 전류 )를 이용하여 전자 전류를 일정히 유지( vs. EI 이온원, trap current 이용 ) ┉ EI/CI 이온원 – 이온원 출구 슬릿의 크기를 조절하여 전도도를 바꾸어줌으로써 EI 또는 CI 이온원으로 사용.

┉ EI 스펙트럼에 분자 이온이 나타나지 않을 때 분자량 확인. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 용 도 ┉ EI 스펙트럼에 분자 이온이 나타나지 않을 때 분자량 확인. ┉ 혼합물 분석에 유리 ( GC/MS, LC/MS ) 예) 매우 복잡한 환경오염시료, 혈액 등을 분석하기 위해 GC/MS – selective ion monitoring 을 시도할 때 EI – 각 성분당 다양한 이온 생성 CI – 각 성분당 몇 가지 이온만 생성 ⇒ Specificity Chemical noise  detection limit

1-3 광이온화( Photoionization, PI ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1-3 광이온화( Photoionization, PI ) hν ┉ M M+ + e- ┉ 유기 화합물의 IE = 8 ~12 eV 100~150nm( vacuum ultraviolet, VUV ) 사용이 편리하고 강력한 VUV 광원이 없으므로 VUV 를 이용한 PI 는 routine analysis 에 사용되지 않고 광전자 분광법( photoelectron spectroscopy, PES ) 등 기초 연구와 특수 분석에 주로 사용됨. ┉ 공명 다광자 이온화 ( Resonance-enhanced multiphoton ionization, REMPI ) – VUV 대신 UV/VIS 레이저를 사용하는 PI, high sensitivity, dye laser 사용.

Anal. Chem. 71,1674 (1999) B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 Anal. Chem. 71,1674 (1999)

Schematic diagram of the experimental setup 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 Schematic diagram of the experimental setup

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 Mass spectra of squalane, C30H62: (a) laser desorbed, jet cooled, photoionized; (b) laser desorbed, partly jet cooled, photoionized; (c) 70-eV electron impact library spectrum

┉ MATI 질량 분석법 B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ MATI 질량 분석법

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┉ 1- C3H7I 1- C3H7I+ , Nature 415, 306 (2002) VUV B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 1- C3H7I 1- C3H7I+ , Nature 415, 306 (2002) VUV

1-4 고속원자폭격법( Fast atom bombardment, FAB ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1-4 고속원자폭격법( Fast atom bombardment, FAB ) ┉ 이차 이온 질량 분석법( Secondary ion mass spectrometry, SIMS ) - 운동 에너지가 큰( 3~ 10 keV ) 원자( Ar, Xe, Cs+ 등 )로 표면을 때릴 때 방출되는 이온을 검출. 표면 분석법. ┉ FAB – SIMS와 유사. 단, 시료는 휘발성이 매우 낮은 용매에( 예, 글리세롤 ) 녹여 용액 형태로 사용. LSIMS ┉ SIMS vs. FAB – 고체 표면의 시료가 줄어듬에 따라 SIMS 신호는 급격히 감소. 액체 matrix 에서는 벌크에서 표면으로 시료의 확산이 일어나므로 시료에 의한 시그날이 장시간 계속됨.

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 * Cesium aluminosilicate 를 가열하여 방출시킨 Cs+ 을 이용하는 Cesium ion gun 이 보편적으로 사용됨.

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 이차 이온의 방출 메카니즘 고속 원자와 시료의 충돌에 의해 전자가 떨어져 나가는 이온화는 중요치 않음. 용매 또는 첨가물질과 시료의 반응에 의해 matrix 내에 생성된 이온( preformed ion )의 방출, 표면 근처에서의 화학 이온화가 주된 이온 생성 메카니즘이라고 생각됨. ┉ FAB 의 응용성 휘발성이 매우 작고 쉽게 분해하는 고체 시료의 질량 스펙트럼을 routine 하게 얻을 수 있게 한 최초의 이온화법. 분자량이 수천에 이르는 생체 물질, 천연물의 질량분석에 널리 사용됨.

1-5 전기 분무 이온화법 ( Electrospray ionization, ESI ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1-5 전기 분무 이온화법 ( Electrospray ionization, ESI ) ┉ 용액에 있는 시료로부터 이온을 만드는 방법 ┉ 용매 – 물 + 유기 용매( 메탄올 등 ) + 산( 아세트산 등 ) ┉ 모세관에 걸어 준 전압에 의해 모세관 끝에서 용액의 분무가 일어남( 전기 분무 )

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 (a) (b) Conceptualiation of the processes that are involved in the conversion of ions from droplets into the gas phase : (a) charge residue model; (b) ion desorption model

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 A block diagram of electrospray ionization source, in which ions are sampled through a small-orifice skimmer

┉ 생체 시료( 단백질 등 )의 질량 스펙트럼을 얻는데 유리. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 생체 시료( 단백질 등 )의 질량 스펙트럼을 얻는데 유리. ┉ 다가( multiply charged ) 이온 생성  질량 한계가 높지 않은 분석관으로 생물 고분자 질량 스펙트럼 기록 가능.

┉ 이온화 메커니즘 – FAB 과 유사. Preformed ion 의 방출, 이온-분자 반응. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 1-6 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화법 ( Matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI ) ┉ 레이저 탈착 이온화 ( Laser desorption ionization, LDI ) – 강력한 펄스 레이저로 고체 시료를 때려 이온화. ┉ MALDI – 사용되는 레이저 파장을 잘 흡수하는 매트릭스 사용. 레이저의 흡수에 의해 시료 – 매트릭스의 온도가 급속히 상승, 붕괴, 방출. ┉ 이온화 메커니즘 – FAB 과 유사. Preformed ion 의 방출, 이온-분자 반응. R. Zenobi and R. Knochenmuss, Mass Spectrom. Rev. 17, 337 (1998)

┉ 레이저 – 펄스형 UV or IR 레이저 UV/MALDI, IR/MALDI 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 레이저 – 펄스형 UV or IR 레이저 UV/MALDI, IR/MALDI UV – N2, Nd/YAG, Eximer IR - CO2, Er/YAG ┉ 펄스형 질량 분석관 – Time-of-flight( TOF ) ┉ 생물 고분자 질량분석 – Genomics, proteomics

2 질량 분석관 자기부채꼴, 사중극자, 이온 트랩, 이온 싸이클로트론 공명, 비행시간형 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 2 질량 분석관 자기부채꼴, 사중극자, 이온 트랩, 이온 싸이클로트론 공명, 비행시간형 2-1 자기부채꼴 ( Magnetic sector ) 질량 분석관 단일 집중 자기 부채꼴

┉ 이온원에서 만들어진 이온을 고전압(V)으로 가속. 운동 에너지 = 운동량 = 운동량 분석( B 측정 ) 질량 분석, m/z 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 자기 부채꼴 – 운동량 분석관. 볼록 렌즈. ┉ 이온원에서 만들어진 이온을 고전압(V)으로 가속. 운동 에너지 = 운동량 = 운동량 분석( B 측정 ) 질량 분석, m/z 2

┉ eV 의 운동 에너지를 갖는 모든 이온을 통과시키도록 ESA 전압 고정. 자기부채꼴의 자기장을 주사. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 이중 집중 질량 분석관 ┉ 전기 부채꼴 ( Electric sector, electrostatic analyzer, ESA ) - 에너지 분석관 ( 질량 분석 능력 없음). 볼록렌즈. ┉ eV 의 운동 에너지를 갖는 모든 이온을 통과시키도록 ESA 전압 고정. 자기부채꼴의 자기장을 주사. ┉ 자기 부채꼴의 에너지 수차와 전기 부채꼴의 에너지 수차를 상쇄 ( 카메라 렌즈)  높은 질량 분별능( 20,000 ~ 100,000 )

2-2 사중극자 질량 분석관 ( Quadrupole, Q ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 2-2 사중극자 질량 분석관 ( Quadrupole, Q ) ┉ 네 개의 평행 금속봉 가운데로 이온이 진행

┉ 각 금속봉에 직류( U )와 교류( V cos t )를 함께 걸어줌. 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 각 금속봉에 직류( U )와 교류( V cos t )를 함께 걸어줌. ┉ U / V 비율을 일정히 유지한 채 U 와 V 를 동시에 주사  질량스펙트럼

┉ 전극에 교류만 걸면 모든 이온을 다 통과시킴( 질량 분석 능력 없음 ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 삼중 사중극자 질량 분석계 ┉ 전극에 교류만 걸면 모든 이온을 다 통과시킴( 질량 분석 능력 없음 )  이단계 질량 분석계( tandem mass spectrometry, MS/MS )의 충돌실로 이용

┉ 질량 분별능 – unit mass resolution 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 사중극자 질량 분석계 ┉ 질량 범위 – 1,000 ~ 3,000 ┉ 질량 분별능 – unit mass resolution ┉ 가격이 저렴. 소형. 운전/유지 용이  routine 분석에 편리. ┉ 환경 오염 물질, 식품, 의료, etc.

2-3 사중극자 이온 트랩 ( Quadrupole ion trap, QIT ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 2-3 사중극자 이온 트랩 ( Quadrupole ion trap, QIT ) G. Stafford, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 13(6), 589(2002) ┉ 사중극자 질량 분석관과 유사. 삼차원 기기. End cap 전극 – 접지 Ring 전극 – U + V cos t

┉ 특정 U, V,  에서 모든 이온들이 trap 됨 ( up to 15 min ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 특정 U, V,  에서 모든 이온들이 trap 됨 ( up to 15 min ) ┉ U, V,  를 주사하면( 예, V 만을 증가 ) 점점 큰 m/z 를 갖는 이온들이 빠져 나옴  검출  질량 스펙트럼 ┉ He 기체 주입  분별능, 감도 개선

서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ MALDI MS/MS 기기로 개발중 MALDI MS/MS spectrum of peptide precursor ion m/z 1955. Data were acquired with 1 fmol and a total scan time of 2s.

2-4 이온 싸이클로트론 공명( Ion cyclotron resonance, ICR ) 질량분석관 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 2-4 이온 싸이클로트론 공명( Ion cyclotron resonance, ICR ) 질량분석관 ┉ 자기장 속에서 이온의 공전 운동  싸이클로트론 운동 주파수 , 라디오파 영역 ┉ 외부에서 공명 주파수 의 라디오파를 쪼이면 흡수, 반지름 커짐. 전극에 상전류 유도  검출 ┉ NMR 처럼 broadband 사용  상전류 신호의 후리에 전환  FT - MS

The Fourier-transform mass spectrometer 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 The Fourier-transform mass spectrometer

┉ 초고진공( Ultrahigh vacuum, UHV, < 10-9 torr ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ 초전도 자석 – 유지비 ( 액체 헬륨 ) ┉ 초고진공( Ultrahigh vacuum, UHV, < 10-9 torr ) ┉ 초고분별능 ( > 106 ) , 높은 질량 범위 ( 105 )  생물 고분자의 질량 분석에 유리

2-5 비행 시간형 질량 분석관 ( Time-of-flight, TOF ) 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 2-5 비행 시간형 질량 분석관 ( Time-of-flight, TOF ) ┉ MALDI, REMPI 와 같은 펄스 이온화법 사용시 유리 ┉ 가속 전압 , V 운동에너지 , 속도 , 비행시간 , 질량분별능 ~ 100

속도가 큰 이온  Reflectron 내에서 더 먼 거리를 비행 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ Reflectron - TOF 속도가 큰 이온  Reflectron 내에서 더 먼 거리를 비행  검출기 위치에서 time focusing  질량 분별능 커짐

* MALDI 에 의해 생성된 이온들이 전극 2 와 3 사이에 왔을 때 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ Delayed extraction * 전극 1 에 MALDI 시료를 설치. * V1, V2, V3 는 고전압 ( 20 kV ) 으로 유지. * MALDI 에 의해 생성된 이온들이 전극 2 와 3 사이에 왔을 때 전극 2 에 전압 펄스  전극 2 와 3 사이에 있던 특정 이온 M+ 는 검출기 위치에서 time focusing  고분별능

┉ Delayed extraction – Reflectron TOF 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ Delayed extraction – Reflectron TOF

┉ Postsource decay ( TOF 를 이용한 MS/ MS ) 에 유리 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ Postsource decay ( TOF 를 이용한 MS/ MS ) 에 유리

┉ OA – TOF 질량 분석계 ┉ n – 부칠벤젠 이온 B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 서울대학교 화학부 김 명 수 myungsoo@plaza.snu.ac.kr B. 질량분석계 및 이온화법 리뷰 ┉ OA – TOF 질량 분석계 ┉ n – 부칠벤젠 이온