질량분석학 : 2002년도 노벨 화학상 수상 분야 2002년 11월 서울대학교 화학부 교수 김명수
2002년도 노벨 화학상 수상자 John Fenn, 버지니아 컴먼웰스 대학, 미국 Koichi Tanaka, 시마즈사, 일본 Kurt Wüthrich, 스위스 연방공대 , 스위스 주제 생물고분자의 분자량과 구조 결정법 개발 (질량 분석법, 핵자기공명 분광법)
? . 원자량, 분자량, 분자식 H 원자량 돌턴의 원자설 – 같은 원소의 원자의 질량은 모두 같다. 원자의 질량 예) 1H= 1.673 10-27 kg H ?
원자의 질량(g) 아보가드로수 (6.022137 1023) = 원자량 (g) 12C = 12 를 기준으로 한 원자의 상대적 질량 원자의 질량(g) 아보가드로수 (6.022137 1023) = 원자량 (g) 원소 동위원소 화학적 원자량 종류 원자량 존재비(%) H 1H 2H 1.007825 2.014108 99.988 0.012 1.007825 0.99988 + 2.014108 0.00012 =1.00794 C 12C 13C 12 13.003354 98.91 1.09 12.011 Cl 35Cl 37Cl 34.968853 36.9659 75.8 24.2 35.45
B. 분자량과 분자식 분자량 = 분자에 들어 있는 모든 원자의 원자량의 합 예) 벤젠 (C6H6), 6 12.011 + 6 1.00794 = 78.114
분자량을 알면 (기화시킬수 있는 시료의 경우 밀도 측정 등) n을 결정할 수 분자식의 결정 (고전적 방법) 1. 실험식의 결정 예) 어떤 탄화수소를 연소하여 생성되는 이산화탄소 (CO2)와 물 (H2O)의 양을 측정해보니 각각 1.000 몰과 1.330 몰이었다. C : H = 1.000 : 2 1.330 = 1.000 : 2.660 가장 간단한 정수비를 취하자(?) 3 : 8 실험식 = (C3H8)n, 실험식량 = 3 12.011 + 8 1.00794 = 44.097 2. 분자식의 결정 분자량을 알면 (기화시킬수 있는 시료의 경우 밀도 측정 등) n을 결정할 수 있음 분자식이 결정됨 예) 앞의 탄화 수소에 대해 실험적으로 결정된 분자량이 43.5 0.6 이라면 n = 1 분자식 = C3H8
화학적 원소 분석법의 문제점 거대 분자의 경우 부적절 예) 인슐린, C254H379N65O75S6 간단한 정수비? 2. 다량의 시료 필요 ( 0.01 g) 3. 분자량에 대한 정보 필요 ( 기체 밀도, 어는점 내림, 비열 측정 등)
Ⅱ. 질량 분석법 (Mass Spectrometry, MS) • 과학 기기(질량분석계)를 이용하여 분자량, 분자식, 분자구조를 결정하는 방법. • 기체 분자를 전자로 때려 이온화 시킨 후 이온의 질량을 측정. • 최초의 질량 분석계 – 전자의 질량 대 전하비 (e⁄m)를 측정하기 위해 1897년 J. J. Thomson 이 만든 장치.
• 현대의 질량 분석계 – 정밀 기계 가공기술, 진공기술, 전자기술, 컴퓨터 등을 활용하는 최첨단 과학 기기
• 텅스텐 필라멘트를 가열할 때 나오는 전자를 전기적으로 가속시켜 운동에너지가 큰 전자빔을 만듦 1. 전자 이온화 • 텅스텐 필라멘트를 가열할 때 나오는 전자를 전기적으로 가속시켜 운동에너지가 큰 전자빔을 만듦 • 전자빔으로 기체 분자를 때려 이온을 만듦 예) CO2 CO2+, CO+, O+, C+ e- M+ trap filament 전자 • 높은 전압 (V)를 걸어 이온을 가속하여 뽑아냄
운동 에너지 m 2/2 = eV , 모든 이온이 동일 속력 = (2eV/m)1/2 , 질량이 큰 이온은 속력이 느림 운동량 m = (2meV)1/2 , 질량이 큰 이온은 운동량이 큼
2-1 자기부채꼴(Magnetic Sector) 질량 분석관 2. 질량 분석관 2-1 자기부채꼴(Magnetic Sector) 질량 분석관 단일 집중 자기 부채꼴 압력 < 10-10 기압
• 자기 부채꼴 – 운동량 분석관 • 자기장의 세기를 바꾸어 이온의 질량을 측정 전자석 질량이 큰 이온 질량이 작은 이온 이온원 검출기 전자석 질량이 큰 이온 질량이 작은 이온 • 자기 부채꼴 – 운동량 분석관 • 자기장의 세기를 바꾸어 이온의 질량을 측정
2-2 비행시간형 질량분석관 (Time of Flight , TOF) A B C D • 이온의 비행 시간을 측정하여 질량 결정
3. 질량 스펙트럼 m/z 12 16 44 22 29 28 46 45 세기 분자식 12C+ 16O+ 12C16O2+ 12C16O18O+ 13C16O2+ 8.7 9.6 1.9 9.8 0.1 100. 1.2 0.4
화성 대기의 질량 스펙트럼
전통적 질량 분석법의 문제점 • 기화시킬 수 없는 분자 (예) 핵산, 단백질 등)의 질량 스펙트럼은 얻을 수 없음 • 고체 시료의 질량 스펙트럼을 얻기 위한 다양한 방법들이 1980 ~ 2000년에 개발됨 Prof. Fenn – 전기 분무 이온화 (electrospray ionization, ESI) Mr. Tanaka – 레이저 이온화 (matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI)
Ⅲ. 전기 분무 이온화 (ESI) - Fenn 분무
전기 분무 모세관 단백질 수용액 3kV
+ 용매 증발 + 양전하 사이의 척력에 의해 양이온 방출 + : H+ 가 붙은 단백질 양이온
Ⅳ. 레이저 이온화 (MALDI) - Tanaka • 기체 분자를 레이저로 이온화시키는 방법은 1960년대초부터 개발되어 널리 사용되고 있음 • 고체 시료 ? 레이저
• Tanaka 실수로 코발트 가루를 시료에 떨어뜨림 + • Hillenkamp(독일) 레이저 + 레이저 – 펄스 레이저 (10-8초 동안 작동) 코발트 가루 – 순간적으로 레이저 흡수 → 온도 급상승 → 주변에 있던 이온들이 방출됨 • Hillenkamp(독일) 코발트 가루 대신 물감을 섞음. 현재 MALDI의 표준 기술임
V. ESI, MALDI, 프로테오믹스(Proteomics) • 세포나 기관에 있는 단백질 전체를 연구하는 분야. • 유전자에 비해 훨씬 다양하고 미량으로 존재하는 단백질 구조 분석이 필요함. • ESI와 MALDI는 분자량이 수십만에 이르는 단백질의 분자량과 아미노산 순서를 결정할 수 있으며 펨토몰(10-15몰 = 6x108개) 정도의 시료만 있으면 분석이 가능함.
예) 소의 심실 단백질 분석 트립신으로 분해한 단편 펩타이드들 중 하나의 펩타이드를 선택하여 이단계 질량분석법으로 얻은 스펙트럼.
VI. 전망 • 이단계 질량 분석법(Tandem mass spectrometry) • 분자량이 매우 큰 단백질의 경우 MALDI와 ESI 질량 스펙트럼만으로 단백질 전체의 아미노산 순서를 결정하기 어려운 경우가 많음. 현재는 효소나 화학 반응을 사용하여 단백질을 작게 자른 후 질량 스펙트럼을 얻어 구조를 결정하는 방법이 많이 사용되고 있음. • 이단계 질량 분석법(Tandem mass spectrometry) MALDI 나 ESI 로 만들어진 이온을 다시 쪼개어 구조를 결정하는 방법. 이온과 기체의 충돌, 레이저에 의한 분해 등을 이용.
• Q - TOF
• TOF - TOF TOF PD Laser TOF Laser MALDI 이온원
• OA – TOF 질량 분석계 Magnet ESA collector slit PM Ion source orthogonal accelerator MCP PM laser
연사 약력 서울대학교 화학부 교수 김명수 전공 물리화학 및 질량분석학 학력 경력 기타 1967년도 경기고등학교 졸업 1967년도 경기고등학교 졸업 1967년도 서울대학교 문리과대학 화학과 입학(서울대학교 수석 입학) 1971년도 서울대학교 문리과대학 화학과 졸업(문리과대학 수석 졸업) 1972~1976 시카고대학교(미국), 석사 및 박사 1976~1977 코넬대학교(미국), 연구원 1977~1978 케이스웨스턴대학교(미국), 연구원 1978~1979 유타대학교(미국), 조교수 1979~현재 서울대학교, 교수 1995년도 한국과학상(화학분야) 수상 1995~현재 한국과학기술한림원 종신회원 1990~현재 Rapid Communications in Mass Spectrometry (질량분석학 분야 국제 학술지), 편집위원 경력 기타