[출처 : http://www1.suwon.ac.kr/~choihs/기기분석/분자질량분석법.htm ]
* 질량분석법은 다음과 같은 정보를 얻기 위해 가장 널리 이용되는 분석법 중의 하나
① 시료물질의 원소 조성
② 무기, 유기, 및 생화학분자의 구조
③ 복잡한 혼합물의 정성적인 및 정량적인 조성
④ 고체 표면의 구조와 조성
⑤ 시료에 존재하는 원소들의 동위원소 비
* 일상적인 화학분석에서 분자 질량분석법의 응용
㉠ 1940년대 초: 석유공업에서 처음 시작
→ 촉매 크래킹으로 생성되는 탄화수소 혼합물을 정량분석
→ 이전에는, 아홉 개 탄화수소 성분의 이런 혼합물을 분별증류로 분리
→ 분리된 성분의 굴절률 측정으로 분석
→ 보통 분석 시간은 200시간이상 필요
→ 질량분석법을 이용할 경우 이런 정보를 얻는데 수 시간정도 필요
→ 이런 효율성으로 인해 질량분석계가 시판되고, 보다 빠르게 성능 개선
㉡ 1950년대 초: 다양한 유기화합물의 확인과 구조의 규명에 이용
→ 질량분석계는 NMR의 발명 및 적외선 분광계의 성능 개선과 함께 유기화학자들이 분자 구조를
확인하고 결정하는데 획기적인 도움
→ 질량분석법의 이런 응용은 여전히 중요
㉢ 1980년대: 매우 급속하게 변화
→ 생화학자나 생물학자들이 흔히 만나게 되는 비휘발성 또는 열적으로 불안정한 분자들로부터
이온을 만들어 내는 방법 개발
㉣ 1990년이후: 이러한 새로운 이온화 방법이 개발됨에 따라 생물학 분야에서의 응용이 폭발적으로 증가
㉤ 현재: 폴리펩티드, 단백질 및 다른 큰 분자량의 생체 고분자의 구조 결정에 사용
20A 분자 질량스펙트럼
그림 20-1
→ 질량 스펙트럼의 데이터를 보여주기 위해 나타내는 방법을 보여줌
→ 분석물은 명목 분자량이 106달톤인 ethyl benzene
* ethyl benzene 증기가 전자 흐름에 부딪힘
㉠ 분석물은 전자를 잃고 분자이온 M+ 형성
C6H5CH2CH3 + e- → C6H5CH2CH3·+ + 2e- (20-1)
→ 전하를 띤 화학종인 C6H5CH2CH3·+은 분자이온(molecular ion)
→ 분자이온은 분자와 같은 분자질량을 갖는 라디칼 이온
㉡ 에너지가 큰 전자와 분석물 분자사이의 충돌
→ 충분한 에너지를 분석물 분자에게 나누어 줌
→ 들뜬 상태의 분자를 만듬 → 이완과정
→ 분자이온이 토막남 → 낮은 질량의 이온이 만들어짐
예) ethyl benzene의 경우, 주생성물: C6H5CH2+ → CH3기가 떨어짐
→ 양전하를 띤 보다 작은 다른 토막들도 역시 작은 양 생김
→ 전자 충격에 의해 생성된 양이온들 → 질량분석계의 슬릿을 통해서 끌림
→ 질량-대-전하비에 따라 분리 → 질량 스펙트럼의 형태로 나타남
* 그림 20-1의 도시는 질량 분석스펙트럼 데이터를 보여주기 위해 나타낸 것
ⓐ 질량 봉우리의 상대적 세기를 질량-대-전하비에 대해 도시한 막대 그래프
ⓑ 각 스펙트럼에 있어서 기준봉우리(base peak)라고 부르는 가장 큰 봉우리의 크기를 임의로 100으로
정함
→ 나머지 봉우리들의 높이는 기준 봉우리에 대하여 백분율로 계산
→ 최신 질량분석계는 다음처럼 프로그램이 되어 있음
㉮ 기준 봉우리를 알아낼 수 있게,
㉯ 나머지 봉우리들은 기준 봉우리에 대하여 상대적인 값으로 표준화되게
20B 이온화 장치
* 질량분석법을 이용하여 분석하려면
ⓐ 먼저, 분석물을 기체화하며,
ⓑ 다음은, 이온화하는 것인데, 이에 따라 질량분석법의 범위와 응용이 결정
→ 주어진 분자의 질량 스펙트럼의 모양은 이온화 방법에 따라 크게 달라짐
표 20-1
① 분자 질량분석법에서 사용되는 여러 가지 이온화 장치를 보여줌
→ 크게 두 종류로 나누어짐
㉠ 기체 상태 이온화 장치(gas-phase source)
→ 시료가 먼저 기체로 된 다음 이온화되는 장치(표의 처음 세 개)
→ 끓는점이 500℃이하인 열에 안정한 화합물에 한정
→ 약 103dalton보다 적은 분자량을 갖는 화합물에 응용
㉡ 탈착 이온화 장치(desorption source)
→ 고체나 액체 상태의 시료가 직접 기체 상태의 이온으로 변함
→ 장점: 비휘발성이고, 열적으로 불안정한 시료에 직접 응용 가능
→ 105dalton 이상의 분자량을 갖는 분석물에 대해서도 사용 가능
→ 현재, 시판 질량분석계들에 이러한 이온화 장치들을 교환해가며 사용할 수 있는 보조 장치들이 갖추어
있음
② 이온화 장치의 또 다른 분류
㉠ 센 이온화 장치(hard source)
→ 큰 에너지를 분석물 이온에 줌 → 높은 에너지 상태로 들뜸
→ 이완되면서 결합이 끊어짐
→ 질량-대-전하비가 분자이온보다 더 적은 토막이온들 생성
㉡ 약한 이온화 장치(soft source)
→ 토막이 거의 만들어지지 않음
→ ∴ 질량스펙트럼은 분자이온 봉우리, 그리고 있다면 몇 개의 봉우리들만 더 있음
→ 스펙트럼이 간단
그림 20-2
→ 센 이온화 장치와 약한 이온화 장치로 얻은 스펙트럼의 차이를 보여줌
→ 두 종류의 스펙트럼이 모두 유용
ⓐ 센 이온화 장치로 얻은 많은 봉우리의 스펙트럼
→ 작용기의 종류에 대한 유용한 정보 즉 분석물의 구조적 정보 제공
ⓑ 약한 이온화 장치로부터 얻는 스펙트럼
→ 분석물의 분자량에 관한 정확한 정보를 제공
20B-1 전자충격 장치(electron impact source)
* 예전에는, 질량분석을 하기 위한 이온들은 전자 충격에 의해 만들어졌음
→ 시료는 높은 온도에서 분자 증기를 만듬
→ 큰 에너지를 가진 전자살에 의해 부딪혀서 이온화
* 이 방법은 ⓐ 여러 단점이 있음에도 불구하고 아직도 중요하게 이용
ⓑ 질량 스펙트럼 데이터의 대부분이 여기에 바탕
그림 20-3
→ 간단한 전자충격 이온화장치의 약도
→ 전자는 가열된 텅스텐이나 레늄선에서 발생
→ 필라멘트와 양극사이에 걸어준 약 70V 전압에 의해 가속
→ 전자와 분자의 흐름방향은 서로 직각
→ 충돌과 이온화가 이온발생장치의 중심에서 일어남
→ 에너지가 큰 전자가 분자에 가까이 갈 때 정전기 반발작용에 의하여
분자에서 전자가 떨어져서 생기는 일가 양이온이 중요한 생성물
→ 전자 충격이온화법은 그다지 효율적인 방법은 아님
→ 백만개 중 한 분자가 다음 반응을 일으킨다.
M + e- → M·+ + 2e- (20-2)
→ M: 분석물 분자, M·+: 분자 이온.
→ 양이온은 첫 번째 가속판과 시료 도입관 사이에 걸려 있는 작은 전압차(5V)에 의해 가속
→ 첫 번째 가속판의 슬릿속으로 들어감
→ 자기장 부채꼴 기기에서는 높은 전압(103∼104V)이 가속판에 걸려 있음
→ 이온이 질량 분석관에 들어가기 전에 최종속도를 갖게 함
* 시판되는 전자충격 이온 발생장치는
ⓐ 그림 20-3에서 보여준 것보다 더 복잡
ⓑ 추가의 정전기장이나 자기장을 사용 → 전자와 이온살을 조절
예제 20-1) (a) 전자 충격장치에서 1가 하전 이온이 103V 전위에 의해 가속되어 얻은 운동에너지를
계산하여라.
→ 이온에 가해진 운동에너지(KE)는 가속전압(V)과 다음 관계를 가짐
KE = qV = zeV
→ 여기서 e는 이온의 전하량(1.6 x 10-19C),
∴ z = 1인 경우,
KE = 1 x 1.6 x 10-19C x 103V = 1.6 x 10-16J
(b) 이온의 운동에너지는 질량에 의존하는가?
→ 이온이 발생장치에서 얻는 운동에너지는 질량에 무관하고, 전하와 가속전위에만 의존
(c) 이온의 속도는 질량에 의존하는가?
→ 한 이온의 운동에너지의 병진운동 성분은 이온 질량 m과 속도 v와 다음과 같은 관계를 갖는다
KE = (1/2)mv2 or v = (2KE/m)1/2
→ ∴ 같은 양의 운동에너지를 갖는다면 가장 큰 질량을 갖는 이온이 가장 작은 속도를 가짐
전자충격 스펙트럼
* 재현성 있는 속도로 상당한 양의 기체이온을 생성하기 위해 이온 발생장치의 필라멘트에서 나오는
전자는 50V보다 더 큰 전위에 의해 가속
→ 질량이 작고 운동에너지가 큰 전자가 기체 분자와 부딪히면
ⓐ 분자의 병진운동 에너지는 그다지 크게 증가하지 않고,
ⓑ 대신, 분자는 매우 높은 들뜬 진동과 회전상태에 있게 됨
→ 이완과정에서 많은 토막으로 됨
→ 분자이온보다 작은 (가끔은 큰) 여러 질량의 양이온이 생김
→ 딸-이온(daughter-ion)
표 20-2
→ 분자 ABCD가 전자 충격을 받고 어미 이온이 생성된 후 나타나는 전형적인 토막내기 반응
예제 20-2) (a) 70V로 가속된 전자의 에너지(단위 J/몰)를 계산하여라.
→ 각 전자의 운동에너지 KE는 전자의 전하량 e와 가속전압 V의 곱
→ 여기에 아보가드로수 N을 곱하면 몰당 에너지
KE = eVN
= (1.60 x 10-19C/e)(70V)(6.02 x 1023e/mol) = 6.7 x 103 kJ/mol
(b) 이 에너지는 전형적인 화학결합과 어떻게 비교되는가?
→ 전형적인 결합에너지는 200∼600kJ/몰
→ ∴ 전자는 화학결합을 끊는데 필요한 에너지보다 훨씬 큰 에너지를 가짐
* 전자충격 이온화법에서 얻은 복잡한 질량스펙트럼은 화합물 확인에 사용
→ 반면, 어떤 종류의 분자는 토막내기 과정이 매우 잘 일어남
→ 분자이온이 존재하지 않음
→ ∴ 분석물의 분자량을 결정하는데 있어서 중요한 정보는 얻지 못함
그림 20-4
→ 두 가지의 간단한 분자, 즉 methylene chloride 및 1-pentanol의 전형적인 전자 충격법 스펙트럼
㉠ 질량 스펙트럼에서 가장 큰 봉우리: 기준봉우리(base peak)
→ 이 스펙트럼들에서 기준봉우리는 본래 화합물의 분자량보다 질량이 훨씬 적은 분자의 토막에 해당
ⓐ methylene chloride의 기준봉우리: 질량 49(염소원자 하나가 떨어짐)
ⓑ 1-pentanol의 기준봉우리: m/z 44(CH2CHOH+)
→ 전자 충격법 스펙트럼의 경우에 항상 그렇지는 않지만
기준 봉우리가 어미-이온에서 보다 토막이온에서 생기는 경우가 많음
㉡ 분자이온 봉우리: 원래의 중성분자의 분자량에 해당하는 질량에서 나타남
→ methylene chloride는 84, 1-pentanol은 88에서 각각 나타남
→ 분자이온 봉우리가 구조 결정에서 가장 중요
→ 미지시료의 분자량을 알려주기 때문
→ but, 항상 어미-이온 봉우리를 확인할 수 있는 것은 아님
→ 실제로 전자 충격 이온화법에서는 다소 불안정한 분자의 경우에
ⓐ 분자 이온 봉우리가 생기지 않고
ⓑ 대신 토막의 봉우리(그림 20-2a)가 나타남
동위원소 봉우리
그림 20-1 그림 20-4
→ 분자 이온의 질량보다 더 큰 질량을 갖는 봉우리들이 생김
→ 화학식은 같지만, 다른 동위원소 조성을 가진 이온에서 생긴 것
→ 예) 12C1H235Cl2 (m = 84), 13C1H235Cl2 (m = 85), 12C1H235Cl37Cl (m = 86),
13C1H235Cl37Cl (m = 87), 12C1H237Cl2 (m = 88) 등,
→ 이들 각각의 화학종 봉우리를 그림 20-4a에서 볼 수 있음
→ 각 봉우리의 크기는 이 동위원소들의 상대 자연 존재비에 달려있음
표 20-3
→ 유기화합물에서 많이 나타나는 원자들의 가장 일반적인 동위원소들을 나열
→ 플루오르, 인 및 요오드는 동위원소가 하나만 있음
* ⓐ 그림 20-1의 질량 107에 나타난 ethyl benzene의 작은 봉우리
→ 몇 몇 분자에 13C이 존재하기 때문에 생긴 것
ⓑ 둘 이상의 13C 원자가 존재하는 입자의 봉우리는
한 분자내에 13C 원자가 하나이상 존재할 가능성이 너무 작음
→ 검출되지 않음
* 동위원소 봉우리는 화합물의 화학식을 결정하는데 유용하게 사용(20D-1절)
충돌-산물 봉우리
* 이온과 분자간 충돌은 분자이온보다 질량수가 큰 봉우리 생성 가능
→ 표 20-2의 마지막 반응식
→ but, 보통 시료 압력하에서 일어날 수 있는 한가지 중요한 반응은
→ 충돌로 인해 수소원자가 이온에 전달되어 양성자화된 분자이온을 만듬
→ ∴ (M+1)+ 봉우리 높이는 증가
→ 이 전달반응은 2차 반응 → 충돌 산물의 양은 반응물 농도에 크게 의존
→ ∴ (M+1)+ 봉우리 높이는 다른 봉우리 높이보다 시료 압력이 증가함에 따라 매우 급하게 증가
→ ∴ 이 반응은 보통 검출할 수 있다
전자충격법의 장점과 단점
* 장점
ⓐ 사용하기에 그리고 큰 이온전류를 발생하기에 편리
→ 좋은 감도를 보여줌
ⓑ 다양한 토막을 생성하여 많은 봉우리들이 생김
→ 분석물을 명확하게 확인할 수 있게 함
* 단점
ⓐ 분자이온 봉우리가 없어짐 → 분석물의 분자량을 알 수 없음
ⓑ 시료를 기화시켜야 함
→ 이온화가 일어나기 전에 열분해가 일어날 수 있음
→ 열분해의 효과를 최소화하는 방법
㉮ 분석계의 입구슬릿 가까이 장치한 가열된 탐침에서 시료를 기화
㉯ 이온화장치 영역의 압력을 낮게 함
㉠ 더 낮은 온도에서도 기화됨
㉡ 열분해가 일어날 수 있는 시간이 작아진다
ⓒ 약 103 dalton보다 작은 분자량을 갖는 분석물에만 이용 가능
20B-2 화학적 이온화법과 스펙트럼
* 대부분의 최신 질량분석계는 전자 이온화법과 화학적 이온화법을 서로 바꾸어 가며 할 수 있도록 설계
* 화학적 이온화법(chemical ionization)
→ 시료의 기체원자(배치식 도입장치나 탐침에서 생긴)가 과량의 시약기체를 전자로 때려 생긴
양이온들과의 충돌에 의해 이온화
→ ⓐ 보통, 양이온 사용
ⓑ 전기음성도가 매우 큰 원소를 포함하는 분석물인 경우 음이온 사용
→ 아마도 질량분석법의 이온생성법 중에서 두 번째로 가장 일반화된 방법
그림 20-3
* 화학적 이온화 분석법을 하기 위해 전자 빛살 이온화지역을 개조할 필요
→ ⓐ 확산펌프 용량을 늘리고
ⓑ 질량분석관(mass analyzer)로 통하는 슬릿 틈을 줄여줌
→ ∴ ㉮ 이온화 영역의 시약압력을 1 torr로 유지하고,
㉯ 분석관의 압력은 여전히 10-5 torr 이하로 유지 가능
→ 이런 변형을 해서, 시약기체는 이온화 영역에 도입
→ 시료에 대한 시약의 농도비가 103∼104이 되도록 함
→ 이런 큰 농도차이 때문에 전자살은 거의 오로지 시약분자와만 반응
* 메탄(methane): 가장 일반적인 시약중의 하나
→ 메탄은 높은 에너지 전자와 반응
→ CH4+, CH3+ 및 CH2+ 와 같은 몇 가지 이온을 만듬
→ 처음 두 이온이 대부분이며, 90%를 차지
→ 이 이온들은 다른 메탄분자와 빠르게 반응
CH4+ + CH4 → CH5+ + CH3
CH3+ + CH4 → C2H5+ + H2
* 시료 분자 MH와 CH5+ 또는 C2H5+사이의 충돌은 매우 반응성이 큼
→ 양성자 또는 수소화이온의 전이가 일어남
CH5+ + MH → MH2+ + CH4 양성자 전이 (M+1)+
C2H5+ + MH → MH2+ + C2H4 양성자 전이 (M+1)+
C2H5+ + MH → M+ + C2H6 수소화이온 전이 (M-1)+
ⓐ 양성자 전이로 (M+1)+이온을 만들고,
ⓑ 수소화이온 전이로 분석물보다 질량이 하나 작은 (M-1)+이온 만듬
ⓒ 어떤 화합물의 경우에는 (M+29)+ 봉우리가 생김
→ 분석물에 C2H5+이온이 결합하여 생긴 것
* 화학적 이온화에는 프로판, 이소부탄, 및 암모니아 등 다른 시약도 사용
→ 같은 분석물에서 각각 다소 다른 스펙트럼을 만듬
그림 20-2
→ 전자충격법과 화학적 이온화법의 1-decanol 스펙트럼을 비교
㉠ 전자충격법 스펙트럼(그림 20-2a)
ⓐ 분자이온이 빠르고 광범위하게 쪼개지는 증거를 보여줌
→ ∴ C8H16+이온에 해당하는 질량 112이상의 봉우리는 검출되지 않음
ⓑ 질량 41의 C3H5+ 이온: 기준 봉우리
ⓒ C3 화학종의 여러 다른 봉우리들이 기준 봉우리 주위에 모여 나타남
ⓓ 유사한 일련의 봉우리들이 나타남
→ CH2기가 1, 2 및 3개 더해진 이온에 해당하는 질량 14, 28, 42의 봉우리
㉡ 화학적 이온화법 스펙트럼(그림 20-2b)
ⓐ 전자충격법 스펙트럼에 비해 매우 단순
㉮ (M-1)+ 봉우리,
㉯ 기준 봉우리: 분자이온에서 OH기가 떨어져 나가 생긴 봉우리,
㉰ 질량이 14 단위만큼 서로 다른 일련의 봉우리들
→ 인접해 있는 탄소-탄소 결합이 끊어져 생긴 이온들로부터 생김
ⓑ 분명한 (M+1)+와 (M-1)+ 봉우리가 나타남
→ 시약이온의 존재하에서 양성자가 시료 분자에 더하거나 빠지거나 해서 생긴 것
20B-3 장 이온화법(field ionization)과 스펙트럼
* 장 이온화법에서 이온은 센 전기장(108V/cm)의 영향하에서 생성
→ 센 전기장은 지름이 1μm 이하인 수많은 가는 침으로 된 특별히 만든 방출침(emitter)에
높은 전압(10∼20kV)을 걸어주었을 때 생김
→ 방출침은 미세 텅스텐선(∼10μm 지름)으로 되어 있음
→ 높은 전기장에서 benzonitrile의 열분해로 매우 작은 탄소돌기를 정착
→ 이런 처리를 하면 텅스텐선 주위에 수 백개의 탄소의 마이크로침이 생김
그림 20-5
* 장 이온화 방출침은 슬릿작용도 하는 음극에서 0.5∼2mm 떨어진 곳에 설치
→ 배치식 도입장치로부터 들어온 기체 시료는 양극의 마이크로침 주위에 있는 높은 자기장 영역으로
확산되어 들어감
→ 전기장은 방출침에 집중되어 있음
→ 이온화는 분석물에서 전자들이 양극의 마이크로침에 의해 떨어져 나가는 양자역학적 터널
메카니즘으로 일어남
→ 분석물의 진동 또는 회전에너지는 거의 증가하지 않음
→ ∴ 토막내기가 거의 일어나지 않음
그림 20-6
→ (a) 전자충격 이온화법과 (b) 장 이온화법에 의해 얻는 glutamic acid의 스펙트럼을 보여줌
(a) 전자충격법 스펙트럼
ⓐ 어미-이온 봉우리가 147에서 나타나지 않음
ⓑ 가장 큰 봉우리(질량 129)는 분자이온에서 H2O가 빠져나간 것
ⓒ 질량 84에서 얻는 기준봉우리는 H2O와 -COOH기가 빠져나간 것
ⓓ 많은 다른 토막들이 낮은 질량에서 나타남
(b) 장 이온화법 스펙트럼
ⓐ 비교적 간단
ⓑ 질량 148에 (M+1)+봉우리가 선명하게 보임
* 장 이온화법의 단점:
→ 그의 감도 → 전자충격법보다 적어도 10배 이상 적음
→ 최대 이온전류는 10-11A 정도
20B-4 탈착 이온화법(desorption sources)
* 지금까지 설명한 이온화방법은 이온화 수단(agent)이 기체 시료에 작용
→ 비휘발성이나 열적으로 불안정한 시료에는 사용할 수가 없음
→ 이러한 종류의 시료를 다루기 위해 여러 탈착 이온화법을 20년 동안 개발
표 20-1
→ ∴ ⓐ 열적으로 예민한 생화학 물질과
ⓑ 분자량이 100,000 dalton보다 더 큰 화학종의 질량스펙트럼을 연구 보고 가능
* 탈착방법은 시료를 이온화시키기 위해 먼저 증발시켜 기체 분석물 분자를 만드는 과정이 필요 없음
→ 대신 여러 형태의 에너지를 고체나 액체시료에 가해서 직접 기체이온을 형성
→ ∴ 스펙트럼은 매우 간단해짐
→ 분자 이온이나 또는 양성자가 첨가된 분자이온만을 형성할 때도 있음
장 탈착 이온화법
* 장 탈착법(field desorption)에서는 수많은 마이크로방출침이 이용
→ 20B-3절에서 설명한 것과 비슷
→ 전극은 탐침 위에 설치
→ 탐침은 시료실에서 꺼낼 수 있고, 시료용액으로 표면을 입힐 수 있음
→ 탐침을 다시 시료실에 설치
→ 이 전극에 높은 전위를 걸어주면 이온화가 일어남
* 어떤 시료는 전극선에 전류를 통하여 방출침을 가열할 필요
→ 이온화가 완전히 이루어지기 전에 열분해가 일어나는 수도 있음
그림 20-6c
→ glutamic acid의 장 탈착법 스펙트럼
→ 장 이온화 스펙트럼보다 더 간단
→ ⓐ 질량 148에 양성자가 붙은 분자이온 봉우리와
ⓑ 질량 149에 동위원소 봉우리만이 나타남
매트릭스-지원 레이저 탈착 이온화법
* matrix-assisted laser desorption/ionization(MALDI) 분석법
→ 새로운 이온화법 → 1988년, 독일과 일본 다른 두 연구단체에서 발표
→ 수천∼수십만 dalton의 분자량을 갖는 극성 생화학 고분자 화합물들의 정확한 분자량에 대한 정보를
얻을 수 있는 적합한 방법
표 20-4
* 독일의 연구팀에 의해 개발된 새로운 방법
→ 과량의 복사선-흡수 매트릭스 물질(표 20-4의 것들 중 하나)을 시료의 알코올수용액과 섞음
→ 이렇게 만들어진 용액은 시료를 질량분석계에 도입하는데 사용하는 금속 탐침의 표면에서 기체화
→ 이 고체 혼합물은 펄스화된 레이저 빛살에 쪼여짐
→ 이 결과 분석물은 이온형태로 승화
→ 질량분석을 하는 비행-시간 분석계로 들어감
→ 레이저 펄스시간은 펄스간격의 시간동안에 전체 스펙트럼을 기록할 수 있도록 충분하여야 함
그림 20-7
→ 이런 방법으로 얻은 질량스펙트럼
→ 분석물은 생쥐로부터 얻은 분자량이 약 150,000Da인 monoclonal antibody
ⓐ 매트릭스 물질은 레이저의 출력파장인 266nm을 세게 흡수하는 니코틴산
ⓑ 분석물은 이 파장에서 거의 흡수되지 않음
→ 스펙트럼은 ⓐ 바탕 잡음이 매우 낮음
ⓑ 큰 분석물 이온이 전혀 토막나지 않음
ⓒ +2와 +3의 다중전하를 갖는 이온들도 존재
ⓓ 2개의 이합체와 하나의 삼합체 봉우리 관찰
* ⓐ 이런 과정에 대한 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았고,
ⓑ 매트릭스로서 적당한 화합물이 되는데 필요한 모든 성질들이 알려지지 않음
→ 실험적인 관찰로부터, 매트릭스 화합물은
ⓐ 레이저 복사선을 세게 흡수하여야 하며,
ⓑ 시료용매에 잘 용해되어야 함
→ 탐침위에 석출된 고체 혼합물중에 과량으로 존재할 수 있을 정도로
→ 이 때 분석물은 레이저 복사선을 거의 흡수하지 말아야 함
→ 토막이 나면 분자이온이 만들어지지 않기 때문
ⓒ 단지 몇 화합물만이 생화학 고분자 중합체에 대해 매트릭스로 적당
표 20-4
전자분무 이온화법(electrospray ionization)
* 전자분무 이온화/질량분석법(ESI/MS)
→ 1984년 처음 소개
ⓐ 분자량이 100,000Da 이상인 폴리펩티드, 단백질 또는 oligonucleotides 등과 같은 생화학물질을 분석
ⓑ 무기 화학종이나 합성 고분자물질의 특성을 알아내는데 응용
그림 20-8
→ 전자분무 이온화법은 실온과 대기압에서 작동
→ 시료 용액은 1분당 수 μL의 속도로 스테인레스 강철 모세관 주사바늘을 통하여 도입
→ 주사바늘은 이를 둘러싸고 있는 원통형의 전극에 대하여 수 천 V로 유지
→ 미세한 방울들이 하전됨
→ 탈용매-모세관(desolvating capillary)을 통하여 분무
→ 작은 방울들의 용매가 증발하고, 분석물의 분자들에 전하가 붙게 됨
→ 용매가 증발함에 따라 방울의 크기는 더 작아짐
→ 전하 밀도는 더욱 증가
→ 주위의 기체로 이온이 탈착
* ESI 과정의 흥미롭고 유용한 점
ⓐ 크고, 열적으로 불안정한 생화학 분자가 거의 토막으로 되지 않음
ⓑ 형성된 이온들은 다중전하를 가짐
→ ∴ 이것들의 m/z 값들은 충분히 작아서 1,500 이하의 범위에서 측정할 수 있는 사중극자 기기로도
측정 가능
그림 20-9
→ 분자량이 다른 네 가지 단백질의 질량스펙트럼
ⓐ 바로 이웃한 봉우리들은 분석 이온들의 전하가 한 개씩 차이
ⓑ 평균 하전상태가 분자량에 거의 정비례하여 증가함
ⓒ 각 봉우리에 해당되는 하전상태는 봉우리 분포에 의해 결정될 수 있음
→ ∴ 스펙트럼으로부터 단백질의 분자량 결정 가능
* ESI의 가장 중요한 특성
→ HPLC나 모세관 전기이동법으로부터 직접 시료를 공급받을 수 있음
→ 응용은 28장과 30장에서 설명
고속 원자충격(fast atom bombardment, FAB) 이온화법
* 고속 원자충격 이온화법
→ 분자량이 크고 극성인 화학종의 질량분석법 이온 생성에 중요한 역할
→ glycerol 용액 매트릭스와 같은 응축상태에 있는 시료는
높은 에너지(수 keV)의 Xe 또는 Ar과 같은 원자로 충격하여 이온화
→ 분석물의 양이온과 음이온이 탈착되면서 시료 표면에서 튀어 나옴
* 이 방법은
ⓐ 시료를 빠르게 가열시키므로 토막이 적게 일어남
ⓑ 액체 매트릭스는
㉮ 응축상태에서 이온을 탈착시킬 때 극복해야 하는 격자에너지를 감소시킴
㉯ 충격에 의해 생긴 손상을 "치료"하는데 도움
* 고속 원자 살은 이온화장치나 이온총에서 나온 Ar이나 Xe 이온을 가속시켜 약 10-5torr 압력의 Ar이나
Xe이 들어있는 상자를 통과시켜 얻음
→ 고속 이온은 병진운동에너지의 큰 손실없이 원자들과 공명 전자-교환반응을 일으킴
→ ∴ 에너지가 큰 원자가 생성
→ 교환반응으로 인해 생성된 낮은 에너지의 이온은 정전기적 전향장치(deflector)에 의해 쉽게 제거
* 고속 원자총(fast atom gun)
→ 시판되고 있으며 대부분의 옛날 기기에도 사용 가능
→ 최신 기기들도 이런 시료 이온화법을 할 수 있는 보조장치를 가지고 있음
* 고속 원자충격법
→ 유기나 생화학 화합물로서 심지어 분자량이 크고, 열적으로 불안정한 시료일지라도
(이온 토막은 물론) 상당히 많은 양의 분자이온들을 생성
예) ⓐ 10,000이상 되는 분자량을 결정하고
ⓑ 분자량이 3000 정도인 화합물의 구조적 정보를 자세히 얻을 수 있음
다른 탈착법
표 20-1
→ 여러 가지 다른 탈착법이 가능
→ 표에 있는 다른 방법들은 일반적으로 여기서 설명하였던 탈착법과 성질이 비슷한 스펙트럼을 만듬
20C 질량분석계
20C-1 기기 부분장치 설명
그림 20-10
→ 질량분석계의 주요 부분장치를 보여주는 계통도
㉠ 시료 도입장치:
→ 매우 적은 양의 시료(μmol 또는 더 적은)를 질량분석계 안으로 보내어 기체 이온으로 만듬
→ 고체나 액체시료를 기화시키는 장치 설치
㉡ 이온화장치:
→ 시료성분을 이온으로 바꿈.
→ 많은 경우에 도입장치와 이온화장치는 한 곳에 설치
→ 어느 방법이든 생성된 양이온 또는 음이온의 흐름(대부분 양이온)은 질량분석관 쪽으로 가속되어
들어감
㉢ 질량분석관(mass analyzer):
→ 질량분석관의 기능은 광학 분광계의 회절발의 기능과 유사
→ ⓐ 광학 분광계의 회절발: 광자의 파장
ⓑ 질량분석관: 분석이온의 질량-대-전하비에 의하여 분산
→ 질량분석계(spectrometer)는 질량분석관(analyzer)의 성질에 따라서 여러 범주로 분류
㉣ 변환기: 이온살을 전기신호로 변환
→ 여러 검출기의 형태에 대한 특성은 11B-1절에 자세히 설명
㉤ 신호처리장치: 전기신호를 처리하고 컴퓨터의 메모리에 저장
㉥ 판독장치: 여러 방식으로 보여주고 기록됨
㉦ 정교한 진공장치:
→ 신호처리장치와 판독장치를 제외한 모든 부분장치가 낮은 압력(10-4∼10-8torr)으로 유지해야 함
→ 전자 등과 같은 하전입자들이 공기 성분과 부딪혀서 소멸되기 때문
* 분리능(resolution): 질량이 다른 이온들을 식별할 수 있는 질량분석계의 능력
20C-2 시료 도입장치
* 도입장치(inlet system):
→ 진공 손실을 최소화하며, 시료 전체를 대표하는 시료를 이온화장치로 들여 보내줌
* 최신 질량분석계는 여러 종류의 시료에 적합한 세 가지 형태의 도입장치를 설치
→ ⓐ 배치식 도입장치, ⓑ 직접 탐침 도입장치,
ⓒ 크로마토그래피 도입장치 및 모세관 전기이동 도입장치
배치식(batch) 도입장치
* 시료를 외부에서 증발시킨 후 진공상태인 이온화지역으로 새어 들어가게 함
→ 예전의 가장 간단한 도입장치
그림 20-11a
→ 끓는점이 약 500℃이하인 기체 또는 액체 시료에 적용할 수 있는 전형적인 도입장치의 약도
ⓐ 기체시료: 측정된 적은 부피의 기체가 부피 측정영역 양쪽에 있는 두 밸브사이에 붙들려 있음
→ 저장 용기로 팽창 도입
ⓑ 액체시료: 작은 양의 시료를 μL 주사기를 이용하여 저장용기에 주입
→ 어느 경우에서나, 진공장치를 이용하여 시료의 양이 10-4∼10-5torr 정도 되도록 조절
* 끓는점이 150℃이상인 시료:
→ 저장실과 도관을 오븐이나 가열 테이프를 이용하여 높은 온도로 유지
→ 오븐의 최대 온도는 약 350℃정도
→ ∴ 끓는점이 500℃이하인 액체시료만이 분석 가능하게 제한
* 기체화된 시료는 작은 구멍을 한 개 이상 가지고 있는 금속격막 또는 유리격막을 통해 분석계의 이온화
지역으로 새어 들어감
* 시료 도입장치는 극성 분석물이 흡착되어 손실되는 것을 막기 위하여 유리로 만들 수 있음
직접 탐침 도입장치(direct probe inlet)
ⓐ 고체와 비휘발성 액체는 진공 차단장치를 통해 집어넣을 수 있는 시료 잡게 또는 시료 탐침에 의해
이온화 지역으로 도입
그림 20-11b
→ 이 차단장치는 시료 탐침을 이온화지역으로 넣어준 후에 이 장치에서 뽑아내야 하는 공기의 부피가
최소가 되도록 설계
ⓑ 시료의 양이 적을 때 이용
→ 배치법에 비해 대단히 적은 양의 시료가 폐기되기 때문
→ 몇 ng 정도 적은 양의 시료로 질량 스펙트럼을 얻을 수 있음
ⓒ 보통 유리 또는 알루미늄 모세관, 가는 철사, 또는 작은 컵의 표면에 시료를 붙여서 이온화장치와
슬릿에 가까운 수 mm 내에 운반설치
→ 보통, 탐침위의 시료를 가열하고 냉각시킬 수 있는 장치가 있음
ⓓ ㉮ 이온화지역을 낮은 압력으로 유지하고
㉯ 시료를 이온화장치에 가까이 놓아둠으로서
→ 열적으로 불안정한 시료가 분해될 수 있는 시간적 여유를 주지 않고 스펙트럼을 얻을 수 있음
→ 압력이 낮으면, 비교적 비휘발성 화합물도 이온화지역에서 큰 농도를 가질 수 있음
→ 탄수화물, 스테로이드, 금속-유기 화학종 및 낮은 분자량 중합체 물질과 같은 비휘발성 물질을
연구하는데 이용 가능
* 시료는 분해되기 전에 적어도 10-8 torr의 부분압력을 나타내야만 함.
크로마토그래피 도입장치
* 질량분석계는 GC 또는 HPLC 또는 모세관 전기이동법과 연결하여 복잡한 혼합물의 성분을 분리하고
정량
→ 크로마토그래피관 또는 전기이동 모세관을 질량분석계와 연결시키는데 특별한 도입장치 필요
→ 27D-3절, 28C-6절 및 30B-4절에서 설명
20C-3 질량분석관
* 다른 질량-대-전하비를 갖는 이온들을 분리하는데 몇 가지 방법이 이용
→ 이상적인 분석관은
ⓐ 미소한 질량의 차이를 구별할 수 있어야 하고
ⓑ 쉽게 측정할 수 있는 이온전류를 얻기 위해 충분한 이온을 통과시켜야 함
→ 이 두 성질은 완전히 양립할 수 없으므로, 설계할 때는 서로 절충할 필요
질량분석계의 분리능
* 질량분석계가 두 질량사이의 차를 식별할 수 있는 능력
→ 분리능(resolution), R
R = m/Δm (20-3)
ⓐ Δm은 겨우 분리된 가까운 두 봉우리사이의 질량차이
ⓑ m은 첫 번째 봉우리의 명목질량 → 두 봉우리의 평균질량도 가끔 사용
→ 두 봉우리 사이의 골짜기 높이가 봉우리 높이의 주어진 분율(종종 10%)을 넘지 않으면 두 봉우리는
분리되었다고 함
→ ∴ 분리능이 4000인 분석계는 m/z값이 400.0과 400.1(또는 40.00과 40.01)인 봉우리들을 분리
* 질량분석계에서 필요한 분리능은 응용면에 따라 크게 다르다
ⓐ C2H4+, CH2N+, N2+, 및 CO+와 같은 동일한 명목질량을 갖는 이온들을 분리하는데는 수천의 분리능을
갖는 기기가 필요
→ 이들의 명목질량은 모두 28 Da이나,
각각 정확한 질량은 28.0313, 28.0187, 28.0061, 및 27.9949 Da
ⓑ 분자량이 작고 질량차가 한 단위 이상되는 이온들[ (예) NH3+(m = 17) 및 CH4+(m = 16)]은 50 이하의
분리능을 갖는 기기로도 분리 가능
* 시판 질량분석계는 약 500∼500,000의 분리능을 가짐
예제 20-3) C2H4+와 CH2N+ 이온을 분리하려면 분리능은 얼마나 되어야 할까?
Δm = 28.0313 - 28.0187 = 0.0126
→ 이 값을 식 20-1에 넣으면
R = m/Δm = 28.025/0.0126 = 2.22 x 103
자기장 부채꼴 분석관(magnetic sector analyzer)
* 영구자석 또는 전자석을 이용하여 이온화장치에서 나온 이온살이 180°, 90°또는 60°되는 원형 통로를
지나가도록 함
그림 20-12
→ 90°형 기기를 보여줌
→ 전자충격에 의해 생긴 이온은 가속
→ 슬릿 B를 통해 금속 분석관으로 들어감
→ 금속 분석관의 내부압력은 약 10-7torr를 유지
→ ⓐ 자석의 자기장의 세기를 변화, 또는
ⓑ 슬릿 A와 B 간의 가속 전위를 변화시키면서
→ 질량이 다른 이온들이 출구슬릿 위의 초점에 모일 수 있도록 주사
→ 출구 슬릿을 통과한 이온은 수집전극에 도달하여 이온전류를 냄
→ 이온전류는 증폭되어 기록
* 슬릿 B에서 나오는 질량 m, 전하 z인 이온의 병진 즉, 운동에너지 KE는
KE = zeV = mv2/2 (20-4)
→ ⓐ V는 A와 B사이의 전압, ⓑ v는 가속된 이온의 속도, ⓒ e는 전자의 전하량(1.60 x 10-19C)
→ 같은 전하, z를 갖는 모든 이온들은 가속된 후 질량에 관계없이 같은 운동에너지를 가짐
→ 이 가정은 단지 대략적으로만 사실이다
→ ∵ 가속되기 전 이온들은 통계적인 속도분포(속도와 방향)를 가지므로 가속된 후에도 이온들은
비슷한 분포를 하기 때문
→ 이런 가정에 대한 문제점은 이중-초점 기기를 설명한 다음 절에서 설명
→ 슬릿을 빠져 나온 모든 이온들은 거의 같은 운동에너지를 가지므로 무거운 이온은 자기장내에서
낮은 속도로 움직임
* 자기장에서 일정한 질량과 전하를 갖는 이온이 움직이는 통로는 이 이온에 작용하는 두 힘사이의
균형에 따라 결정
㉠ 자기력 FM은
FM = Bzev (20-5)
→ B는 자기장의 세기
㉡ 균형을 나타내는 원심력 FC는
FC = mv2/r (20-6)
→ r은 자기장 부채꼴 곡면 반지름
→ 한 이온이 원형 통로를 통과하여 수집관에 도달하기 위해서는 FM과 FC가 같아야함
Bzev = mv2/r (20-7)
→ 다시 정리하여
v = Bzer/m (20-8)
→ 식 20-8을 식 20-4에 대입하여 정리하면
zeV = m·(Bzer/m)2/2 = B2z2e2r2/2m
m/z = B2r2e/2V (20-9)
→ 식 20-9는 세 변수(B, V 또는 r)중 두 변수를 일정하게 유지하면서
한 변수를 변화시키면서 질량스펙트럼을 얻을 수 있음을 보여줌
㉮ 대부분의 최신 부채꼴 질량분석계는
V와 r을 일정하게 유지하면서 자석에 통하는 전류, 즉 B를 변화시키는 전자석을 가지고 있음
㉯ 광사진 검출법을 이용하는 부채꼴 분석계에서는
B와 V를 일정하게 유지하면서, r을 변화시킴
그림 11-9
예제 20-4) 자기장의 세기가 0.240T(tesla)이고 자기장을 통과하는 이온의 곡면 반지름이 12.7cm라면,
1가로 하전된 물분자가 자기장 질량분석계의 출구 슬릿을 통과하게 하는데 필요한 가속전압은 얼마인가?
→ 먼저 모든 실험변수를 SI 단위로 바꾼다
ⓐ 이온당 전하 ez = 1.60 x 10-19C x 1, ⓑ 반지름 r = 0.127m
ⓒ 질량 = {(18.02g H2O+/몰)/(6.02 x 1023 H2O+/몰)} x (10-3 kg/g) = 2.99 x 10-26kg H2O+
ⓓ 자기장 B = 0.240T = 0.240W/m2
→ 식 20-9에 넣어 가속전압 V에 대해 푼다
V = B2r2ez/2m
= [0.240W/m2]2[0.127m]2[1.60 x 10-19C]/ (2 x 2.99 x 10-26kg)
= 2.49 x 103W2C/m2kg = 2.49 x 103V
→ W2C/m2kg와 전압(V)이 같다는 것이 겉보기에는 분명하지 않지만 사실은 같다
이중-초점분석관
* 자기장 부채꼴 기기는 단일 초점 분석계(single-focusing spectrometer)
→ ⓐ 똑같은 질량-대-전하비를 가지나 ⓑ 조금 벌어진 방향분포를 가진 이온 다발이 이온화장치로부터
나와 자기장과 작용한 후 자기장을 떠날 때 방향분포가 모아지도록 하기 때문
→ 다른 배향을 가진 이온들을 초점에 모이게 하는 자기장의 능력
→ 이온화장치에서 나오는 이온들의 병진 운동에너지의 분포가 자기장 부채꼴 기기의 분리능
(R ≤ 2000)을 결정하는 중요한 요인
* 이온화장치에서 나오는 이온들의 병진운동에너지 분포
→ ⓐ 그 이온이 생성되는 분자들의 에너지의 Boltzmann 분포, 그리고
ⓑ 이온화장치의 전기장의 불균일성에서 생긴다.
→ 운동에너지의 퍼짐은 검출기에 도달하는 이온살을 퍼지게 함
→ 분리능을 떨어뜨림
→ 수 ppm 정도의 정밀도로 원자량과 분자량을 측정하려면
이온화장치에서 나오는 이온들의 방향 분포와 에너지 분포를 정확하게 조절할 수 있는 기기가 필요
→ 이중-초점(double-focusing) 질량분석계는
이온 다발의 방향과 에너지가 벗어나는 정도를 동시에 최소화시킬 수 있음
→ 이중초점은 정전기장과 자기장을 조심해서 조화 선택해야만 얻을 수 있음
그림 20-13
→ 이온살은 dc 전위가 걸려 있는 두 개의 굽어진 금속판으로 되어 있는 정전기 분석관(electrostatic
analyzer, ESA)를 먼저 통과
→ 이 전위는 자기장 부채꼴에 도달하는 이온들의 운동에너지를 정교하게 좁은 범위로 제한하는
역할을 함
ⓐ 평균보다 큰 에너지를 갖는 이온: ESA 슬릿의 위쪽을 때림: 접지로 감
ⓑ 평균보다 작은 에너지를 갖는 이온: ESA 슬릿의 아래쪽을 때려 제거
→ 자기장 부채꼴(그림 20-13)에서
ⓐ 방향 초점은 d라고 표시된 초점면을 따라 맞추어지나,
ⓑ 에너지 초점은 e라고 표시된 면을 따라 이루어진다.
→ ∴ m/z를 갖는 하나의 이온만이 주어진 가속전압과 자기장 세기에 해당하는 d와 e의 교차점에서
이중초점이 맞추어짐
→ ∴ 수집(collector) 슬릿은 이중초점의 이 장소에 놓음
* 여러 종류의 이중초점 질량분석관이 시판
ⓐ 가장 정교한 것은 105의 분리능을 가짐
ⓑ 더 조밀하게 만든 소형 이중초점 기기도 시판(가격이 상당히 싸다)
→ 6인치의 정전기장 부채꼴과 4인치 및 90°의 자기장 부채꼴
→ 보통 약 2500의 분리능을 가짐
→ 크로마토그래피 관의 검출기로도 많이 사용
그림 20-13
→ Nier-Johnson 설계에 기초
그림 11-9
→ Mattauch-Herzog 기하학에 바탕
→ 이 기하구조는 에너지와 방향 초점면이 일치하는 독특한 형태
→ 사진 검출법에 특히 유용
→ 사진 건판은 초점면에 놓임
→ 모든 이온들은 질량-대-전하비에 관계없이 초점면에 모임
사중극자 질량 분석관(quadrupole mass spectrometer)
* 자기장 부채꼴 기기보다 ⓐ 부피가 작고 ⓑ 값도 싸며 ⓒ 튼튼하다.
* 탁상용 질량분석계에 사용
* 장점: 짧은 주사시간(<100ms).
→ 크로마토그래피의 봉우리를 실시간에 주사하는데 특히 유용
* 사중극자 기기는 현재 가장 많이 사용되는 질량 분석관
* 사중극자 질량분석계에 대한 보다 자세한 설명은 11B-2절
비행시간(time-of-flight, TOF) 질량분석관
* 전자, 이차이온 또는 레이저 광자의 짧은 펄스로 시료에 충격을 주면 주기적으로 양이온이 생성
→ 11B-3절
→ 생성된 이온들은 103∼104V의 전기장 펄스에 의해 아무런 장이 걸리지 않는 관(field-free drift tube)
속으로 가속
그림 20-14
→ 질량차이로 인한 이온의 분리는 이온이 관의 끝에 놓여져 있는 검출기로 이동하는 동안 일어남
→ 관에 들어온 모든 이온은 같은 운동에너지를 가짐
→ ∴ 관속에서 이들의 속도는 이들의 질량의 제곱근에 역비례(식 20-4)
→ ∴ 가벼운 입자는 무거운 입자보다 먼저 검출기에 도달
→ 보통 비행시간은 1∼30μs이다
* 다른 종류의 질량분석관에 비교한 여러 장점들
ⓐ 기기가 단순하고, ⓑ 튼튼하며, ⓒ 이온화 장치를 가까이 설치하기 쉬우며,
ⓓ 사실상 무제한의 넓은 질량범위 등
* 단점
ⓐ 제한된 분리능
ⓑ 제한된 감도
→ 몇몇의 시간-비행 기기가 시판되고 있지만 자기장이나 사중극자 질량분석계보다 널리 사용되지 않음
이온 포집(ion trap) 분석관
* 이온 포집관은 기체 상태 음이온이나 양이온이 전기장 그리고/또는 자기장에서 생성되어 한 동안
붙잡을 수 있는 장치
→ 몇 가지 종류의 이온 포집관 개발
→ 두 가지는 오늘날 시판 질량분석계에서 사용
ⓐ 이온 사이클로트론 공명포집관(ion cyclotron resonance trap)
ⓑ GC 검출기로 개발된 간단한 이온 포집관(GC/MS)
그림 20-15
→ 시판되는 간단한 이온 포집관의 단면도
→ 중앙에 도우넛 모양의 고리형 전극과 한 쌍의 덮개형 전극으로 이루어짐
→ ⓐ 가변성 라디오진동수 전위가 고리형 전극에 걸리고
ⓑ 두 덮개형 전극은 그라운드되어 있음
→ 적당한 m/z값을 갖는 이온은 고리형 전극 주위의 공간 안에서 일정한 궤도로 돌게 됨
→ 라디오주파수 전위가 증가함에 따라
ⓐ 무거운 이온의 궤도는 안정화되고
ⓑ 가벼운 것은 불안정해져서 고리전극의 벽에 충돌함
* 이 장치가 질량분석계로 작동할 때 전자충격이나 화학적 이온화 장치로부터 오는
분석물 이온 다발이 윗층 덮개형 전극에 있는 그물을 통하여 도입
→ 라디오-주파수 전위가 주사되면 이온은 불안정해짐
→ 포집된 불안정한 이온은 아래층의 덮개형 전극에 있는 구멍을 통하여 고리전극 공간을 떠남
→ 방출된 이온은 검출기로 들어감
* 이온 포집분석계는 자기장이나 사중극자 기기보다
→ 튼튼하고, 작고, 값도 싸다.
* 그림 27-15에 보여준 시판 장치는 500∼1000Da의 질량범위에서 1 단위의 질량차이가 있어도 이온들을
분리 가능
20C-4 Fourier 변환(FT) 기기
* 적외선과 핵자기 공명 기기 경우와 같이, Fourier 변환 질량분석계는
ⓐ 신호-대-잡음비를 개선하고, ⓑ 속도를 더 빠르게 하며 ⓒ 감도를 증진시키고 ⓓ 분리능을 높인다.
→ Fourier 변환 질량분석계는 1980년대 초부터 시판
* Fourier 변환 기기의 핵심장치는 이온이 한 동안 일정한 궤도를 회전할 수 있는 이온 포집관
→ 이 공간은 이온 사이클로트론 공명 현상(ion cyclotron resonance phenomenon)의 이점을 이용할 수
있도록 설계
이온 사이클로트론 공명(ICR) 현상
* 기체 이온이 센 자기장에 들어오든지 또는 센 자기장에서 생기면 그 이온은 자기장의 방향에
수직한 면에서 원운동을 함
→ 이 원운동의 각(angular) 주파수를 사이클로트론 주파수(cyclotron frequency), ωc
→ 식 20-8을 변형하고 v/r에 대해 풀면 초당 라디안 단위로 사이클로트론 주파수를 얻음
ωc = v/r = zeB/m (20-10)
→ 일정한 자기장에서는 사이클로트론 주파수가
ⓐ 질량-대-전하비에만 역비례하고
ⓑ 이온속도가 증가하면 다만 원운동의 반지름이 증가함
* 자기장에서 원운동을 하는 포집된 이온은
전기장의 주파수가 사이클로트론 주파수와 정확하게 일치하면 ac 교류 전기장에서 에너지를 흡수
→ ∴ 이 에너지 흡수는 ⓐ ωc에 아무 영향을 주지 않고
ⓑ 이온의 속도, 즉 이온의 이동 반지름을 증가
그림 20-16
ⓐ 자기장에서 포집된 이온의 원래 운동을 내부 실선 원으로 나타냄
ⓑ ac 전압을 잠시 걸어주었을 때 전원의 주파수와 이온의 사이클로트론 주파수가 일치한다면,
이온과 상호작용하는 판사이에서 전기장의 요동이 생김
→ 이온의 속도는 그 원운동의 반지름(점선)처럼 계속 증가
ⓒ ac 전기신호를 중단하면 이온의 원운동 반지름은 바깥 실선 원과 같이 일정
* ㉮ 판 사이의 지역에 같은 질량-대-전하비를 갖는 이온들만 있을 때
사이클로트론 공명 주파수를 갖는 전기신호를 걸어주면 모든 이온들은 전기장과 같은 위상을 가지는
간섭성 운동을 함
㉯ 다른 사이클로트론 주파수를 갖는 이온 즉 질량-대-전하비가 다른 이온들은 걸어준 ac 전기장의
영향을 받지 않음
이온 사이클로트론 공명신호(ICR)의 측정
* 공명이온들의 간섭성 원운동은 영상전류(image current) 발생
→ 주파수 주사 신호를 중단한 후에도 쉽게 관찰 가능
그림 20-16
→ ∴ 스위치를 1의 위치에서 2의 위치로 이동하였을 때 전류가 관찰
→ 시간에 따라 지수함수적으로 감소
→ 이러한 영상전류는 같은 질량-대-전하비를 갖는 이온집단의 원운동에 의해 유도된 커패시터 전류
예) 이런 양이온 집단이
ⓐ 위 판에 접근할 때 전자가 접지에서 판쪽으로 끌려와서 순간전류가 흐르게 되고
ⓑ 아래 판 쪽으로 접근할 때는 외부 전자 흐름의 방향이 역으로 됨
→ ㉮ 이로 인해 생긴 교류 전류의 크기는 이온의 농도에 의존
㉯ 전류의 주파수는 이온의 질량-대-전하비 값에 따르는 특성을 가짐
→ 이온 사이클로트론 분석관은 이 전류를 이용하여
걸어준 여러 신호 주파수에서 공명하는 이온들의 농도를 측정
* 이와 같이 유발된 영상전류는 원운동하는 이온들의 간섭성이 상실되면 십분의 몇초∼수초 동안에 감소
→ 이온들 사이의 충돌로 인해 원운동하는 간섭성 이온들이 에너지를 잃어 버리면 이온들은 열평형
조건으로 되돌아감
→ 영상전류의 감소과정은 FT-NMR 실험(19A-3절)에서 볼 수 있는 FID 신호와 유사한
시간지배 신호로 나타남
Fourier 변환 분석계
그림 20-17
* Fourier 변환 질량분석계에는 이온포집 분석상자(trapped ion analyzer cell)가 보통 장치되어 있음
→ 전자는 필라멘트에서 나와 가속
→ 상자를 통해 수집판까지 이동
→ 기체상태의 시료분자는 이 전자에 의해 상자 중심부에서 이온화
→ 그리드에 걸어준 펄스 전압이 전자살을 주기적으로 토막내어 보내는 출입문으로 작용
→ 이온들은 포집판에 가해준 1∼5V의 전압에 의하여 분석상자 내에 갇힘
→ 이온들은 송신판에 걸어준 라디오주파수 신호에 의해 가속
→ 수신판은 영상 전류를 증폭하는 예비증폭기에 연결
* 이온을 붙잡아두는 이 방법은 대단히 효율적이어서 저장시간이 수분까지 됨
→ 이온포집 상자의 크기는 중요하지 않나 보통 한쪽 길이가 수 cm 정도
그림 20-18
→ Fourier 변환 측정의 원리를 볼 수 있음
→ 먼저 순간적 전자살 펄스(나타나 있지 않음)에 의해 이온이 생성
→ 이온포집 상자에 보관
→ 잠시 지체한 후 갇혀 있는 이온은 라디오주파수 펄스를 받음
→ 펄스의 수명동안 주파수가 직선적으로 증가
→ 5ms의 펄스시간동안 주파수는 0.070에서 3.6MHz까지 직선적으로 증가
→ 주파수 주사가 중단된 후 여러 이온집단에 의해 유도된 영상전류는 증폭되고 디지털화되어
저장장치에 저장
→ 시간지배 붕괴신호(그림 20-18b)는 주파수지배 신호로 변환
→ 이는 식 20-10에 의하여 질량지배 신호로 바꿀 수 있음
그림 20-19
→ 시간지배 스펙트럼, 그의 주파수지배 스펙트럼과 이로 인해 생긴 질량지배 스펙트럼과의 관계를
보여줌
* Fourier 변환 분석계
ⓐ 값이 400,000불 이상되는 비싼 기기.
ⓑ 시판되는 모델은 1.9tesla의 명목 자기장을 갖는 초전도자석을 이용
ⓒ 분리능은 슬릿나비나 자기장 측정보다 주파수 측정의 정밀도에 의존
ⓓ 주파수를 매우 정밀하게 측정할 수 있으므로 매우 높은 분리능을 가짐(106이상)
20C-5 컴퓨터화된 질량분석계
* 최신 질량분석계에 마이크로 컴퓨터와 마이크로 처리장치가 연결
→ 질량 스펙트럼의 특징: 구조에 관한 수많은 데이터를 제공
예) 분자량이 500인 분자는 전자살에 의하여 100개 정도의 다른 이온으로 쪼개지고 각 토막이온은
불연속적인 스펙트럼 봉우리를 나타냄
→ 구조결정을 하는데는
ⓐ 각각 봉우리의 높이와 질량-대-전하비를 측정해야 하고
ⓑ 이것을 저장하고 ⓒ 마지막으로 보여주어야(display) 한다.
→ ㉮ 데이터의 양이 너무 많기 때문에 데이터를 얻고 처리하는데 빨라야 함
→ 컴퓨터는 이런 작업에 가장 적당
㉯ 질량 스펙트럼 데이터를 유용하게 이용하기 위해서는 데이터를 얻을 때 여러 가지 조건을 엄격히
조절
→ 이런 조절을 할 때 사람보다는 컴퓨터와 마이크로프로세서가 훨씬 더 효율적
그림 20-20
→ 사중극자 질량분석계의 컴퓨터화된 조절과 데이터 획득 시스템의 계통도
→ 최신 기기에서 볼 수 있는 두 가지 면을 보여줌
ⓐ 기기조절을 주로 하는 것은 컴퓨터
㉮ 실험자는 자판을 통하여 분석계와 의사를 소통하는데 사용하기 쉬운 소프트웨어를 사용하여
실험 파라미터와 조건을 선택
㉯ 데이터를 처리하고 출력하는 프로그램을 조절
ⓑ 거의 모든 기기에 공통된 것으로 기기조절 그리고/또는 컴퓨터와 분석계사이에서의 정보전달을
하는 한 무리(6개 정도)의 마이크로 프로세서
* 질량분석계와 컴퓨터를 연결하는데는
ⓐ 증폭된 이온-전류 신호와
ⓑ 기기변수를 조절하는데 이용되는 여러 신호를 디지털화하는 장치가 있음
→ 기기변수로는 ㉮ 이온화장치의 온도, ㉯ 가속전압, ㉰ 주사속도,
㉱ 자기장의 세기 또는 사중극자 전위 등
* 디지털화된 이온전류 신호는 판독장치에 나타내기 전에 보통 많은 처리과정을 거쳐야 함
ⓐ 각 봉우리는 표준화되어야 함
→ 어떤 기준 봉우리와 비교하여 각 봉우리의 상대 높이를 계산
→ 보통 가장 큰 봉우리를 기준 봉우리(base peak)로 사용
→ 이 높이를 임의로 100으로(또는 때로는 1000) 잡음
ⓑ 각 봉우리의 m/z 값을 결정하여야 함
→ 이 값은 봉우리가 나타나는 시간과 주사속도에 근거를 두고 계산
→ 자기장 그리고/또는 전기장을 조심스럽게 조절하여 주사하는 동안 데이터는 시간에 대한
봉우리 세기로 얻음
→ 시간을 m/z값으로 환산하는 것은 정기적 검정이 때때로 필요
→ 표준물: perfluorokerosene 또는 perfluorotri-n-butylamine(PFTBA)이
→ ㉮ 고분리능이 요구되는 연구에서는
→ 표준물을 시료에 섞어서 넣음
→ 질량을 측정하는데 표준물의 봉우리를 기준으로 삼도록 프로그램을 짜서 넣음
㉯ 저분리능 기기의 경우에는
→ 표준물을 시료와 섞지 않고 검정을 함
→ 봉우리가 겹칠 가능성이 있기 때문
* 대부분의 경우 컴퓨터는 모든 스펙트럼과 관련된 정보를 디스크에 저장
ⓐ 일상 응용에서는, 표준화된 스펙트럼의 막대 그래프가 프린터/플로터로 직접 보내짐
ⓑ 많은 경우에, 분광학자들은 데이터 정리 소프트웨어를 사용하여 스펙트럼을 프린트하기 전에
특정 정보를 얻어냄
그림 20-21
→ 컴퓨터화된 질량분석계에서 얻은 인쇄본의 한 예
ⓐ 홀수 칸은 m/z 값을 증가하는 순서대로 나타냄
ⓑ 짝수 칸은 가장 큰 봉우리인 질량 156(기준 봉우리)에 대하여 표준화한 각 봉우리의 이온전류를
나타낸 것
→ 기준 봉우리 전류를 1000으로 잡고, 다른 봉우리 높이들은 이에 대한 상대적인 값
→ ∴ 질량 141의 봉우리는 기준 봉우리의 82.6%
* 적외선 분광법과 핵자기 공명 분광법에서와 마찬가지로
컴퓨터-사용 형식으로된 수많은 질량 스펙트럼(>150,000개)을 갖춘 수집철을 이용 가능
→ 대부분 시판 질량분석계는 분석물의 스펙트럼과 일치하는 또는 비슷한 스펙트럼을 수집철에서
빠르게 찾아 볼 수 있도록 프로그램화되어 있음
20D 분자 질량분석법의 응용
* 분자 질량분석법의 응용은 너무 많고 범위가 넓어서 적은 지면에 적당하게 설명한다는 것은 불가능
표 20-5
→ 질량분석법이 널리 사용되는 응용들 중 몇 가지를 보여줌
20D-1 순수 화합물의 확인
* 순수 화합물의 질량 스펙트럼은 화합물 확인에 유용한 여러 종류의 데이터를 제공
ⓐ 화합물의 분자량
ⓑ 화합물의 분자식
ⓒ 질량스펙트럼에 나타난 토막무늬를 연구하면 여러 작용기의 존재 여부에 관한 정보를 얻을 수 있음
ⓓ 한 화합물의 질량 스펙트럼과 기지 화합물들의 스펙트럼을 비교하여 일치하는 것을 찾아서 화합물을
실제적으로 확인 가능
질량 스펙트럼으로부터 분자량 결정
* 분자이온 또는 양성자첨가 분자이온 또는 양성자제거 분자이온으로 이온화될 수 있는 화합물의 경우,
→ 분자량을 결정하는 가장 좋은 기기는 질량분석계
→ 분자이온이나 어떤 경우에는 (M+1)+ 또는 (M-1)+ 봉우리를 확인할 수 있어야 함
→ 가로축에 있는 스펙트럼의 봉우리 위치는
다른 방법에서는 얻을 수 없는 정확도로 분자량을 얻을 수 있게 함
* 질량분석법으로 분자량을 측정하려면 분자이온 봉우리의 위치를 정확히 알아야 함
→ ∴ 전자충격법에서는 특히 주의를 해야함
→ ∵ 어미-이온 봉우리가 없거나 불순물 봉우리에 비해 작게 나타나기 때문
→ 의심이 생기는 경우에는 화학적 이온화법, 장이온화법, 및 탈착이온화법에 의한 새로운 스펙트럼을
얻어보도록 함
정확한 분자량으로부터 분자식의 결정
* 분자이온 봉우리가 확인되고 정확한 질량을 결정할 수 있다면 한 화합물의 질량 스펙트럼으로부터
분자식을 결정할 수 있음
→ but, 이 경우에는 천분의 몇 질량단위의 질량차를 검출할 수 있는 고분리능 기기가 필요
예) purine, C5H4N4(m = 120.044), benzamidine, C7H8N2(m = 120.069),
ethyltoluene,C9H12(m = 120.096), acetophenone, C8H8O(m = 120.058)
화합물들의 분자이온 질량-대-전하비 값을 생각해 보자.
→ 측정한 분자이온 봉우리의 질량이 120.070(±0.005)이라면 가능한 분자식은
유일하게 C7H8N2일 것이다.
→ 이 경우의 정밀도는 약 40ppm
→ 수 ppm의 정밀도는 고분리능 이중-초점 기기로서 쉽게 얻을 수 있음
→ C, H, N, O로 된 모든 가능한 분자의 분자량을 소수점이하 3자리 또는 4자리까지 나타낸 표가 작성
→ 이런 표 중 하나의 일부를 표 20-6에서 볼 수 있음
표 20-6
동위원소비에서 얻는 분자식
* 분자이온 봉우리가 매우 커서 그의 높이와 (M+1)+ 동위원소 및 (M+2)+ 동위원소 봉우리의 높이를
정확하게 측정할 수 있는 경우
→ 단지 정수단위의 질량수 차이만을 갖는 이온들을 식별할 수 있는 저분리능 기기를 이용하여 얻은
데이터를 가지고 화합물의 분자식에 관한 유용한 정보를 얻을 수 있음
예 20-5) dinitrobenzene, C6H4N2O4(m = 168)과 olefin, C12H24(m = 168) 두 화합물의 M+에 대한 (M+1)+
봉우리 높이의 비를 계산하라.
→ 100개의 12C 원자마다 13C 원자는 1.08개 있음(표 20-2)
→ nitrobenzene에는 6개의 탄소원자
→ ∴ 13C 원자가 없는 nitrobenzene분자 100개마다
13C 원자를 가진 nitrobenzene은 6.48(6 x 1.08) 분자가 있을 것
→ 이 효과만으로도, (M+1)+ 봉우리는 M+ 봉우리의 6.48%가 될 것이다
C6H4N2O4 C12H24
13C 6 x 1.08 = 6.48% 13C 12 x 1.08 = 12.96%
2H 4 x 0.015 = 0.060% 2H 24 x 0.015 = 0.36%
15N 2 x 0.37 = 0.74% -------------------
17O 4 x 0.04 = 0.16% (M + 1)+/M+ = 13.32%
---------------------
(M + 1)+/M+ = 7.44%
→ (M+1)+ 대 M+ 봉우리의 높이의 비 값을 측정하면 동일한 정수의 질량수를 가진 두 화합물을 구별할 수
있음
표 20-6
* 상대적 동위원소 봉우리 높이를 이용하여 분자식을 결정하는 법은 각주 21의 표를 이용함으로서 매우
신속하게 처리됨
→ 그 표의 일부를 표 20-6에 나타냄
→ C, H, O, N으로 이루어진 모든 화합물 중 질량수가 83과 84(원래 표에는 질량수 500까지 있음)인
것에 대한 값들만 나타냄
→ (M+1)+과 (M+2)+ 봉우리 높이를 M+ 봉우리의 백분율로 나타냄
→ 이 봉우리들의 백분율이 정확히 실험적으로 측정되는 경우에는 가능한 분자식이 얻을 수 있음
예) ⓐ 질량수 84에서 분자이온 봉우리가 나타나고
ⓑ (M+1)+과 (M+2)+ 봉우리의 백분율이 5.6% 및 0.3% 라면
→ 이 화합물의 분자식은 C5H8O
* 동위원소비는 화합물에 포함되어 있는 황, 염소, 브롬 원자의 수를 검출하고 추정하는데 특히 유용하게
사용
→ 이 원자들이 (M+2)+봉우리의 백분율에 크게 영향을 주기 때문(표 20-3)
예) ⓐ (M+2)+봉우리가 M+봉우리의 약 65%에 해당
→ 두 개의 염소원자가 이 분자에 포함되어 있다는 뚜렷한 증거
ⓑ (M+2)+ 봉우리가 4%이면 황 원자 한 개가 포함되어 있음을 암시
토막무늬로부터 얻는 구조적 정보
* 순수한 화합물의 토막무늬를 체계적으로 연구하면
ⓐ 토막내기 메커니즘을 예상할 수 있는 합리적인 지침 및
ⓑ 스펙트럼을 해석하는데 도움이 되는 일련의 일반 규칙을 알 수 있게 됨
→ 스펙트럼에 나타나는 모든 봉우리를 설명할 수는 없다
→ but, 토막내기의 특성적인 무늬는 알게 됨
그림 20-22
예) ⓐ 그림 20-22에 있는 스펙트럼은
질량이 14만큼씩 차이나는 봉우리가 집단적으로 나타나는 것이 특징
→ 인접한 탄소-탄소 결합이 끊어져 CH2기의 연속적인 질량감소가 생기기 때문
→ 선형 파라핀의 대표적인 특성무늬
→ 보통 가장 안정한 탄화수소물의 토막은 3개 또는 4개의 탄소원자를 포함
→ ∴ 그 봉우리의 크기는 가장 크다.
ⓑ 알코올은 분자이온의 봉우리가 항상 대단히 약하거나 또는 존재하지 않음
→ but, 물을 잃은 (M-18)+의 봉우리가 세게 나타남
→ 산소 다음에 오는 C-C 결합은 보통 잘 끊어짐
→ ∴ 일차 알코올은 항상 CH2OH+이온의 질량 31인 봉우리가 세게 나타남
* 유기화합물을 확인하기 위해 질량스펙트럼을 이용하는 것을 일반화한 책이 있음
스펙트럼 비교에 의한 화합물의 확인
* ⓐ 분석물의 분자량을 결정하고
ⓑ 그의 동위원소 분포와 토막무늬를 조사한 후
→ 경험많은 질량분석학자는 가능한 구조의 범위를 좁힐 수 있음
→ 기준화합물을 이용할 수 있을 때 최종 확인은 미지시료의 질량스펙트럼을 예측되는 화합물의 진짜
시료의 스펙트럼과 비교하는 방법을 이용
→ 이 과정은
㉠ 물질의 질량 토막무늬가 특이하며,
ⓐ 입체이성질체나 기하이성질체의 스펙트럼에 대하여 타당하지 못함
ⓑ 매우 비슷한 어떤 형태의 화합물의 스펙트럼에 대해 타당하지 못함
→ 다른 화합물이 같은 스펙트럼을 낼 가능성은 스펙트럼의 봉우리가 많을수록 감소
→ ∴ 전자충격 이온화법이 스펙트럼을 비교하기 위해 선택됨
㉡ 실험조건은 재현성있는 스펙트럼을 얻을 수 있도록 충분히 조절될 수 있다는 가정 하에서 이루어짐
→ 질량스펙트럼의 봉우리 높이는
ⓐ 전자살의 에너지, ⓑ 전자살에 대한 시료의 위치,
ⓒ 시료압력과 온도 및 ⓓ 질량분석계의 일반 기하구조와 같은 변수에 따라 크게 영향을 받음
→ ∴ 봉우리의 상대 존재비는 스펙트럼을 작성하는 연구실과 기기에 따라 상당히 큰 변동이 있음
㉮ 많은 경우, 여러 기기와 작동 조건에서 얻은 스펙트럼들을 통하여 미지시료를 확인할 수 있음
㉯ 일반적으로, 화합물의 확인은 그 스펙트럼을 같은 조건과 같은 장치를 이용하여 얻는 진짜 그
화합물의 스펙트럼과 비교하여 확인하는 것이 바람직
컴퓨터화된 스펙트럼 탐색법
* 인쇄된 질량스펙트럼 데이터를 모아놓은 책이 있을지라도,
최신 질량분석계는 매우 효율적인 스펙트럼 수집철 탐색 시스템이 컴퓨터에 장치되어 있음
→ 오늘날 두 가지 형태의 수집철이 있음
ⓐ 광범위한 수집철
→ 시판되는 가장 방대한 수집철(>150,000 스펙트럼)은 John Wiley and Sons 출판사에서 나온 것
→ 이 자료집의 특이한 면은
㉮ 콤팩트 디스크로 얻을 수 있고
㉯ Cornell University's matching and interpretative software(PBM-STIRS)를 이용하여
개인용 컴퓨터로 탐색 가능
ⓑ 작은 특별분야 수집철
→ 살충제의 잔유물, 마약 또는 법화학 같은 한정된 분야에 이용되는 수백에서 수천에 해당하는
스펙트럼을 가짐
→ ㉮ 기기 제작회사에서 기기 패키지의 일부로서 공급되며
㉯ 기기 사용자가 수집철을 만들거나 기존 수집철에 첨가할 수도 있음
* 혼합물의 성분을 확인하기 위해 GC/MS를 이용하여 얻은 것과 같은 많은 스펙트럼에 대해
→ 기기의 컴퓨터 시스템은 어떤 시료와 관련된 질량 스펙트럼들 모두 또는 일부에 대해 수집철을
탐색하도록 명령
→ 그 결과는 사용자에게 보고됨
→ 필요한 경우에는 눈으로 비교하기 위해 기준 스펙트럼을 모니터에서 보여주거나 도시할 수도 있음
20D-2 연결 질량스펙트럼법에 의한 혼합물의 분석
* 질량분석법은
ⓐ 순수한 화합물의 확인에 유용한 방법
ⓑ 매우 간단한 혼합물의 경우를 제외하고는 직접 분석에 이용하는데 한계
→ 보통 여러 m/z값을 갖는 많은 수의 토막봉우리들이 생기기 때문
→ 복잡한 스펙트럼의 해석이 불가능할 때도 있음
→ ∴ 화학자는 질량분석계와 여러 효과적으로 분리할 수 있는 기기들을 연결하는 방법을 개발
→ 즉, 두 개 이상의 방법이나 기기를 연결시켜서 새롭고 보다 효과적인 방법을 개발
→ 이러한 새로운 방법을 가끔 연결법(hyphenated method)이라고 함
크로마토그래피/질량 분석법
* 기체 크로마토그래피/질량분석계(GC/MS)는
→ 복잡한 유기물과 생화학 혼합물을 분석하는 가장 유력한 기기 중의 하나
→ 크로마토그래피 관에서 나오는 화합물의 스펙트럼이 모아지고
→ 차후의 정보를 얻기 위해 컴퓨터에 저장
* 액체 크로마토그래피/질량분석계(LC/MS)는
→ 비휘발성 성분을 포함한 시료의 분석
* 이 두 가지의 연결법에서 극복해야 될 중요한 문제점은
→ 크로마토그래피 관에서 나온 시료가 관을 통해 함께 나오는 기체나 액체로 매우 묽혀져 있다는 것
→ ∴ 질량분석계에 시료가 도입되기 전에 운반기체 또는 용리액을 제거하는 방법이 개발되어야만 함
* GC/MS와 LC/MS의 기기와 응용방법을 27D-3절과 28C-6절에서 설명
모세관 전기이동법/질량분석법
* 1987년 처음 모세관 전기이동법과 질량분석법을 연결시킨 논문이 발표
→ 그 후 단백질, 폴리펩티드, 또는 DNA등과 같은 거대 생화학 고분자의 분석에 있어서 강력하고
중요한 연결법으로 발전
* 현재까지 발표된 대부분의 응용은
ⓐ 모세관 유출물이 직접 전자분무 이온화장치를 통과
→ 사중극자 질량 필터로 도입
ⓑ 연속흐름 고속 원자 충격법(continuous flow FAB)도 역시 이온화장치로 사용된 경우도 있음
* 모세관 전기이동법/질량분석법에 대한 자세한 설명은 30B-4절
직렬 질량분석법
* 한 질량분석계에 다른 질량분석계를 연결시켜 사용
ⓐ 첫 번째 분석계는 혼합물의 여러 성분의 분자이온들을 분리
ⓑ 두 번째 질량분석계에 이 분자이온들이 한 번에 하나씩 도입
→ 토막내기 과정을 거쳐 각 분자이온에 대한 일련의 질량스펙트럼을 얻음
→ 직렬 질량분석법(tandem mass spectrometry)(약자로 MS/MS)
* 직렬 기기의 첫 번째 분석계는 보통 온건한 이온화장치(가끔 화학적 이온화 장치)로 장치
→ 분자이온이나 양성자가 붙은 분자이온이 생성
→ 이 이온들은 두 번째 질량분석계의 이온화장치로 들어감
→ 대부분의 두 번째 이온화장치는 아무런 장도 걸려있지 않고, 헬륨과 같은 원자가 세게 들어오는
충돌상자로 이루어짐
→ 매우 빨리 움직이는 어미-이온과 헬륨원자 사이의 충돌
→ 토막내기 과정이 일어나 수많은 딸 -이온이 생김
→ 이 딸-이온의 스펙트럼은 두 번째 분석계에 의해 주사
→ 이러한 종류의 방법에서
ⓐ 첫 번째 분석계는 순수한 이온화학종을 제공
→ GC/MS 또는 LC/MS경우의 크로마토그래피 관과 같은 기능
ⓑ 두 번째 분석계에서 하나씩 확인
* 이성질체 ABCD, BCDA와 두 가지 IJKL과 IJMN 같은 다른 분자의 가상적 혼합물을 생각
㉠ 첫 번째 분석계는 두 이성질체를 식별하기 위해 온건한 이온화법을 이용
→ 주로 일가의 어미-이온을 만들도록 함
→ ABCD+와 BCDA+(m/z값이 같음)에 해당하는 m/z값을 갖는 이성질체가 통과할 수 있도록 설정
→ ∴ 이성질체의 분자이온들을 혼합물의 다른 성분들과 분리
㉡ 두 번째 이온화상자에서는 토막내기에 의해 AB+, CD+, BC+, DA+ 등과 같은 딸이온이 생김
→ 이 토막들은 고유의 m/z값을 가짐
→ ∴ 두 개의 원래 이성질체의 확인은 두 번째 분석관에서 가능
㉢ 첫 번째 분석계는 또 IJKL+ 또는 IJMN+이온이 별도로 분리되도록 조절
㉣ 이들은 다음 IJ+, JKL+, MN+, JMN+ 및 기타 특성 이온으로 쪼개져서 두 번째 분석계에서 확인 가능
그림 20-23
→ 이 분석기술의 실제적인 응용을 보여줌
㉠ 이 방법은 가끔 딸-이온(daughter-ion) MS/MS법
→ 분석물은 전체 질량수가 같은 278이지만 완전히 다른 두 화합물
→ 둘을 식별하기 위하여
ⓐ 첫 번째 분석계를 양성자가 붙은 어미-이온의 질량수 279에 고정
ⓑ 충돌에 의하여 이온화되고 두 번째 분석계를 통과한 다음 두 개의 다른 딸-이온 스펙트럼을 얻음
㉡ 다른 직렬 질량분석법은 선택된 어미-이온(parent-ion) MS/MS법
→ ⓐ 두 번째 분석계는 딸-이온중의 한 질량에 고정
ⓑ 첫 번째 분석계는 주사
→ 서로 비슷한 화합물들은 몇 개의 같은 딸-이온을 생성
→ 한 무리의 비슷한 화합물의 각 성분을 확인하고 각 농도를 측정 가능
예) 서로 연관된 가상적인 화합물 IJKL과 IJMN을 생각해보자
→ IJ를 포함한 화학종을 확인하기 위하여
ⓐ 어미-이온(ABCD+, BCDA+, IJKL+ 및 IJKM+)의 질량스펙트럼을 주사하는 동안
ⓑ 두 번째 분석계는 IJ+이온의 질량에 고정
→ 두 번째 분석계에서의 이온전류는 나중 두 이온이 첫 번째 분석계를 빠져 나올 때에만 나타남
* 어미-이온 MS/MS법의 실제적인 예)
→ 용매로 정제된 석탄 속의 alkylphenols(HOC6H4CH2R)의 정량
→ 두 번째 분석계는 이온 HOC6H4CH2+에 해당하는 m/z 107에 고정,
첫 번째 분석계에서는 시료 주사
→ 시료 속의 alkylphenols은 R의 성질에 상관없이 질량 107의 이온을 냄
→ ∴ 복잡한 시료에서 이러한 종류의 화합물을 측정 가능
직렬 질량분석법 기기
* 직렬 질량분석계는 자기장 부채꼴 , 정전기 부채꼴 그리고 사중극자 필터분리기가 여러 방법으로
조합하여 이루어짐
→ 직렬 기기를 설명할 때 이 질량분리기들을 각각 B, E, Q로 표시
예) ⓐ BE 기기는 자기장 부채꼴 뒤에 전기장 부채꼴로 되어 있음
ⓑ BEBE 기기는 각각 자기장 부채꼴과 전기장 부채꼴로 되어 있는 두 개의 이중초점 질량분석계로
이루어짐
* 현재 가장 널리 사용되는 직렬 질량분석계는 QQQ형태
그림 20-20과 그림 20-24
→ 시료는 화학적 이온화장치와 같은 약한 이온화장치중의 하나로 들어감
㉠ 이온은 보통 사중극자 필터로 되어 있는 처음 단계, 즉 어미-이온 분리기(사중극자 1)로 가속
㉡ 빠르게 움직이는 분리된 이온은 충돌상자인 사중극자 2로 들어감
→ 어미-이온의 이온화가 더 일어남
→ 이 사중극자는 라디오파만의 방식으로 작동
→ 즉 막대 전극에 dc 전위가 걸려 있지 않음
→ 이 방식은 분산된 이온을 한곳으로 모으는데 매우 효과적, but, 질량필터로서 작용하지는 못함
→ 헬륨을 이 상자에 10-3내지 10-4torr 되게 넣어줌
→ 빠르게 움직이는 어미-이온과 존재하는 헬륨이온의 충돌로 인하여 이온화가 더 일어남
㉢ 생긴 딸-이온은 사중극자 3으로 들어감 → 주사되고 기록
직렬 질량분석법의 응용
* 질량분석계가 처음에는 GC와 연결, 그 후에는 LC와 연결
→ 복잡한 유기물과 생화학 물질의 혼합물 분석에 적극적 발전을 가져옴
→ LC/MS는 특히 낮은 휘발성의 물질에 유용
* 직렬 질량분석법의 장점
ⓐ GC/MS와 LC/MS의 장점과 같음
ⓑ 무엇보다도 매우 빠르다는 것이다
㉮ 크로마토그래피 관에 의한 분리는 몇 분 ∼ 몇 시간까지 걸림
㉯ 질량분석계는 같은 정도의 만족스러운 분리를 천 분의 1초 내에 완결
ⓒ ㉮ 크로마토그래피 방법에서는 다량의 이동상에 의해 시료가 묽혀짐
→ 그 다음 이동상은 제거되어야 함
→ 방해가 일어날 가능성이 크게 증가
㉯ 직렬 질량분석법은 어느 크로마토그래피 연결법보다 훨씬 감도가 높음
→ 이 경우 일어나는 화학잡음이 일반적으로 작기 때문
* 직렬 질량분석법이 갖는 단점
→ 필요한 기기장치의 값이 비싸다
→ 직렬 질량분석계가 더 널리 사용되면 가격이 낮아질 것이라고 예상
* 현재 직렬 질량분석법은
→ 자연계와 산업계에서 만나는 복잡한 물질의 성분을 정성 및 정량하는데 응용
→ 예) ⓐ 약품의 대사물, ⓑ 곤충의 phermone, ⓒ 식물의 알칼로이드,
ⓓ 공기 속에 있는 극미량 성분, ⓔ 중합체 서열, ⓕ petrochemical,
ⓖ polychlorinated biphenyls, ⓗ prostaglandin, ⓘ 디젤차 배기물 및
ⓙ 공기 속에 있는 냄새 등의 검출과 확인에 이용
* 직렬 질량분석법은 과학자와 기술자들이 앞으로 더욱 광범위하게 응용할 수 있는 방법이 될 것이라고
예상
20E 질량분석법의 정량적 응용
* 질량 분석법의 정량적 응용은 두 범주로 나누어짐
㉠ 유기, 생화학, 및 때때로 무기 화학종에 있는 분자 화학종 또는 분자 화학종과 유사한 부류의 정량분석
→ 표 20-1에 나열된 모든 이온화장치를 이용
㉡ 무기물과 흔치 않지만 유기 및 생화학 시료의 원소성분에 의한 조성결정
→ ⓐ 유도쌍 플라스마 광원이 주로 사용
ⓑ 라디오-주파수 스파아크, 레이저, 열 및 2차 이온화장치도 가끔 사용
20E-1 분자 화학종의 정량분석
* 질량분석법은 석유공업, 제약공업 및 환경문제 연구에서 만나는 하나 이상의 복잡한 유기물질
(때로 무기물)의 성분을 정량분석하는데 널리 응용
→ 근래에 와서는 크로마토그래피 관이나 모세관 전기이동 관에서 분리된 시료를 분석계에 통과시켜
분석
ⓐ 적당한 m/z값으로 조절 설치된 분석계를 이용하면 이온 전류를 시간의 함수로서 기록
→ 이런 방법을 선택이온 분석법(selected ion monitoring)이라고 함
ⓑ 어떤 경우에는 3∼4개의 m/z값에 대한 전류를 한 봉우리에서 다른 봉우리로 신속히 바꾸어가며
측정하는 수도 있음
→ 데이터의 도시는 각각이 동시에 나타나는 일련의 봉우리들로 이루어짐
→ 선택된 m/z값 또는 m/z값들을 갖는 이온들을 생성하는 시료의 여러 성분 중 하나의 특성임
→ 보통, 봉우리 면적은 성분물질의 농도에 직접 비례하며 분석인자로 이용
→ 이런 과정에서 질량분석계는 단지 정량용 크로마토그래피법 분석 또는 전기이동법 분석의 정교한
검출기의 역할
→ 정량용 GC와 LC는 27D-3절과 28C-6절에서 상세하게 설명
→ 모세관 전기이동법의 검출기로서 질량분석계의 이용에 30B-4절
* 분자 화학종에 대한 또 다른 형태의 정량 질량분석법에서는 분석물의 농도를 질량 스펙트럼 봉우리의
높이에서 직접 얻음
→ 간단한 혼합물의 경우에는
각 성분의 봉우리를 이들 특정 m/z값의 위치에서 쉽게 얻는 수도 있음
→ 봉우리 높이 대 농도의 검정곡선을 준비하여 미지시료 분석에 이용
→ but, 더 정확한 결과는 일정량의 내부 표준물을 시료와 검정용 표준물에 각각 넣어 얻을 수 있음
→ 내부표준물의 봉우리의 세기에 대한 분석화학종의 봉우리 세기의 비를 분석물의 농도에 대하여 도시
→ 내부표준물은 시료 준비와 분석과정에서 일어나는 불확정도를 줄여줌
→ 작은 시료를 필요로 하는 질량분석법에서는, 이런 불확정성이 중요한 불가측 오차의 원인이 됨
→ GC/MS와 LC/MS에서도 내부 표준물이 사용된다.
→ 이 경우 봉우리 넓이의 비가 분석 파라미터로 사용
* 내부표준물의 편리한 형태는 분석물의 안정한 동위원소로 표지된 물질
→ 표지하는 방법은 하나 이상의 중수소, 탄소-13 또는 질소-15를 포함하는 분석물로 시료를 만드는 것
→ 분석하는 동안 표지 분자는 표지되지 않은 분자와 같은 행동을 한다고 가정
→ 물론, 질량분석계는 이 둘 사이를 쉽게 구별함
* 다른 형태의 내부표준물은
ⓐ 측정하려는 분석물의 토막과 화학적으로 유사한 성질을 가지면서
ⓑ 상당히 센 이온봉우리를 나타내는
→ 토막을 만드는 분석물의 동족체 물질
* 저분리능 기기를 이용할 경우, 혼합물 각 성분의 특정한 봉우리의 위치를 찾기 어렵다.
→ 이런 경우에는 혼합시료의 성분수와 같거나 이보다 많은 수만큼의 m/z값에서 봉우리 세기값을
측정하여 분석 가능
→ 각 m/z값에서의 세기와 이 세기가 각 성분의 농도에 기여하는 연립방정식을 만들어야 함
→ 이 방정식들을 풀어 원하는 정량적인 정보를 얻음
→ 이 과정은 자외선/가시선 영역의 겹치는 흡수스펙트럼에서 혼합물의 성분을 결정하는
방법(14D-2절)과 비슷
정밀도와 정확도
* 위에서 설명한 과정에 의해 정량적 질량스펙트럼법으로 구한 측정값의 정밀도는 2∼10%의
상대표준편차 범위
→ 분석값의 정확도는 분석하려는 혼합물의 복잡성과 그 성분들의 성질에 따라 다름
→ 5∼10개의 성분을 포함하고 있는 기체 탄화수소 혼합물의 경우 절대오차가 0.2∼0.8몰%인 것이 보통
응용
* 질량분석법을 직접 정량분석에 응용한 것에 관한 초기 문헌은 종합하기 어려울 정도로 광범위하고 다양
→ Melpoder와 Brown에 의해 모아진 전형적 응용법에 관한 데이터는 이 방법의 다양성을 확실히 보여줌
예) ⓐ 가열하지 않고 분석할 수 있는 혼합물은
㉮ 천연가스, ㉯ C3-C5의 탄화수소물, ㉰ C6-C8 포화 탄화수소물
㉱ C1-C4 염화물과 요오드화물,
㉲ fluorocarbons, thiophenes, 공기 공해물질, 배기기체 등
ⓑ 높은 온도를 이용하는 경우,
㉮ C16-C27 알코올, ㉯ 방향족 산과 에스테르, ㉰ 스테로이드,
㉱ 플루오르화된 중합페닐, ㉲ 지방족 아미드,
㉳ 할로겐화 방향족 유도체, 그리고 ㉴ 방향족 니트릴 등
* 질량분석법은 고분자 중합체 물질의 특성과 분석에 이용
ⓐ 먼저 시료를 열분해하고
→ 휘발성 생성물을 분석계로 도입하여 측정
ⓑ 어떤 경우에는 직접 주입하고 장치 내에서 시료를 가열
㉮ 어떤 중합체는 사실상 단일 토막만 생성
예) ㉠ 자연고무에서는 isoprene, ㉡ 스틸렌 중합체에서는 스틸렌,
㉢ 에틸렌 중합체에서는 에틸렌, ㉣ Kel-F에서는 CF2=CFCl
㉯ 다른 중합체는 열분해 온도에 따라 종류와 양이 다른 두 개 이상의 생성물이 나타남
→ 온도 영향에 관한 연구에서는 여러 가지 결합의 안정도와 분자량의 대략적인 분포상태에 관한
정보를 얻을 수 있음
'Chemistry > └¤analytical chem.' 카테고리의 다른 글
| GC: Detector - ECD (0) | 2006.12.08 |
|---|---|
| GC: Detector - FID (0) | 2006.12.08 |
| GC: Detector - TCD (0) | 2006.12.08 |
| [스크랩] 원자 질량분석법 (0) | 2006.12.08 |
| [스크랩] 이온질량 분석 (0) | 2006.12.08 |