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  [MS Basics] Mass spectrometer에서 Mass analyser 종류 및 설명

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  이매스

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질량분석기기 (Mass Spectrometer)

질량분석기기는 형성된 이온을 각각의 질량에 따라 분리시켜 주는 기기이다. 질량분석기의 중요한 특징 세 가지 특성으로서 질량분석 상한선, 투과효율, 분해능이 있다. 질량분석 상한선은 m/z ratio에서 가장 높은 값을 의미한다. 이온원(ion source)으로부터 검출기(detector)에 도착하는 이온의 비율을 투과효율이라고 하며 분해능이란 얼마나 작은 분자량의 차이로도 두 신호를 구분할 수 있는 지의 능력을 말한다.

모든 질량분석기에 쓰이는 이론적 부분으로써 Newton's second law와 Lorentz force law가 있는데,

 

F= ma (Newton's second law)

F=Q(E+v*B) (Lorentz force law)

 

F : 이온에 작용하는 힘
m : 이온의 질량
a : 이온의 가속도
e : 이온의 전하량
E : 전기장
v : 이온의 속도
B : 자기장

 

이 두 식으로부터 주어진 전기장과 자기장에 대해 이온의 운동이 그 이온의 질량과 전하량에 의해 결정되는 것을 알 수 있다. 이러한 질량과 전하량의 비를 m/z ratio라고 한다.

이온화 방법이 매우 다양하듯이 질량분석기기의 종류 또한 다양하다.

 

 

사중극자 분석기(Quadrupole Analyzer)

사중극자 분석기의 모식도

사중극자 분석기는 사이즈가 작고 비용이 많이 들지 않으며 빠른 스캔 비율과 높은 전송 효율을 가지고 있어 가장 흔하게 쓰이는 질량분석기이다.

사중극자 분석기는 그림과 같이 4개의 평행한 금속 막대로 이루어져 있다. 마주보고 있는 한 쌍의 막대에는 +(U-V cos(wt))의 전압이 걸려있고 다른 한 쌍의 막대에는 -(U-V cos(wt))의 전압이 걸려있게 된다. 이때 U는 직류 전압이고 V는 교류 전압이다. 이렇게 4개의 평행한 막대에 걸려있는 전압은 이온의 이동경로에 영향을 주게 된다. 이때 주어진 직류, 교류 전압에 대해 일정 m/z ratio 값의 이온들만 quadrupole filter를 통과하게 되고 나머지 이온들은 경로를 벗어나게 된다. 이를 이용하여 다양한 전압에 따라 quadrupole filter를 통과하는 이온들을 측정하며 질량 스펙트럼(mass spectrum)을 얻게 된다. 여기서 전압을 조절하는 방법으로써 두 가지가 있는데, 고정된 U, V, 값에 대해 w값을 달리 해주는 방법과 고정된 w값에 대해 U, V, 값을 달리 해주는 방법이 있다.

 

 

사중극자 이온 트랩(Quadrupole Ion Trap)

사중극자 이온 트랩은 사중극자 분석기와 비슷한 원리를 갖는다. 하지만 사중극자 분석기가 일정 m/z ratio를 갖는 이온을 검출기로 보내고 나머지를 경로에서 이탈하게 하는 것과는 달리 사중극자 이온 트랩은 일정 범위의 이온들을 고리 전극(ring electrode)과 두 끝자리 전극(endcap electrode) 사이의 공간에 가두고 그 이외의 이온들을 검출기를 향해 방출시키게 된다. 이 때 트랩 되는 이온들의 m/z ratio의 범위는 사중극자 분석기처럼 전압의 진폭과 진동수에 의해 결정된다.

 

 

자기 섹터 질량분석기 (Magnetic Sector Mass Spectrometer)

자기 섹터 질량분석기를 통한 이온의 분리

자기 섹터 질량분석기는 부채꼴 모양의 자기 섹터를 갖는다. 이온들은 이온원(ion source)으로부터 높은 속도로 가속되어 자기 섹터를 통과하게 되고 자기 섹터 속에서 자기장의 영향을 받게 된다. 로렌츠 힘에 의해서 이온들의 이동 경로는 오른쪽 그림과 같이 휘게 되고 그 휘는 정도가 이온의 m/z ratio에 따라 달라진다. 따라서 자기 섹터는 이온들을 m/z ratio에 따라 분리하게 된다.

 

 

비행시간형 질량분석기(Time of Flight Mass Spectrometer, TOFMS)

비행시간형 질량분석기는 질량분석기 중에서 가장 간단하다고도 할 수 있는 질량분석기이다. 원리를 살펴보면 이온이 전기장 속에서 가속되어 속도를 갖게 되고 그 속도로 검출기까지의 일정 거리를 가게 되는데 가는데 걸리는 시간이 m/z ratio의 제곱근에 비례하게 되어 이온의 분리가 가능해진다. 수식적으로 살펴보면,

 

z : 이온의 전하량
V : 가속 구간 동안의 전위차
m : 이온의 질량

v : 가속 후 이온의 속도
L : 가속 후 검출기까지의 이동거리

가 되어 시간이 m/z ratio의 제곱근에 비례하는 것을 알 수 있다.

 

 

비행시간형 질량분석기의 모식도

이러한 비행시간형 질량분석기에는 문제가 존재하는데 같은 m/z ratio를 가진 이온이라 하더라도 출발 시간과 초기 운동에너지가 완벽히 같지 않을 수 있다는 것이다. 이는 분해능 저하의 요인이 된다. 이를 해결하기 위해 마련한 방안이 reflectron이다.

그림을 통해 알 수 있듯이 reflectron은 이온을 반사시켜 주는 것인데 이 때 반사되는 경로가 이온에 따라 다르게 된다. 같은 m/z ratio의 이온에 대해 느린 이온은 더 가까운 곳에서 반사되고 빠른 이온은 더 멀리서 반사되게 된다. 이는 같은 m/z ratio의 이온에서 다른 시간 값을 갖게 되는 것을 보완해 주어 분해능을 높여주게 된다.

 

 

 

푸리에 변환-이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기(Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer)

이온이 자기장 안에서 운동하게 될 때 이온은 로렌츠 힘을 받게 되고 결국 원운동을 하게 된다. 이를 수식적으로 살펴보면

z : 이온의 전하량
v : 이온의 속력
B : 자기장
m : 이온의 질량

가 되어 싸이클로트론 주파수(cyclotron frequency)가 m/z ratio에 대해 정해지게 된다. 이온이 원운동을 하면서 전류를 생성하게 되는데 이 때 radio frequency는 이온들을 들뜨게 하여 측정 가능한 전류(image current)를 생성할 수 있도록 도와주게 된다. 이렇게 검출된 신호를 각 싸이클로트론 주파수에 대해 Fourier transform하게 되어 각 m/z ratio에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다. 이러한 푸리에 변환-이온 싸이클로트론 공명 질량 분석기는 높은 분해능과 높은 정확도를 가진다는 장점이 있다.