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제목
[MS Basicss] Mass spectrometer에서 ion source 종류 및 간단한 설명 -
작성자
이매스 -
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이온화 소스 종류에는 일반적으로 많이 사용되는 것에는 EI, CI, FAB, ESI, MALDI 가 있습니다.
각각의 이온화 방법에 대해서 간략하게 소개합니다.
1) EI(electronionization -전자이온화법)
가장 오래된(1921년 개발) 일반적인 이온화 방법으로 안정하며 재현성이 좋은 이온원을 제공한다. 이 이온화법에 의한 spectrum data의 축적은 대단하며, spectrum의 해석법 즉, fragment ion pattern의 일반규칙도 알려져 있다. 고온(100-300℃), 고진공(10-5-10-6 Torr)의 이온화실에서 기화된 시료분자에 약 70eV의 energy를 갖는 전자선을 충격시켜 이온화시킨다. 이 조건에서 ion의 생성율이 최대이고 시료의 분자구조를 특징짓는 다양한 종류의 ion이 생성된다. 분자이온이 불안정하여 분자이온 peak가 작거나 감지되지 않을 경우에는 대부분의 유기분자의 이온화 에너지(IE-ionization energy)에 가까운 10eV 전후의 전가 beam으로 이온화시키면 분자이온 peak가 잘 나타난다. 열전자의 energy가 분자이온의 결합 해리 energy 이상이 되면 fragment ion이 생성되며, 이때의 전압을 출현전압(AP-appearance potential)이라 한다.
가장 오래된(1921년 개발) 일반적인 이온화 방법으로 안정하며 재현성이 좋은 이온원을 제공한다. 이 이온화법에 의한 spectrum data의 축적은 대단하며, spectrum의 해석법 즉, fragment ion pattern의 일반규칙도 알려져 있다. 고온(100-300℃), 고진공(10-5-10-6 Torr)의 이온화실에서 기화된 시료분자에 약 70eV의 energy를 갖는 전자선을 충격시켜 이온화시킨다. 이 조건에서 ion의 생성율이 최대이고 시료의 분자구조를 특징짓는 다양한 종류의 ion이 생성된다. 분자이온이 불안정하여 분자이온 peak가 작거나 감지되지 않을 경우에는 대부분의 유기분자의 이온화 에너지(IE-ionization energy)에 가까운 10eV 전후의 전가 beam으로 이온화시키면 분자이온 peak가 잘 나타난다. 열전자의 energy가 분자이온의 결합 해리 energy 이상이 되면 fragment ion이 생성되며, 이때의 전압을 출현전압(AP-appearance potential)이라 한다.
2) Cl(chemical ionization-화학이온화법)
Soft 이온화법의 대표적인 방법이다. Methane 이나 isobutate, ammonia와 같은 반응가스(또는 시약가스)를 약 1Torr에서 전자 충격시키면 반응가스의 이온화와 계속해서 이온분자 간의 반응에 의해 이차반응이온이 생성한다. 예를 들어 methane의 경우에는 CH5+, C2H5+, C3H5+ 등이 생성된다. 생성된 이차반응이온들이 기화된 기체상태의 시료분자 M에 대해 Lewis acid 또는 Bronsted acid로 작용하여 [M+H]+, [M-H]+ 등의 이온을 생성한다.
M + CH5+ → [M+H]+ + CH4
M + C2H5+ → [M+H]+ + C2H4
M + C2H5+ → [M-H]+ + C2H6
결국 CI 반응제어는 양성자의 부가, 시약기체의 부가 및 수소의 이탈에 의해 시료분자로부터 유사분자이온(quasi molecular ion, QM+)이 생성된다. QM+은 EI에서 생긴 M+ 이온과는 다르고 홀수전자를 가지는 안정한 이온이고 이온화과정에서 결합의 끊어짐이 생기기 어렵다. 따라서 QM+의 상대세기가 크고 fragment ion이 적은 단순한 spectrum이 얻어진다. [M+H]+ 이온생성의 용이함의 정도는 시료분자 M과 반응가스분자의 proton 친화력(PA)의 차이에 의존하며 M의 PARK 반응가스분자의 PA보다 크지 않으면 안 된다. 따라서 M의 PA에 대응하는 반응가스의 선택을 필요로 한다.
Soft 이온화법의 대표적인 방법이다. Methane 이나 isobutate, ammonia와 같은 반응가스(또는 시약가스)를 약 1Torr에서 전자 충격시키면 반응가스의 이온화와 계속해서 이온분자 간의 반응에 의해 이차반응이온이 생성한다. 예를 들어 methane의 경우에는 CH5+, C2H5+, C3H5+ 등이 생성된다. 생성된 이차반응이온들이 기화된 기체상태의 시료분자 M에 대해 Lewis acid 또는 Bronsted acid로 작용하여 [M+H]+, [M-H]+ 등의 이온을 생성한다.
M + CH5+ → [M+H]+ + CH4
M + C2H5+ → [M+H]+ + C2H4
M + C2H5+ → [M-H]+ + C2H6
결국 CI 반응제어는 양성자의 부가, 시약기체의 부가 및 수소의 이탈에 의해 시료분자로부터 유사분자이온(quasi molecular ion, QM+)이 생성된다. QM+은 EI에서 생긴 M+ 이온과는 다르고 홀수전자를 가지는 안정한 이온이고 이온화과정에서 결합의 끊어짐이 생기기 어렵다. 따라서 QM+의 상대세기가 크고 fragment ion이 적은 단순한 spectrum이 얻어진다. [M+H]+ 이온생성의 용이함의 정도는 시료분자 M과 반응가스분자의 proton 친화력(PA)의 차이에 의존하며 M의 PARK 반응가스분자의 PA보다 크지 않으면 안 된다. 따라서 M의 PA에 대응하는 반응가스의 선택을 필요로 한다.
3) FD 이온화(field desorption ionization)
직경 10㎛ 정도의 tungsten 선상에 미세한 침상 carbon(또는 silicon) 결정을 석출시킨 방출기(emitter)에 시료를 부착시켜 놓고 고 전기장하(10㎸)의 방출기에 전류를 흘려보내면서 가열한다. 어느 일정 온도에 도달하면 시료분자는 금속의 뾰족한 부분에 전자를 빼앗기고 이온화하여 양이온이 방출기로부터 이탈하여 이온흐름(ion beam)을 형성한다. 이 방법을 FD법이라 하며 시료를 기화시킬 필요가 없기 때문에 휘발성이 적은 물질이나 열에 불안정한 시료에 유효하다. 휘발성 물질에서는 M+ 이온이, 난 휘발성물질에서는 [M+H]+나 [M+Na]+ 이온의 생성이 용이하다. 무극성 화합물의 경우에 FAB 보다 유리하다.
직경 10㎛ 정도의 tungsten 선상에 미세한 침상 carbon(또는 silicon) 결정을 석출시킨 방출기(emitter)에 시료를 부착시켜 놓고 고 전기장하(10㎸)의 방출기에 전류를 흘려보내면서 가열한다. 어느 일정 온도에 도달하면 시료분자는 금속의 뾰족한 부분에 전자를 빼앗기고 이온화하여 양이온이 방출기로부터 이탈하여 이온흐름(ion beam)을 형성한다. 이 방법을 FD법이라 하며 시료를 기화시킬 필요가 없기 때문에 휘발성이 적은 물질이나 열에 불안정한 시료에 유효하다. 휘발성 물질에서는 M+ 이온이, 난 휘발성물질에서는 [M+H]+나 [M+Na]+ 이온의 생성이 용이하다. 무극성 화합물의 경우에 FAB 보다 유리하다.
4) FAB(fast atom bombardment-고속원자충돌법)
EI로 생성된 Ar+ 이온을 수 keV로 가속시켜 Ar 중을 통과시키면 전하교환 반응에 의해 중성의 고속Ar 원자흐름(beam)이 얻어진다. Glycerin과 같은 고비점, 고점도의 액체(matrix)에 용해시킨 측정 대상 화합물에 고속원자beam을 충돌시키면 M+ 대신에 [M+H]+나 [M+Na]+, [M+K]+, [M+glycerin]+이 생성된다. FD와는 다르게 분자량 10,000 정도의 극성 화합물(생체시료 등)의 측정이 가능하다. 분자이온의 확인을 위하여 Na 이온이나 K 이온을 첨가하여 측정한다. 특히 고분해능 질량분석계와 결합시키면 분자식을 구하는 것도 가능하다.
EI로 생성된 Ar+ 이온을 수 keV로 가속시켜 Ar 중을 통과시키면 전하교환 반응에 의해 중성의 고속Ar 원자흐름(beam)이 얻어진다. Glycerin과 같은 고비점, 고점도의 액체(matrix)에 용해시킨 측정 대상 화합물에 고속원자beam을 충돌시키면 M+ 대신에 [M+H]+나 [M+Na]+, [M+K]+, [M+glycerin]+이 생성된다. FD와는 다르게 분자량 10,000 정도의 극성 화합물(생체시료 등)의 측정이 가능하다. 분자이온의 확인을 위하여 Na 이온이나 K 이온을 첨가하여 측정한다. 특히 고분해능 질량분석계와 결합시키면 분자식을 구하는 것도 가능하다.
