장비 Tip 1호-퓨리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR)편
2017-04-03조회수 2,551 0
질량분석기의 꽃, 퓨리에변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR)
(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer)
“질량이 없는 물질은 이세상엔 없다.” 이처럼 모든 물질은 고유한 무게인 질량을 가지고 있다. 질량분석기는 이름처럼 그 물질의 질량을 통해 정성 분석을 하는 장비이다. 무기물에서부터 유기물분석에 이르기 까지 그 응용과 분야는 매우 다양하다. 현재 유기물 분석에서 소위 질량분석기의 “꽃”이라고 불리우는 장비가 있다. 바로 제목에 있는 퓨리에 변환 이온싸이클로트론 공명 질량분석기 (FT-ICR MS) 이다.
이 질량분석기는 자장 (Magnet)을 질량분석관으로 이용하여 시료 물질의 질량을 분석하는 장비이다. 현재 한국기초과학지원연구원에서 보유하는 15T (Tesla, 테슬라) FT-ICR MS 는 내국 최고의 자장을 보유하고 있다. 고자장일수록 초고분해능(Ultra-High Resolution)이라는 효율로 질량을 얻게 된다. 그럼 초고분해능으로 도대체 어떤 연구 결과를 얻을 수 있을까?
질량분석기의 구성
질량분석기의 구성을 보면 그림 1. 처럼 크게 3가지 구성으로 이루어져 있다. (1)이온화원, (2)질량분석관, (3) 검출기이다. 이들 모두 고진공으로 시스템을 이루고 있어서 장비 유지 및 관리가 필요하다.
첫번째로, 이온화원으로 FT-ICR MS에서 가장 많이 분석하는 것이 바로 전자분무 이온화법 (Electrospray Ionization) 이다. 이온화원의 역할은 특정 분자를 질량분석하기 위해서 이 분자의 운동을 조절할 수 있는 형태인 이온으로 변환시키는 것이다.
10여년 전에 질량분석 이온화원 방법 (Electrospray Ionization (ESI), MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization))의 공로로 Tanaka씨와 Fenn 교수가 2002년 노벨화학상을 수여 받았다. 당시 생명물질, 즉 단백질 또는 DNA와 같은 분자들은 비휘발성 분자이기 때문에 이와 같은 비휘발성 분자를 기체상태의 이온으로 만드는 방법으로써 Electrospray Ionization (ESI) 방법과 MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) 방법이 개발된 것이다.
이 방법은 중성분자에 에너지를 적게 주는 방식이기에 이를 Soft Ionization method 라고 부른다. 이 실험에서 이용될 ESI 방법은 비휘발성 분자를 수용액:메탄올:아세트산 혼합물에 약 ~20 μM 농도로 녹이고, 이 용액에 높은 전압을 걸어주며, 이를 다시 용액 펌프를 이용하여 밀어줌으로써 이온 기체화 할 수 있다.
이때, 아세트산의 양성자가 (H+) 중성분자의 산소 또는 질소 원자에 부착됨으로써 양성전기를 띠게 되며, 이때 이를 (M + nH)n+ 라고 표기한다. 이 ESI 방법을 이용할 경우, 복수의 양성자가 중성분자에 부착될 수 있으며, 이때에는 복수의 전기를 띠게 된다. 이 현상들은 다음의 그림 2. 에 자세히 표현되어 있다.
그럼 본격적으로 질량분석관을 알아보자. 이온화원은 시료 상태 (단일물, 혼합물)나 용매의 조건에 따라서 선택이 된다면, 질량분석관은 크게 고분해능이나, 분자량 범위에 따라서 선택이 된다.
FT-ICR MS 장비는 초고분해능으로 그 선택적 연구를 접근한다. 그 구성은 아래 그림3. 처럼 나타난다. 이온화 된 시료를 자기장 내로 진입시키면, 전자기장 상호작용에 의해 이온은 회전운동을 하게 되고, 회전운동의 주파수를 측정하여 시료의 분자량을 측정한다. 강력하고 안정한 초전도 자석의 사용으로, 초고분해능과 고정확성을 제공하여 시료의 분자량과 원소조성을 정밀 분석 한다.
FT-ICR 질량분석관에서 이온은 일정한 자기장이 걸려 있는 직육면체 상자에 정전기적인 힘과 발신판 (Transmitter Plate) 사이의 라디오파 펄스의 적용으로 상자 내에 존재하는 이온은 간섭성 궤도운동을 하게 된다.
궤도를 선회하는 이온들은 상자의 수신판(Receiver Plate)에 약한 신호를 발생시키고, 각 이온으로부터 발생하는 신호의 진동수는 m/z값과 반대 관계에 있는 궤도 진동수와 일치하므로 각 진동수의 신호세기는 그 m/z값을 가지고 있는 이온의 수와 비례하게 된다.
분석자는 이 모든 신호의 주파수를 증폭하여 질량스펙트럼으로 변환 후 데이터를 분석할 수 있다.
만약 상자내의 압력이 매우 낮다면 이온궤도 운동은 계속 유지될 수 있고, 검출 주파수를 많은 주기에 걸쳐 측정할 수 있어 정밀도를 높일 수 있다.
마지막으로 FT-ICR 질량분석기의 이온 검출법은 질량분석기에서 이온은 검출기 표면에 이온의 충돌 에너지가 전환 증폭되어 스펙트럼을 얻는다.
이렇게 얻은 데이터 시스템은 정량분석, 스펙트럼 해석, 참고스펙트럼 데이터베이스에 의한 정성분석 기능를 포함하고 있어서 여러 응용 결과를 얻을 수 있다.
100만 이상의 초고분해능 질량분석기를 이용한 연구
분해능은 질량 분석기에서 인접한 스펙트럼선을 분리할 수 있는 능력으로 가까이 있는 2개의 스펙트럼선을 분리하는 것이며, 결국 분해능이 좋을수록 스펙트럼선을 더 정확히 분리할 수 있다.
실제 질량분석의 정밀도를 나타내는 분해능을 향상 시켜 분자량을 ppm 이하의 정확도를 측정 할수 있게 되었다. 그 예로 자연계에 존재하는 대부분의 유기분자를 그 질량분석만으로 구별할 수 됐으며 환경 분야 및 그 외 다양한 분야에서 많은 연구가 진행 중에 있다. (그림 4)
15T-FT-ICR 질량분석기는 150만 정도의 분해능과 정확도를 가지고 있다. 이런 분석법은 혼합 유기물을 분석에 큰 장점을 가지고 있다. 예를 들면, 자연유기물질 (Natural Organic Matters, NOM) 분석 연구처럼 유기물의 분자량 분포를 얻는다. 이 경우 각 스펙트럼 하나 하나 분자식 조성을 얻게 되고, H/C과 O/C 의 분포도를 통해서 자연유기물질의 유래를 파악할 수 있게 된다. (그림 5.) 최근 Dr. Chen 그룹에서는 유기물질 구조적 패턴과 기원에 따르는 성분 분포를 초고분해능 질량분석기로 연구 논문이 최근 발표 하였다. (그림 6.)
이처럼 초고분해능 질량분석기 (FT-ICR MS)는 그 외 원유나 천연물 추출물과 같은 복잡한 혼합물 분석, 단백질 의약품, 바이오시밀러 특성 분석을 통한 임상시료분석 등의 대사 물질 분석등 각종 분야에 활용되어 다양한 질변진단 및 치료방법 개발과 대사체 데이터베이스 표준화 등에 기여를 하고 있다.
문의처
조 건(한국기초과학지원연구원 생의학오믹스연구팀, chokun@kbsi.re.kr)