질량분석(Mass Spectrometry, MS)
유기화학에서 분자의 구조와 성질을 이해하는 데 기기 분석은 필수입니다.
과거에는 실제로 합성을 해보고 결과를 비교하는 방식이 주를 이루었지만, 현대 화학에서는 MS, IR, NMR, UV-VIS 같은 분석 기기를 통해 훨씬 더 정밀하고 빠르게 분자 구조를 알 수 있다.
질량분석(MS)이란?
질량분석은 **분자의 질량(Mass)과 전하(Charge, z)**를 측정해 구조와 조성을 파악하는 기법이다.
📌 MS의 핵심 프로세스
- Ionization (이온화) – 시료에서 전자를 제거하여 이온 생성.
- Mass analyzer (질량 분석기) – m/z 비율에 따라 이온을 분리.
- Detector (검출기) – 이온 신호를 감지하고 스펙트럼으로 변환.
- Interpretation (해석) – Parent peak, Base peak, Fragment를 통해 구조 추론.
질량분석의 역사
- J.J. Thomson: 전자의 질량 규명.
- Francis Aston: 원소 질량 분석 연구.
- 1948–1954: TOF(Time of Flight) 개발.
- 1955: Quadrupole(Q)과 Ion trap 등장.
- 1968: Tandem mass spectrometry 도입 → 복잡한 혼합물 분석 가능.
- 현대: Triple Q, Q-TOF, Hybrid MS 등 고성능 장비가 주류.
이온화 기법 (Ionization Sources)
1. Electron Ionization (EI)
- 70 eV의 전자로 분자를 때려 Cation radical (M⁺·) 형성.
- 강력한 충격으로 분자가 쉽게 Fragmentation됨.
- Parent peak가 약하거나 사라지기도 함.
2. Softer Ionization
큰 분자를 분석할 때 EI는 너무 강해서 분자가 파괴된다. 이때 사용하는 방법:
- ESI (Electrospray Ionization)
- 용액 상태에서 전기장을 걸어 다중 전하 이온 형성.
- 단백질, 핵산 같은 고분자 분석 가능.
- 단점: 다중 전하 때문에 스펙트럼 해석이 어려울 수 있음.
- MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization)
- 레이저와 매트릭스를 이용해 고분자를 온전하게 이온화.
- MALDI-TOF와 결합하면 단백질·펩타이드 같은 거대 분자 분석 가능.
- 의료·진단 분야에서도 널리 활용됨.
질량분석기 종류 (Mass Analyzers)
- Magnetic sector: 전자기장에 따라 곡률 반경이 달라져 분리.
- Quadrupole (Q): 네 개의 막대를 통과하는 이온만 선택적으로 검출.
- TOF (Time of Flight): 비행 시간 차이를 이용한 분석.
- Q-TOF: Q와 TOF를 결합한 고해상도 장치.
- Hybrid MS: 여러 분석기를 조합해 고성능 달성.
6. 주요 스펙트럼 용어
- Parent peak / Molecular ion (M⁺·): 원래 분자에서 전자 1개 빠진 상태.
- Base peak: 상대 강도(Relative abundance) 100인 가장 강한 피크.
- Fragment peaks: 분해된 이온 조각.
- Relative abundance: 절대값 X, 상대적 비율.
예시:
- m/z 29, 44 → 작은 fragment.
- m/z 57 → Base peak.
- Parent peak가 보이지 않는 경우 → Softer ionization 필요.
정리
- EI: 강력한 이온화, 작은 분자 분석에 유리.
- ESI, MALDI: 큰 분자 분석 가능, 분자를 intact하게 유지.
- Q, TOF, Q-TOF, Hybrid: 상황에 맞게 선택.
- 스펙트럼 해석은 단순 암기가 아니라 패턴 읽기가 중요하다.