유기화학 12.1

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

  1. Ionization (이온화) – 시료에서 전자를 제거하여 이온 생성.
  2. Mass analyzer (질량 분석기) – m/z 비율에 따라 이온을 분리.
  3. Detector (검출기) – 이온 신호를 감지하고 스펙트럼으로 변환.
  4. 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.

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