질량 분석법(Mass Spectrometry)

분자나 원자를 분석하기 위해서는 먼저 이를 이온으로 전환해야 한다. 이 과정을 이온화라고 하며, 시료의 종류와 분석 목적에 따라 다양한 기술이 사용된다. 이온화의 핵심 원리는 중성 입자로부터 전자를 제거하여 양이온을 생성하거나, 전자를 첨가하여 음이온을 생성하는 것이다. 생성된 이온은 이후 질량 분석기에서 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리된다.

이온화 방법은 크게 '경(硬)' 이온화와 '연(軟)' 이온화로 구분된다. 경 이온화는 높은 에너지를 시료 분자에 가해 강력한 단편화를 유발하는 방식이다. 대표적인 예로 전리 이온화가 있으며, 이 경우 분자의 골격 구조에 대한 정보를 제공하는 풍부한 단편 이온이 생성된다. 반면, 연 이온화는 상대적으로 낮은 에너지를 전달하여 분자 이온([M]⁺ 또는 [M]⁻)을 안정적으로 생성하는 데 중점을 둔다. 전기 분무 이온화나 기질 보조 레이저 탈착 이온화가 이에 해당하며, 생체 고분자처럼 열에 약하고 분자량이 큰 화합물 분석에 필수적이다.

이온화 효율과 생성되는 이온의 종류는 시료의 상태(기체, 액체, 고체)와 물리화학적 성질에 크게 의존한다. 기체 상태의 휘발성 화합물은 화학 이온화와 같은 기상 이온화 기술에 적합하다. 액체 상태의 시료, 특히 수용액은 대부분 전기 분무 이온화를 통해 기액 계면에서 이온을 생성한다. 고체 시료는 기질 보조 레이저 탈착 이온화처럼 레이저 에너지를 이용해 직접 이온화하거나, 용매에 용해시켜 액체 기반 이온화 기술을 적용하기도 한다.

질량 분석기(mass analyzer)는 이온화된 시료 입자들을 그들의 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리하는 핵심 부품이다. 다양한 원리를 기반으로 한 여러 유형의 질량 분석기가 존재하며, 각각은 특정한 성능(분해능, 질량 범위, 스캔 속도 등)과 응용 분야를 가진다. 주요 유형으로는 사중극자 질량 분석기, 이온 트랩 질량 분석기, 비행 시간 질량 분석기(TOF), 그리고 푸리에 변환 이온 공명 질량 분석기(FT-ICR) 등이 있다.

각 분석기의 작동 원리는 다음과 같이 요약할 수 있다. 사중극자 분석기는 네 개의 막대 전극에 인가하는 직류(DC)와 교류(RF) 전압의 조합으로 특정 m/z를 가진 이온만 통과시키는 필터 역할을 한다. 이온 트랩 분석기는 사중극자와 유사한 전극 구조를 사용하지만, 이온들을 공간적으로 가두었다가 순차적으로 방출하여 분석한다. TOF 분석기는 이온에 동일한 운동 에너지를 부여한 후, 일정 거리의 비행관을 통과하는 시간을 측정하여 m/z를 계산한다. FT-ICR 분석기는 강한 자기장 내에서 이온의 사이클로트론 운동 주파수를 측정하여 매우 높은 분해능으로 m/z를 결정한다.

이들 분석기의 성능을 비교하면 다음과 같다.

분석기의 선택은 분석 목표(예: 정성 또는 정량), 시료의 복잡성, 필요한 분해능과 정확도, 그리고 예산과 같은 요소들에 따라 결정된다. 또한, 결합 기술(Tandem MS)을 구현하기 위해 두 개 이상의 분석기를 직렬로 연결하는 경우도 흔하다[1].

검출기는 질량 분석기의 마지막 구성 요소로, 분리된 이온의 존재를 감지하고 그 신호를 전기적 신호로 변환하여 증폭하는 역할을 한다. 검출기의 성능은 질량 분석법의 민감도와 동적 범위를 결정하는 핵심 요소이다.

가장 일반적인 검출기 유형은 전자 증배관이다. 이온이 전자 증배관의 변환 전극에 충돌하면 2차 전자가 방출되고, 이 전자가 연속적인 다이나드 단계를 통해 증폭되어 측정 가능한 전류 신호를 생성한다. 이 방식은 높은 이득과 빠른 응답 속도를 제공한다. 또 다른 일반적인 검출기는 마이크로채널 플레이트이다. 이는 수만 개의 미세한 유리 채널로 구성된 판으로, 각 채널이 독립적인 전자 증배관 역할을 한다. 이온이 채널 내벽을 타격하여 2차 전자를 방출시키는 원리로, 공간 분해능이 뛰어나고 응답 시간이 극히 짧아 비행 시간 질량 분석기와 같은 고속 분석에 적합하다.

보다 단순한 검출기로는 패러데이 컵이 있다. 이는 이온이 금속 컵에 충돌하여 발생하는 직접 전하를 측정한다. 이득은 없지만 신호가 매우 안정적이고 정량적이어서 정밀한 정량 분석에 사용된다. 최근에는 포토다이오드 어레이와 같은 다중 채널 검출기도 개발되어, 여러 질량 대 전하비의 이온을 동시에 검출함으로써 분석 속도와 효율을 크게 향상시킨다. 검출기의 선택은 분석 목적, 요구되는 민감도, 동적 범위, 그리고 질량 분석기 유형에 따라 결정된다.

전리 이온화는 질량 분석법에서 가장 오래되고 표준적인 기체 상태 이온화 방법 중 하나이다. 시료를 고진공 상태에서 70 eV 에너지의 전자 빔에 노출시켜 이온을 생성한다. 이 고에너지 전자는 시료 분자와 충돌하여 분자에서 전자를 방출시켜 양이온 라디칼(M⁺•)을 형성한다. 이 과정은 매우 강력하여 생성된 분자 이온은 종종 추가적인 에너지를 갖고 있어 불안정해지고, 결합이 끊어져 특징적인 단편 이온들을 생성한다.

이 단편화 패턴은 매우 재현성이 높고, 표준화된 스펙트럼 라이브러리와의 비교를 통한 화합물 동정에 유용하게 활용된다. 전리 이온화는 휘발성이 있고 열적으로 안정한 중소분자 화합물(분자량 일반적으로 600 Da 미만)의 분석에 적합하다. 그러나 높은 에너지로 인해 분자 이온이 완전히 단편화되어 검출되지 않는 경우가 많으며, 비휘발성이나 열분해되기 쉬운 화합물에는 적용하기 어렵다는 한계를 가진다.

화학 이온화는 시료 분자를 이온화시키기 위해 반응성 기체 분자와의 화학 반응을 이용하는 이온화 기법이다. 시료는 먼저 기화된 후, 약 10~100 Pa의 압력으로 채워진 이온화실로 유입된다. 이온화실 내에서 메탄, 이소부탄, 암모니아 등의 반응 기체가 먼저 전자 충격에 의해 이온화되어 반응 기체 이온을 형성한다. 이 반응 기체 이온는 시료 분자와 충돌하여 양성자 이동이나 하전 종 이동과 같은 부드러운 화학 반응을 통해 시료 이온을 생성한다[2].

이 방법은 전리 이온화에 비해 덜 파괴적이어서 분자 이온([M+H]+ 또는 [M-H]-)의 신호가 강하게 관찰된다. 이는 분자량 정보를 얻는 데 유리하며, 특히 불안정한 화합물이나 분자량이 큰 화합물의 분석에 적합하다. 사용하는 반응 기체의 종류에 따라 시료로부터 양이온 또는 음이온을 선택적으로 생성할 수 있어 분석의 선택성을 높일 수 있다.

화학 이온화는 주로 가스 크로마토그래피와 결합된 가스 크로마토그래피-질량 분석법에서 사용되며, 유기 화합물의 구조 분석과 정성 분석에 널리 응용된다. 그러나 시료가 휘발성이어야 한다는 제한이 있으며, 반응 기체의 선택과 압력 조건이 분석 결과의 민감도와 선택성에 큰 영향을 미친다.

전기 분무 이온화는 액체 상태의 시료를 고전압을 가하여 미세한 하전 액적을 생성하고, 이를 증발시켜 기체상 이온으로 전환하는 부드러운 이온화 기법이다. 주로 극성이 높은 대형 생체 분자, 예를 들어 단백질, 펩타이드, 핵산 및 대사 산물의 분석에 널리 사용된다. 이 방법의 핵심은 전기 분무 현상으로, 모세관 끝단에 수 kV의 고전압을 인가하면 시료 용액이 미세한 하전 액적의 분무로 변환된다는 점이다.

이온화 과정은 일반적으로 두 단계로 설명된다. 첫째, 고전압이 가해진 모세관 노즐에서 시료 용액이 분무되어 양이온 또는 음이온으로 하전된 미세 액적을 형성한다. 둘째, 건조 가스(일반적으로 질소)의 흐름과 감소된 대기압 환경에서 이 액적이 증발하면서 표면 전하 밀도가 증가한다. 이로 인해 액적이 불안정해져 쿨롱 폭발이 일어나 더 작은 액적으로 분열되거나, 최종적으로 완전히 증발하여 기체상의 다중 하전 이온([M+nH]ⁿ⁺ 형태 등)을 방출한다.

전기 분무 이온화의 주요 특징은 다음과 같다. 매우 부드러운 이온화 과정으로 인해 분자 이온의 단편화가 최소화되어 정확한 분자량 정보를 제공한다. 특히 다중 하전 이온을 생성하기 때문에 분자량이 큰 생체 고분자도 질량 대 전하비(m/z) 측정 범위 내에서 분석이 가능해진다. 또한 액체 크로마토그래피와의 온라인 결합이 용이하여 액체 크로마토그래피-질량 분석법의 핵심 이온화 기술로 자리 잡았다.

이 기술은 생명 과학 분야의 발전에 지대한 공헌을 했으며, 존 펜이 그 공로로 2002년 노벨 화학상을 수상하기도 했다.

기질 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 펄스 레이저를 사용하여 고분자나 생체 분자와 같은 비휘발성, 열에 민감한 대형 분자를 이온화하는 소프트 이온화 기법이다. 이 기술은 1980년대 후반 프란츠 힐렌캄프와 미하엘 카라스에 의해 개발되었다[3]. MALDI는 특히 단백질, 펩타이드, 올리고뉴클레오타이드, 탄수화물 및 합성 고분자의 분석에 널리 사용된다.

분석 과정은 먼저 시료를 적절한 기질(matrix)과 혼합하는 것으로 시작한다. 기질은 일반적으로 시료보다 훨씬 많은 양으로 존재하며, 신남산, 시나피닌산, 2,5-다이하이드록시벤조산(DHB)과 같은 작은 유기 산 분자로 구성된다. 이 혼합물을 금속판(표적판)에 도포한 후 건조시켜 공동결정을 형성한다. 이후 펄스 형태의 질소 레이저나 Nd:YAG 레이저와 같은 자외선 또는 적외선 레이저를 이 공동결정에 조사한다. 레이저 에너지는 기질이 선택적으로 흡수하여 빠르게 기화되고, 이 과정에서 기질 분자와 함께 포함된 시료 분자를 기체상으로 탈착시키며, 양성자나 다른 이온을 전달하여 시료 분자를 이온화한다.

MALDI는 생성되는 이온이 주로 단일 전하를 띠는 분자 이온([M+H]+ 또는 [M-H]-)이라는 특징을 가진다. 이는 분자의 분자량을 직접적으로 측정하는 데 매우 유리하다. 또한 이온화 과정이 비교적 온화하여 분자의 단편화가 적게 발생하므로, 복잡한 단편화 패턴 없이 정확한 분자량 정보를 얻을 수 있다. 이 기법은 주로 비행 시간 질량 분석기(TOF-MS)와 결합되어 사용되며, 이는 넓은 질량 범위와 빠른 분석 속도를 제공하기 때문이다.

사중극자 질량 분석기는 네 개의 평행한 금속 막대로 구성된 질량 분석기이다. 이 막대들에 직류(DC) 전압과 교류(RF) 전압을 동시에 인가하여 특정 질량 대 전하비(m/z)를 가진 이온들만 통과시키는 필터 역할을 한다. 다른 m/z 값을 가진 이온들은 불안정한 궤도를 그리며 막대에 충돌하여 걸러지게 된다.

분석 과정은 일반적으로 다음과 같다. 이온화된 시료가 사중극자 막대 사이로 주입되면, 막대에 가해진 전기장의 영향 아래에서 운동하게 된다. 특정 RF 전압과 DC 전압의 조합(안정도 다이어그램에 따라 결정됨)은 오직 하나의 m/z 값을 가진 이온들만 안정한 궤도를 유지하며 분석기를 통과할 수 있게 한다. m/z 값을 스캔하기 위해서는 이 전압들을 변화시켜, 다른 m/z 값을 가진 이온들이 순차적으로 통과하도록 한다.

이 장치는 구조가 비교적 단순하고 견고하여 기체 크로마토그래피와의 결합에 널리 사용된다. 또한 빠른 스캔 속도를 바탕으로 선택적 이온 감시(SIM) 모드를 통해 특정 이온만을 지속적으로 모니터링함으로써 높은 감도를 확보할 수 있다. 그러나 해상도가 다른 고성능 분석기에 비해 제한적이며, 일반적으로 단위 질량 해상도 수준을 제공한다는 한계가 있다.

이온 트랩 질량 분석기는 이온을 포획하여 공간적으로 가두고, 그 안에서 질량 분석을 수행하는 장치이다. 이온을 가두는 방식에 따라 3차원 사중극자 이온 트랩과 선형 이온 트랩으로 크게 구분된다. 3차원 이온 트랩은 링 전극과 두 개의 엔드캡 전극으로 구성되어 전기장을 생성하여 이온을 트랩 중심에 포획한다.

분석 원리는 세 단계로 이루어진다. 첫째, 이온화된 시료 이온이 트랩 내부로 주입되어 특정 라디오 주파수(RF) 전압에 의해 포획된다. 둘째, RF 전압을 스캔하여 이온의 질량 대 전하비(m/z)에 따른 안정 궤도를 변화시킨다. 안정 궤도를 벗어난 이온은 트랩을 이탈하게 되며, 이 순서대로 검출기에 도달한다. 셋째, 검출기는 이온의 양에 비례하는 신호를 생성하여 질량 스펙트럼을 제공한다.

이 기술의 주요 장점은 구조가 비교적 간단하고 비용 효율적이며, MS/MS와 같은 다중 단계 질량 분석을 단일 장치 내에서 쉽게 수행할 수 있다는 점이다. 이는 이온을 포획한 상태에서 선택, 여기, 단편화의 과정을 순차적으로 반복할 수 있기 때문이다. 따라서 정성 분석에서 분자 구조를 규명하는 데 매우 유용하게 활용된다.

단점으로는 이온 저장 용량에 한계가 있어 포화 현상이 발생할 수 있으며, 일반적으로 비행 시간 질량 분석기나 푸리에 변환 이온 공명 질량 분석기에 비해 질량 해상도와 정확도가 낮은 편이다. 그러나 선형 이온 트랩은 3차원 트랩보다 이온 저장 용량과 감도가 향상된 형태로 발전하였다.

비행 시간 질량 분석기는 이온의 비행 시간을 측정하여 질량을 분석하는 장치이다. 기본 원리는 간단하다. 시료가 이온화되어 가속된 후, 무전하의 진공 상태인 비행관을 통해 일정 거리를 이동하여 검출기에 도달하는 시간을 측정한다. 질량이 작은 이온은 더 빠르게, 질량이 큰 이온은 더 느리게 이동하기 때문에, 비행 시간은 이온의 질량 대 전하비(m/z)의 제곱근에 비례한다. 이 관계를 통해 정확한 질량 값을 계산해낼 수 있다.

이 분석기의 성능은 주로 이온의 초기 운동 에너지 분포를 균일하게 만드는 것에 달려 있다. 이를 위해 다양한 기술이 개발되었다. 가장 대표적인 것이 반사경을 사용하는 방식이다. 반사경은 이온의 경로를 꺾어 더 긴 비행 거리를 제공함과 동시에, 초기 에너지가 서로 다른 이온들이 거의 동시에 검출기에 도달하도록 시간적 초점을 맞춘다. 이를 통해 질량 분해능이 크게 향상된다.

비행 시간 질량 분석기는 몇 가지 뚜렷한 장점을 지닌다. 이론적으로 질량 측정 범위에 제한이 없어 고분자량 물질의 분석에 적합하다. 또한 스캐닝 과정이 필요 없이 모든 이온이 거의 동시에 검출되므로, 매우 빠른 분석 속도를 자랑한다. 이는 초고속 분리 기술인 초고성능 액체 크로마토그래피와의 결합에 특히 유리하게 작용한다. 그러나 높은 분해능과 정확한 질량 측정을 위해서는 정밀한 진공 유지와 정교한 시간 측정 기술이 필수적이다.

주요 응용 분야는 다음과 같이 정리할 수 있다.

푸리에 변환 이온 공명 질량 분석기는 극도로 높은 질량 분해능과 질량 정확도를 제공하는 질량 분석기 유형이다. 이 기술은 강력한 초전도 자석 내부에 위치한 이온 공명 셀에서 이온의 사이클로트론 운동을 측정하는 원리를 기반으로 한다. 이온이 자기장 내에서 원형 궤도를 따라 회전할 때 발생하는 특정 주파수(사이클로트론 주파수)는 이온의 질량 대 전하비에 반비례한다. 이 주파수 신호를 측정하여 질량 스펙트럼을 생성한다.

FT-ICR 질량 분석기의 핵심 작동 과정은 다음과 같다. 먼저, 시료는 이온화되어 초고진공 상태의 이온 공명 셀로 주입된다. 이온들은 강력한 정자기장에 갇혀 안정적인 사이클로트론 운동을 한다. 이후, 특정 주파수 대역의 라디오 주파수 펄스를 가하여 이온들을 동기화된 궤도 운동(패킷)으로 만든다. 이 패킷이 셀 내의 감지 전극에 유도하는 미세한 이미지 전류를 시간에 따라 측정하고, 이 시간 영역 신호를 푸리에 변환이라는 수학적 처리를 통해 주파수 영역 스펙트럼으로 변환한다. 최종적으로 주파수는 질량 대 전하비(m/z) 값으로 환산된다.

이 기술의 가장 큰 장점은 모든 질량 분석기 중에서 가장 높은 수준의 질량 분해능과 정확도를 달성할 수 있다는 점이다. 분해능이 1,000,000 이상에 달하는 경우도 흔하며, 이는 질량이 매우 가까운 이온들을 명확하게 구별하고 정확한 질량 측정을 통해 원소 조성을 추정하는 데 필수적이다. 또한, 비파괴 검출 방식을 사용하기 때문에 동일한 이온 군을 반복적으로 측정하거나 탠덤 질량 분석법과 결합하는 데 유리하다.

그러나 FT-ICR 질량 분석기는 고가의 초전도 자석과 복잡한 유지보수가 필요하며, 일반적으로 다른 질량 분석기에 비해 스캔 속도가 느린 편이다. 따라서 주로 단백질체학, 대사체학, 석유 화학 등 복잡한 혼합물의 상세한 분자 특성 분석이나 신규 화합물의 구조 규명과 같은 고성능 분석이 요구되는 분야에서 활용된다.

질량 대 전하비는 질량 분석법에서 측정되는 가장 기본적인 물리량이다. 이는 이온의 질량(m)을 그 이온이 지닌 전하 수(z)로 나눈 값으로, 보통 *m/z*라는 기호로 표시된다. 단위는 원자 질량 단위(u) 또는 달톤(Da)을 기본 전하(e)로 나눈 형태이나, 일반적으로 무차원 수치로 취급된다[6]. 질량 분석기는 시료에서 생성된 이온들을 이 *m/z* 값에 따라 분리하여 검출한다.

*m/z* 값은 분자의 화학식량을 직접적으로 나타내지 않는다. 예를 들어, 전하가 +1인 이온([M+H]⁺)의 경우 *m/z* 값은 분자의 질량에 수소 원자 하나의 질량(약 1 Da)을 더한 값과 거의 같다. 반면, 다중 전하를 띤 이온의 경우 *m/z* 값은 분자의 실제 질량을 전하 수로 나눈 값이 된다. 이는 특히 전기 분무 이온화와 같은 소프트 이온화 기법에서 단백질이나 펩타이드와 같은 큰 생체 분자를 분석할 때 중요한 특징이다. 큰 분자가 여러 개의 양성자를 얻으면, 그 *m/z* 값은 분자의 실제 질량보다 훨씬 작은 범위에 위치하게 되어 일반적인 질량 분석기의 측정 범위 내에서 분석이 가능해진다.

*m/z* 스펙트럼은 가로축을 *m/z* 값, 세로축을 상대적 이온 강도(또는 풍부도)로 하여 표시된다. 스펙트럼에서 가장 높은 강도를 보이는 피크는 기준 피크(Base Peak)로 설정되며, 그 강도를 100%로 정규화하여 다른 피크들의 상대적 강도를 표시한다. 정확한 *m/z* 값의 측정은 분자의 원소 조성을 추정하거나 화학식을 결정하는 데 필수적이다. 이를 위해 질량 분석기는 내부 또는 외부 표준 물질을 사용하여 주기적으로 보정(Calibration)을 수행하여 측정의 정확도와 재현성을 유지한다.

분자나 원자의 질량 스펙트럼에서 나타나는 동위원소의 존재 비율에 따른 특유의 신호 패턴을 동위원소 패턴이라고 한다. 이 패턴은 시료의 원소 조성을 확인하고 분자식을 추정하는 데 결정적인 단서를 제공한다.

많은 원소는 자연적으로 두 개 이상의 동위원소를 가지고 있다. 예를 들어, 탄소는 주로 질량수 12인 ^12^C(약 98.93%)와 질량수 13인 ^13^C(약 1.07%)로 존재한다. 염소의 경우 ^35^Cl(약 75.8%)과 ^37^Cl(약 24.2%)의 비율을 가진다. 질량 분석기에서 분자가 이온화되면, 이러한 동위원소를 포함하는 다양한 조합의 분자 이온이 생성되어 서로 다른 질량 대 전하비(m/z) 값을 가진 일련의 피크로 스펙트럼에 나타난다. 이 피크들의 상대적 강도는 각 동위원소의 자연 존재비에 의해 결정된다.

동위원소 패턴의 분석은 정성 분석에서 매우 유용하다. 측정된 스펙트럼의 피크 간격과 강도 비를 이론적으로 계산된 패턴이나 데이터베이스와 비교함으로써, 분석물에 포함된 특정 원자(예: 염소, 브로민, 황)의 존재를 확인할 수 있다. 또한, 분자 내 특정 원자의 수를 추정하는 데에도 사용된다. 예를 들어, 염소 원자 하나를 포함하는 분자는 m/z 값이 2 차이나는 두 개의 분자 이온 피크(M과 M+2)를 보이며, 그 강도 비는 약 3:1(^35^Cl : ^37^Cl 비율에 근사)에 가깝다. 염소 원자가 두 개라면 (M : M+2 : M+4) 피크가 나타나고 그 강도 비는 약 9:6:1에 가까워진다[7].

따라서 동위원소 패턴은 질량 분석 데이터 해석의 핵심 요소 중 하나로, 분자의 원소 조성과 화학식을 규명하는 강력한 도구 역할을 한다.

분자 이온이나 전구체 이온이 충돌이나 여기 과정을 통해 더 작은 이온 조각들로 깨어지는 과정을 단편화라고 한다. 이렇게 생성된 이온 조각들의 질량 대 전하비(m/z) 분포 패턴은 해당 분자의 고유한 구조적 지문과 같아, 미지 물질의 동정에 결정적인 단서를 제공한다.

단편화는 일반적으로 분자 내 가장 약한 결합을 따라 일어나며, 그 경향은 분자의 구조와 기능기에 의해 크게 지배된다. 예를 들어, 탄화수소 사슬은 메틸렌(-CH2-) 결합을 따라 깨어지는 경향이 있고, 카르보닐기를 가진 케톤이나 알데하이드는 카르보닐기 옆의 결합(알파 분해)이 끊어져 특정한 이온 조각을 생성한다. 이러한 규칙적인 분해 경로를 이해하면 스펙트럼의 피크를 해석하여 원래 분자의 골격을 재구성할 수 있다.

아래 표는 몇 가지 일반적인 기능기에서 관찰되는 특징적인 단편화 패턴을 보여준다.

따라서, 질량 스펙트럼을 해석할 때는 분자 이온 피크를 확인한 후, 특징적인 질량수의 손실(예: M-15는 CH3 손실, M-17는 OH 손실)과 함께 나타나는 단편 이온 피크들의 패턴을 종합적으로 분석한다. 이를 통해 분자 내 존재 가능한 기능기와 분지 구조에 대한 정보를 얻고, 최종적으로 화합물의 구조를 추론한다.

질량 분석법은 단백질체학 연구의 핵심 도구로, 복잡한 생물학적 시료 내에 존재하는 수천 가지 단백질을 동시에 식별하고 정량하는 데 사용된다. 이를 통해 세포나 조직의 단백질 발현 프로파일, 번역 후 변형 (인산화, 당화 등), 단백질 간 상호작용을 체계적으로 분석할 수 있다. 일반적으로 단백질 혼합물은 트립신으로 절단한 후 액체 크로마토그래피와 결합된 탠덤 질량 분석법을 통해 펩타이드 서열을 결정하고 데이터베이스 검색을 통해 모단백질을 동정한다.

유전체학 분야에서는 질량 분석법이 주로 DNA나 RNA의 변이, 메틸화 같은 후성유전학적 변형, 그리고 핵산-단백질 상호작용을 연구하는 데 활용된다. 예를 들어, 크로마틴 면역침강 후의 질량 분석법은 특정 히스톤 변형 또는 전사 인자에 결합된 DNA 영역을 분석하는 데 사용된다. 또한, 단일염기 다형성이나 복제수 변이와 같은 유전적 변이를 간접적으로 분석하는 데도 기여한다.

다음 표는 질량 분석법이 단백질체학과 유전체학에서 주로 적용되는 몇 가지 대표적인 접근법을 비교한 것이다.

이러한 기술들의 발전은 개인 맞춤 의학, 질병 바이오마커 발견, 그리고 시스템 생물학적 이해의 폭을 넓히는 데 크게 기여하고 있다. 특히, 고처리량 분석이 가능한 현대의 질량 분석기는 대규모 생물정보학 데이터베이스와의 연동을 통해 생명 현상을 종합적으로 해석하는 플랫폼 역할을 한다.

대사체학은 생물체 내의 모든 대사산물을 체계적으로 분석하는 학문 분야이다. 이는 유전체학, 전사체학, 단백질체학과 함께 시스템 생물학의 핵심 축을 이룬다. 질량 분석법은 대사체학 연구에서 가장 중요한 분석 도구로, 수백에서 수천 가지에 이르는 저분자량 대사산물을 동시에 검출하고 정량하는 데 사용된다.

대사체학 연구는 일반적으로 두 가지 주요 접근법으로 나뉜다. 표적 대사체학은 사전에 정의된 특정 대사 경로나 물질군을 정밀하게 정량하는 반면, 비표적 대사체학은 샘플 내의 가능한 모든 대사산물을 체계적으로 스캔하여 새로운 생체지표를 발견하는 데 중점을 둔다. 분석 과정은 일반적으로 샘플 전처리, 질량 분석법을 통한 데이터 획득, 그리고 복잡한 생물정보학 도구를 이용한 데이터 처리 및 해석의 단계를 거친다.

주요 응용 분야는 다음과 같다.

대사체학 데이터의 해석은 매우 복잡한 과제이다. 대사 네트워크에서 각 대사산물은 상호 연결되어 있기 때문에, 단일 물질의 농도 변화보다는 전체적인 대사 흐름의 변화를 이해하는 것이 중요하다. 이를 위해 통계학적 모델링과 대사경로 데이터베이스가 결합된 생물정보학 플랫폼이 필수적으로 사용된다.

질량 분석법은 신약 개발 과정 전반과 약동학 연구에서 핵심적인 분석 도구로 활용된다. 약물 후보 물질의 정성 및 정량 분석, 대사 산물 규명, 약물-단백질 상호작용 연구 등에 광범위하게 적용된다.

신약 개발 초기 단계에서는 고처리량 스크리닝을 통해 수천 개의 후보 화합물을 신속하게 평가한다. 질량 분석법은 효소 억제 활성이나 수용체 결합 친화도를 측정하는 분석법과 결합되어, 미량의 약물 후보물질을 정확하게 정량하는 데 사용된다. 또한, 약물의 대사 안정성을 평가하기 위해 간 미세소포체 등의 생체 시스템과 배양한 후, 원형 약물의 소실 속도와 생성된 대사 산물의 구조를 규명하는 데 필수적이다.

약동학 연구에서는 생체 시료(혈액, 소변, 조직 등) 내 약물 및 그 대사 산물의 농도를 측정하여 약물동태학적 프로파일을 규정한다. 이를 통해 흡수, 분포, 대사, 배설의 속도와 정도를 정량적으로 파악한다. 특히 액체 크로마토그래피-질량 분석법 결합 시스템은 높은 선택성과 감도로 복잡한 생체 시료 내 목표 분석물을 분석하는 표준 방법으로 자리 잡았다. 이 데이터는 임상 시험 용량 설정과 안전성 평가의 근거가 된다.

또한, 질량 분석법은 표적 약물 전달 시스템의 평가나 생물학적 동등성 시험에서도 중요한 역할을 한다. 최근에는 고해상도 질량 분석법의 발전으로 대사 산물의 정확한 질량 측정을 통한 구조 추론이 더욱 정밀해졌으며, 이를 통해 약물 유도체의 반응성 대사 산물을 조기에 탐지하여 독성 가능성을 예측하는 데 기여하고 있다.

환경 분석 분야에서 질량 분석법은 대기, 수질, 토양 내 극미량의 오염물질을 검출하고 정량하는 데 핵심 도구로 활용된다. 특히 잔류성 유기오염물질(POPs), 중금속, 농약, 내분비계 장애물질 등의 모니터링에 적용된다. 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS)은 휘발성 유기 화합물 분석에, 액체 크로마토그래피 질량 분석법(LC-MS)은 비휘발성 및 열불안정성 화합물 분석에 각각 주로 사용된다. 이를 통해 환경 기준 준수 여부를 평가하고 오염원을 추적할 수 있다.

식품 분석에서는 안전성 평가와 품질 관리 목적으로 널리 사용된다. 잔류 농약, 동물용 의약품, 중금속, 식품 첨가물, 알레르겐, 그리고 위조 식품 탐지 등에 적용된다. 예를 들어, 액체 크로마토그래피 탠덤 질량 분석법(LC-MS/MS)은 다성분 농약 동시 분석의 표준 방법으로 자리 잡았다. 또한 유전자 변형 생물체(GMO) 표지 단백질이나 특정 DNA 단편의 분석에도 활용된다.

이러한 분석은 국제적 규제 기준(예: CODEX, EU 규정)에 부합하는 높은 정밀도와 정확도를 요구한다. 따라서 표준 물질을 이용한 교정과 엄격한 품질 보증/품질 관리(QA/QC) 절차가 동반된다. 최근에는 고해상도 질량 분석법(HRMS)의 보급으로 표적 분석뿐만 아니라 미지 화합물의 비표적 스크리닝도 가능해지며, 식품 및 환경 시료 내 새로운 위험 요소를 사전에 발견하는 데 기여하고 있다.

질량 분석법에서 MS/MS 또는 탠덤 질량 분석법은 두 개 이상의 질량 분석기를 직렬로 연결하여 분석의 선택성과 정보량을 크게 향상시키는 기술이다. 첫 번째 질량 분석기에서 특정 질량 대 전하비를 가진 모 이온을 선택한 후, 이를 충돌 등으로 단편화시켜 생성된 딸 이온들을 두 번째 질량 분석기로 분석한다. 이 과정은 특정 화합물의 구조를 해석하거나 복잡한 혼합물 속에서 목표 분석물을 선택적으로 정량하는 데 필수적이다.

MS/MS 실험의 일반적인 단계는 다음과 같다. 첫째, 시료가 이온화되어 다양한 모 이온을 생성한다. 둘째, 첫 번째 질량 분석기(또는 첫 번째 분석 단계)가 특정 m/z 값을 가진 하나의 모 이온 또는 이온 군을 선택적으로 분리한다. 셋째, 선택된 이온들은 충돌 셀과 같은 단편화 장치로 유도되어, 충돌 기체 분자와의 충돌 유도 해리 등의 과정을 통해 더 작은 딸 이온들로 부서진다. 마지막으로, 생성된 딸 이온 스펙트럼은 두 번째 질량 분석기에 의해 기록된다.

이 기술의 핵심 장점은 높은 선택성과 구조 정보 제공에 있다. 복잡한 생물학적 시료에서도 특정 모 이온만을 선택적으로 단편화함으로써, 배경 신호를 효과적으로 제거하고 목표 물질에 대한 민감한 검출이 가능해진다. 또한, 딸 이온 스펙트럼은 모 분자의 구조적 특징, 예를 들어 펩타이드의 아미노산 서열 정보를 직접적으로 제공한다. MS/MS는 정성 분석과 정량 분석 모두에 광범위하게 활용되며, 특히 단백질체학에서 펩타이드 서열 동정과 대사체학에서 미지 대사물의 구조 규명에 없어서는 안 될 도구이다.

이온 선택 및 단편화는 연질량분석법의 핵심 단계로, 특정 전하 대 질량비를 가진 모 이온을 분리하고 충돌 유도 해리와 같은 방법으로 분해시켜 구조 정보를 얻는 과정이다.

첫 번째 단계는 질량 분석기에서 생성된 이온들 중 분석 대상인 모 이온(Precursor Ion)을 선택적으로 분리하는 것이다. 이는 일반적으로 첫 번째 질량 분석기(MS1)에서 수행된다. 선택 방법은 사용하는 질량 분석기 유형에 따라 다르다. 예를 들어, 사중극자 질량 분석기에서는 네 개의 막대에 인가하는 교류 전압과 직류 전압의 비율을 조정하여 특정 m/z 값을 가진 이온만 통과시키고 나머지는 제거한다. 이온 트랩에서는 특정 주파수의 교류 전압을 가해 원하지 않는 이온들을 트랩 밖으로 배출시킨다.

선택된 모 이온은 이후 충돌 셀(Collision Cell)로 이동하여 단편화 과정을 겪는다. 가장 일반적인 단편화 방법은 충돌 유도 해리이다. 여기서 선택된 이온은 불활성 기체(예: 아르곤, 질소) 분자와 반복적으로 충돌하며 내부 에너지를 얻어 불안정해진다. 이 에너지는 분자 내 화학 결합을 끊어 더 작은 질량의 딸 이온(Daughter Ion 또는 Product Ion)들로 분해되게 한다. 단편화 패턴은 분자의 구조와 결합 강도에 의해 결정되므로, 생성된 딸 이온 스펙트럼은 모 분자의 구조를 추론하는 핵심적인 지문 역할을 한다. 다른 단편화 기술로는 전자 포획 해리, 광해리 등이 있으며, 이들은 펩타이드나 단백질과 같은 생체 고분자의 분석에 특화되어 있다.

이 과정을 통해 얻은 딸 이온 스펙트럼은 두 번째 질량 분석기(MS2)에서 다시 분석되어 최종 질량 스펙트럼을 생성한다. 이 선택적 단편화 능력은 복잡한 혼합물에서 특정 화합물을 정확하게 식별하고, 동위원소 라벨링 없이도 정량 분석을 가능하게 하는 등 연질량분석법의 높은 특이성과 정확도의 기반이 된다.

질량 분석법은 시료의 정성 분석과 정량 분석 모두에 활용되는 강력한 도구이다. 정성 분석은 시료에 어떤 물질이 존재하는지를 식별하는 것이며, 정량 분석은 그 물질의 양을 측정하는 것이다.

정성 분석은 주로 측정된 질량 대 전하비 값, 동위원소 패턴, 그리고 단편화 패턴을 데이터베이스의 표준 스펙트럼과 비교하여 화합물을 동정하는 방식으로 이루어진다. 특히 결합 기술을 이용한 MS/MS 분석은 모 이온을 선택적으로 단편화시켜 얻은 딸 이온 스펙트럼을 통해 화합물의 구조적 정보를 제공하므로, 혼합물 내에서도 특정 화합물을 확실하게 식별할 수 있게 한다. 이는 단백질체학에서 단백질을 동정하거나, 대사체학에서 미지의 대사산물을 발견하는 데 핵심적인 역할을 한다.

정량 분석은 일반적으로 내부 표준법을 사용하여 수행된다. 분석 대상 물질과 화학적 성질이 유사하지만 질량이 다른 안정 동위원소로 표지된 내부 표준 물질을 시료에 일정량 첨가한 후, 대상 물질과 내부 표준 물질의 신호 강도 비를 측정한다. 이 비율을 미리 작성한 검량선에 대입하여 원래 시료 중의 농도를 계산한다. 주요 정량 방식은 다음과 같다.

이러한 정량 기법은 약물 개발 과정에서 약물의 혈중 농도를 추적하거나, 환경 및 식품 분석에서 유해 물질의 미량을 정확하게 측정하는 데 필수적이다.

고해상도 질량 분석법은 질량 대 전하비(m/z) 값을 매우 정밀하게 측정하여, 목표 분석물의 정확한 분자식을 결정하거나 화학적으로 유사한 이온들을 구별할 수 있는 기술이다. 일반적으로 10,000 이상의 분해능을 가지며, 때로는 수십만에서 백만 이상의 분해능을 달성하기도 한다. 이는 질량 분석기의 설계와 작동 원리에 기인한다. 예를 들어, 푸리에 변환 이온 공명 질량 분석기나 오비트랩과 같은 질량 분석기는 매우 높은 분해능과 질량 정확도를 제공한다.

높은 분해능과 질량 정확도는 복잡한 샘플 분석에서 결정적인 이점을 제공한다. 동일한 정수 질량을 가진 서로 다른 분자식의 이온들을 구별할 수 있으며, 이를 통해 미지 화합물의 정확한 원소 조성을 추론할 수 있다. 또한, 동위원소 패턴을 더욱 명확하게 관찰하여 분석물의 신원을 확인하는 데 도움을 준다. 이러한 특성은 단백질체학에서 단백질 동정, 대사체학에서 미량 대사산물 발견, 환경 분석에서 잔류 오염물질 모니터링 등 다양한 분야에서 필수적이다.

고해상도 질량 분석법의 발전은 데이터 처리 및 해석 기술의 진보와 함께 이루어졌다. 방대한 고해상도 질량 스펙트럼 데이터를 효율적으로 처리하고, 화합물 데이터베이스와의 정확한 질량 매칭을 수행하기 위한 소프트웨어와 알고리즘이 개발되었다. 이는 특히 비표적 스크리닝 분석에서 미지 화합물을 체계적으로 발견하고 식별하는 데 핵심적인 역할을 한다. 최근에는 이러한 고성능 장비가 점차 소형화 및 자동화되어 더 넓은 범위의 실험실에서 접근 가능해지고 있다.

이동형 질량 분석기는 실험실 환경을 벗어나 현장에서 직접 분석을 수행할 수 있도록 설계된 휴대 가능한 장비를 의미한다. 기존의 실험실용 질량 분석법 장비는 크기가 크고, 진공 유지 및 안정적인 전원 공급이 필수적이어서 현장 적용에 제한이 있었다. 이동형 질량 분석기는 이러한 한계를 극복하기 위해 소형화, 경량화, 낮은 전력 소모 및 견고한 설계를 특징으로 한다. 주로 사중극자 질량 분석기나 이온 트랩 질량 분석기를 소형화한 형태가 많이 사용되며, 비행 시간 질량 분석기 기반의 모델도 개발되고 있다.

이 장비의 주요 응용 분야는 현장 보안, 환경 모니터링, 산업 공정 관리, 임상 진단 등이다. 예를 들어, 공항이나 항만에서 폭발물이나 마약과 같은 위험 물질을 신속하게 검출하는 데 사용된다. 환경 분야에서는 토양이나 대기 중의 휘발성 유기 화합물(VOCs)이나 오염 물질을 실시간으로 분석한다. 의료 현장에서는 환자의 호흡 가스를 분석하여 질병 바이오마커를 탐지하는 연구도 진행되고 있다[11].

이동형 질량 분석기의 발전은 소형 펌프와 배터리 기술, 고효율 이온화 소스, 강력한 임베디드 데이터 처리 시스템의 진보에 힘입어 가능해졌다. 그러나 여전히 실험실용 고성능 장비에 비해 질량 분해능이나 감도가 낮은 경우가 많으며, 복잡한 샘플 전처리 과정을 현장에서 수행하기 어렵다는 한계도 있다. 최근에는 전기 분무 이온화나 기질 보조 레이저 탈착 이온화와 같은 '소프트' 이온화 기법을 이동형 장비에 접목하려는 연구가 활발히 이루어지고 있어, 생체 분자와 같은 더 넓은 범위의 분석물 적용 가능성이 확대되고 있다.

질량 분석법의 처리량과 재현성을 높이기 위해 자동화 시스템이 광범위하게 도입되었다. 시료 전처리, 주입, 분석, 데이터 수집까지의 전체 워크플로우를 자동화하는 로봇 공학 시스템과 액체 크로마토그래피 (LC) 또는 기체 크로마토그래피 (GC)와의 온라인 결합이 핵심이다. 이를 통해 인간의 개입을 최소화하고, 실험실 간 변동성을 줄이며, 하루에 수백에서 수천 개의 시료를 처리하는 고처리량 분석이 가능해졌다.

데이터 처리 분야에서는 생정보학과 기계 학습의 발전이 분석 패러다임을 변화시켰다. 고해상도 질량 분석기에서 생성되는 방대한 양의 원시 데이터는 전용 소프트웨어를 통해 처리된다. 주요 과정에는 신호 처리, 피크 검출, 질량 대 전하비 (m/z) 보정, 동위원소 패턴 해석 등이 포함된다. 특히 단백질체학이나 대사체학과 같은 복잡한 샘플 분석에서는 데이터베이스 검색 알고리즘이 핵심적인 역할을 한다. 예를 들어, 단백질 동정은 측정된 펩타이드 질량 또는 단편화 스펙트럼을 이론적 데이터베이스와 비교하여 수행된다.

클라우드 컴퓨팅의 도입으로 대규모 데이터 저장과 분산 처리가 용이해졌으며, 오픈 소스 플랫폼과 표준화된 데이터 형식(예: mzML)의 사용이 확대되어 데이터 공유와 재현성을 향상시켰다. 이러한 자동화 및 지능형 데이터 처리 시스템은 정밀의학과 시스템 생물학 연구의 기반을 제공한다.