질량분석법 원리 (mass spectrometry, MS) (질량분석기, 질량분석기, 기체 액체 크로마토그래피, MALDI-TOF, 말디토프)

전하를 띤 물질은 전기장 하에서 움직이는데, 이 운동의 크기는 물질의 질량 대 전하비 (mass-to-charge ratio, m/z)에 따라 결정된다.

대부분의 이온들은 일정한 전하량을 갖고 있기 때문에 m/z값은 각 이온의 질량을 반영한다.

즉 물질이 움직인 거리나 비행시간 (time of flight, TOF)을 알면 질량을 구할 수 있다.

질량분석기 (질량분석계)는 특정 화합물을 주입구에 넣고 조각화 (fragmentation) 및 이온화 (ionization) 단계를 거치고 전기장을 걸면 관 내에서 이동하게 되고, 이동하고 있는 각 이온 조각들은 검출기에서 질량별로 분류한다.

질량분석기 (mass spectrometer)는 이온화 장치, 질량 대 전하비 분석기, 검출기로 구성되어 있다.

분석 단계는 이온화 단계, 질량 대 전하비 분석 단계, 검출 단계로 나뉜다.

1) 이온화 단계 (ionization)

전자이온화 (electron ionization, EI)와 화학이온화 (chemical ionization, CI)는 가스크로마토그래피 (gas chromatography)로부터 시료 기체를 주입받는 질량분석기에 많이 사용된다.

고성능액체크로마토그래피-질량분석기 (high performance liquid chromatography-mass spectrometer, HPLC-MS)에서 사용되는 이온화방법은 electrospray ionization (ESI), atmospheric pressure chemical ionization (APCI), atmospheric pressure photoionization (APPI)가 사용된다.

그 외 이온화방법에는 inductively coupled plasma (ICP), matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI), atmospheric pressure matrix-assisted laser desorption ionization (AP-MALDI), surface-enhanced laser desorption ionization (SELDI) 등이 있다.

2) 질량 대 전하비 분석 단계 (mass analysis)

이는 크게 빛살형 (beam-type)과 트랩형 (trapping-type) 장비가 있다.

- 빛살형 장비

빛살형 장비에서는 이온이 장비를 통과하여 지나가서 검출기에 닿으면 파괴된다.

이온이 들어가서 검출기에서 측정될 떄까지의 시간은 마이크로 초 (microsecond)에서 밀리 초 (millisecond) 정도 걸린다.

Quadruple 분석기와 magnetic sector 분석기, 비행시간 분석기 (time of flight, TOF analyzer) 등이 대표적인 장비이다.

빛살형 장비는 크게 두 가지로 나뉘는데, 이동시간 동안의 m/z 범위를 스캔하여 질량스펙트럼을 발생시키는 장비 (quadrupole, magnetic sector)와 질량스펙트럼의 순간 스냅사진 (snapshot)을 연속적으로 얻는 장비가 있다.

Quadrupole 분석기에서는 직류 전기와 일정 규모의 고주파 전압을 두 쌍의 금속막대에 걸어주면 특정 m/z비를 가진 이온만 곧장 막대 사이를 통과하여 검출기에서 측정되고, 다른 이온들은 불안정하게 움직이다가 막대쪽으로 붙어버린다.

비행시간분석기는 금속튜브로 이루어져 있어서 MALDI 또는 SELDI로부터 나온 이온을 검출기로 이동시키며 m/z값에 의해 분리한다.

낮은 m/z값의 이온은 높은 m/z값의 이온보다 검출기에 빨리 도달한다.

- 트랩형 장비

트랩형 장비에서는 이온이 자성, 정전기, 고주파 전기장 효과에 의해 좁고 사방이 막힌 공간에 머무른다.

머무르는 시간은 수 초에서 수 분 정도이다.

매우 낮은 농도의 검체에서도 full mass spectra를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Quadrupole ion trap, linear ion trap, ion cyclotron resonance, orbitrap 등의 방법이 이에 속한다.

* 직렬 질량분석기 (tandem mass spectrometer, MS/MS)

질량분석기 두 대가 직렬로 연결된 형태이다.

임상검체 정량검사에 광범위하게 적용할 수 있으며 구성물의 구조적 특징을 확인하는 데에도 탁월하다.

매우 낮은 농도의 분석물질도 높은 특이도로 검출할 수 있다.

3) 검출 단계 (detection)

전자증배관 (electron multiplier)과 이온-광자 변환검출기 (ion-photon conversion detector)로 이루어져 있다.

* 질량분석기의 임상적 적용

질량분석기는 기체 및 액체크로마토그래피와 연결할 수 있어서, 크로마토그래피의 정교한 특이도와 질량분석기의 낮은 검출한계 (ng ~ pg 수준)의 장점을 모두 가질 수 있다.

임상 검사실에서 유기분석물질을 정량분석하는데에 유용하다.

1) 기체크로마토그래피-질량분석기 (GC-MS)

표준참고물질 (standard reference material)의 질평가를 위한 확정방법 (definitive method) 개발에 사용된다.

포도당, 콜레스테롤, 크레아티닌, 요소질소 등의 임상 분석물질에 대한 보증수치 (certified value)를 부여할 때에도 사용된다.

특히 분자량이 작고 비극성이며 휘발성 성질을 지닌 약물, 유기산 농도 측정에 유용하다.

2) 액체크로마토그래피-질량분석기 (LC-MS)

저분자량의 극성, 비극성 물질 뿐아니라 단백질 등의 고분자량 물질도 분석할 수 있다.

면역억제약물 (immunosuppressant), 생체아민 (biogenic amines), 25(OH)-vitamin D, 항레트로바이러스 약물, 정신작용 약물 (psychoactive drug), methylmalonic acid (MMA), 갑상선 호르몬, 스테로이드, 아미노산 측정이 많이 사용된다.

유전질환과 선천성 대사이상 선별 및 확진에도 사용된다.

3) 매트릭스-보조 레이저 분리 이온화-질량분석기 (MALDI-MS)

주로 비행시간 (TOF) 분석기와 결합하여 MALDI-TOF MS 형태로 사용된다.

펩티드 질량 지문법 (peptide mass fingerprinting)을 통해 단백질과 펩티드의 검출 및 확인 분야에서 많이 사용되어 왔으나, 배경신호 (background signal)가 높고 변동계수가 높은 한계점이 있으며, batch type 프로세스만 가능하여 HPLD 등의 online separation은 할 수 없다.

세균 등의 유기체의 확인에 많이 사용되고 있다.

4) 유도결합 플라즈마 질량분석기 (inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)

다양한 임상 검체에서의 미량원소 및 독성원소 농도 측정에 주로 사용된다.

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기체 및 고속액체크로마토그래피와 결합하면 개별 원소 중 독성 부분의 농도까지도 측정할 수 있다.

Reference

Laboratory medicine, 5th ed.

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