질량 분석기는 어디에 적용되나요?
질량분석기(Mass Spectrometer) 시장은 매우 크며 지속적으로 성장하고 있습니다.
질량분석기는 일반적인 분석 연구(Analytical Research) 분야에서 널리 사용되고 있으며, 최근에는 특히 식품 연구(Food Research) 분야에서 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
대표적인 예로는 다음과 같은 연구가 있습니다.
- 위스키의 숙성(Aging) 과정 연구
- 적포도주의 포도 산지를 판별하기 위한 성분 지문 분석(Fingerprinting)
또한 최근 빠르게 성장하고 있는 분야가 바로 바이오의약품 연구(Biopharmaceutical Research) 입니다.
이 분야에서는 질량분석기를 이용하여 다음과 같은 연구를 수행합니다.
- 단백질(Protein) 구조 분석
- 체내에서 단백질이 분해(Digestion)되는 과정 연구
- 생체 내 단백질 거동 분석
더욱 흥미로운 사실은 화성(Mars) 에도 질량분석기가 사용되고 있다는 점입니다. 질량분석기는 화성 탐사 장비에 탑재되어 있으며, 화성 토양(Martian Soil)의 성분을 분석하고 연구하는 데 활용되고 있습니다.
질량 분석기란 무엇인가요?
질량분석기(Mass Spectrometer)는 흔히 분자를 위한 저울(weighing scale for molecules) 에 비유됩니다.
모든 분자는 원자로 구성되어 있으며, 각 원자는 고유한 원자 질량(Atomic Mass) 을 가지고 있습니다. 질량분석기는 이러한 원자 또는 분자의 질량을 측정하는 장비입니다. 하지만 질량을 측정하기 전에 시료 내에 존재하는 원자나 분자들을 서로 분리해야 합니다. 이를 위해 먼저 원자나 분자에 전하를 부여하여 이온(Ion) 으로 만든 다음, 자기장(Magnetic Field)을 이용하여 이온의 이동 경로를 휘게 합니다.
이온이 가벼울수록 자기장의 영향을 더 많이 받습니다. 따라서 이동 경로의 굴절(Deflection)이 더 커집니다.
검출기(Detector)는 이온이 어디에 도달했는지를 측정하고, 이를 바탕으로 질량을 계산합니다.
원자 또는 분자를 이온으로 만드는 과정을 이온화(Ionization) 라고 하며, 이 과정이 일어나는 곳을 이온 소스(Ion Source) 라고 합니다. 시료의 특성(Matrix)과 생성하려는 이온의 종류에 따라 다양한 형태의 이온 소스가 사용됩니다.
질량 유량 제어(Mass Flow Control) 관점에서 보면 이온화 영역은 매우 중요한 부분입니다.
질량 분석기 회로도
대기압 케미컬 이온화
이온화 방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있습니다.
- 하드 이온화(Hard Ionization) : 하드 이온화 방식에서는 시료 분자를 강하게 에너지를 가하여 가열하고 분해합니다. 이 과정에서 분자는 원자 수준까지 분해될 수 있으며, 이를 통해 분자의 원자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
- 소프트 이온화(Soft Ionization) : 소프트 이온화 방식에서는 분자가 가능한 한 원래 형태를 유지합니다.따라서 분자 자체의 질량 정보(Molecular Mass Information)를 얻을 수 있습니다.
이 방법은 다음과 같은 분야에서 널리 사용됩니다.
- 식품 연구(Food Research)
- 제약 연구(Pharmaceutical Research)
- 바이오의약품 연구(Biopharmaceutical Research)
특히 지난 10여 년 동안 매우 빠르게 보급된 기술입니다.
가장 널리 사용되는 소프트 이온화 기술 중 하나가 전기분무 이온화(Electrospray Ionization, ESI) 입니다.
ESI 시스템은 다음과 같은 방식으로 동작합니다.
- 액체 크로마토그래피(LC) 등에서 공급된 액체 시료가 도입됩니다.
- 전하가 인가된 바늘(Charged Needle) 주변으로 가스를 흘려보냅니다.
- 액체는 매우 작은 액적(Droplet) 형태의 에어로졸(Aerosol Spray)로 분무됩니다.
- 여기에 반대 방향의 보조 가스(Counter Gas)를 공급합니다.
- 측정 대상이 아닌 대부분의 용매가 증발합니다.
- 전하를 띤 미세 액적만 질량분석기로 이동합니다.
전기분무 이온화에서 사용되는 질량 유량 컨트롤러와 증발 공정
전기분무 이온화(Electrospray Ion Source, ESI)에서 중요한 점은 액적(Droplet) 형성 과정과 용매 증발(Evaporation) 과정이 항상 일정하게 유지되어야 한다는 것입니다.
동일한 결과를 얻기 위해서는 매일, 그리고 설치 장소와 주변 환경이 달라지더라도 동일한 조건에서 공정이 수행되어야 합니다.이러한 재현성(Reproducibility)을 결정하는 중요한 요소 중 하나가 바로 가스 유량(Gas Flow) 입니다.
분무 가스(Nebulizer Gas)와 증발 가스(또는 건조 가스, Evaporation/Drying Gas)에 질량 유량 컨트롤러(MFC)를 사용하면, 이온화 소스는 항상 일정하고 재현성 있는 가스 유량을 공급받을 수 있습니다.
브롱호스트의 솔루션 부서는 분석 장비용으로 콤팩트한 가스 공급 모듈(Compact Gas Module) 을 설계할 수 있습니다. 또한 압력 스위치(Pressure Switch)와 차단 밸브(Shut-off Valve)를 유량 채널과 통합할 수 있습니다.
이를 통해 질량분석기에 적합한 소형 가스 핸들링 모듈(Gas Handling Module) 을 구성할 수 있습니다. 질량분석기는 일반적으로 설치 공간(Footprint)이 매우 제한적입니다.
통합형 가스 모듈을 적용에 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 설치 공간 절약
- 배관 단순화
- 시스템 통합 용이
- 설계 유연성 향상
또한 전체 매니폴드(Manifold)는 고객에게 출하되기 전에 누설 시험(Leak Test) 및 압력 시험(Pressure Test) 수행할 수 있습니다. 따라서 현장에서 개별 부품을 연결하는 방식에 비해 누설 발생 가능성을 크게 줄일 수 있습니다
전기분무 이온화(Electrospray Ion Source)
