오늘은 MALDI 질량분석법에서 나타나는 두 가지 흥미로운 이온 분해 현상인 ‘이온화지역내 분해(In-source decay, ISD)’와 ‘이온화지역 이후 분해(Post-source decay, PSD)’에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
MALDI와 이온 분해 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)
MALDI와 이온 분해 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)는 매트릭스를 이용해 시료를 이온화시키는 연이온화 방식입니다. 매트릭스는 레이저 에너지를 흡수하여 시료를 기체 상태로 만들고 이온화를 도와줍니다. 이 과정에서 분자 내부의 에너지 증가로 인해 이온 분해가 일어나게 되는데, 이는 크게 ‘이온화지역내 분해(ISD)’와 ‘이온화지역 이후 분해(PSD)’로 나눌 수 있습니다.
이온화지역내 분해(In-source decay, ISD)
ISD는 MALDI 이온화 과정에서 모분자가 가속되기 전, 이온화 지역 내에서 빠르게 파편화되는 현상을 말합니다. 이 과정에서 수소 라디칼이 펩타이드로 이동하여 라디칼 이온을 형성하게 되고, 이로 인해 c, z 형식의 이온들이 주로 생성됩니다. ISD는 일반적인 MALDI로는 관찰하기 어려운 파편이온들도 검출할 수 있어 biomolecule의 구조 분석에 유용합니다. ISD를 잘 일으키는 물질로는 2,5-DHB, CHCA, 1,5-DAN, 5-ASA 등이 알려져 있습니다.
다시 말해서, 이온화지역내 분해(In-source decay, ISD) ISD는 MALDI 이온화 과정에서 모분자가 가속되기 전, 이온화 지역 내에서 빠르게 파편화되는 현상을 말합니다. 이는 레이저 에너지를 흡수한 매트릭스와 시료 분자가 기체 상태로 방출되면서 일어나는 일련의 화학적 변화에 의해 유발됩니다.
구체적으로, MALDI 이온화 과정에서 생성된 전자, 양성자, 라디칼 등이 시료 분자와 상호작용하면서 분자 내 결합의 균열을 일으킵니다. 특히, 수소 라디칼(H·)이 펩타이드의 펩타이드 결합에 첨가되면서 c, z 형식의 파편 이온을 형성하게 됩니다. 이는 전자 캡처 해리(Electron Capture Dissociation, ECD)나 전자 전달 해리(Electron Transfer Dissociation, ETD)와 유사한 메커니즘으로 알려져 있습니다.
ISD로 인해 생성되는 c, z 이온들은 펩타이드의 아미노산 서열을 해석하는데 중요한 정보를 제공합니다. 또한, a, b, y 타입의 이온들도 소량 생성될 수 있습니다. ISD 효율은 사용되는 매트릭스의 종류에 따라 크게 달라지는데, 2,5-DHB, 1,5-DAN, 5-ASA 등이 ISD에 효과적인 것으로 알려져 있습니다. 이들은 활성 수소를 풍부하게 가지고 있어 수소 라디칼을 효과적으로 공급할 수 있기 때문입니다.
ISD는 빠르고 간단하게 펩타이드 서열을 확인할 수 있는 장점이 있습니다. 특히, 시료의 양이 제한적이거나 LC 분리 없이 빠른 분석이 필요한 경우에 유용합니다. 또한, 단백질 C-말단 서열 분석, 번역 후 변형(Post-translational modification) 위치 파악 등에도 활용될 수 있습니다. 다만, ISD 효율이 시료의 특성에 따라 크게 달라질 수 있고, 스펙트럼이 복잡하여 해석이 쉽지 않은 단점도 있습니다.
요약하면, ISD는 MALDI 이온화 과정 중 매트릭스와 시료 분자의 상호작용에 의해 빠르게 일어나는 이온 분해 현상으로, 생성된 c, z 이온들을 통해 펩타이드 서열을 해석할 수 있는 유용한 분석 방법입니다. 적절한 매트릭스의 선택과 스펙트럼 해석 기술의 발전으로 ISD의 활용도는 더욱 높아질 것으로 기대됩니다.
이온화지역 이후 분해(Post-source decay, PSD)
PSD는 MALDI에서 생성된 이온들이 비행 경로 상에서 내부에너지 증가로 인해 파편화되는 현상입니다. 레이저 빛을 흡수한 이온들은 비행 중 잔류 에너지로 인해 분해될 수 있습니다. 하지만 일자형 비행시간 분석기에서는 PSD로 인한 파편이온의 질량을 정확히 측정할 수 없다는 단점이 있습니다. 이를 극복하기 위해 reflectron이라는 장치를 사용하기도 합니다.
MALDI TOF/TOF PSD의 단점을 보완하기 위해 개발된 방법이 MALDI TOF/TOF입니다. 비행 경로 상에 충돌셀을 두어 선택된 이온을 분해할 수 있습니다. 이때 충돌에 의해 a, b, y 타입의 파편 이온들이 주로 생성됩니다. TOF/TOF 방식은 PSD에 비해 향상된 질량 정확도와 감도를 가지며, 질량 선택적 이온 분해가 가능하다는 장점이 있습니다.
ISD, PSD, MALDI TOF/TOF 등 MALDI 기반의 다양한 이온 분해 방법들은 biomolecule의 구조를 규명하는데 강력한 도구로 활용되고 있습니다. 앞으로도 질량분석 분야에서 새로운 연구 성과들이 기대되는 흥미로운 주제라고 할 수 있겠네요!
키워드 및 과학용어 설명:
- MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization): 매트릭스를 이용해 시료를 이온화시키는 연이온화 질량분석법
- ISD(In-source decay): MALDI 이온화 과정 중 이온화 지역 내에서 일어나는 빠른 이온 분해 현상
- PSD(Post-source decay): MALDI에서 생성된 이온들이 비행 경로 상에서 분해되는 현상
- Fragment ion: 이온 분해로 인해 생성되는 작은 이온 조각들
- TOF/TOF: 비행시간 질량분석기를 직렬로 연결하여 이온을 선택적으로 분해할 수 있는 질량분석 방법
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