MALDI-MS의 핵심, 비행시간 질량분석기의 발전 과정

MALDI-MS에서 가장 많이 사용되는 질량분석 검출기인 비행시간 질량분석기(Time-of-Flight Mass Spectrometer, TOF-MS)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

질량분석기의 역사는 1913년 J. J. Thomson의 책 “Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analysis”로 거슬러 올라갑니다. 초기에는 주로 전기장과 자기장을 이용해 이온의 움직임을 조절하고 측정하는 방식이 사용되었죠.

1948년, Cameron과 Eggers는 “velocitron”이라 불리던 비행시간 질량분석기를 개발합니다. 이 장치는 펄스 형태로 이온을 가속시키는 비자기장 방식이었습니다. 초기 모델은 10m의 비행경로와 +480V의 가속전압을 사용했고, 반사판으로 이온 패킷을 생성했습니다.

1953년, Wolff와 Stephens는 좀 더 발전된 형태의 TOF-MS를 선보입니다. 1m의 비행경로와 +300V의 가속전압을 사용했고, 펄스 전자빔으로 이온 패킷을 생성했죠. 비행경로가 짧아졌음에도 질량분해능은 2에서 20으로 크게 향상되었습니다.

1955년, Katzenstein과 Friedland는 수직방향 전자빔 소스와 게이트형 이온검출기를 도입해 질량분해능을 100까지 높였습니다. 그러나 여전히 TOF-MS의 성능은 부족했는데, 그 원인은 이온 패킷 내 분자이온들의 초기속도와 공간적 분포가 컸기 때문이었죠.

이런 한계를 극복하기 위해 1955년 Wiley와 McLaren은 두 가지 혁신을 도입합니다. 첫째는 직교 가속(Orthogonal Acceleration, OA) 방식으로, 이온의 비행 방향과 수직으로 가속전기장을 걸어 초기속도 분포를 최소화했죠. 둘째는 시간 지연 포커싱(Time-lag Focusing)으로, 이온 생성 시간과 가속 시간 간격을 최적화해 속도 분포를 줄였습니다.

이 두 방법을 통해 가속 전기장 출구에서 멀리 있던 이온이 출구 가까이에 있던 이온을 따라잡을 수 있게 되어, 최종 검출기에 도달하는 시간 차이가 줄어들었습니다. 그 결과 질량분해능은 300까지 향상되었죠. 이렇게 Wiley와 McLaren이 개발한 TOF-MS의 구조는 현대 TOF-MS의 기반이 되었습니다.

1957년, Bendix社는 최초의 상용 TOF-MS를 출시합니다. 1m 비행경로, +2800V 가속전압을 가졌고, 초당 10,000개의 스펙트럼을 얻을 수 있었죠. 상용 TOF-MS의 보급으로 많은 과학자들이 장비를 개선할 수 있게 되면서 질량분석기의 발전은 더욱 가속화되었습니다.

오늘날 TOF-MS는 MALDI 이온화 방식과 함께 생체고분자 분석에 널리 사용되고 있습니다. 앞으로도 TOF-MS의 성능 향상을 위한 노력은 계속될 것이며, 이는 생명과학 연구의 발전에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

과학용어 풀이집 –

질량분석 검출기 (Mass Analyzer): 이온들을 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리하는 장치.
- 전기장이나 자기장을 이용해 이온의 움직임을 조절하고 측정함으로써 질량을 분석합니다.
비행시간 질량분석기 (Time-of-Flight Mass Spectrometer, TOF-MS): 이온의 비행시간 차이를 이용해 질량을 분석하는 장치.
- 이온을 가속시킨 후 진공관을 통과하게 하고, 비행시간을 측정해 질량을 결정합니다.
질량분해능 (Mass Resolution): 질량분석기가 인접한 질량의 이온을 구별할 수 있는 능력.
- 질량분해능이 높을수록 비슷한 질량의 이온을 더 잘 구분할 수 있습니다.
직교 가속 (Orthogonal Acceleration, OA): 이온의 비행 방향과 수직으로 가속전기장을 걸어주는 방식.
- 이온 패킷 내 이온들의 초기속도 분포를 최소화하여 질량분해능을 향상시킵니다.
시간 지연 포커싱 (Time-lag Focusing): 이온 생성 시간과 가속 시간의 간격을 최적화하는 방법.
- 이온의 초기 위치에 따른 속도 차이를 보정하여 질량분해능을 높입니다.

MALDI-MS의 핵심, 비행시간 질량분석기의 발전 과정

과학용어 풀이집 –

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