본문내용
1. GC-MS를 이용한 소변 중 대사체 분석
1.1. GC-MS 기계적 구성요소
1.1.1. Interface(시료주입부)
Interface(시료주입부)는 GC-MS 기계적 구성요소 중 하나로, MS로 시료를 도입하는 부분이며 압력을 유지하는 역할을 한다.
GC 컬럼의 한쪽이 검출기와 연결되는 것처럼 MS 내의 이온 발생원까지 컬럼이 연결되어 있으며, 온도도 매우 높은 수준으로 유지된다. 일반적으로 시료 분자는 대기압에서 진공 상태로 시료 주입부를 통해 이동하게 된다.
이를 통해 압력 차이가 형성되어 분자가 이온화되고 분석되는 과정이 이루어진다. 따라서 Interface는 고온 고압 상태에서 시료를 안정적으로 유입시키는 핵심 역할을 수행한다고 할 수 있다.
1.1.2. Ion source(이온 발생원)
Ion source(이온 발생원)은 GC-MS 기기에서 시료 분자를 이온화하는 핵심 부품이다. 시료분자가 기체 형태로 인터페이스를 통해 진공상태의 ion source에 도입되면, 여기서 다양한 이온화 방법을 통해 분자가 이온화된다. 이온화된 분자는 질량분리기로 이동하여 질량에 따라 분리된다.
이온 발생원에서는 주로 EI(Electron Ionization)와 CI(Chemical Ionization) 방식을 사용한다. EI 방식은 고에너지 전자와 분자가 충돌하여 이온화되는 방식으로, 분자가 파편화되어 다양한 이온 피크를 발생시킨다. 반면 CI 방식은 시료분자와 화학반응을 통해 이온화되므로, 분자가 덜 파괴되어 분자량 피크가 크게 나타난다. 따라서 분자량 정보가 필요한 경우 CI 방식이 유리하다.
이온화된 분자는 진공상태에서 전기장 또는 자기장의 영향을 받아 분리되므로, 이온 발생원의 최적화된 설계와 작동조건 유지가 중요하다. 이온 발생원의 온도, 압력, 전압 등 다양한 변수들이 이온화 효율과 이온 특성에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 시료와 분석 목적에 맞는 이온화 기법을 선택하고, 이온 발생원의 최적 조건을 실험을 통해 확립하는 것이 GC-MS 분석에서 중요한 부분이라고 할 수 있다.
1.1.3. Analyzer(질량에 따른 분리기)
Analyzer(질량에 따른 분리기)는 GC-MS의 주요 구성요소 중 하나로, 이온화된 분자를 질량에 따라 분리하는 역할을 한다.
이온화된 분자들은 자기장이나 전기장이 형성된 Analyzer 내부로 이동하게 되는데, 질량-전하비(m/z)에 따라 분리된다. 즉, 질량이 작고 전하가 큰 이온은 자기장이나 전기장에 의해 더 많은 힘을 받아 빨리 움직이게 되어 먼저 검출기에 도달하게 되며, 질량이 크고 전하가 작은 이온은 힘을 적게 받아 늦게 도달하게 된다. 이러한 원리로 Analyzer에서는 이온들이 질량에 따라 분리된다.
대표적인 Analyzer 방식으로는 Quadrupole, Ion trap, Time-of-flight(TOF) 등이 있다. Quadrupole Analyzer는 4개의 막대 전극으로 구성되어 있으며, 전극에 인가되는 DC와 RF 전압의 비율에 따라 특정 m/z 값을 가진 이온만을 통과시키는 원리이다. Ion trap Analyzer는 원통형의 내부 전극과 환형 전극으로 이루어져 있어, 이온들을 공간상에 가두었다가 원하는 m/z 범위의 이온들만 순차적으로 방출시키는 방식이다. TOF Analyzer는 이온들이 진공상태의 비행관을 통과할 때 질량에 따른 비행시간 차이를 이용하여 분리하는 방식이다.
Analyzer에서 분리된 이온들은 최종적으로 Detector에 도달하여 검출되며, 이때의 신호 세기와 m/z 비를 이용하여 시료 내 물질의 종류와 양을 분석할 수 있다.
이와 같이 Analyzer는 GC-MS 장비에서 핵심적인 역할을 담당하며, 분리능과 분해능 등의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 분석 목적과 시료 특성에 맞는 최적의 Analyzer 방식을 선택하는 것이 중요하다.
1.1.4. Detector(검출기)
Detector(검출기)는 GC-MS에서 특정 물질을 검출하고 그 신호를 증폭하여 데이터 시스템으로 전달하는 역할을 한다.
Detector의 종류에는 열전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector, TCD), 불꽃 이온화 검출기(Flame Ionization Detector, FID), 전자포획 검출기(Electron Capture Detector, ECD), 질량 분광계(Mass Spectrometer, MS) 등이 있다. 이 중 질량 분광계(MS)가 가장 일반적으로 사용되는데, 이온화된 분자들을 질량전하비(m/z)에 따라 분리하여 검출하기 때문에 정성 및 정량분석에 탁월한 성능을 보인다.
질량 분광계에서는 이온화된 분자들이 자기장이나 전기장을 통과하면서 질량에 따라 분리되어 검출기에 도달하게 된다. 여기서 검출기는 입사하는 이온들의 전류를 증폭하여 컴퓨터로 전송하며, 이 신호가 질량 스펙트럼을 구성하게 된다. 따라서 검출기의 성능은 GC-MS 시스템의 감도와 재현성에 매우 중요한 영향을 미친다.
최근에는 질량 분광계의 감도를 높이기 위해 전자증폭관(Electron Multiplier), 섀도우 마스크(Shadow mask) 등의 검출기 기술이 발전하고 있다. 또한 검출기의 종류와 특성에 따라 적절한 분석 조건을 설정하여 분석 목적에 맞는 최적의 성능을 발휘하도록 활용하고 있다.
1.1.5. Vacuum system(진공장치)
GC-MS의 진공장치인 Vacuum system은 GC-MS의 기계적 구성요소 중 하나이다. GC-MS의 Ion source, Analyzer, 그리고 Detector는 모두 진공상태로 유지되어야 하므로, Vacuum system은 매우 중요한 역할을 한다.
Vacuum system은 GC-MS 내부를 진공상태로 유지시키는 역할을 담당한다. GC-MS에서 물질을 이온화하고 질량에 따라 분리하는 과정은 대기압 하에서는 이루어질 수 없다. 따라서 Ion source, Analyzer, Detector 등의 부분을 진공상태로 유지해야 한다. 이를 위해 저진공용 펌프와 고진공용 펌프가 사용된다. 저진공용 펌프는 대기압에서부터 약 10^(-3)Torr 수준의 진공을 만들어내며, 고진공용 펌프는 10^(-3)~10^(-6)Torr의 진공상태를 유지한다.
저진공용 펌프로는 일반적으로 회전식 진공펌프(rotary vacuum pump)가 사용되며, 고진공용 펌프로는 확산펌프(diffusion pump) 또는 터보펌프(turbomolecular pump)가 사용된다. 회전식 진공펌프는 기계적인 회전 동작으로 기체를 배출하여 진공을 만들어내며, 확산펌프와 터보펌프는 고속 회전을 통해 기체를 펌핑해 내어 고진공을 달성한다.
이처럼 GC-MS의 Vacuum system은 이온화와 질량분석이 원활히 이루어질 수 있도록 필수적인 역할을 수행한다. 진공상태가 유지되지 않으면 분석이 불가능하므로, Vacuum system의 안정적이고 지속적인 작동은 GC-MS 분석의 핵심 요소라고 할 수 있다.
1.1.6. Data system(컴퓨터)
데이터 시스템(컴퓨터)은 GC-MS 분석 시 결과를 정성하는데 중요한 기능을 한다. 소프트웨어에는 화학물질의 분광학적 자료가 DB화되어 있어, 시료에서 얻은 질량 스펙트럼을 DB에 있는 스펙트럼 자료와 비교하여 어느 물질인지 찾아내는 것이다. 이 DB는 'library'라고 하며 대상물질에 따라 다양한 library가 필요하다. 데이터 시스템은 GC-MS 분석 결과를 정성 및 정량하는데 필수적이며, 이를 통해 분석 대상 물질을 동정하고 농도를 산출할 수 있다. 따라서 데이터 시스템은 GC-MS 분석에서 매우 중요한 구성요소라고 할 수 있다.
1.2. GC-MS의 작동원리
GC-M...
