KR100442008B1 - 전기분무 질량 분광 분석 방법 및 그의 장치 - Google Patents

Abstract

용매를 함유하고 있으며 분무 미세 튜브로부터 도출되는 분석할 시료를 저온 기화용 불활성 가스(A)로 냉각하고, 용매제거용 챔버 (7) 또는 이온원 차폐 (8)을 액체 질소로 냉각하면서 시료의 이온화 및 질량 분광 분석을 수행하는 것을 포함하는 전기분무 이온화 질량 분광 분석 방법; 및 상기 방법을 위한 장치. 상기 방법은 불안정한 유기금속 착물 또는 고분자 유기 화합물의 분자 이온 또는 조각 이온의 질량을 정확하게 분석하는데 사용될 수 있다.

Description

전기분무 질량 분광 분석 방법 및 그의 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ELECTROSPRAY MASS SPECTROMETRIC ANALYSIS}

이러한 기술 분야에 관련된 종래의 기술은, 예를 들어, 하기의 문헌에 기술되어 있다:

(1) F. Bitsch, C. O. D. Buchecker, A. K. Khemiss, J. P. Sauvage, A. V. Dorsselaer,J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4023∼4025;

(2) D. C. Buchecker, E. Leize, J. F. Nierengarten, J. P. Sauvage, A. V. Dorsselaer,J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 2257∼2258; 및

(3) D. Whang, K. M. Park, J. Heo, P. Ashton, K. Kim,J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 4899∼4900.

액체 도입 전기분무 이온화(ESI) 장치는 단백질과 같은 생체고분자; 유기금속 착물; 등의 분자 구조를 분석하기 위해 개발되어왔다.

유기금속 화합물- 자가조립을 통해 형성되는, 전이금속을 함유한 고차 초분자를 포함 -이 관심의 대상이 되어왔다[참조, (1) F. Bitsch, C. O. D. Buchecker,A. K. Khemiss, J. P. Sauvage, A. V. Dorsselaer,J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4023∼4025; (2) D. C. Buchecker, E. Leize, J. F. Nierengarten, J. P. Sauvage, A. V. Dorsselaer,J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 2257∼2258; (3) D. Whang, K. M. Park, J. Heo, P. Ashton, K. Kim,J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 4899∼4900; 및 (4) M. Fujita, K. Ogura,Coord. Chem. Rev., 1996, 148, 249∼264].

이들 화합물은 특성 및 상세한 분자 구조에 관하여, 주로 X선 결정학 및 핵자기공명(NMR) 분광학을 통해 분석되어왔다.

발명의 개요

그러나, 정확한 X선 결정 구조 분석을 위한 충분한 순도를 갖는 단결정은 통상적으로 얻기 힘들다. 예를 들어, 용액 중에 용해된 분자가 빠른 상호변환을 하거나 또는 초자성을 나타내는 금속성 원자를 함유하는 경우, NMR 분광학은 용해된 상태에 있는 분자를 특성화하는데 유용하지 않다. 질량 분광법은 용액 상태의 이같은 금속 착물을 효과적으로 분석할만한 다른 후보 방법이다. 그러나, 단지 몇몇 경우의 효과적인 질량 분광 분석만이 보고되어왔다(전술한 간행 문헌 (1) 내지 (3) 참조). 이들 금속 착물은 통상적으로 이온화를 야기하기 위한 충격 또는 열에 대해 불안정하기 때문에, 고속원자충돌(FAB) 또는 전기분무 이온화(ESI)를 통한 보다 온화한 이온화가 사용될지라도, 그러한 착물의 불량한 안정성은 문제를 나타낸다.

상술한 내용의 관점에서, 본 발명의 목적은 불안정한 유기금속 착물의 특성을 정확하게 분석할 수 있는 전기분무 이온화 질량 분광 분석용 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 상기 분석을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기를 제공한다.

[1] 용매를 함유하는 분무용 세관(細管)으로부터 도출되게 되는 분석대상인 시료용액을 기화용 가스로 냉각하면서 분무하고, 상기 분무된 시료용액을 용매제거용 챔버 및 이온원(源) 차폐를 냉각하면서 이온화함으로써, 상기 시료의 질량을 분석하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[2] [1]에 있어서, 기화용 가스 및 이온원 차폐는 액체 질소 온도 내지 실온 범위의 저온으로 유지되는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[3] [1]에 있어서, 분석대상인 시료는 유기 화합물인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[4] [1]에 있어서, 기화용 가스는 네블라이저 가스(nebulizer gas)인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[5] [1]에 있어서, 기화용 가스는 질소 가스와 같은 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[6] [1]에 있어서, 물 또는 무극성 유기용매(예컨대, H₂O, CH₃CN, CHCl₃)를 용매로서 사용하여, 분자구조를 분석하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.

[7] 용매를 함유하는 분석대상인 시료 용액을 도출하는 분무용 세관; 분무용 세관과 동축이고 냉각 가스를 통과시키는 시이스(sheath)관; 냉각된 용매제거용 챔버 및 이온원 차폐; 및 용매를 사용하여 분석대상인 시료를 이온화하여, 시료의 질량을 분석하는 질량분석계를 포함하며, 전기분무에 의해 형성된 이온원을 용매제거용 챔버 및 이온원 차폐에 직접 액체질소를 분무하여 냉각하면서 상기 이온원을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석장치.

[8] [7]에 있어서, 냉각 가스는 불활성 가스를 냉각하는 장치에서 처리된 후에 시이스관에 도입되는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석장치.

본 발명은 전기분무(electrospray) 질량분광분석을 수행하기 위한 방법 및 상기 분석을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 한 구현예에 따른 저온 전기분무 프로브(probe)의 도식도를 보여준다.

도 2 는 구현예에 따라 저온에서 전기분무하는 이온화 단계의 도식도를 보여준다.

도 3 은 구현예에 따라 저온 전기분무 질량분광분석에 사용되는 자가조립 유기금속 착물의 화학 구조를 보여준다.

도 4 는 본 발명에 따라 얻어진 전형적인 분석 결과(화합물 b)를 나타내는 질량 스펙트럼을 보여준다.

도 5 는 구현예에 따라 CH₃CN 중에 용해된 CsI 용액을 분석하여 얻은 [Cs]⁺대 [Cs + CH₃CN]⁺의 강도비의 온도의존성을 나타내는 도표를 보여준다.

다음으로, 본 발명을 수행하기 위한 양식을 상세히 기술할 것이다.

불안정하고 및/또는 이온을 함유하는 유기금속착물의 분자 이온을 검출하기 위해, 본 발명은 저온 분무; 액체 도입 및 전기분무; 또는 이온 분무(IS)를 사용하는 것에 의한 실용적인 저온 이온화 방법을 제공한다.

도 1 은 본 발명의 한 구현예에 따른 저온 전기분무 프로브의 도식도를 보여주고, 도 2 는 전기분무에 의한 이온화의 양상에 대한 도식도를 보여준다.

도 1 및 2 에서, 참조 번호 1 은 저온 전기분무 이온화를 수행하기 위한 프로브를 나타내고; 참조 번호 2 는 시이스(sheath)관을 나타내며; 참조 번호 3 은 분무 이온화를 수행하기 위한 세관(시료용액 도입용 세관(細管)을 나타내고; 참조 번호 4 는 하전된 액적을 나타내며; 참조 번호 5 는 질량분석계에 연결되어 있는 이온인출용 전극을 나타내고; 참조 번호 6 은 기화용 (건조) 가스 (N₂)를 냉각하기 위한 장치를 나타내며; 참조 번호 7 은 용매제거용 챔버를 나타내고; 참조 번호 8 은 이온원 차폐를 나타내며; 참조 번호 9 는 액체 질소 분무용 노즐을 나타내고; 참조 번호 10 은 액체 질소를 나타낸다.

구체적으로, N₂가스는 기화용 가스를 냉각하기 위한 장치 6 에 의해 대략 -100℃까지 냉각되며, 분석대상인 시료 용액은 대략 -20℃에서 분무된다. 도 2 에서, 참조 기호 A 는 저온 N₂가스를 나타내고 참조 기호 B 는 분석대상인 시료용액을 나타낸다.

도 2 에 나타낸 바와 같이, 기화용 가스(네블라이저 가스); 예컨대 질소는, 기화용 가스(질소)를 냉각하기 위한 장치(6)를 통과한 후, 전기분무기로 도입되어, 세관(3) 및 분무기 그 자체를 저온으로 유지시킨다. 이온화 동안, 용매제거용 챔버(7) 및 이온원 차폐(8)는, 액체질소 분무용 노즐(9)로부터 액체 질소를 분무함으로써, 대략 15℃ 이하로 유지된다. ESI 원(源)에 연결된 섹터(sector)형 질량분석계를 사용하여 하기의 실험을 수행하였다.

저온 ESI-MS 를 양이온 양식으로 작동시켜 자가조립 금속착물의 질량분광분석을 수행하였다. 착물의 전형적인 예로는 도 3(a)에 나타낸 것과 같은 "분자 스퀘어(square)" [참조, (A) M. Fujita, J. Yazaki, K. Ogura, K.,J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 5645∼5647 및 (B) M. Fujita, O. Sasaki, T. Mitushashi, T. Fujita, K. Yamaguchi, K. Ogura,J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1996, 1535∼1536] 및 도 3(b)에 나타낸 것과 같은 "아다만타노이드 케이지(adamantanoid cage)" [참조, M. Fujita, D. Oguro, M. Miyazawa, H. Oka, K. Yamaguchi, K. Ogura,Nature, 1995, 378, 469∼471]이 포함된다.

이들 화합물의 분석으로 하기의 최적 분석 조건에 이른다. 간략하게, (1) 이온원: -20℃ 이하의 시이스 가스(N₂) 및 15℃의 비용매화 플레이트가 선택되었음; (2) 용매: CH₃CN 이 이들 분자에 대한 최적의 용매였음; 및 (3) 반대이온의 검출 감도: 감도는 NO₃ ^-< BF₄ ^-< PF₆ ^-의 순서로 증가되었음. 또한, 이들 화합물의 분자 중에 함유된 중심 전이금속 원자도 질량분광분석에 대한 적합성의 관점에서 조사되었다. 그 결과, Pt(Ⅱ) 착물이 이 분석에서 가장 높은 감도를 나타낸다는 것이 발견되었다. 도 4 (사례 2)는, 다중 하전된 다가 분자 이온(+3∼+10)이 많은 수의 용매(CH₃CN) 분자(21 이하)와 동시에 명확하게 관찰된다는 것을 나타내는 전형적인 분석 결과를 보여준다. 더욱 흥미있게는, CH₃CN 분자의 수는 이온의 전하와 함께 증가한다. 이 현상은 또한 도 3a 및 도 3b 에 나타낸 화합물에 대해서도 관찰되었다.

이전에는 결코 확증된 바가 없었던 상술한 현상으로부터, 본 발명자는 저온 분무의 중요한 응용을 발견하였다.

구체적으로는, 분석할 분자를 용매와 함께 혼합하고 생성된 혼합물을 세관으로부터 분무함으로써 형성되는, 고도로 하전된 액적은 손쉽게 분극화된다. 따라서, 양이온에 대응하는 반대이온이 손쉽게 뽑아내어진다. 이러한 손쉬운 반대이온 뽑아내기(plucking)는 용매화가 조력한다. 종래에 제안되었던 전기분무 이온화(ESI) 기작(mechanism)은 본질적으로 용매 증발 단계를 필요로 하기 때문에, 분무기가 가열되어야 한다. 대조적으로, 본 발명에 따른 저온 전기분무 이온화 기작에서는, 이온화에 밀접하게 관련되어있는 용매의 제거가 최대한도로 억제되어야 한다. 그 이유는, 극성 분자가 저온에서 더 높은 유전율을 나타내기 때문이다.

상기의 이론적 기작은, NaCl, KI, 또는 CsI 을 사용하여 양이온을 검출하는 ESI 상에서의 간략화된 실험에 의해 확증될 수 있다. 도 5 는, CH₃CN 중에 용해된 CsI 함유 시료를 ESI에 적용했을 때, [Cs]⁺대 [Cs + CH₃CN]⁺의 이온 강도비의 온도에 따른 의존성을 보여준다.

ESI 를 300℃에서 수행한 경우, [Cs]⁺강도는 [Cs + CH₃CN]⁺강도보다 높으며, 반면에 ESI 를 15℃에서 수행한 경우, [Cs + CH₃CN]⁺의 강도가 우세하다.

상기 결과는 저온에서 관찰되는 용매화의 중요성을 보여준다. 따라서, 본 발명자는 이 모델 기작- "용매화에 의한 반대이온 뽑아내기" (solvation-assisted counter ion plucking, SACP) -을, 분석대상인 이온성 시료의 이온화에 대한 연구에 적용하였다. 이 기작에 따라, 도 3 에 나타낸 화합물 (a) 및 (b)의 용매화를 통해 형성된 다가 이온은 이온화 온도의 증가에 따라 감소한다. 따라서, SACP 기작을 기초로 한 본 발명에 따른 저온 전기분무 이온화를 통해, 대응하는 수의 용매 분자로 용매화된 다가 이온이 형성된다고 생각된다.

다시 말해서, 본 발명은 냉각 상태에서 전기분무 이온화를 수행하기 위한 성능이 향상된 장치, 및 상기 장치를 사용한 분자량 측정을 기초로 한 불안정한 자가조립 금속 착물의 질량 구조 분석 수행 방법을 제공한다.

본 발명에 따라, 용매화된 다가 분자 이온이 선명하게 검출될 수 있다. 따라서, 본 발명은 유기금속 화합물의 분석에 효과적인 것으로 증명되었다.

전술한 SACP 이론적 기작은, 본 발명에 따른 저온 전기분무 이온화 동안에 용매화에 따라 부수적으로 다가 분자 이온이 형성되는 기작을 설명할 수 있는 이론으로서 제안되었다.

전술한 바에 따라, 본 발명은 유기금속 화합물의 분자 구조를 정확히 분석하게 할 수 있다.

본 발명은 전술한 구현예에 제한되지 않는다. 본 발명의 수많은 개조 및 변형이 본 발명의 취지의 관점 내에서 가능하며, 본 발명의 범주에서 배제되지 않는다.

전술한 상세한 설명에서와 같이, 본 발명은 하기의 효과를 제공한다.

(1) 본 발명에 따른 저온 전기분무 이온화 장치는, 불안정한 유기금속 화합물 및 고분자 유기 화합물의 분자 이온 및 조각(fragment) 이온의 정확한 질량 분광 분석을 얻는다.

(2) 본 발명에 따른 이온화 기작은, 대응하는 용매의 유전율이 냉각으로 인해 증가함으로써 야기되는 용매화를 기초로 하고 있으며, 그렇게 형성된 많은 수의 용매화된 분자 이온이 관찰된다.

(3) 분석할 용매 및 시료의 변형은 전기적으로 중성인 종의 분석을 가능하게 할 수 있다.

전기분무 질량 분광 분석을 수행하기 위한 본 발명의 방법 및 장치는, 종래에는 불가능하거나 또는 어려웠던 불안정한 유기 화합물의 질량 분광 분석에 적합하다.

Claims (8)

1. 분무용 세관(細管)으로부터 도출되는 분석대상인 용매를 함유하는 시료용액을 기화용 가스로 냉각하면서 분무하고, 상기 분무된 시료용액을 용매제거용 챔버 및 이온원(源) 차폐를 냉각하면서 이온화함으로써, 상기 시료의 질량을 분석하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기화용 가스 및 상기 이온원 차폐는 액체 질소 온도 내지 실온 범위의 저온으로 유지되는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 시료는 유기 화합물인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 기화용 가스는 네블라이저 가스(nebulizer gas)인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 기화용 가스는 질소 가스와 같은 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 용매로서, 물 또는 무극성 유기용매(예컨대, H₂O, CH₃CN, CHCl₃)를 사용하여, 분자구조를 분석하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석방법.
7. (a) 분석대상인 용매를 함유하는 시료용액을 도출하는 분무용 세관;

   (b) 상기 분무용 세관과 동축이고 냉각 가스를 통과시키는 시이스(sheath)관;

   (c) 냉각된 용매제거용 챔버 및 이온원 차폐; 및

   (d) 상기 용매를 사용하여 분석대상인 시료를 이온화하여, 시료의 질량을 분석하는 질량분석계를 포함하며,

   (e) 전기분무에 의해 형성된 이온원을 상기 용매제거용 챔버 및 이온원 차폐에 직접 액체질소를 분무하여 냉각하면서 상기 이온원을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 냉각 가스는, 불활성 가스를 냉각하는 장치에서 처리된 후 상기 시이스관에 도입되는 것을 특징으로 하는 전기분무 질량분광분석장치.