KR100659261B1

KR100659261B1 - 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기

Info

Publication number: KR100659261B1
Application number: KR1020060011650A
Authority: KR
Inventors: 김현식; 최명철; 유종신
Original assignee: 한국기초과학지원연구원
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2006-12-20
Also published as: US20090008549A1; WO2007091754A1; DE112006003731T5; US7939799B2

Abstract

본 발명은 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기에 관한 것으로, 이온 선택 과정과 질량 측정 과정을 시간차를 두고 수행할 수 있는 FT-ICR 질량분석관에 의해 선택된 이온을 이온 전송관을 통하여 상기 FT-ICR 질량분석관으로부터 일정 거리만큼 떨어져 있는 별도의 충돌관으로 전송하여 조각 이온으로 분해한 후, 이 조각 이온을 다시 상기 FT-ICR 질량분석관으로 전송하여 그 질량을 측정한다.

본 발명은 FT-ICR 질량분석관과 별도로 설치되는 충돌관에서 조각 이온을 생성하므로, 종래의 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기에서 유발되는 기체와의 충돌에 의한 이온의 사이클로트론 운동 반경 감소 문제, 조각 이온 생성 후 주변 기체 제거의 문제를 모두 해결할 수 있으며, 그 결과로 고분해능과 고감도의 측정 특성을 기대할 수 있고, 특히 충돌관에 충돌 가스 대신 반응 가스를 주입하는 경우 선택 이온과 반응 가스의 기체 반응을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 이 기체 반응에서 생성된 이온의 질량을 측정할 수 있다.

탠덤 질량 분석기, 푸리에변환, 이온, 사이클로트론, FT-ICR

Description

탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기{Tandem fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer}

도 1은 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기를 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기를 나타낸 개략 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 이온원 20; 스키머

30: 제1 이온 전송관 40: FT-ICR 질량분석관

41: 초전도 전자석 42: FT-ICR 트랩

50: 충돌가스 주입부 60: 충돌관

70: 진공 펌프

본 발명은 질량 분석기에 관한 것이며, 더욱 상세히는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기에 관한 것이다.

질량 분석기는 전기분무 이온화법(Electrospray Ionization: ESI)과 매트릭스 보조 탈착 이온화법(Matrix Assists Laser Desorption Ionization: MALDI)에 의해 측정 시료를 이온화하는 이온원(Ionization Source)에 의해 형성되는 분자 이온과 조각 이온을 이온 트랩 분석관, 비행 시간형 분석관, 4중극자(Quadrupole)형 분석관, 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance; FT-ICR)형 분석관 등의 질량분석관을 이용하여 선택하고 그 질량을 측정함으로써 측정 시료의 분자 구조를 밝혀내는 장치이다.

한편, 탠덤 질량 분석기는 상기와 같이 다양한 질량분석관을 1종류 혹은 2종류 이상을 조합하여 사용하는 질량 분석기로서, 공간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기와 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기로 구별된다.

상기 공간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기는 4중극자형 분석관과 이온 트랩 분석관 등을 주로 사용하고, 공간적으로 분리된 2개의 질량분석관 중 하나의 질량분석관으로 측정하고자 하는 이온을 선택하여 분리한 후 충돌 가스를 포함하는 충돌관으로 보낸 다음, 상기 분리 이온이 충돌 가스와 충돌함에 따라서 생성되는 조각 이온을 또 하나의 질량분석관으로 전송하여 상기 조각 이온의 질 량을 측정하도록 구성된다.

상기 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기는 FT-ICR 분석관등의 트랩 형 질량분석관을 주로 사용하고, 동일한 질량분석관에서 이온 선택 과정과 질량 측정 과정을 시간차를 두고 수행한다.

하지만, 상기와 같은 공간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기는 대부분 특정 질량의 이온을 선택하는 과정에서 분해능이 낮기 때문에 고분해능으로 이온을 선택하여 분리하는데 제한이 있다. 참고로, 상기 분해능은 질량 스펙트럼의 신호에서 피크(Peak) 중간 높이에서의 피크 폭을 피크의 질량 대 전하의 비를 나타내는 값으로 나눈 값에 해당한다.

반면에, 상기 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기는 FT-ICR 분석관을 사용하여 FT-ICR 트랩 내에서 고분해능으로 이온을 선별할 수 있다. 이 경우, 상기 FT-ICR 트랩 내에 조각 이온 생성을 위한 비활성 출동 가스를 주입하고 선택된 이온과 충돌을 유발하여 조각 이온을 생성하고, 이 조각 이온을 동일한 FT-ICR 트랩 내에서 측정한다.

하지만, 상기 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기는 상기 FT-ICR 트랩 내에 충돌 유발 가스를 주입하는 경우 주변 압력이 증가하므로 선택된 이온과 충돌 가스의 충돌에 의하여 이온의 사이클로트론 운동 반경이 감소하고, 이에 따라서 점진적으로 이온 검출 신호의 크기가 감소하는 현상이 발생하며, 결과적으로 질량 스펙트럼의 분해능과 신호 크기를 감소시킨다.

또한, 상기 FT-ICR 트랩에서 이온이 잘 선택되더라도 조각 이온을 생성한 후 별도로 주변 기체를 제거해주어야 하므로 신속한 질량 측정이 곤란하다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이온 선택 과정과 질량 측정 과정을 시간차를 두고 수행할 수 있는 FT-ICR 질량분석관에 의해 선택된 이온을 이온 전송관을 통하여 상기 FT-ICR 질량분석관으로부터 일정 거리만큼 떨어져 있는 별도의 충돌관으로 전송하여 조각 이온으로 분해한 후, 이 조각 이온을 다시 상기 FT-ICR 질량분석관으로 전송하여 그 질량을 측정하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기는, 기체 상태 혹은 그와 유사한 상태로 주입되는 시료를 이온화하여 방출하는 이온원과; 상기 이온원에서 방출되는 이온을 일정한 진공상태로 유지시켜 주는 스키머; 상기 스키머를 통해 유입되는 이온원의 방출 이온을 전송하는 제1 이온 전송관; 상기 제1 이온 전송관을 통해 유입되는 이온 중에서 특정 질량을 가진 이온을 선택하고, 선택된 이온의 조각 이온의 질량을 측정하는 FT-ICR 질량분석관; 상기 FT-ICR 질량분석관에 의해 선택된 이온을 전송하는 제2 이온 전송관; 상기 제2 이온 전송관을 통해 유입되는 이온을 충돌가 스 주입구를 통해 주입되는 충돌 가스와 충돌시켜 분해함으로써 조각 이온을 생성한 후, 상기 조각 이온을 상기 제2 이온 전송관을 통해 상기 FT-ICR 질량분석관으로 다시 전송하는 충돌관; 및 상기 이온원과 스키머, 제1 이온 전송관, FT-ICR 질량분석관, 제2 이온 전송관, 충돌가스 주입구, 및 충돌관 내부를 진공상태로 유지하는 진공 펌프;로 구성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1과 도 2를 참조하면, 이온원(10)은 기체 상태 혹은 그와 유사한 상태로 주입되는 시료를 분자 이온으로 이온화하여 방출한다.

스키머(20)는 상기 이온원(10)에서 방출되는 이온이 하기의 제1 이온 진공관(30)으로 전송되는 동안 이온을 일정한 진공상태로 유지시켜 준다.

제1 이온 전송관(30)은 상기 이온원(10)에서 방출된 후 스키머(20)를 통해 유입되는 분자 이온을 하기의 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송한다.

FT-ICR 질량분석관(40)은 상기 제1 이온 전송관(30)을 통해 유입되는 이온 중에서 특정 질량을 가진 이온을 선택하고, 하기의 충돌관(60)에 의해 생성되어 하기의 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입되는 조각 이온의 질량을 측정한다.

상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원통형 초전도 자석(41)과, 상기 자석(41) 내부에 형성되는 이온 선택 및 질량 측정용 FT-ICR 트랩(42)을 포함하여 구성된다.

상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원통형 초전도 자석(41)과, 상기 자석(41) 내부에 형성되는 이온 선택용 FT-ICR 트랩(도시하지 않음)과 질량 측정용 FT-ICR 트 랩(도시하지 않음)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 FT-ICR 트랩을 이온 선택용과 질량 측정용으로 구분하여 사용할 때 상기 질량 측정용 FT-ICR 트랩보다 부피가 더 큰 이온 선택용 FT-ICR을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 따라서 이온의 측정 감도를 향상시킬 수 있다.

상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 임의 파형 생성기(Arbitrary Waveform Generator; AWG)를 사용하여 일정 질량 범위에 해당하는 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택한다.

상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원하는 이온 질량 범위에 해당하는 주파수의 파형을 먼저 선택한 후 역 푸리에변환으로 시간도메인 파형 함수를 만들어 사용하는 역 푸리에변환 저장 파형(Stored Waveform Inverse Fourier Transform; SWIFT) 기법을 이용하여 이온의 사이클로트론 운동 반경을 증가시켜 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택한다.

제2 이온 전송관(30')은 상기 FT-ICR 질량분석관(40)에 의해 선택된 이온을 하기의 충돌관(60)으로 전송한다.

충돌관(60)은 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입되는 이온을 충돌가스 주입구(50)를 통해 주입되는 충돌 가스와 충돌시켜 분해함으로써 조각 이온을 생성한 후, 상기 조각 이온을 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 다시 전송한다.

상기 충돌관(60)은 필요에 따라서 상기 FT-ICR 질량분석관(40)에 의해 선택된 이온이 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입된 후 상기 충돌가스 주입구(50) 를 통해 상기 선택된 이온에 대응하는 특정 반응 가스를 주입하여 상기 선택된 이온과 반응 가스의 기체 반응을 유도하고, 필요에 따라서 상기 기체 반응에서 생성된 이온을 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송하여 상기 FT-ICR 질량분석관(40)이 상기 기체 반응에서 생성된 이온의 질량을 측정할 수 있게 한다.

진공 펌프(70)는 상기 이온원(10)과 스키머(20), 제1 이온 전송관(30), FT-ICR 질량분석관(40), 제2 이온 전송관(30'), 충돌가스 주입구(50), 및 충돌관(60) 내부를 진공상태로 유지한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기는 다음과 같이 작동한다.

최초에 상기 이온원(10)으로 기체 상태 혹은 그와 유사한 상태로 특정 시료가 주입되면, 상기 이온원(10)은 시료를 이온화하여 방출한다.

이에 따라서, 상기 이온원(10)으로부터 방출되는 이온은 상기 스키머(20)에 의해 일정한 진공상태를 유지하면서 상기 제1 이온 진공관(30)으로 전송된 후, 연이어서 상기 제1 이온 전송관(30)을 통하여 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송되어 상기 원통형 초전도 자석(41) 내부에 형성되는 FT-ICR 트랩(42)으로 전송된다.

이때, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 먼저 상기 제1 이온 전송관(30)을 통해 유입된 이온 중에서 측정하고자 하는 특정 질량을 가진 이온을 선택한다.

상기 FT-ICR 질량분석관(40)이 측정하고자 하는 특정 질량을 가진 이온을 선 택할 때는 임의 파형 생성기(Arbitrary Waveform Generator; AWG)를 사용하여 일정 질량 범위에 해당하는 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택하거나, 원하는 이온 질량 범위에 해당하는 주파수의 파형을 먼저 선택한 후 역 푸리에변환으로 시간도메인 파형 함수를 만들어 사용하는 역 푸리에변환 저장 파형(Stored Waveform Inverse Fourier Transform; SWIFT) 기법을 이용하여 이온의 사이클로트론 운동 반경을 증가시켜 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택한다.

상기와 같이 측정하고자 하는 특정 질량을 가진 이온이 선택되면, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 선택된 이온을 상기 제2 이온 전송관(30')을 경유하여 상기 충돌관(60)으로 전송한다.

이에 따라서, 상기 충돌관(60)은 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입되는 이온을 충돌가스 주입구(50)를 통해 주입되는 충돌 가스(예컨대, 질소나 아르곤과 같은 중성 가스)와 충돌시켜 분해함으로써 조각 이온을 생성한 후, 상기 조각 이온을 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 다시 전송한다.

상기와 같이 FT-ICR 질량분석관(40)에 의해 선택된 이온을 상기 FT-ICR 질량분석관(40)과 별개로 설치된 상기 충돌관(60)에서 충돌 가스와 충돌하여 조각 이온을 생성하면, 종래의 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기에서 유발되는 충돌 이온의 사이클로트론 운동 반경 감소 문제, 조각 이온 생성 후 주변 기체 제거의 문제를 모두 해결할 수 있으며, 그 결과로 고분해능과 고감도의 측정 특성을 기대할 수 있다.

끝으로, 상기 충돌관(60)에 의해 생성된 조각 이온이 상기 제2 이온 전송관(30')을 경유하여 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 다시 유입되면, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 상기 FT-ICR 트랩(42)의 전극에 공명주파수의 파동 전기장을 주입하여 이온이 자기장과 수직 방향으로 사이클로트론 운동을 하도록 유도하고, 이온들이 상기 전극에 유도하는 이미지 전류를 측정하여 여러 가지 이온의 질량을 동시에 그리고 정확하게 측정한다.

한편, 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기의 작동 중에, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)이 측정하고자 하는 특정 질량을 가진 이온을 선택한 후, 선택된 이온을 상기 제2 이온 전송관(30')을 경유하여 상기 충돌관(60)으로 전송한 상태에서 상기 충돌관(60)에 충돌 가스 대신 선택된 이온에 대응하는 특정 반응 가스를 주입하면, 상기 충돌관(60) 내부에서 선택된 이온과 반응 가스의 기체 반응(예컨대, 수소/중수소 교환 반응 등)을 관찰할 수 있다.

또한, 이 기체 반응에서 생성된 이온을 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송하여 그 질량을 측정할 수 있다.

예컨대, 상기 수소/중수소 교환 반응에 의해 생성된 단백질 이온을 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송하여 그 질량을 측정할 수 있으며, 그 결과로 단백질 및 단백질 복합체의 구조 정보를 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기는 이온 선택을 FT-ICR 질량분석관에서 수행함으로 고분해능으로 이온을 선택할 수 있으며, 별도로 설치되는 충돌관에서 조각 이온을 생성하므로, 종래의 시간적 탠덤 질량분석법을 사용하는 탠덤 질량분석기에서 유발되는 충돌 이온의 사이클로트론 운동 반경 감소 문제, 조각 이온 검출 후 주변 기체 제거의 문제를 모두 해결할 수 있어, 고분해능과 고감도의 측정 특성을 기대할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기는 충돌관에 충돌 가스 대신 반응 가스를 주입하여 선택 이온과 반응 가스의 기체 반응을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 이 기체 반응에서 생성된 이온을 FT-ICR 질량분석관으로 전송하여 그 질량을 측정할 수 있다.

Claims

기체 상태 혹은 그와 유사한 상태로 주입되는 시료를 이온화하여 방출하는 이온원(10)과;

상기 이온원(10)에서 방출되는 이온을 일정한 진공상태로 유지시켜 주는 스키머(20);

상기 스키머(20)를 통해 유입되는 이온원(10)의 방출 이온을 전송하는 제1 이온 전송관(30);

상기 제1 이온 전송관(30)을 통해 유입되는 이온 중에서 특정 질량을 가진 이온을 선택하고, 선택된 이온의 조각 이온의 질량을 측정하는 FT-ICR 질량분석관(40);

상기 FT-ICR 질량분석관(40)에 의해 선택된 이온을 전송하는 제2 이온 전송관(30');

상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입되는 이온을 충돌가스 주입구(50)를 통해 주입되는 충돌 가스와 충돌시켜 분해함으로써 조각 이온을 생성한 후, 상기 조각 이온을 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 다시 전송하는 충돌관(60); 및

상기 이온원(10)과 스키머(20), 제1 이온 전송관(30), FT-ICR 질량분석관(40), 제2 이온 전송관(30'), 충돌가스 주입구(50), 및 충돌관(60) 내부를 진공상태로 유지하는 진공 펌프(70);

로 구성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기.
제 1 항에 있어서, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원통형 초전도 자석(41)과, 상기 자석(41) 내부에 형성되는 이온 선택 및 질량 측정용 FT-ICR 트랩(42)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기.
제 1 항에 있어서, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원통형 초전도 자석(41)과, 상기 자석(41) 내부에 형성되는 이온 선택용 FT-ICR 트랩과 질량 측정용 FT-ICR 트랩을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 임의 파형 생성기(Arbitrary Waveform Generator; AWG)를 사용하여 일정 질량 범위에 해당하는 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택하는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클 로트론 공명 질량 분석기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 FT-ICR 질량분석관(40)은 원하는 이온 질량 범위에 해당하는 주파수의 파형을 먼저 선택한 후 역 푸리에변환으로 시간도메인 파형 함수를 만들어 사용하는 역 푸리에변환 저장 파형(Stored Waveform Inverse Fourier Transform; SWIFT) 기법을 이용하여 이온의 사이클로트론 운동 반경을 증가시켜 이온을 퇴출시킴으로써 특정 질량을 가진 이온을 분해능 5000∼100000의 고분해능으로 선택하는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기.
제 1 항에 있어서, 상기 충돌관(60)은 필요에 따라서 상기 FT-ICR 질량분석관(40)에 의해 선택된 이온이 상기 제2 이온 전송관(30')을 통해 유입된 후 상기 충돌가스 주입구(50)를 통해 상기 선택된 이온에 대응하는 특정 반응 가스를 주입하여 상기 선택된 이온과 반응 가스의 기체 반응을 유도하고, 필요에 따라서 상기 기체 반응에서 생성된 이온을 상기 FT-ICR 질량분석관(40)으로 전송하여 상기 FT-ICR 질량분석관(40)이 상기 기체 반응에서 생성된 이온의 질량을 측정할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 탠덤 푸리에변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기.