KR101089328B1 - 전기분무 이온화 장치 및 이를 이용한 전기분무 이온화 방법 - Google Patents

전기분무 이온화 장치 및 이를 이용한 전기분무 이온화 방법 Download PDF

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Abstract

전기분무 이온화(electrospray ionization) 장치는, 주입구, 상기 주입구에 연결되는 제1 채널, 상기 제1 채널에 연결되는 제2 채널 및 상기 제2 채널에 연결되는 유출구를 포함하는 플랫폼; 상기 제1 채널 내에 위치하며, 상기 주입구를 통해 상기 제1 채널 내에 분사되는 시료에 비활성 기체를 분사하는 기체 연무기; 및 상기 제2 채널 내에 위치하며, 분사된 시료로부터 생성된 이온들을 상기 유출구 방향으로 집속하는 집속 렌즈를 포함할 수 있다. 전기분무 이온화 방법은, 상기 전기분무 이온화 장치를 이용하여 수행되며, 상기 주입구를 통하여 상기 제1 채널 내에 액체 시료를 분사하는 단계; 분사된 시료에 상기 기체 연무기를 이용하여 비활성 기체를 분사하는 단계; 및 시료로부터 생성된 이온들을 상기 집속 렌즈를 이용하여 상기 유출구 방향으로 집속시키는 단계를 포함할 수 있다.
전기분무, 이온화, ESI, 질량분석기, 액체크로마토그래피, LC-MS

Description

전기분무 이온화 장치 및 이를 이용한 전기분무 이온화 방법{APPARATUS FOR ELECTROSPRAY IONIZATION AND METHOD FOR ELECTROSPRAY IONIZATION USING THE SAME}
실시예들은 전기분무 이온화 장치 및 이를 이용한 전기분무 이온화 방법에 관한 것이다.
생명과학 및 의약 분야에서는, 질병 치료 및 예방과 관련하여 질병 관련 단백질에 대한 체계적인 분석이 요구되고 있다. 기존 분자 생물학 및 게노믹스(genomics)(게놈 과학)를 포함하여 약물 발견을 위한 기초 연구의 발전으로 인하여, 최근 약물 발견의 영역이 급속하게 변화하고 있고, 게노믹 약물 발견으로 대표되는 약물 발견을 위한 신규 방법이 개발되고 있다.
이에, 전술한 생명과학 및 신규 의약품 개발 등의 의약 분야에서는 특정 질환 또는 특정 환경에서 생리학적 활성을 갖는 물질을 확인하여야 한다. 이러한 생물학적 활성을 갖는 물질들은 대부분 단백질로 이루어져 있고, 이러한 단백질의 구조 및 기능의 해명은 상기 생명과학 및 의약 분야에서 본질적인 문제에 해당된다.
나아가, 전술한 단백질은 분자량, 등전점(isoelectric point; pI), 친수성 또는 소수성 기질 등 다양한 특성으로 인하여 매우 복잡하므로 단백질을 분석하기 위해서는 일차적으로 단백질을 분리한 뒤 이를 질량분석법과 생물정보학 등과 연계시켜 단백질을 식별하는 과정이 필요하다. 이러한 과정에서, 질병과 관련된 단백질의 경우 다른 일반적인 단백질에 비하여 상대적 존재비가 낮은 단백질들이므로 고성능의 단백질 분리기술 및 분리된 단백질의 낮은 검출한계가 필요하다.
특히, 전기분무 이온화(electrospray ionization; ESI) 방법은 1984년 처음으로 소개되었다. 단백질, 펩타이드(peptide) 및 당(sugar)등과 같이 열적으로 불안정한 생화학물질들의 경우 기체크로마토그래피-질량분석기(gas chromatography-mass spectrometry; GC-MS)를 이용한 구조분석 및 특성연구에 적합하지 않은 특성을 가지고 있다.
이와 같이 열적으로 불안정한 생화학물질의 분리 및 분취를 위해서는 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography; HPLC)가 널리 사용되는 분석 방법이다. HPLC를 통해 분리된 다양한 생화학물질에 대한 구조분석과 더불어 정성 및 정량분석을 위해 용액 속에 녹아 있는 생화학물질을 전기분무 이온화 방법을 사용하여 전하를 띤 이온상태로 변환하여 질량분석기에 주입한다. 질량분석기에서는 주입된 이온들의 질량 스펙트럼(MS spectrum) 및 텐덤(Tandem) 스펙트럼(MS/MS spectrum) 측정을 통한 질량 측정을 통해 구조 분석을 하게 된다.
기존ESI 방법을 통한 시료의 이온화 효율 향상을 위해 가장 널리 사용되는 방법은, 마이크로 실린지 펌프(micro syringe pump)나 마이크로 유속(microflow rate)의 조절이 가능한 HPLC 펌프를 통해 용리(elution)된 단백질 및 펩타이드와 같은 생화학물질을 수 내지 수십 마이크로미터(예컨대, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛) 크기의 내경(inner diameter)을 갖는 모세관 방출기(capillary emitter) 내로 주사하는 방법이다. 모세관 방출기에 직접 높은 전압을 걸어줌과 동시에 가열화(예컨대, 약 100 ℃ 내지 약 300 ℃)된 질소 기체를 모세관 방출기의 유출구 부분에 직접 주사하여, 전기분무를 통해 형성된 물방울(droplet)의 용매 제거(desolvation)를 촉진시킴으로써 이온화를 향상시키는 구조를 가지고 있다.
그러나 모세관 방출기 부분에 질소 기체를 직접적으로 주사하므로 모세관 방출기의 흔들림 현상 및 전기분무 과정을 통해 형성된 이온들의 확산을 유발하게 되어, 질량분석기의 주입구를 통한 전하를 띤 이온들의 이동에 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가열화된 질소 기체를 이용하는 기체 연무기(nebulizer)의 장점을 이용함과 동시에, 전기분무 이온화(electrospray ionization) 과정을 통해 생성된 이온들의 확산을 최소화하기 위해 이온들을 집속(focusing)할 수 있는 전기분무 이온화 장치 및 이를 이용한 전기분무 이온화 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 전기분무 이온화 장치는, 주입구, 상기 주입구에 연결되는 제1 채널, 상기 제1 채널에 연결되는 제2 채널 및 상기 제2 채널에 연결되는 유출구를 포함하는 플랫폼; 상기 제1 채널 내에 위치하며, 상기 주입구를 통해 상기 제1 채널 내에 분사되는 시료에 비활성 기체를 분사하는 기체 연무기; 및 상기 제2 채널 내에 위치하며, 분사된 시료로부터 생성된 이온들을 상기 유출구 방향으로 집속하는 집속 렌즈를 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 전기분무 이온화 방법은, 상기 전기분무 이온화 장치를 이용하여 수행되며, 상기 주입구를 통하여 상기 제1 채널 내에 액체 시료를 분사하는 단계; 분사된 시료에 상기 기체 연무기를 이용하여 비활성 기체를 분사하는 단계; 및 시료로부터 생성된 이온들을 상기 집속 렌즈를 이용하여 상기 유출구 방향으로 집속시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기분무 이온화(electrospray ionization; ESI) 장치는, 액체크로마토그래피-질량분석기(liquid chromatography-mass spectrometer; LC-MS)용 ESI 소스 키트(source kit)의 형태로 이용될 수 있다. 이 경우 ESI 장치는 기존 프로티오믹스(proteomics) 연구에서 인간의 혈액이나 조직 세포로부터 추출한 단백질 혼합물 및 효소 처리 과정을 통해 얻은 펩타이드(teptide) 혼합물에 대한 구조 분석 및 생화학적 특성 연구 등에 응용될 수 있다.
특히, ESI 장치가 인간의 질병과 연관된 다양한 단백질 구조 분석이나 정성 및 정량 분석에 응용될 경우, 종래의 ESI 방법에 비해 이온화 효율을 향상시키는 한편 질량분석기를 통한 보다 낮은 검출 한계(limit of detection; LOD)를 보이게 된다. 따라서, 인간의 질병과 관련된 바이오마커(biomarker) 발굴 및 단백질 수준의 구조적 특성 연구가 가능한 하향식(top-down) 프로티오믹스 연구 등에 응용될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기분무 이온화(electrospray ionization; ESI) 장치의 분해 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 ESI 장치의 결합된 형태를 도시하는 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, ESI 장치는 제1 블록(11) 및 제2 블록(12)으로 구 성되는 플랫폼(platform)(10), 플랫폼(10) 내에 위치하는 기체 연무기(nebulizer)(20) 및 집속 렌즈(focusing lens)(30)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ESI 장치는 기체 유출을 막기 위해 기체 연무기(20)와 플랫폼(10)의 제1 블록(11) 사이에 위치하는 고무링(rubber ring)(40)을 더 포함할 수도 있다.
플랫폼(10)은 ESI 장치에서 기체 연무기(20) 및 집속 렌즈(30)의 위치를 고정하기 위한 몸체가 되는 부분이다. 플랫폼(10)은 가공이 용이한 임의의 물질로 이루어질 수 있으며, 예컨대 아크릴(acryl)로 이루어질 수도 있다. 플랫폼(10)은 전체적으로 원기둥 형상으로 되어 있을 수 있으며, 따라서 제1 블록(11) 및 제2 블록(12) 각각도 원기둥 형상으로 되어 있을 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 플랫폼(10)은 다른 적당한 형상으로 되어 있을 수도 있다.
플랫폼(10)의 제1 블록(11)에는 주입구(110)가 형성되어 있을 수 있다. 주입구(110)는 전기분무 이온화를 위하여 플랫폼(10) 내부로 액체 시료를 주입하기 위한 부분으로서, 제1 블록(11)을 완전히 관통하여 형성될 수 있다. 시료로는 액체 상태의 단백체(proteome)와 같은 생체 거대분자 또는 펩타이드(peptide) 등 다양한 생화학 물질이 사용될 수 있으며, 전기분무 이온화를 위하여 고전압이 인가된 상태에서 플랫폼(10) 내부로 주입될 수 있다.
주입구(110)는 시료가 운반되는 모세관 방출기(capillary emitter) 또는 나노흐름 모세관 컬럼(nanoflow capillary column) 등과 연결 가능하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 주입구(110)는 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography; HPLC)에서 유로(flow pathway) 형성에 널리 사용되는 튜 빙(tubing) 연결 부품인 Upchurch Scientific, Inc. 사의 1/16인치 메일 너트(male nut) 및/또는 1/16인치 페럴(ferrule)이 장착 가능하도록 형성될 수 있다. 그러나 주입구(110)의 형태는 전술한 것에 한정되지 않으며, 사용되는 연결 부품의 형상 및 종류에 따라 주입구(110)의 형상은 적절히 결정될 수 있다.
플랫폼(10)의 제2 블록(12)에는 제1 채널(121), 제2 채널(122) 및 유출구(123)가 형성되어 있을 수 있다. 제1 블록(11)의 주입구(110)에 장착된 튜빙 등을 통하여 제1 채널(121) 내에 시료가 분사될 수 있다. 제1 채널(121)은 기체 연무기(20)를 고정하기 위한 공간이며, 제2 채널(122)은 집속 렌즈(30)를 고정하기 위한 공간이다. 제1 채널(121), 제2 채널(122) 및 유출구(123)는 제2 블록(12)을 완전히 관통하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 블록(12)은 기체 연무기(20)에 비활성 기체를 주입하기 위해 외부로부터 제1 채널(121)에 연결되도록 형성된 하나 이상의 제1 홀(124)을 포함할 수 있다. 제1 홀(124)은 Upchurch Scientific, Inc. 사의 1/8인치 메일 너트(male nut) 및/또는 1/8인치 페럴(ferrule)이 장착 가능하도록 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 일 실시예에서, 제2 블록(12)은 외부와 집속 렌즈(30)의 전기적 연결을 위해 제2 채널(122)에 연결되도록 형성된 제2 홀(125)을 포함할 수도 있다.
이상과 같이 구성된 제2 블록(12)의 제1 채널(121) 및 제2 채널(122) 내에 각각 기체 연무기(20) 및 집속 렌즈(30)를 위치시키고, 제2 블록(12)을 볼트(bolt) 등을 이용하여 제1 블록(11)과 결합시킴으로써 일 실시예에 따른 ESI 장치를 구성 할 수 있다. 제1 블록(11) 및 제2 블록(12)의 보다 구체적인 형상 및 제1 블록(11)과 제2 블록(12)의 결합 방식에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
기체 연무기(20)는 전술한 바와 같이 제2 블록(12)의 제1 채널(121) 내에 위치할 수 있다. 주입구(110)에 장착된 튜빙 등을 통하여 제1 채널(121) 내로 시료가 분사되면, 시료는 약 수십 내지 수백 마이크로미터 크기의 물방울(droplet) 형태가 될 수 있다. 이때 기체 연무기(20)가 시료가 분사되는 부분에 가열화된 비활성 기체를 분사함으로써, 물방울들로부터 용매가 제거되고(desolvation) 시료 이온들만이 남게 된다. 예를 들어, 기체 연무기(20)는 약 100 ℃ 내지 약 300 ℃로 가열된 질소 기체를 분사하도록 구성될 수도 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
기체 연무기(20)와 제2 블록(12) 사이의 접합 부분에 빈 공간이 있을 경우에는 기체 이동이 균일하지 못할 수 있다. 따라서 기체 이동의 비 균일성을 최소화하기 위하여, 기체 연무기(20)의 바깥쪽 부분을 테프론(Teflon), 실리콘(silicon) 또는 다른 적당한 물질을 이용하여 막아주어 기체 연무기(20)와 제2 블록(12)의 안쪽 표면 사이에 공간이 생기지 않도록 할 수도 있다. 또한 일 실시예에서, 기체 연무기(20)와 제1 블록(11) 사이의 기체 유출을 방지하기 위해 고무 링(40)을 삽입할 수도 있다.
기체 연무기(20)는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어질 수도 있다. 또한 기체 연무기(20)는 원기둥 형상으로 되어 있을 수 있다. 그러나 기체 연무기(20)의 재질 및 형상은 전술한 것에 한정되지 않으며 기체 연무기(20)는 다른 적당한 물질 및 형상으로 이루어질 수도 있다.
집속 렌즈(30)는 제2 블록(12)의 제2 채널(122) 내에 위치할 수 있다. 집속 렌즈(30)는 제1 채널(121) 내에 분사된 시료가 기체 연무기(20)에 의해 분사된 가열된 비활성 기체와 만나 생성되는 시료 이온들을 유출구(123) 방향으로 집속하기 위한 장치이다. 즉, 집속 렌즈(30)는 ESI를 통해 형성된 생화학 물질들의 복식 하전된 이온(multiple charged ion) 퍼짐을 막는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 렌즈(30)는 확산된 이온들의 용이한 수집을 위하여 원뿔 형상으로 되어있을 수 있다. 원뿔 형상의 집속 렌즈(30)에서 이온이 주입되는 부분은 상대적으로 넓게 만들어 확산된 이온들을 포집할 수 있으며, 이온이 유출되는 부분은 상대적으로 좁게 만들어 이온들을 집속할 수 있다. 예컨대, 집속 렌즈(30)에서 주입부는 약 7 mm의 직경을 갖도록 형성되는 반면, 유출부는 약 2 mm의 직경을 갖도록 형성될 수도 있다. 또한 집속 렌즈(30)는 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있다.
그러나 집속 렌즈(30)의 재질 및 형상은 전술한 것에 한정되지 않으며, 집속 렌즈(30)는 금속 등 전기 전도성이 있는 다른 상이한 물질로 이루어질 수도 있으며 원뿔 형상 외에 이온들의 집속이 가능한 다른 상이한 형상으로 되어있을 수도 있다.
집속 렌즈(30)는 시료 이온들을 전위 기울기(potential gradient)를 이용하여 집속할 수 있다. 집속 렌즈(30)에서 생성되는 전위 기울기는 전기분무 이온화 과정에서 형성된 시료 이온들의 극성(polarity)에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 시료 이온이 양(+) 이온일 경우에는 경우 집속 렌즈(30)에 양(+)의 전위 기울기를 발생시키고, 시료 이온이 음(-) 이온의 경우에는 집속 렌즈(30)에 음(-)의 전위 기울기를 발생시킬 수 있다. 또한, 집속 렌즈(30)에 인가되는 전압은 조절 가능하게 구성될 수 있다.
이를 위하여, 집속 렌즈(30)는 외부의 전원 공급장치(power supply)(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 블록(12)에 형성된 제2 홀(125)을 통해 집속 렌즈(30)와 외부의 전원 공급장치 사이에 도선을 연결할 수 있다. 예컨대, 도선의 끝 부분을 제2 블록(12)의 제2 채널(122) 안쪽으로 약 2 mm 내지 약 3 mm 정도 도출되게 고정시킨 후, 제2 채널(122)에 집속 렌즈(30)를 삽입하면 도선을 용이하게 집속 렌즈(30)와 연결할 수 있다. 집속 렌즈(30)와 도선과의 연결 시 제2 블록(12) 내부에 이물질 등이 있으면 집속 렌즈(30)의 탈거에 어려움이 발생할 수 있으므로, 사용 전에 제2 블록(12)을 세척하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 실시예에 따른 ESI 장치를 이용하면, 균일한 질소 기체의 흐름을 만들어주기 위하여 원기둥 형태의 플랫폼(10) 내에 원기둥 형태의 기체 연무기(20)를 설치하여 질소 기체의 흐름을 모세관 방출기를 중심으로 집속할 수 있다. 질소 기체 흐름과 모세관 방출기가 거리 차이를 갖고 위치하므로 질소 기체에 의한 모세관 방출기의 흔들림 현상을 최소화할 수 있다. 또한, 전기분무 이온화를 통해 형성된 이온들의 확산 방지 및 집속을 위해 전압 조절이 가능한 집속 렌즈(30)를 모세관 방출기의 전면에 설치함으로써, 이온화된 시료들을 집속하여 용이하게 질량분석기에 주입할 수 있는 이점이 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 ESI 장치에서 플랫폼(10)의 제1 블록(11)의 평면 도이며, 도 3b는 일 실시예에 따른 ESI 장치에서 플랫폼(10)의 제1 블록(11)의 측단면도이다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 제1 블록(11)은 약 42 mm의 직경(R1) 및 약 15 mm의 두께(D1)를 갖는 원기둥 형상일 수 있다. 제1 블록(11)은 모세관 방출기 또는 나노흐름 모세관 컬럼 등의 장착 및 고정을 위한 주입구(110)를 포함할 수 있다.
주입구(110)는, 1/16인치 메일 너트 또는 1/16 인치 패럴 등이 장착될 수 있도록, 약 6.2 mm의 외경(r11) 및 약 1.8 mm의 내경(r12)을 가지며 약 10 mm의 깊이(d11)로 형성된 나선 구조를 가질 수 있다. 나선 구조를 제외한 주입구(110)의 나머지 부분은 약 5 mm의 깊이(d12)를 가지며 제1 블록(11)을 완전히 관통하도록 형성될 수 있다.
제1 블록(11)은 제2 블록(12; 도 4 참조) 과의 연결을 위한 하나 이상의 결합구(111)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 블록(11)은 정사각형의 각 꼭지점마다 위치하는 4개의 결합구(111)를 포함할 수 있다. 각각의 결합구(111) 내로 볼트를 통과시켜 제1 블록(11)과 제2 블록(12)을 서로 결합시킬 수 있다. 각 결합구(111)는 약 4 mm의 직경(r13)을 갖도록 형성될 수도 있다. 그러나 전술한 결합구(111)의 형상 및 개수는 전술한 것과 상이할 수도 있으며, 또한 제1 블록(11)과 제2 블록(12)은 결합구(111)를 이용하는 방식 외에 다른 상이한 방식으로 서로 결합될 수도 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 ESI 장치에서 플랫폼(10)의 제2 블록(12)의 평면도이며, 도 4b는 일 실시예에 따른 ESI 장치에서 플랫폼(10)의 제2 블록(12)의 측단면도이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 제2 블록(12)은 약 42 mm의 직경(R2) 및 약 35 mm의 두께(D2)를 갖는 원기둥 형상일 수 있다. 제2 블록(12)의 직경(R2)은 도 3을 참조하여 전술한 제1 블록(11)의 직경(R1)과 동일할 수 있다. 제2 블록(12)은 제1 채널(121), 제2 채널(122) 및 유출구(123)를 포함할 수 있다. 제1 채널(121), 제2 채널(122) 및 유출구(123)는 순차적으로 연결되어 제2 블록(12)을 완전히 관통하도록 형성될 수 있다.
제1 채널(121)은 제2 블록(12)의 표면으로부터 약 15 mm의 깊이(d21)로 형성된 원기둥 형상의 공간일 수 있다. 제1 채널(121)의 단면은 약 12 mm의 직경(r21)을 가질 수 있다. 제1 채널(121)은 기체 연무기의 설치를 위한 공간으로서, 전술한 제1 채널(121)의 형상 및 크기는 단지 예시적인 것이며 제1 채널(121)의 형상 및 크기는 사용되는 기체 연무기에 따라 적절히 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 블록(12)은 제1 채널(121)과 연결되어 제1 채널(121)의 외주부의 바깥쪽에 위치하는 하나 이상의 기체 순환 챔버(circulation chamber)(120)를 더 포함할 수도 있다. 기체 순환 챔버(120)는 제1 채널(121) 내의 기체 연무기에 사용될 비활성 기체의 원활한 이동을 위한 부분으로서, 제1 채 널(121)의 바깥쪽으로 약 2 mm의 두께(d0) 및 약 10 mm의 길이(l0)를 갖도록 형성될 수도 있다.
제2 채널(122)은 제1 채널(121)의 끝 부분에 제1 채널(121)과 연결되어 형성될 수 있다. 제2 채널(122)은 제1 채널(121)이 끝나는 지점으로부터 약 10 mm의 깊이(d22)로 형성된 원기둥 형상의 공간일 수 있다. 제2 채널(122)의 단면의 직경(r22)은 제1 채널(121)의 단면 직경(r21)에 비해 작을 수 있다. 예컨대, 제2 채널(122)의 단면은 약 8 mm의 직경(r22)을 갖도록 형성될 수 있다.
유출구(123)는 제2 채널(122)의 끝에 제2 채널(122)과 연결되어 형성될 수 있다. 유출구(123)는 제2 채널(122)이 끝나는 지점으로부터 약 10 mm의 깊이(d23)로 형성된 공간일 수 있다. 유출구(123)는 제2 채널(122)과 인접하는 소정 영역에서는 약 1 mm의 단면 직경(r231)을 가지며 제2 블록(12)의 표면과 인접한 나머지 영역에서는 약 3 mm의 단면 직경(r232)을 가지는 2 단 구조의 채널로 형성될 수도 있다. 그러나 유출구(123)의 형태는 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 예컨대 다른 실시예에서 유출구는 하나의 원기둥 형상으로 된 공간일 수도 있다.
일 실시예에서, 제2 블록(12)은 외부와 제1 채널(121)을 연결하기 위한 하나 이상의 제1 홀(124)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 제1 홀(124)은 제2 블록(12)의 측면 표면으로부터 제1 채널(121)까지를 관통하여 형성될 수 있다. 하나 이상의 제1 홀(124)은 제1 채널(121) 내에 위치하게 될 기체 연무기에 비활성 기체를 주입하기 위한 부분으로서, 제2 블록(12)이 기체 순환 챔버(120)를 포함하는 경우, 각 제1 홀(124)은 기체 순환 챔버(120)와 연결되도록 형성될 수 있다.
또한 일 실시예에서, 제2 블록(12)은 외부와 제2 채널(122)을 연결하기 위한 제2 홀(125)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 홀(125)은 제2 블록(12)의 측면 표면으로부터 제2 채널(122)까지를 관통하여 형성될 수 있다. 제2 홀(125)은 제2 채널(122) 내에 위치하게 될 집속 렌즈와의 전기적 연결을 위한 부분으로서, 제2 홀(125) 내에 도전체를 삽입하여 집속 렌즈를 외부의 전원에 전기적으로 연결할 수 있다.
나아가 일 실시예에서, 제2 블록(12)은 제1 블록(11; 도 3 참조) 과의 연결을 위한 하나 이상의 결합구(126)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제2 블록(12)은 정사각형의 각 꼭지점마다 위치하는 4개의 결합구(126)를 포함할 수 있다. 각각의 결합구(126) 내로 볼트를 통과시켜 제1 블록(11)과 제2 블록(12)을 서로 결합시킬 수 있다. 각 결합구(126)는 약 4 mm의 직경(r26)을 갖도록 형성될 수도 있다. 그러나 결합구(126)의 형상 및 개수는 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 실시예에서 제1 홀(124) 및 제2 홀(125)은, 연결 부품들의 장착이 용이하도록 약 6.2 mm의 외경(r241, r251) 및 약 1.8 mm의 내경(r242, r252)을 가지며 제2 블록(12)의 측면 표면으로부터 약 10 mm의 깊이(d24, d25)로 형성된 나선 구조를 가질 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서 제1 홀(124) 및 제2 홀(125)의 나선 구조는 서로 동일하다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 제1 홀(124) 및 제2 홀(125)이 서로 상이한 구조로 형성되는 것도 가능하다.
도 3 및 도 4를 참조하여 전술한 제1 블록(11) 및 제2 블록(12)에 있어서, 제1 블록(11)의 주입구(110), 제2 블록(12)의 제1 홀(124) 및 제2 홀(125) 등은 Upchurch Scientific Inc. 사의 1/16 인치 또는 1/8인치 메일 너트 또는 페럴 등을 이용하여 튜빙에 연결 가능하도록 구성되었다. 또한 이들 연결 부품의 조립 시 기체 유출을 막기 위하여 약 380 ㎛ 의 내경을 갖는 Upchurch Scientific Inc. 사의 1/16인치 슬리브를 이용하여 고정시킬 수도 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 연결 부품의 종류에 따라 주입구(110), 제1 홀(124) 및 제2 홀(125) 등의 형태는 상이할 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 ESI 장치를 질량분석기의 도입부에 연결한 구성을 도시한 개략도이다. 상기 구성을 설명하는 데에 있어서, 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 종래 기술로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 액체 시료를 운반하는 모세관 방출기(2)는 약 360 ㎛의 외경을 갖는 실리카(silica) 모세관 등을 이용하여 마이크로 티(micro-T)(3)에 연결될 수 있다. 모세관 방출기(2)와 마이크로 티(3) 사이에는 시료를 펌핑(pumping)하기 위한 마이크로 실린지 펌프(microflow syringe pump) 또는 마이크로 HPLC 펌프(미도시) 등이 사용될 수도 있다.
마이크로 티(3)는 모세관 방출기(2)로부터 전달되는 시료에 전압을 인가하기 위하여 전원(4)에 연결될 수 있다. 예컨대, 마이크로 티(3)는 고전압의 인가를 위 해 백금선(Pt wire)(7)을 이용하여 전원(4)에 전기적으로 연결될 수도 있다. 전원(4)은 전기분무 이온화를 위해 마이크로 티(3)에 연결된 백금선(7)에 약 1.5 kV 내지 약 2.0 kV의 전압을 인가할 수 있다. 그러나 전술한 전압 크기는 단지 예시적인 것으로서, 사용되는 전압의 크기는 시료의 조성 및/또는 유속(flow rate) 등에 따라 상이할 수 있다.
마이크로 티(3)를 이용하여 전압이 인가된 시료는 실리카 모세관 등을 통해 ESI 장치(1) 내로 주입될 수 있다. ESI 장치(1) 내로 시료가 분사되면, ESI 장치(1)에서는 시료가 분사되는 부분에 가열화된 비활성 기체를 분사함으로써, 시료 물방울로부터 용매를 제거시키고 시료 이온만을 남길 수 있다. 다음으로 ESI 장치(1)는 이온들을 집속 렌즈(30)를 이용하여 집속하여 질량분석기(6)에 주입할 수 있다. 예컨대, ESI 장치(1)는 이온화된 시료를 질량분석기(6)의 주입구(inlet orifice)로 집속시킬 수 있다. 집속 렌즈(30)는 전원(5)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 전원(5)은 약 50 V 내지 약 300 V의 전압을 집속 렌즈(30)에 인가할 수 있다.
전술한 질량분석기는 2개의 전원(4, 5)을 이용하여 구성된다. 전원(4, 5)은 각각 마이크로 티(3)의 백금선(7)과 ESI 장치(1)의 고정된 집속 렌즈(30)에 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 한편 전압의 조절이 가능하게 되어 있다. 이때 각 전원(4, 5)의 접지 전극(ground electrode)은 질량분석기(6)에 이온화된 시료가 주입되는 주입구의 접지에 연결하여 사용하는 것이 바람직하다.
질량분석기(6)에서는 ESI 장치(1)로부터 주입된 시료 이온들의 질량 스펙트 럼(MS spectrum) 또는 텐덤(Tandem) 스펙트럼(MS/MS spectrum) 측정을 통한 질량 측정 등을 이용하여 시료의 구조 분석을 하게 된다. 질량분석기(6)의 구성 및 동작에 대해서는 당업자에게 잘 알려져 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 것과 같이 질량분석기(6)의 도입부에 일 실시예에 따른 ESI 장치(1)를 응용하는 구성은, 액체크로마토그래피-질량분석기(liquid chromatography-mass spectrometer; LC-MS)에 적용될 수 있다. 특히, 일 실시예에 따른 ESI 장치(1)는 HLPC 및 질량분석기를 이용한 프로티오믹스(proteomics) 연구 분야에 응용될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 ESI 장치를 이용하여 얻은 질량 스펙트럼을 종래 기술에 따라 얻은 질량 스펙트럼과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 6은 표준단백질인 사이토크롬 C(cytochrome C) 약 12.4 kDa를, 약 0.2 %의 포름산(formic acid)이 포함된 50:50(v/v)의 메탄올(methanol)과 물(H2O)을 사용하여 10 fmol의 농도로 희석시킨 후, 마이크로 실린지 펌프를 사용하여 약 0.5 ㎛/분(min)의 유속으로 전기분무 이온화시키는 과정을 통해 얻은 질량 대 전하비(m/z)에 대한 질량 스펙트럼을 도시한다. 질량분석기로는 약 15 T의 자기장을 이용하는 푸리에 변환 이온사이클로트론 공명(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance; FT-ICR) 질량분석기가 이용되었다.
도 6에서 그래프(610)는 종래 기술에 따라 얻은 질량 스펙트럼이며, 그래프(620)는 일 실시예에 따른 ESI 장치를 사용하여 얻은 사이토크롬 C의 복식 하전 이온들(multiple charged ions)의 스펙트럼이다. 양 그래프(610, 620)의 경우 모두 약 0.5 ㎛/분(min)의 유속으로 사이토크롬 C를 모세관 방출기로 주입한 후 약 1.7 kV의 전압을 사용하여 전기분무 이온화시킨 점은 동일하다. 그러나 ESI 장치를 이용한 그래프(620)의 경우 기체 연무기에서 약 0.2 L/분(min)의 유속으로 질소 기체를 주입하여 용매를 제거하였으며, 집속 렌즈에 약 50 V의 양(+) 전위를 인가하였다.
도 6에서 약 883.8의 질량 대 전하비(m/z)를 갖는 [M+14H+]14+ 이온의 경우, 일 실시예에 따른 ESI 장치를 이용한 경우의 그래프(620)와 종래 기술에 따른 그래프(610)를 비교하면 일 실시예에 따른 ESI 장치를 이용하는 경우 약 2배 정도 감도가 증가하였음을 알 수 있다. 특히, 16개의 수소 이온에 의해 형성되어 약 773.4의 질량 대 전하비를 갖는 [M+16H+]16+ 이온부터 낮은 개수의 수소 이온에 의해 형성된 복식 하전 이온들의 감도가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 각각의 이온들에 대한 합으로 나타내는 경우에는 일 실시예에 따른 ESI 장치를 이용하는 경우 이온화 효율이 종래 기술에 비해 큰 증가를 보였다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정 해져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기분무 이온화(electrospray ionization; ESI) 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 ESI 장치의 사시도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 ESI 장치의 플랫폼을 구성하는 제1 블록의 평면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 ESI 장치의 플랫폼을 구성하는 제1 블록의 측단면도이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 ESI 장치의 플랫폼을 구성하는 제2 블록의 평면도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 ESI 장치의 플랫폼을 구성하는 제2 블록의 측단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 ESI 장치를 질량분석기의 도입부에 연결한 구성을 도시한 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 ESI 장치를 이용하여 얻은 질량 스펙트럼을 종래 기술에 따라 얻은 질량 스펙트럼과 비교하여 도시한 그래프이다.

Claims (13)

  1. 주입구, 상기 주입구에 연결되는 제1 채널, 상기 제1 채널에 연결되는 제2 채널 및 상기 제2 채널에 연결되는 유출구를 포함하는 플랫폼;
    상기 제1 채널 내에 위치하며, 상기 주입구를 통해 상기 제1 채널 내에 분사되는 시료에 비활성 기체를 분사하는 기체 연무기; 및
    상기 제2 채널 내에 위치하며, 분사된 시료로부터 생성된 이온들을 상기 유출구 방향으로 집속하는 집속 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 주입구에 연결되어 상기 제1 채널 내로 시료를 분사하는 모세관 방출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 제1 채널에 연결되어 상기 제1 채널의 바깥쪽에 형성되는 기체 순환 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 외부로부터 상기 기체 순환 챔버에 연결되는 제1 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 외부로부터 상기 제2 채널에 연결되는 제2 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    전원; 및
    상기 제2홀을 통해 상기 전원과 상기 집속 렌즈를 전기적으로 연결하는 도전체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 플랫폼은,
    상기 주입구를 포함하는 제1 블록; 및
    상기 제1 채널, 상기 제2 채널 및 상기 유출구를 포함하는 제2 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 블록 및 상기 제2 블록 각각은, 상기 제1 블록과 상기 제2 블록을 서로 결합하기 위한 하나 이상의 결합구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 블록 및 상기 기체 연무기 사이에 위치하는 고무 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 플랫폼은 아크릴로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 기체 연무기 및 상기 집속 렌즈는 스테인리스 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 장치.
  12. 주입구, 상기 주입구에 연결되는 제1 채널, 상기 제1 채널에 연결되는 제2 채널 및 상기 제2 채널에 연결되는 유출구를 포함하는 플랫폼;
    상기 제1 채널 내에 위치하며, 상기 주입구를 통해 상기 제1 채널 내에 분사되는 시료에 비활성 기체를 분사하는 기체 연무기; 및
    상기 제2 채널 내에 위치하며 시료로부터 생성된 이온들을 상기 유출구 방향으로 집속하는 집속 렌즈를 포함하는 전기분무 이온화 장치를 이용한 전기분무 이온화 방법으로서,
    상기 주입구를 통하여 상기 제1 채널 내에 액체 시료를 분사하는 단계;
    분사된 시료에 상기 기체 연무기를 이용하여 비활성 기체를 분사하는 단계; 및
    분사된 시료로부터 생성된 이온들을 상기 집속 렌즈를 이용하여 상기 유출구 방향으로 집속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 유출구 방향으로 집속시키는 단계는, 상기 집속 렌즈에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분무 이온화 방법.
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