KR101096098B1 - Laser Desorption/Ionization Method Using Nanowire - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노와이어를 이용한 레이저 탈착/이온화 질량 분석 방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 질량 분석 방법은 기판에 수직 배열되며 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 다수개의 나노와이어에 질량 분석 대상 물질인 시료를 위치시킨 후, 상기 시료가 위치한 나노와이어에 레이저를 조사하고 시료를 탈착/이온화시켜 시료의 질량을 분석하는 특징이 있다.
(관계식 1)
0.8xDpe < Dnw < Dch
(관계식 2)
Dch < Lnw < 10xSnw
(상기 Dnw는 나노와이어의 단축 직경이며, 상기 Lnw는 나노와이어의 장축 길이이며, 상기 Dch는 레이저 조사시 나노와이어의 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)이며, 상기 Dpe는 나노와이어에서 레이저의 투과 깊이(penetration depth of laser)이며, 상기 Snw는 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어에서 나노와이어의 표면을 기준으로 한 나노와이어간의 최단 이격 거리이다.)
The present invention relates to a laser desorption / ionization mass spectrometry method using nanowires. In detail, the mass spectrometry method according to the present invention is a mass arranged on a plurality of nanowires that are arranged perpendicular to a substrate and satisfy the following Equation 1 and Equation 2 below. After placing the sample to be analyzed, the nanowires on which the sample is located are irradiated with a laser and desorption / ionization of the sample is characterized by analyzing the mass of the sample.
(Relationship 1)
0.8 x D pe <D nw <D ch
(Relationship 2)
D ch <L nw <10xS nw
(D nw is the uniaxial diameter of the nanowire, L nw is the long axis length of the nanowire, the D ch is the depth of Conductive Heating of the nanowire during laser irradiation, D pe is nano The penetration depth of laser in the wire, S nw is the shortest separation distance between nanowires relative to the surface of the nanowires in a plurality of nanowires arranged vertically on the substrate.)

Description

나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법{Laser Desorption/Ionization Method Using Nanowire}Matrix free mass spectrometry using nanowires {Laser Desorption / Ionization Method Using Nanowire}

본 발명은 나노와이어를 이용한 레이저 탈착/이온화 질량분석 방법에 관한 것으로, 매트릭스를 사용하지 않으며, 극히 높은 탈착/이온화 효율을 가지며, 1000 달튼(Da)이하의 분자량을 갖는 물질을 매우 효과적으로 분석할 수 있는 무 매트릭스 질량 분석 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a laser desorption / ionization mass spectrometry method using nanowires, which does not use a matrix, has a very high desorption / ionization efficiency, and can effectively analyze materials having a molecular weight of 1,000 Daltons (Da) or less. To a matrix-free mass spectrometry method.

매우 강력한 질량분석법인 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption /Ionization)는 분자량이 큰 펩타이드 및 단백질 등의 물질을 매트릭스 분자와 함께 섞어놓은 결정에 UV 레이저 등을 순간적으로 조사하여 생화학 고분자 분석 물질을 기체상태의 이온으로 방출시켜 질량분석기로 분자량을 측정하거나 구조를 분석하는 방법이다. 즉, 생화학 고분자와 같이 비휘발성 시료를 자외선 흡수체인 매트릭스 분자와 분산 희석하여 결정을 만든 후, 강한 펄스형의 UV 레이저를 조사하여 결정으로부터 탈착 이온화(Desorption /Ionization)를 유도하며, 이때 생성되어 진공 중으로 방출된 시료 분자 이온의 분자량을 측정하거나 탠덤질량분석 기술을 이용하여 구조를 분석하는 것이다. 이러한 MALDI는 펨토몰에서 피코몰 수준의 분석이 가능하고, 기체 이온으로 만들기 어려운 고분자 생화학 물질을 이온화하는 강력한 장점을 지니고 있지만, 시료의 종류에 따라 적절한 매트릭스의 선정, 결정 조건의 최적화 등이 측정 결과에 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 매트릭스 결정이 규칙적으로 형성되지 않기 때문에, 소위 핫 스팟(hot spot)에 레이저를 조사하는 경우 질량분석에 필요한 강한 세기의 이온 신호를 얻을 수 있지만, 시료 결정의 또 다른 위치에서는 이온이 잘 생성되지 않는 등 재현적인 측정을 기대하기 어려우며, 이로 인해 정량 분석이 힘들고, 케미칼 맵핑(chemical mapping)과 같은 질량 이미징을 구현하기 어렵다. 또한, 약물, 대사산물, 지질등과 같이 생화학적으로 중요한 700 달튼(Da) 이하의 저 분자량 물질은 매트릭스 이온 픽(peak)들에 의한 간섭에 의해 측정이 매우 어려운 단점이 있다. MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption / Ionization), a very powerful mass spectrometry, instantly irradiates a biochemical polymer analyte into a gaseous state by irradiating UV lasers to crystals containing peptides and proteins of high molecular weight together with matrix molecules. It is a method of measuring the molecular weight or analyzing the structure by mass spectrometry by releasing ions. In other words, by dispersing and diluting a nonvolatile sample with matrix molecules, such as biochemical polymers, which are ultraviolet absorbers, crystals are formed, followed by irradiation with a strong pulsed UV laser to induce desorption / ionization from the crystals. The molecular weight of the released sample molecules ions is measured or the structure is analyzed using tandem mass spectrometry. Although MALDI has a strong merit of picomol level analysis in femtomol and ionizing polymer biochemicals that are difficult to make into gas ions, the selection of an appropriate matrix according to the type of sample and the optimization of crystal condition are performed. This will have a big impact. In addition, since the matrix crystals are not formed on a regular basis, when irradiating a laser to a so-called hot spot, a strong intensity ion signal necessary for mass spectrometry can be obtained, but ions are well formed at another position of the sample crystal. Reproducible measurements are difficult to expect, which makes quantitative analysis difficult and difficult to implement mass imaging such as chemical mapping. In addition, biomolecularly low molecular weight substances of less than 700 Daltons (Da), such as drugs, metabolites, lipids, and the like have a disadvantage in that measurement is difficult due to interference by matrix ion peaks.

이러한 문제점들을 해결하고자, 매트릭스를 사용하지 않고 나노구조체를 이용하여 저 분자량 물질의 레이저 탈착/이온화에 의한 질량 분석이 시도되고 있다(Guo, Z.; Ganawi, A. A. A.; Liu, Q.; He, L. Nanomaterials in Mass Spectrometry Ionization and Prospects for Biological Applications. Anal. Bioanal. Chem. 2006, 384, 584.592.)To solve these problems, mass spectrometry has been attempted by laser desorption / ionization of low molecular weight materials using nanostructures without using a matrix (Guo, Z .; Ganawi, AAA; Liu, Q .; He, L Nanomaterials in Mass Spectrometry Ionization and Prospects for Biological Applications.Anal.Bioanal.Chem. 2006, 384, 584.592.)

다양한 나노 구조체가 표면-보조된 레이저 탈착 이온화(SALDI; Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization, 이하 SALDI로 칭함)에 사용 가능한지, 그 잠재적 능력이 시험되고 있으며, 일 예로, Au, Al, Mn, Sn, W, Si, Sn, SnO2, TiO2, 및 ZnO와 같은 나노 및 마이크로미터 크기의 입자들로 매트릭스를 대체하는 연구가 시도된 바 있다(McLean, J. A.; Stumpo, K. A.; Russell, D. H. Size-Selected (2.10 nm) Gold Nanoparticles for Matrix Assisted Laser Desorption Ionization of Peptides. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5304-5305.; Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry Using An Inorganic Particle Matrix for Small Molecule Analysis. J. Mass Spectrom. 2000, 35, 417-422.; Lee, K.-H.; Chiang, C.-K.; Lin, Z.-H.; Chang, H.-T. Determining Enediol Compounds in Tea Using Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry with Titanium Dioxide Nanoparticles Matrices. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2007, 21, 2023-2030.; Watanabe, T.; Kawasaki, H.; Yonezawa, T.; Arakawa, R. Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry (SALDI-MS) of Low Molecular Weight Organic Compounds and Synthetic Polymers Using Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles. J. Mass Spectrom. 2008, 43,1063-1071.).Whether various nanostructures can be used for Surface-Assisted Laser Desorption / Ionization (SALDI), and their potential, are being tested, for example, Au, Al, Mn, Sn, Attempts have been made to replace matrices with nano and micrometer sized particles such as W, Si, Sn, SnO 2 , TiO 2 , and ZnO (McLean, JA; Stumpo, KA; Russell, DH Size-Selected) (2.10 nm) Gold Nanoparticles for Matrix Assisted Laser Desorption Ionization of Peptides.J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5304-5305 .; Desorption / Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry Using An Inorganic Particle Matrix for Small Molecule Analysis.J. Mass Spectrom. 2000, 35, 417-422 .; Lee, K.-H .; Chiang, C.-K .; Lin, Z.-H .; Chang, H.-T. Determining Enediol Compounds in Tea Using Surface-Assisted Laser Desorption / Ionization Mass Spectrometry with Titanium Dioxide Nanoparticles Matrices.Rapid Commun.Mass Spectrom. 2007, 21, 2023-2030. ; Watanabe, T .; Kawasaki, H .; Yonezawa, T .; Arakawa, R. Surface-Assisted Laser Desorption / Ionization Mass Spectrometry (SALDI-MS) of Low Molecular Weight Organic Compounds and Synthetic Polymers Using Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles . J. Mass Spectrom. 2008, 43, 1063-1071.

레이저를 분석대상물질의 탈착/이온화 에너지원으로 사용하되 매트릭스를 사용하지 않고 분석하는 대표적인 방법은 디오스(DIOS; Desorption Ionization on Porous Silicon)가 잘 알려져 있으며(Wei, J.; Buriak, J. M.; Siuzdak, G. Desorption-Ionization Mass Spectrometry On Porous Silicon. Nature 1999, 399, 243-246.; Shen, Z.; Thomas, J. J.; Averbuj, C.; Broo, K. M.; Engelhard, M.; Crowell, J. E.; Finn, M. G.; Siuzdak, G. Porous Silicon as a Versatile Platform for Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry. Anal. Chem. 2001, 73, 612-619.), 이를 바탕으로 Si 나노와이어, Si 나노입자 및 다양한 Si 나노구조체 표면을 이용한 레이저 탈착/이온화 질량 분석 방법이 시도된 바 있다. Desorption Ionization on Porous Silicon (DIOS) is a well-known method of using a laser as a desorption / ionization energy source for analyte, but without using a matrix (Wei, J .; Buriak, JM; Siuzdak, G. Desorption-Ionization Mass Spectrometry On Porous Silicon.Nature 1999, 399, 243-246 .; Shen, Z .; Thomas, JJ; Averbuj, C .; Broo, KM; Engelhard, M .; Crowell, JE; Finn, MG; Siuzdak, G. Porous Silicon as a Versatile Platform for Laser Desorption / Ionization Mass Spectrometry.Anal.Chem. 2001, 73, 612-619.), Based on Si nanowires, Si nanoparticles and various Si nanostructure surfaces. Laser desorption / ionization mass spectrometry has been tried.

Si 이외에도 ZnO 나노입자 및 ZnO 나노와이어 또한 효과적으로 레이저 탈착/이온화시의 매트릭스를 대체할 수 있는 것으로 보고된 바 있다(Watanabe, T.; Kawasaki, H.; Yonezawa, T.; Arakawa, R. Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry (SALDI-MS) of Low Molecular Weight Organic Compounds and Synthetic Polymers Using Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles. J. Mass Spectrom. 2008, 43, 1063-1071.). In addition to Si, ZnO nanoparticles and ZnO nanowires have also been reported to effectively replace matrices in laser desorption / ionization (Watanabe, T .; Kawasaki, H .; Yonezawa, T .; Arakawa, R. Surface- Assisted Laser Desorption / Ionization Mass Spectrometry (SALDI-MS) of Low Molecular Weight Organic Compounds and Synthetic Polymers Using Zinc Oxide (ZnO) Nanoparticles.J. Mass Spectrom. 2008, 43, 1063-1071.).

그러나, 디오스에 사용되는 다공성 실리콘 및 나노와이어, 나노입자를 포함한 나노구조체들은 매트릭스와 마찬가지로 레이저 에너지를 흡수하여 시료의 이온화를 일으키는 것으로 추정되나, 시료의 탈착/이온화가 가능하도록 하는 정확한 에너지 전달경로는 알려져 있지 않으며, Si와 같은 반도체 물질이나 귀금속, 금속산화물과 같이 효과적으로 매트릭스를 대체할 수 있는 나노구조체의 물질에 대해서는 많은 연구가 수행되고 있으나, 레이저 에너지를 효과적으로 흡수하여 매우 높은 효율로 시료의 탈착/이온화를 가능하게 하는 나노구조체의 구조 자체에 대한 연구는 거의 수행된 바 없다.However, nanostructures including porous silicon, nanowires, and nanoparticles used in DIOS are supposed to absorb laser energy like the matrix and cause ionization of the sample.However, the accurate energy transfer path for desorption / ionization of the sample is possible. Although not known, many researches have been conducted on semiconductor materials such as Si, nanostructure materials such as noble metals and metal oxides, which can effectively replace matrices. Little research has been done on the structure of nanostructures that enable ionization.

본 출원인은 나노와이어를 이용한 레이저 탈착/이온화 질량 분석에 대한 수많은 실험을 수행한 결과, 놀랍게도 나노와이어의 디멘젼(dimension)이 레이저 탈착/이온화 효율에 매우 큰 영향을 미치며, 특정 조건의 나노와이어 디멘젼에서 매우 현저하게 레이저 탈착/이온화 효율이 증가하여, 극히 높은 민감도로 물질의 질량 분석이 수행되며, 매우 작은 분자량을 갖는 물질 또한 극히 우수한 SNR로 안정적으로 재현성 있게 검출됨을 발견하여 본 발명을 출원하기에 이르렀다.Applicants have conducted numerous experiments on laser desorption / ionization mass spectrometry using nanowires, and surprisingly, the dimensions of the nanowires have a very significant effect on the laser desorption / ionization efficiency. The very high laser desorption / ionization efficiency increased significantly, resulting in mass spectrometry of the material with extremely high sensitivity, and finding a material with a very small molecular weight stably and reproducibly with extremely good SNR. .

본 발명의 목적은 매트릭스를 사용하지 않으며, 극히 높은 탈착/이온화 효율을 가지고, 매우 우수한 SNR(signal to noise)을 가지며, 1000 달튼(Da)이하의 분자량을 갖는 물질을 매우 효과적으로 분석할 수 있는 질량 분석 방법을 제공하는 것이다.
The object of the present invention is not to use a matrix, have a very high desorption / ionization efficiency, a very good signal to noise (SNR), mass that can effectively analyze materials having a molecular weight of less than 1000 Daltons (Da) It is to provide an analysis method.

본 발명에 따른 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법은 기판에 수직 배열되며 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 다수개의 나노와이어에 질량 분석 대상 물질인 시료를 위치시킨 후, 상기 시료가 위치한 나노와이어에 레이저를 조사하고 시료를 탈착/이온화시켜 시료의 질량을 분석하는 특징이 있다.In the matrix-free mass spectrometry method using nanowires according to the present invention, after placing a sample, which is a mass spectrometry material, on a plurality of nanowires arranged vertically on a substrate and satisfying Equation 1 and Equation 2 below, the sample is located nano The laser is irradiated to the wire, and the sample is desorbed and ionized to analyze the mass of the sample.

(관계식 1)(Relationship 1)

0.8xDpe < Dnw < Dch 0.8 x D pe <D nw <D ch

(관계식 2)(Relationship 2)

Dch < Lnw < 10xSnw D ch <L nw <10xS nw

(상기 Dnw는 나노와이어의 단축 직경이며, 상기 Lnw는 나노와이어의 장축 길이이며, 상기 Dch는 레이저 조사시 나노와이어의 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)이며, 상기 Dpe는 나노와이어에서 레이저의 투과 깊이 (penetration depth of laser)이며, 상기 Snw는 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어에서 나노와이어의 표면을 기준으로 한 나노와이어간의 최단 이격 거리이다.)(D nw is the uniaxial diameter of the nanowire, L nw is the long axis length of the nanowire, the D ch is the depth of Conductive Heating of the nanowire during laser irradiation, D pe is nano The penetration depth of laser in the wire, S nw is the shortest separation distance between nanowires relative to the surface of the nanowires in a plurality of nanowires arranged vertically on the substrate.)

본 발명의 분석 방법에 있어, 상기 기판에 수직 배열된 나노와이어는 나노와이어가 형성된 기판 표면에 대해 수직 배향성을 갖는 나노와이어를 의미하며, 상기 수직 배향성은 나노와이어의 장축 방향을 기판의 수직 및 수평 성분으로 분해한 경우, 기판의 수평 성분에 비해 기판의 수직 성분이 더 큼을 의미한다. 상기 수직 배열의 수직은 수학적인 엄격한 의미의 수직으로 한정될 수 없으며, 나노와이어의 제조 공정 및 중력등에 의해 엄격한 의미의 수직에서 일정 부분 벗어난 나노와이어를 포함한다.In the analysis method of the present invention, the nanowires vertically arranged on the substrate mean nanowires having vertical alignment with respect to the surface of the substrate on which the nanowires are formed, and the vertical alignment indicates the length of the nanowires in the vertical and horizontal directions. When decomposed into components, it means that the vertical component of the substrate is larger than the horizontal component of the substrate. The verticality of the vertical arrangement may not be limited to the vertically strict mathematical sense, and includes nanowires partially deviated from the vertically strict meaning by the manufacturing process and gravity of the nanowires.

본 발명의 분석 방법에 있어, 상기 나노와이어는 실리카, 산화아연을 포함하는 산화물, 실리콘을 포함하는 4족 원소 또는 실리콘-게르마늄을 포함하는 3-5족 화합물을 포함하여, 상기 나노와이어는 단결정체, 다결정체 또는 비정질의 나노와이어를 포함한다. 이때, 레이저 에너지의 효과적인 흡수 측면에서 상기 나노와이어는 단결정체 또는 비정질의 나노와이어인 것이 바람직하다. In the analysis method of the present invention, the nanowires include silica, an oxide containing zinc oxide, a Group 4 element including silicon, or a Group 3-5 compound including silicon-germanium, wherein the nanowires are monocrystalline. , Polycrystalline or amorphous nanowires. In this case, in view of the effective absorption of laser energy, the nanowires are preferably monocrystalline or amorphous nanowires.

본 발명의 분석 방법에 있어, 레이저 조사에 의해 탈착/이온화된 시료(분석 대상 물질)의 질량 분석은 이온화된 물질의 질량을 분석하는 통상의 질량 분석기(mass spectrometer)를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 질량 분석기는 비행 시간질량 분석기(time of flight mass spectrometer)를 포함한다.In the analysis method of the present invention, mass spectrometry of a sample (analyte to be desorbed / ionized) by laser irradiation may be performed using a conventional mass spectrometer which analyzes the mass of the ionized material, The mass spectrometer includes a time of flight mass spectrometer.

본 발명의 분석 방법에 있어, 나노와이어에 질량 분석 대상 물질인 시료가 위치함은 나노와이어의 표면에 시료가 흡착되어 고정된 것을 포함한다. In the analytical method of the present invention, the location of the sample to be mass spectrometry on the nanowire includes that the sample is adsorbed and fixed on the surface of the nanowire.

본 발명에 따른 분석 방법에 있어, 상기 나노와이어는 산화아연(ZnO) 나노와이어, 바람직하게 단결정체의 산화아연 나노와이어인 특징이 있으며, 상기 레이저는 자외선(UV)이고 상기 Dch가 100 내지 150nm가 되도록 상기 나노와이어에 조사되며, 상기 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어의 최인접 나노와이어간의 이격거리인 Snw는 30 내지 36nm를 만족하며, 상기 나노와이어는 하기의 관계식 3 및 관계식 4를 만족하는 특징이 있다.In the analysis method according to the present invention, the nanowires are characterized by being zinc oxide (ZnO) nanowires, preferably monocrystalline zinc oxide nanowires, wherein the laser is ultraviolet (UV) and the D ch is 100 to 150 nm. Irradiated to the nanowires such that S nw, which is a distance between the nearest nanowires of the plurality of nanowires vertically arranged on the substrate, satisfies 30 to 36 nm, and the nanowires are represented by Equation 3 and Equation 4 below. There is a satisfying feature.

(관계식 3)(Relationship 3)

45nm < Dnw < 55nm45nm <D nw <55nm

(관계식 4)(Relationship 4)

200nm < Lnw < 300nm200nm <L nw <300nm

또한, 본 발명에 따른 분석 방법에서, 상기 시료의 탈착/이온화에 의한 질량 분석 시 100의 SNR(signal to noise ratio)을 만족하는 임계 레이저 파워(threshold laser power)는, 상기 나노와이어에 대체되어 질량분석이 수행되는 상기 나노와이어와 동일한 물질의 단결정체 기판의 100의 SNR(signal to noise ratio)을 만족하는 임계 레이저 파워를 기준으로, 0.5배 내지 0.8배인 특징이 있으며, 상기 레이저는 다수개의 나노와이어가 배열된 기판 표면의 수직 방향을 기준으로 20˚ 내지 40˚의 각도로 조사되는 특징이 있다.In addition, in the analysis method according to the present invention, a threshold laser power that satisfies a signal to noise ratio (SNR) of 100 in mass analysis by desorption / ionization of the sample is replaced by the nanowires and thus mass. 0.5 to 0.8 times the threshold laser power, which satisfies the signal to noise ratio (SNR) of 100 of a single crystal substrate of the same material as the nanowire to be analyzed, characterized in that the laser is a plurality of nanowires Is characterized in that it is irradiated at an angle of 20 ° to 40 ° with respect to the vertical direction of the substrate surface arranged.

본 발명에 따른 분석 방법을 수행함에 있어, 액상 매질에 상기 질량 분석 대상이 일정 농도로 용해 또는 분산된 분석액과 상기 나노와이어를 접촉시킨 후, 상기 액상 매질을 제거하여, 상기 나노와이어에 상기 질량 분석 대상인 시료를 위치시키는 것이 바람직하며, 상기 접촉은 상기 나노와이어에 상기 분석액의 액적을 떨어뜨려 수행되는 것이 더욱 바람직하며, 상기 분석액에 함유된 질량 분석 대상의 농도는 100fmol 내지 100pmol인 것이 바람직하다.In carrying out the analytical method according to the present invention, after the mass analysis target is dissolved or dispersed in a liquid medium in contact with the analyte solution and the nanowires, the liquid medium is removed to remove the mass from the nanowires. It is preferable to position the sample to be analyzed, and the contacting is more preferably performed by dropping the droplets of the analyte on the nanowires, and the concentration of the mass spectrometry contained in the analyte is preferably 100 fmol to 100 pmol. Do.

보다 특징적으로, 본 발명의 분석 방법에서 상기 질량 분석 대상은 200 내지 800 달튼(Da)의 분자량을 갖는다.
More specifically, in the analysis method of the present invention, the mass spectrometry object has a molecular weight of 200 to 800 Daltons (Da).

본 발명의 분석 방법은 극히 높은 탈착/이온화 효율을 가지고, 매우 우수한 SNR(signal to noise)을 가지며, 1000 달튼(Da)이하의 분자량을 갖는 물질을 매우 효과적으로 분석할 수 있는 장점이 있다.
The analytical method of the present invention has the advantage of having an extremely high desorption / ionization efficiency, a very good signal to noise (SNR), and a material having a molecular weight of 1000 Daltons (Da) or less.

도 1은 서로 이격되어 기판상 수직 배향된 산화아연 나노와이어들의 주사현미경 사진으로 a) 내지 f)는 50nm 내지 1600nm의 길이를 갖는 나노와이어들의 주사전자현미경 사진이며,
도 2는 도 1의 산화아연 나노와이어의 X-선 회절 패턴을 도시한 도면이며,
도 3은 250nm 길이를 갖는 산화아연 나노와이어에 위치한 분석 대상 물질(a) 클로니딘(Clonidine), b) 아지스로마이신(Azithromycin), c) 타목시펜(Tamoxifen), d) 케토코나졸(ketoconazole)의 SALDI 질량 스펙트라를 도시한 도면이며,
도 4는 산화아연 나노와이어의 길이에 따른 임계 레이저 파워 및 특정 레이저 파워에서의 이온 강도를 도시한 도면으로 a)는 100의 SNR을 기준으로 한 산화아연 나노와이어의 길이에 따른 임계 레이저 파워를 도시한 도면이며, b)는 48%의 레이저 파워에서 나노와이어의 길이에 따른 이온 강도를 도시한 도면이며,
도 5는 220nm 길이의 산화아연 나노와이어에서, 클로디닌(Clonidine)을 검출 대상 물질로 하여, 클로디닌(Clonidine)의 농도(a) 100 fmol, b) 1 pmol, c) 10 pmol, d) 100 pmol)에 따른 이온 검출 강도를 도시한 도면이며,
도 6은 클로디닌(Clonidine)이 위치한 250nm 길이의 산화아연 나노와이어의 주사전자현미경 사진(a) 및 Zn(b), O(c), Cl(d) 각각의 원소에 대한 EDS(energy dispersive spectroscopy) 맵핑을 도시한 도면이며,
도 7은 클로디닌(Clonidine)이 위치한 2.6μm 길이의 산화아연 나노와이어의 주사전자현미경 사진(a) 및 Zn(b), O(c), Cl(d) 각각의 원소에 대한 EDS 맵핑을 도시한 도면이다.
1 is a scanning micrograph of zinc oxide nanowires vertically oriented on a substrate spaced apart from each other, a) to f) are scanning electron micrographs of nanowires having a length of 50 nm to 1600 nm,
FIG. 2 is a diagram illustrating an X-ray diffraction pattern of the zinc oxide nanowires of FIG. 1.
FIG. 3 shows SALDI mass spectra of analyte (a) Clonidine, b) Azithromycin, c) Tamoxifen, d) ketoconazole, located on zinc oxide nanowires 250 nm long. Is a view showing
4 is a diagram showing the threshold laser power according to the length of the zinc oxide nanowires and the ionic strength at a specific laser power, a) shows the threshold laser power according to the length of the zinc oxide nanowires based on the SNR of 100. And b) shows the ionic strength along the length of the nanowires at 48% laser power.
FIG. 5 shows the concentration of Clodinine (a) 100 fmol, b) 1 pmol, c) 10 pmol, d) 100 in a 220 nm long zinc oxide nanowire using Clonidine as a detection target material. pmol) according to the ion detection intensity,
FIG. 6 is a scanning electron micrograph (a) of a 250 nm long zinc oxide nanowire in which clonidine is located (en) and energy dispersive spectroscopy of elements of Zn (b), O (c), and Cl (d), respectively. ) Is a diagram showing the mapping,
FIG. 7 shows a scanning electron micrograph (a) of a 2.6 μm long zinc oxide nanowire in which clonidine is located and EDS mapping for each element of Zn (b), O (c), Cl (d). One drawing.

이하 본 발명의 분석방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the analysis method of the present invention will be described in detail. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.

본 발명에 따른 분석 방법은 통상의 매트릭스를 사용하지 않고, 기판에 수직 배향된 다수개의 나노와이어(나노와이어 어레이)를 이용하여 분석 대상 물질을 상기 나노와이어에 위치시킨 후, 상기 분석 대상 물질이 위치한 나노와이어에 레이저를 조사하고, 나노와이어에 흡수된 레이저의 에너지에 의해 분석 대상 물질을 탈착 이온화시켜, 탈착 이온화된 분석 대상 물질의 이온화 질량(m/z)을 분석하는, 표면 보조된 레이저 탈착 이온화(SALDI; Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization, 이하 SALDI로 칭함)를 이용한 질량 분석 방법이다.The analytical method according to the present invention uses a plurality of nanowires (nanowire arrays) oriented perpendicular to a substrate without using a conventional matrix, and then places the analyte on the nanowire, and then places the analyte thereon. Surface assisted laser desorption ionization, which irradiates a laser onto the nanowire, desorbs and analytes the analyte by the energy of the laser absorbed by the nanowire, and analyzes the ionization mass (m / z) of the desorbed analyte. (SALDI; Surface-Assisted Laser Desorption / Ionization, hereinafter referred to as SALDI).

특징적으로, 본 발명에 따른 분석 방법은 기판 표면에 수직 배향된 나노와이어를 일정한 구조로 제어하여 레이저 에너지의 흡수를 극대화하고 흡수된 에너지의 전달에 의한 분석 대상 물질의 탈착/이온화 효율을 급격히 증가시키는 특징이 있다. In particular, the analytical method according to the present invention maximizes absorption of laser energy by controlling nanowires vertically oriented to the substrate surface and rapidly increases desorption / ionization efficiency of analyte by transfer of absorbed energy. There is a characteristic.

상술한 바와 같이, 매트릭스를 대체하는 나노구조체(나노와이어를 포함)의 구조 자체가 레이저 탈착/이온화에 미치는 영향에 대한 연구는 종래 시도된 바 없다.As described above, no research has been conducted on the effect of the structure itself of the nanostructures (including nanowires) replacing the matrix on laser desorption / ionization.

본 출원인은 매트릭스를 효과적으로 대체하며, 저 분자량의 생화학 물질 또한 매우 고감도로 분석할 수 있는 나노구조체에 대한 연구를 심화한 결과, 나노와이어의 길이가 레이저 탈착/이온화에 매우 지대한 영향을 미침을 발견하였으며, 특정 조건의 나노와이어 두께 및 나노와이어 길이에서 급격한 레이저 탈착/이온화 효율 증가가 발생함을 알 수 있었다.Applicants have deepened their research on nanostructures that effectively replace matrices and can also analyze low molecular weight biochemicals with very high sensitivity, and found that nanowire lengths have a profound effect on laser desorption / ionization. It can be seen that a rapid increase in laser desorption / ionization efficiency occurs at the nanowire thickness and nanowire length under certain conditions.

상세하게, 도 1은 Si 기판 형성된 Au/Ti를 촉매로, 기상이송법을 이용하여 제조한 다양한 길이의 ZnO 나노와이어의 주사전자현미경을 도시한 도면이다. ZnO 나노와이어의 제조방법에 대한 상세한 내용은 shin등의 논문을 참고한다(Shin, J. H.; Song, J. Y.; Park, H. M. Growth of ZnO Nanowires on a Patterned Au Substrate. Mater. Lett. 2009, 63, 145-147.). In detail, FIG. 1 illustrates a scanning electron microscope of ZnO nanowires of various lengths prepared by using a vapor phase transfer method using Au / Ti formed on a Si substrate as a catalyst. For more information on the preparation of ZnO nanowires, see Shin et al. (Shin, JH; Song, JY; Park, HM Growth of ZnO Nanowires on a Patterned Au Substrate. Mater. Lett. 2009, 63, 145- 147.).

나노와이어의 성장 시간을 제어하여 서로 다른 길이를 갖는 나노와이어를 제조하였으며, 이때, 서로 다른 길이를 나노와이어가 40 내지 60nm(50nmㅁ10 nm)의 유사한 단축 직경을 가짐을 확인하였다. 제조된 나노와이어는 25nm 내지 1600nm의 길이를 가지며, 제조된 일 예들을 도 1(a) 내지 도 1(f)에 도시하였다.By controlling the growth time of the nanowires to prepare nanowires having different lengths, it was confirmed that the different lengths of nanowires have a similar short axis diameter of 40 to 60nm (50nm ~ 10nm). The prepared nanowires have a length of 25 nm to 1600 nm, and examples of the prepared nanowires are illustrated in FIGS. 1 (a) to 1 (f).

제조된 나노와이어를 분석한 결과 단일한 나노와이어가 단일한 단결정체로 이루어짐을 확인하였으며, 도 2에 도시한 X-선 분석 결과에서 알 수 있듯이 WZ( wurztite) 결정구조를 갖는 산화아연 나노와이어가 제조되며, [001]방향을 장축 방향으로 기판 표면에 대해 수직 배향된 다수개의 산화아연 나노와이어가 제조됨을 확인하였다. 이때, 도 2의 Si는 나노와이어가 성장한 Si 기판에 의한 픽(peak)이다.As a result of analyzing the prepared nanowires, it was confirmed that a single nanowire was composed of a single single crystal. As can be seen from the X-ray analysis result shown in FIG. 2, zinc oxide nanowires having a WZ (wurztite) crystal structure were obtained. It was confirmed that a plurality of zinc oxide nanowires were prepared and oriented perpendicular to the substrate surface in the [001] direction of the major axis. In this case, Si in FIG. 2 is a peak due to the Si substrate on which the nanowires are grown.

기판 표면의 나노와이어 밀도는 1.5x1010/cm-2였으며, 나노와이어의 표면을 기준으로 최 인접 나노와이어 간의 거리(즉, 일 나노와이어의 장축 표면에서 상기 일 나노와이어와 최 인접하는 나노와이어의 장축 표면까지의 최단 거리)는 평균 30 내지 36nm이었다.The nanowire density on the substrate surface was 1.5 × 10 10 / cm −2 , and the distance between the nanowires with respect to the surface of the nanowires (ie, the length of the nanowires closest to the one nanowire at the long axis of one nanowire). Shortest distance to the long axis surface) was 30-36 nm in average.

또한, 50nm 길이의 나노와이어 및 250nm 길이의 나노와이어에 대해 광 발광(photoluminescence) 실험을 수행한 결과, 두 나노와이어에서 동일한 광 발광 특성을 얻을 수 있었으며 벌크(bulk) 단결정체 산화아연의 광 발광특성과 동일함을 확인하였다. 이에 의해 양자 구속 효과와 같이 나노구조에 산화아연의 물성이 변화되지 않고, 벌크(bulk) 상태의 산화아연과 동일한 물성을 갖는 나노와이어가 제조됨을 알 수 있다.In addition, photoluminescence experiments were performed on nanowires of 50 nm length and nanowires of 250 nm length, and the same photoluminescence properties were obtained on the two nanowires. The photoluminescence properties of bulk monocrystalline zinc oxide were obtained. It was confirmed that the same as. As a result, it can be seen that the nanowires having the same physical properties as those of the zinc oxide in the bulk state are produced without changing the physical properties of the zinc oxide in the nanostructure as in the quantum confinement effect.

분석 대상 물질로, 대표적인 저 분자량 생화학 물질인 클로니딘(Clonidine, exact mass : 230.1 Da, Sigma Aldrich), 아지스로마이신(Azithromycin, exact mass : 749.0 Da, Sigma Aldrich), 타목시펜(Tamoxifen, exact mass : 371.5 Da, Sigma Aldrich) 또는 케토코나졸(ketoconazole, exact mass : 531.4 Da, Sigma Aldrich)를 사용하였다.As analyte, Clonidine (exact mass: 230.1 Da, Sigma Aldrich), azithromycin (exact mass: 749.0 Da, Sigma Aldrich), tamoxifen (Taxixi, exact mass: 371.5 Da) , Sigma Aldrich) or ketoconazole (exact mass: 531.4 Da, Sigma Aldrich) were used.

기판상 수직 배향된 다수개의 나노와이어에 분석 대상 물질을 위치시키기 위해, 10부피%의 메탄올이 혼합된 초순수에 분석 대상물질을 10μM이 되도록 첨가하여 분석액(분석대상물질의 농도 : 5 pmol)을 제조한 후, 나노와이어에 0.5μL의 분석액 액적을 떨어뜨린 후 이를 건조하였다. 질량 분석은 UV 레이저(발광 파장 355 nm)가 부착된 MALDI 질량 분석기(Matrix-Assisted Laser Desorption /Ionization mass spectrometer, (Autoflex III; Bruker-Daltonics, Bremen, Germany)를 이용하여 수행하였다. 레이저의 파워는 감쇠기(attenuator)를 이용하여 조절하였으며, 이하, 나노와이어에 조사되는 레이저 파워는 최대 레이저 파워를 기준으로 한 %로 기재한다. 측정은 최소 4회 이상 반복 수행되었으며, 질량 분석 결과로 그 평균값을 취하였다.In order to place the analyte on a plurality of nanowires vertically oriented on the substrate, the analyte (10 analyte concentration: 5 pmol) was added to ultrapure water mixed with 10% by volume of analyte to 10 μM. After the preparation, 0.5 μL of analyte droplets were dropped on the nanowires and then dried. Mass spectrometry was performed using a MALDI mass spectrometer (Matrix-Assisted Laser Desorption / Ionization mass spectrometer) (Autoflex III; Bruker-Daltonics, Bremen, Germany) with a UV laser (emission wavelength 355 nm). The laser power irradiated to the nanowire is described in% based on the maximum laser power.The measurement was repeated at least four times, and the average value was taken as a result of mass analysis. It was.

도 3은 250nm 길이의 산화아연 나노와이어를 이용하여 각 분석 대상 물질에 대해 얻은 SALDI 질량스펙트럼을 도시한 것으로, 도 3(a)는 클로니딘을, 도 3(b)는 아지스로마이신을, 도 3(c)는 타목시펜을, 도 3(d)는 케토코나졸을 분석 대상 물질로 한 경우이다. Figure 3 shows the SALDI mass spectrum obtained for each analyte using a 250 nm long zinc oxide nanowire, Figure 3 (a) is clonidine, Figure 3 (b) is azithromycin, Figure 3 (c) shows tamoxifen, and FIG. 3 (d) shows ketoconazole as an analysis target material.

도 3에서 알 수 있듯이, 250nm 길이의 산화아연 나노와이어로 매트릭스를 대체한 경우, 강한 신호세기의 깨어지지 않은 분자이온이 생성됨을 알 수 있다. 이때, 이온화 과정에서 필요한 전하는 시료 용액, 환경 또는 나노와이어의 합성 단계로부터 남은 Na+ 나 Ka+의 양이온화(cationization)거나 양성자 첨가(protonation)로부터 얻어진 것이며, 질량스펙트럼에서 보이는 다른 이온 픽(peak)들은 시료에서 깨어져 나온 딸이온이라기 보다는 시료의 오염에서 비롯된 것이다. As can be seen in Figure 3, when the matrix is replaced with 250 nm long zinc oxide nanowires, it can be seen that the unbreakable molecular ion of a strong signal strength is generated. In this case, the charge required in the ionization process is obtained from cationization or protonation of Na + or Ka + remaining from the sample solution, the environment, or the synthesis step of the nanowire, and other ion peaks shown in the mass spectrum. They originate from the contamination of the sample rather than the daughter ions broken out of the sample.

도 3의 질량 스펙트럼은 250nm 길이의 산화아연 나노와이어에 분석 대상 물질(시료)을 함유한 분석액(5 pmol)을 점적하면 기판위에서 약 1 mm 직경을 가지며 점적되는데, 이때 시료 분자의 표면 밀도는 4.7x1013 cm-2정도이다. 이것은 통상적인 표면 원지 밀도인 1015보다 작은 밀도로, 나노와이어 표면에 위치한 시료 분자가 단층(monolayer)을 뛰어넘지 못할 것으로 추정된다.The mass spectrum of FIG. 3 is dipped with an analyte (5 pmol) containing an analyte (sample) on a 250 nm long zinc oxide nanowire, having a diameter of about 1 mm on a substrate. It is about 4.7x10 13 cm -2 . This is less than 10 15 , which is the typical surface density, and it is estimated that sample molecules located on the surface of the nanowire will not go beyond the monolayer.

도 4는 산화아연 나노와이어의 길이에 따른 임계 레이저 파워 및 특정 레이저 파워에서의 이온 강도를 도시한 도면으로 도 4(a)는 산화아연 나노와이어의 길이에 따른 임계 레이저 파워를 도시한 도면이며, 도 4(b)는 48%의 레이저 파워에서 나노와이어의 길이에 따른 이온 강도를 도시한 도면이다.4 is a diagram showing the critical laser power according to the length of the zinc oxide nanowires and the ionic strength at a specific laser power, Figure 4 (a) is a view showing the critical laser power along the length of the zinc oxide nanowires, 4 (b) shows ionic strength along the length of the nanowires at 48% laser power.

이때, 상기 임계(threshold) 레이저 파워는 가 임계(near-threshold) 레이저 파워로, SNR(signal to noise ratio) 100이 얻어지는 레이저 파워를 의미한다. In this case, the threshold laser power is a near-threshold laser power, and means a laser power at which a signal to noise ratio (SNR) 100 is obtained.

도 4(a)에 도시한 바와 같이, 나노와이어가 레이저의 에너지를 흡수하고 흡수된 에너지를 전달하여 분석 대상 물질을 탈착 및 이온화 시키는 이온 수율이 나노와이어의 길이에 대해 뚜렷한 의존성을 가짐을 알 수 있으며, 200 내지 300nm 길이의 나노와이어에서 이온 수율이 급격히 증가함을 알 수 있다. As shown in FIG. 4 (a), it can be seen that the ion yield of the nanowires absorbing the energy of the laser and transmitting the absorbed energy to desorb and ionize the material to be analyzed has a distinct dependence on the length of the nanowires. In addition, it can be seen that the ion yield is rapidly increased in the nanowire of 200 to 300nm length.

비교를 위해 (0001) 표면의 단결정 산화아연 기판(MIT corporation)에서 동일한 실험을 수행한 결과, 단결정 산화아연 기판에 대한 임계 레이저 파워는 250nm 길이 산화아연 나노와이어에 비해 1.5배 더 높은 것으로 측정되었다. The same experiment was performed on a (0001) surface single crystal zinc oxide substrate (MIT corporation) for comparison, and the critical laser power for the single crystal zinc oxide substrate was determined to be 1.5 times higher than that of 250 nm long zinc oxide nanowires.

나아가 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 서로 다른 길이의 나노와이어에 대해48%의 고정된 레이저 파워를 이용하여 이온 수율을 측정한 결과, 250nm 길이의 나노와이어에서 가장 효율적인 질량 스펙트럼을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이때, 상기 48%의 레이저 파워는 임계 레이저 파워보다 충분히 높은 파워이다. Furthermore, as shown in FIG. 4 (b), the ion yield was measured using a fixed laser power of 48% for nanowires of different lengths, and as a result, the most efficient mass spectrum was obtained in nanowires of 250 nm length. It was confirmed that there is. At this time, the 48% laser power is sufficiently higher than the critical laser power.

상세하게, 도 4(b)에서 알 수 있듯이, 분석 대상 물질의 분자량이 230 내지 750 달튼(Da)의 극히 작은 분자량임에도 네 개의 서로 다른 분석 대상 물질 모두에 대해, 250nm 길이의 나노와이어에서 현저하게 높은 레이저 탈착 이온화 효율 이 얻어짐을 알 수 있다. In detail, as can be seen in Figure 4 (b), for all four different analytes, although the molecular weight of the analyte is very low molecular weight of 230 to 750 Daltons (Da), it is remarkable in the nanowire of 250nm length It can be seen that a high laser desorption ionization efficiency is obtained.

도 5는 220nm 길이의 나노와이어를 이용하고, 클로디닌을 분석 대상 물질로 하여, 분석액의 분석 대상 물질 농도를 100 fmol(도 5(a)), 1 pmol(도 5(b)), 10 pmol(도 5(c)) 및 100 pmol(도 5(d))로 각각 조절하여 측정된 질량스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 5에서 알 수 있듯이 이온 수율이 급격히 증가하는 나노와이어 길이에 속하는 220 nm 길이에서의 레이저 탈착 이온화(SALDI) 감도는 100 fmol보다 훨씬 더 좋은 것으로 평가되었다. 5 is a nanowire having a length of 220 nm and using Clodinin as an analyte, 100 fmol (FIG. 5 (a)), 1 pmol (FIG. 5 (b)), 10 in analyte concentration of analyte. Figure 5 shows the mass spectrum measured by adjusting to pmol (Fig. 5 (c)) and 100 pmol (Fig. 5 (d)), respectively. As can be seen in FIG. 5, the sensitivity of laser desorption ionization (SALDI) at 220 nm length, which belongs to the nanowire length, in which the ion yield rapidly increases, was evaluated as much better than 100 fmol.

이러한 결과는 레이저 탈착 이온화시, 나노구조체의 물리적 구조가 매우 중요함을 의미하는 것이며, 특정 크기 조건을 만족하는 나노와이어가 매우 효과적으로 레이저 탈착 이온화를 야기함을 보여주는 것이다. These results indicate that the physical structure of the nanostructures is very important in laser desorption ionization, and show that nanowires that meet specific size conditions cause laser desorption ionization very effectively.

도 6은 클로디닌(Clonidine)이 위치한 250nm 길이의 산화아연 나노와이어의 주사전자현미경 사진(a) 및 Zn(b), O(c), Cl(d) 각각의 원소에 대한 EDS(energy dispersive spectroscopy) 맵핑을 도시한 도면이며, 도 7은 클로디닌(Clonidine)이 위치한 2.6μm 길이의 산화아연 나노와이어의 주사전자현미경 사진(a) 및 Zn(b), O(c), Cl(d) 각각의 원소에 대한 EDS 맵핑을 도시한 도면이다. 도 6 내지 도 7과 같이 EDS를 이용하여 나노와이어에 위치한 분석 대상 물질의 분포를 살펴본 결과, 나노와이어의 길이 방향으로도 시료가 고르게 흡착되어 있는 것을 알 수 있다.FIG. 6 is a scanning electron micrograph (a) of a 250 nm long zinc oxide nanowire in which clonidine is located (en) and energy dispersive spectroscopy of elements of Zn (b), O (c), and Cl (d), respectively. 7 shows a scanning electron micrograph (a) and Zn (b), O (c), and Cl (d) of a 2.6 μm long zinc oxide nanowire on which Clodinine is located. A diagram showing EDS mapping for elements of. As shown in FIG. 6 to FIG. 7, the distribution of the analyte to be located in the nanowires using EDS shows that the sample is evenly adsorbed in the longitudinal direction of the nanowires.

도 1 내지 도 5의 결과를 바탕으로, 기판 표면에 수직 배향된 다수개의 나노와이어를 이용하여 레이저 탈착 이온화 질량 분석을 수행할 때, 하기의 관계식 1 및 2를 만족하는 나노와이어를 사용함으로써, 매우 현저하게 레이저 탈착/이온화 효율을 증가시킬 수 있으며, 극히 높은 민감도로 물질의 질량 분석을 수행할 수 있으며, 매우 작은 분자량을 갖는 물질 또한 극히 우수한 SNR로 매우 안정적으로 재현성 있게 검출할 수 있음을 알 수 있다.Based on the results of FIGS. 1 to 5, when performing laser desorption ionization mass spectrometry using a plurality of nanowires oriented perpendicular to the substrate surface, by using nanowires satisfying the following relations 1 and 2, It is possible to remarkably increase the efficiency of laser desorption / ionization, perform mass spectrometry of materials with extremely high sensitivity, and find very stable and reproducible detection of materials with very small molecular weight with very good SNR. have.

(관계식 1)(Relationship 1)

0.8xDpe < Dnw < Dch 0.8 x D pe <D nw <D ch

(관계식 2)(Relationship 2)

Dch < Lnw < 10xSnw D ch <L nw <10xS nw

(상기 Dnw는 나노와이어의 단축 직경이며, 상기 Lnw는 나노와이어의 장축 길이이며, 상기 Dch는 레이저 조사시 나노와이어의 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)이며, 상기 Dpe는 나노와이어에서 레이저의 투과 깊이(penetration depth of laser)이며, 상기 Snw는 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어에서 나노와이어의 표면을 기준으로 한 나노와이어간의 최단 이격 거리이다.)(D nw is the uniaxial diameter of the nanowire, L nw is the long axis length of the nanowire, the D ch is the depth of Conductive Heating of the nanowire during laser irradiation, D pe is nano The penetration depth of laser in the wire, S nw is the shortest separation distance between nanowires relative to the surface of the nanowires in a plurality of nanowires arranged vertically on the substrate.)

특정 길이 및 특정 단축 직경을 갖는 나노와이어에서의 매우 낮은 임계 레이저 파워는 나노구조가 레이저를 효과적으로 흡수하고 또 이 에너지를 다시 흡착된 분자에 효과적으로 전달하는 것에 기여한다는 것을 의미한다. The very low critical laser power in nanowires with specific lengths and specific short axis diameters means that the nanostructures contribute to the effective absorption of the laser and the effective transfer of this energy back to the adsorbed molecules.

도 3 내지 도 5의 질량 분석시와 같이, 산화아연의 경우에 레이저 조사 시간이 7ns일 때 전도가열의 깊이(depth of conductive heating=(kt/Cpπ)0.5, k=나노와이어 물질의 열 전도율, Cp=나노와이어 물질의 열 용량, t=레이저 조사 시간)는 130 nm 이다. As shown in the mass spectrometry of FIGS. 3 to 5, in the case of zinc oxide, a depth of conductive heating = (kt / Cpπ) 0.5 when the laser irradiation time is 7 ns, k = thermal conductivity of the nanowire material, Cp = heat capacity of the nanowire material, t = laser irradiation time) is 130 nm.

관계식 1을 만족하는 나노와이어의 경우, 이 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)가 나노와이어의 직경보다 더 크며, 측면방향으로의 열전도는 표면경계조건에 의해 제한되고, 355 nm 레이저 에너지의 흡수는 레이저의 투과 깊이(penetration depth of laser, 1/a = 60 nm)가 나노와이어의 직경과 비교할만한 것으로, 조사되는 레이저 에너지는 전체적인 나노와이어를 통해 효율적으로 일어나게 된다. 이렇게 나노와이어에 축적된 에너지는 레이저 탈착 이온화 과정에서 표면 온도의 증가 및 이로 인한 분자의 탈착에 매우 큰 기여를 하게 된다. 예를 들어, 실리콘의 경우, UV 레이저 흡수에 의한 순간적인 표면가열로 인해 표면온도가 1000 K 이상으로 증가할 수 있다고 보고된 바 있다.For nanowires satisfying Equation 1, the depth of conductive heating is greater than the diameter of the nanowires, and the lateral heat conduction is limited by surface boundary conditions and absorbs 355 nm laser energy. The penetration depth of the laser (1 / a = 60 nm) is comparable to the diameter of the nanowires. The irradiated laser energy is efficiently generated through the entire nanowire. The energy accumulated in the nanowires contributes to the increase of the surface temperature during the laser desorption ionization and thus the desorption of molecules. For example, it has been reported that the surface temperature can be increased above 1000 K due to instantaneous surface heating by UV laser absorption.

상기 관계식 2와 같이, 나노와이어의 길이가 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)보다 긴 경우, 나노와이어에서 흡수된 레이저 에너지의 기판을 통한 손실이 최소화되어, 나노와이어의 표면 온도를 효과적으로 증가시킨다.As shown in Equation 2, when the length of the nanowire is longer than the depth of conductive heating, the loss of the laser energy absorbed from the nanowire through the substrate is minimized, effectively increasing the surface temperature of the nanowire. .

이와 같이, 조사되는 레이저 에너지를 나노와이어의 단축 직경 전체에서 효과적으로 흡수하여 가열되고, 외부와의 경계면에서 흡수된 에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 상기 관계식 1을 만족해야하며, 기판 방향으로의 흡수된 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 상기 관계식 2와 같이 나노와이어의 길이가 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)보다 길어야 한다.As such, the irradiated laser energy is effectively absorbed and heated in the entire short axis diameter of the nanowire, and in order to minimize the loss of energy absorbed at the interface with the outside, the relation 1 must be satisfied, and the absorbed energy toward the substrate direction. In order to minimize the loss, the length of the nanowires should be longer than the depth of conductive heating, as shown in Equation 2 above.

또한 기판에 수직 배향된 다수개의 나노와이어에 분석 대상 물질을 위치시킨 후, 레이저를 조사함에 따라, 기판상 위치하는 나노와이어 어레이에 관련된 구조적 효과에 의해 상기 관계식 2를 만족해야 한다. In addition, after placing the analyte on a plurality of nanowires vertically oriented to the substrate, as the laser is irradiated, relation 2 may be satisfied by structural effects related to the array of nanowires positioned on the substrate.

상세하게, 나노와이어가 효율적으로 레이저 에너지를 잘 흡수함에 따라, 인접한 나노와이어의 레이저 조사를 가릴 수 있으며(shading effect)시킬 수 있으며, 나노와이어에 흡수된 에너지에 의해 발생한 이온(분석 대상 물질의 이온)이 나노와이어 자체의 물리적 장벽에 의해 원활하게 진공으로 탈출하지 못하게 된다(blocking effect). 이에 의해, 최인접하는 나노와이어간의 평균 이격 거리(나노와이어의 최외곽 표면을 기준으로 한 이격 거리임)의 10배 이하의 길이를 가질 때 이러한 인접 나노와이어의 에너지 흡수 저하가 방지되고, 발생한 이온이 원활하게 진공 탈출하여 이온 수율이 증가하게 된다. 나아가, 상기 관계식 2를 만족함으로써, 기판으로의 에너지 손실을 방지함과 동시에, 레이저가 기판 표면의 수직방향을 기준으로 20 내지 40˚의 각도로 조사될 때, 다수개의 나노와이어에서 모두 레이저 에너지가 효과적으로 흡수되며, 인접 나노와이어의 에너지 흡수 저하가 방지되게 된다. Specifically, as the nanowires efficiently absorb the laser energy, they can mask the laser irradiation of adjacent nanowires, and the ions generated by the energy absorbed by the nanowires (ions of the analyte to be analyzed). ) Does not escape smoothly into the vacuum by the physical barrier of the nanowire itself (blocking effect). This prevents a decrease in energy absorption of these adjacent nanowires when they have a length less than or equal to 10 times the average separation distance between the closest nanowires (the separation distance based on the outermost surface of the nanowire), and the generated ions The vacuum escapes smoothly and the ion yield is increased. Furthermore, by satisfying the relation 2, the laser energy is generated in all the nanowires when the laser is irradiated at an angle of 20 to 40 degrees with respect to the vertical direction of the substrate surface while preventing energy loss to the substrate. It is effectively absorbed and the lowering of energy absorption of adjacent nanowires is prevented.

이와 같이, 나노와이어가 상기의 관계식 1 및 2를 만족함으로써, 극히 높은 탈착/이온화 효율을 가지고, 매우 우수한 SNR(signal to noise)을 가지며, 1000 달튼(Da)이하의 분자량을 갖는 물질을 매우 효과적으로 분석할 수 있게 된다. As such, the nanowires satisfy the above relations 1 and 2, and thus have very high desorption / ionization efficiency, very good signal to noise (SNR), and have a very effective molecular weight of 1000 Dalton (Da). You can analyze it.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims as well as the claims to be described later will belong to the scope of the present invention. .

Claims (8)

기판에 수직 배열되며 하기의 관계식 1 및 관계식 2를 만족하는 다수개의 나노와이어에 질량 분석 대상 물질인 시료를 위치시킨 후, 상기 시료가 위치한 나노와이어에 레이저를 조사하고 시료를 탈착/이온화시켜 시료의 질량을 분석하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
(관계식 1)
0.8xDpe < Dnw < Dch
(관계식 2)
Dch < Lnw < 10xSnw
(상기 Dnw는 나노와이어의 단축 직경이며, 상기 Lnw는 나노와이어의 장축 길이이며, 상기 Dch는 레이저 조사시 나노와이어의 전도가열의 깊이(Depth of Conductive Heating)이며, 상기 Dpe는 나노와이어에서 레이저의 투과 깊이(penetration depth of laser)이며, 상기 Snw는 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어에서 나노와이어의 표면을 기준으로 한 나노와이어간의 최단 이격 거리이다.)
After placing a sample as a mass spectrometry material on a plurality of nanowires arranged vertically on a substrate and satisfying the following Equation 1 and Equation 2, irradiating a laser to the nanowire where the sample is located and desorption / ionization of the sample Matrix-free mass spectrometry using nanowires to analyze mass.
(Relationship 1)
0.8 x D pe <D nw <D ch
(Relationship 2)
D ch <L nw <10xS nw
(D nw is the uniaxial diameter of the nanowire, L nw is the long axis length of the nanowire, the D ch is the depth of Conductive Heating of the nanowire during laser irradiation, D pe is nano The penetration depth of laser in the wire, S nw is the shortest separation distance between nanowires relative to the surface of the nanowires in a plurality of nanowires arranged vertically on the substrate.)
제 1항에 있어서,
상기 나노와이어는 ZnO 나노와이어인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method of claim 1,
The nanowire is a matrix-free mass spectrometry method using nanowires, characterized in that ZnO nanowires.
제 2항에 있어서,
상기 레이저는 자외선(UV)이고 상기 Dch가 100 내지 150nm가 되도록 상기 나노와이어에 조사되며, 상기 기판상 수직 배열된 다수개의 나노와이어의 최인접 나노와이어간의 이격거리인 Snw는 30 내지 36nm를 만족하며, 상기 나노와이어는 하기의 관계식 3 및 관계식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
(관계식 3)
45nm < Dnw < 55nm
(관계식 4)
200nm < Lnw < 300nm
The method of claim 2,
The laser is ultraviolet (UV) light and irradiates the nanowires such that the D ch is 100 to 150 nm, and the distance S nw between the closest nanowires of the plurality of nanowires vertically arranged on the substrate is 30 to 36 nm. Satisfying, the nanowire is a matrix-free mass spectrometry method using nanowires, characterized in that the following relations 3 and 4.
(Relationship 3)
45nm <D nw <55nm
(Relationship 4)
200nm <L nw <300nm
제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 시료의 탈착/이온화에 의한 질량 분석 시 100의 SNR(signal to noise ratio)을 만족하는 임계 레이저 파워(threshold laser power)는, 상기 나노와이어에 대체되어 질량분석이 수행되는 상기 나노와이어와 동일한 물질의 단결정체 기판의 100의 SNR(signal to noise ratio)을 만족하는 임계 레이저 파워를 기준으로, 0.5배 내지 0.8배인 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
A threshold laser power that satisfies a signal to noise ratio (SNR) of 100 during mass analysis by desorption / ionization of the sample is the same material as that of the nanowire, where the mass analysis is performed by replacing the nanowire. The matrix-free mass spectrometry method using nanowires, characterized in that 0.5 to 0.8 times, based on the critical laser power that satisfies the signal to noise ratio (SNR) of 100 of the single crystal substrate.
제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저는 다수개의 나노와이어가 배열된 기판 표면의 수직 방향을 기준으로 20˚ 내지 40˚의 각도로 조사되는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The laser is a matrix-free mass spectrometry method using a nanowire, characterized in that irradiated at an angle of 20 to 40 degrees relative to the vertical direction of the surface of the substrate on which a plurality of nanowires are arranged.
제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
액상 매질에 상기 질량 분석 대상이 100fmol 내지 100pmol의 농도로 용해 또는 분산된 분석액과 상기 나노와이어를 접촉시킨 후, 상기 액상 매질을 제거하여, 상기 나노와이어에 상기 질량 분석 대상인 시료를 위치시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
After contacting the nanowires with the analyte solution dissolved or dispersed at a concentration of 100 fmol to 100 pmol in a liquid medium, the liquid medium is removed, to place the sample to be subjected to the mass spectrometry on the nanowires Matrix-free mass spectrometry using nanowires.
제 6항에 있어서,
상기 접촉은 상기 나노와이어에 상기 분석액의 액적을 떨어뜨려 수행되는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method of claim 6,
The contacting method is a matrix-free mass spectrometry method using nanowires, characterized in that the contact is performed by dropping the droplets of the analyte on the nanowires.
제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 질량 분석 대상은 200 내지 800 달튼(Da)의 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 나노와이어를 이용한 무 매트릭스 질량 분석 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The mass spectrometry target is a matrix-free mass spectrometry method using nanowires, characterized in that having a molecular weight of 200 to 800 Daltons (Da).
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