KR20120042581A - 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법 - Google Patents

무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120042581A
KR20120042581A KR1020100104319A KR20100104319A KR20120042581A KR 20120042581 A KR20120042581 A KR 20120042581A KR 1020100104319 A KR1020100104319 A KR 1020100104319A KR 20100104319 A KR20100104319 A KR 20100104319A KR 20120042581 A KR20120042581 A KR 20120042581A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
analyte
matrix
mass spectrometry
laser light
Prior art date
Application number
KR1020100104319A
Other languages
English (en)
Inventor
한상윤
송재용
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020100104319A priority Critical patent/KR20120042581A/ko
Publication of KR20120042581A publication Critical patent/KR20120042581A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/626—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using heat to ionise a gas
    • G01N27/628—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using heat to ionise a gas and a beam of energy, e.g. laser enhanced ionisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0409—Sample holders or containers
    • H01J49/0418—Sample holders or containers for laser desorption, e.g. matrix-assisted laser desorption/ionisation [MALDI] plates or surface enhanced laser desorption/ionisation [SELDI] plates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

본 발명은 매트릭스를 사용하지 않으며, 시료에 레이저 광탈착 이온화를 유발하는 외부 물질을 첨가하지 않고, 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질의 레이저 광탈착 이온화를 유발하여 분석대상물질의 질량을 분석하는 방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 분석방법은 무기 기판에 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질을 포함하는 분석액을 도포한 후 건조하고, 상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 레이저 광을 조사하여 상기 무기 기판의 레이저 광 흡수에 의해 상기 분석대상물질을 탈착 이온화시켜, 상기 탈착 이온화된 분석대상물질의 질량 검출을 수행하는 특징이 있다.

Description

무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법{Mass Spectrometric Method for Matrix-free Laser Desorption/Ionization}
본 발명은 매트릭스를 사용하지 않으며, 시료에 레이저 광탈착 이온화를 유발하는 외부 물질을 첨가하지 않고, 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질의 레이저 광탈착 이온화를 유발하여 분석대상물질의 질량을 분석하는 방법에 관한 것이다.
질량분석법으로 MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption /Ionization)법이 유용하게 사용되고 있다. MALDI법은 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 이온화를 유도하며, 이때 생성되어 진공 중으로 방출된 시료 분자 이온의 분자량을 측정하거나 탠덤질량분석 기술을 이용하여 구조를 분석하는 것이다. 이러한 질량분석기로는 비행시간 질량분석기(TOF MS; Time of Flight Mass Spectrometer)가 주로 사용된다. MALDI-TOF MS는 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.
그런데, 상술한 MALDI법은 고분자 생화학물질을 질량분석하기 위해 매트릭스를 포함하는 용액을 처리하여 매트릭스 층을 만들어 주어야 하며, 검출하고자 하는 분석 대상에 따른 매트릭스 종류의 선별, 도포되는 용액의 조성, 농도 및 결정화 조건 등의 최적화와 같은 복잡한 과정이 수행되어야 한다. 또한, 도포된 매트릭스 용액은 용매의 증발 후 균질하지 않은 결정을 형성하므로, 분석에 필요한 적절한 세기의 이온 신호를 얻기 위해서는 스위트 스팟 (sweet spot)을 찾는 노력이 필요하며, 결정의 불균질성으로 인해 분석 위치에 따라 다른 세기의 이온 신호를 얻게 되므로, 정량 분석이 어려우며, 재현성과 신뢰도 높은 측정 결과를 얻기 힘들며, 더 나아가 케미칼 맵핑(chemical mapping)과 같은 질량 이미징을 구현하기 어렵다.
본 출원인은 수많은 실험과 각고의 노력 끝에 매트릭스 뿐만 아니라 외부물질의 첨가 또한 불필요한 LDI(Laser Desorption /Ionization)법을 개발하였으며, 본 발명의 LDI법을 이용하여 약물, 유기물, 펩타이드, 탄수화물, 단백질, 지질, 핵산 등의 분석시료의 광탈착 이온화가 유도되어 질량 분석이 효과적으로 수행될 수 있음을 발견하여 본 특허를 출원하기에 이르렀다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 매트릭스를 사용하지 않고 분석대상물질의 레이저 광탈착 이온화를 유발하여 분석대상물질의 질량 분석을 가능하게 하는 질량 분석 방법을 제공하는 데 있다.
상세하게는 매트릭스를 사용하지 않으며, 시료에 레이저 광탈착 이온화를 유도하는 외부물질을 첨가하지 않고 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질을 질량 분석할 수 있으며, 분석대상물질을 포함하는 시료의 전처리가 극히 간단하고 질량분석을 위한 시료의 처리시 시료의 변형/오염/훼손을 최소화할 수 있으며, 극히 고감도로 매우 큰 질량 범위의 물질을 분석하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법은 무기 기판에 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질을 포함하는 분석액을 도포한 후 건조하고, 상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 레이저 광을 조사하여 상기 무기 기판의 레이저 광 흡수에 의해 상기 분석대상물질을 탈착 이온화시켜, 상기 탈착 이온화된 분석대상물질의 질량 검출을 수행하는 특징이 있다.
본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법에 있어, 상기 기판의 흡광계수 (absorption coefficient, a)는 1x103/cm 이상인 것을 특징이 있으며, 상세하게, 상기 흡광계수는 자외선 내지 적외선 레이저 광에 대한 흡광계수이다.
보다 특징적으로, 본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법에 있어, 상기 기판의 열전도도(Thermal conductivity, K)는 1000 Wm-1K-1 이하인 특징이 있다.
보다 더 특징적으로, 본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법에 있어, 상기 기판의 비열(Heat Capacity, Cp)은 0.01 Jcm-3K-1 이상인 특징이 있다.
상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 조사되는 상기 레이저 광은 펄스(pulse) 광이며, 레이저 광의 펄스 폭은 100 μs 내지 1 fs인 특징이 있다.
상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 조사되는 상기 레이저 광은 자외선 내지 적외선인 특징이 있다.
상세하게, 상기 기판은 상기 기판의 표면에 인위적인 나노구조가 형성되지 않은 기판인 특징이 있으며, 상기 기판은 상기 기판은 반도체 기판, 금속산화물 기판 또는 이들의 적층 기판을 포함하며, 상기 기판은 단결정(single crystal), 다결정(poly crystal) 또는 비정질 기판을 포함하며, 바람직하게 비정질 기판이다.
상기 기판의 표면에는 상기 기판과 상기 분석대상물질과의 결합력보다 낮은 상기 분석대상물질과의 결합력을 갖는 코팅층이 형성된 것이 바람직하며, 상기 코팅층에 상기 분석액의 도포가 수행되는 것이 바람직하다.
상기 기판 표면의 코팅층은 자기조립 단분자막, 실리카(silica), -CH3를 포함하는 탄화수소 사슬, 폴리에틸렌 글리콜(-PEG), -OCH3 , -NH2, -COOH, -CF3, -F 및 -Cl에서 하나 이상 선택된 작용기를 표면 작용기로 갖는 코팅층인 특징이 있으며, 상기 코팅층의 두께는 단원자층 내지 50nm 이하인 특징이 있다.
본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법은 1600 Da 이하의 분석대상물질의 질량 검출이 수행되는 특징이 있으며, 분석대상물질의 양이 0.01 fmol 이상인 분석액의 질량 검출이 수행되는 특징이 있다.
본 발명의 분석방법은 매트릭스를 사용하지 않고, 시료에 레이저 광탈착 이온화를 유도하는 외부물질 또는 나노구조가 불필요하며, 단지 편평한 기판에 분석대상물질을 함유하는 분석액을 도포하는 것만으로 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물인 분석대상물질의 이온화 질량을 분석할 수 있는 장점이 있다. 나아가 분석대상물질의 양이 0.01 fmol까지 검출 가능한 고감도의 분석방법인 장점이 있으며, 저 질량 물질 뿐만 아니라 1600Da에 이르는 매우 질량이 큰 물질 또한 검출할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 비정질 실리콘 기판의 비접촉 AFM 측정결과를 도시한 것이며,
도 2는 본 발명의 방법에 따라 얻어진 광탈착 이온화 질량 스펙트럼을 도시한 것으로, 클로디닌(a), 콜레스테롤(b), 브래디키닌 1-5(c), 아지쓰로마이신(d), 브래디키닌 1-7(e), 안지오텐신 II(f), P 물질(g) 및 소마토스타틴(h)의 검출결과이며,
도 3은 코팅층이 형성된 기판을 이용한 광탈착 이온화 질량 스펙트럼을 도시한 것으로, 도 3(a)의 비어있는 바(bar)는 비정질 실리콘 기판을 이용한 경우 피크 면적 강도이며 채워진 바(bar)는 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판을 이용한 경우 피크 면적 강도이며, 도 3(b)는 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판 및 비정질 실리콘 기판 각각에서 10 pmol의 안지오텐신II 분석액의 검출결과를 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 분석방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
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.
본 발명은 광탈착 이온화를 위한 매트릭스를 채용하지 않으며, 광탈착 이온화를 위한 외부 물질도 분석대상물질에 첨가되지 않으며, 인위적인 나노구조의 도움 또한 받지 않고, 분석대상물질의 이차이온 질량을 분석할 수 있는 방법을 최초로 제시하고자 한다.
본 발명에 따른 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법은 무기 기판에 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질을 포함하는 분석액을 도포한 후 건조하고, 상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 레이저 광을 조사하여 상기 무기 기판의 레이저 광 흡수에 의해 상기 분석대상물질을 탈착 이온화시켜, 상기 탈착 이온화된 분석대상물질의 질량 검출을 수행하는 특징이 있다.
상기 분석대상물질은 이온화 질량을 검출하고자 하는 목적 물질을 의미하며, 유기물, 무기물, 생화학물질 또는 이들의 복합물을 포함하며, 상기 복합물은 상기 유기물, 무기물 및 생화학물질에서 선택된 둘 이상의 물질이 혼합된 혼합물과 상기 유기물, 무기물 및 생화학물질에서 선택된 둘 이상의 물질이 화학적으로 결합한 결합물을 포함한다.
상기 생화학물질은 세포 구성물질, 유전물질, 탄소화합물, 생물체의 대사, 물질 합성, 물질 수송 또는 신호전달 과정에 영향을 미치는 유기물, 약물을 포함한다.
상세하게, 상기 생화학 물질은 유기금속화합물, 펩타이드, 탄수화물, 단백질, 단백질 복합체, 지질, 대사체, 항원, 항체, 효소, 기질, 아미노산, 압타머(Aptamer), 당, 핵산, 핵산 단편, PNA(Peptide Nucleic Acid), 세포 추출물, 자기조립단분자막, 자기조립단분자막의 작용기에 고정화된 고분자 유기물, 또는 이들의 조합(혼합된 혼합물 또는 화학적으로 결합된 결합물을 포함함)을 포함한다.
상기 분석대상물질과 함께 분석액을 구성하는 용매는 상기 분석대상물질의 균질한 분산을 위해 채택된 것으로 상기 분석대상물질과 화학적으로 반응하지 않으며, 상기 분석대상물질의 균질한 분산이 이루어지는 액상의 물질이라면 어떤 물질이든 사용가능하다. 일 예로, 상기 분석액의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 클로로포름, 아세토나이트릴, 0.5% 트리플루오로아세트산(trifluoro acetic acid) 수용액 또는 이들의 혼합물을 포함하나, 본 발명이 상기 분석액의 용매에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기 탈착 이온화된 분석대상물질의 질량 검출은 이온화 질량의 검출을 의미하며, 상기 질량 검출은 통상의 이온화된 물질의 질량을 측정하는 질량분석장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 일 예로, TOF-MS, MALDI FT-MS, MALDI q-TOF 또는 AP-MALDI 장치를 들 수 있다.
상기 분석액의 도포 및 건조는 상기 기판과 상기 분석대상물질이 접하여 상기 기판 표면에 상기 분석대상물질을 위치시키기 위한 단계로, 분석대상물질의 변형 또는 반응이 발생하지 않는 한 물질의 정량 분석에 사용되는 통상의 액상 도포방법 및 건조방법을 사용할 수 있으며, 본 발명이 상기 분석액의 도포 및 건조방법에 의해 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 상기 분석액의 도포는 마이크로 피펫과 같이 일정한 부피의 액을 도포하는 외부 기기를 이용한 도포일 수 있으며, 상기 기판과 결합한 마이크로 채널로의 분석액의 주입에 의한 것일 수 있으며, 상기 기판의 일정 영역이 상기 분석액에 함침되어 수행될 수 있으며, 스핀 코팅과 같이 기판에 액체를 코팅할 수 있는 통상의 방법이 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 건조는 상온에서 상기 분석액에 함유된 액상을 휘발시켜 수행될 수 있으며, 대기압보다 낮은 압력 조건에서 수행될 수 있다.
상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 후 레이저 광이 조사되는 상기 기판은 그 표면에 인위적인 나노구조가 형성되지 않은 기판인 특징이 있다.
상기 인위적인(의도적인) 나노구조가 형성되지 않은 기판은 상기 기판과 동종 또는 이종 물질의 나노 구조가 그 표면에 존재하지 않음을 의미하며, 이때 상기 이종물질은 빈 공간(empty space)을 포함한다. 상기 나노구조는 나노입자, 나노선(나노튜브를 포함함), 나노 기둥(nano pillar), 나노 로드 또는 나노 플레이트를 반복의 단위체로 하여, 상기 단위체가 상기 기판의 표면에 규칙 또는 불규칙적으로 형성된 구조를 포함한다. 이종물질이 빈 공간이며 불규칙적으로 의도적인 나노구조가 표면에 형성된 일 예로, 인위적 처리에 의해 나노 스케일의 기공이 기재 표면에 연속적 또는 불연속적으로 형성된 나노 포러스한 표면 구조를 갖는 기판을 들 수 있다.
보다 상세하게, 상기 기판은 상술한 인위적인 나노구조가 형성되지 않은 편평한 기판인 특징이 있으며, 상기 편평한 기판은 원자적으로 편평한 기판(atomically flat surface)을 포함하며, 증착(deposition), 연마(polishing)와 같은 제조방법에 의해 비 인위적(비 의도적)으로 표면 러프니스가 존재하는 편평한 기판을 포함한다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 편평한 기판은 원자적으로 완전히 편평한 표면을 갖는 기판만으로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 인위적인 나노구조가 형성되지 않은 기판으로 해석되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분석방법은 분석대상물질의 탈착 이온화를 위한 매트릭스를 채용하지 않으며, 분석대상물질의 탈착 이온화를 야기하는 어떠한 외부 물질도 분석대상물질에 첨가되지 않으며, 인위적인 나노구조가 존재하지 않는 기판 표면에 상기 분석대상물질을 위치시킨 후, 상기 기판에 레이저 광을 조사하여, 상기 기판의 레이저 광 흡수에 의해 야기되는 상기 기판의 가열을 이용하여 상기 분석대상물질을 광탈착 이온화(Laser Desorption/Ionization)시키는 특징이 있다.
상세하게, 상기 기판의 표면 영역에서 상기 레이저 광의 대부분이 흡수되도록 하고, 상기 흡수된 레이저 에너지를 기판의 표면 영역에 트랩핑(trapping)시켜 순간적이고 급속하게 상기 기판의 표면 영역을 가열시킴으로써, 상기 가열된 기판 표면에 의해 분석대상물질을 광탈착 이온화(Surface-assisted Laser Desorption/Ionization)시키는 특징이 있다.
본 출원인은 장기간에 걸쳐 수많은 실험과 연구를 반복한 결과, 매트릭스를 채용하지 않고, 나노구조 또한 형성하지 않으며, 상기 분석대상물질이 위치한 편평한 기판에 레이저 광을 조사하여 분석대상물질을 탈착이온화 시키는 기술을 개발하였으며, 이때 기판의 흡광계수, 열전도도 및 비열이 탈착 이온화율에 매우 큰 영향을 미침을 발견하였다. 이는 상기 레이저 광의 흡수에 의해 표면 영역의 순간적 가열로 분석대상물질을 광탈착 이온화시키기 위해서는 상기 기판의 표면 영역에서 상기 레이저 광의 대부분이 흡수되고, 흡수된 광에너지가 표면의 가열에 기여해야 하며, 충분한 표면 온도의 상승이 이루어져야 하기 때문이다.
이를 위해, 상기 기판은 상기 기판에 조사되는 레이저 광에 대한 흡광계수(absorption coefficient, a)는 1x103/cm 이상인 특징이 있다. 상기 흡광 계수가 1x103/cm 미만인 경우, 분석대상물질이 위치하는 표면에서 먼 영역에서 대부분의 레이저 광이 흡수되어, 레이저 광에 의한 기판 표면의 순간적 가열이 발생하기 어려운 한계가 있다. 이때, 제조 또는 구매하여 기판으로 사용가능한 물질을 고려할 때 실질적인 기판의 상기 레이저 광에 대한 흡광계수는 1 x 109/cm 이하이다. 또한, 상기 흡광계수는 적외선 내지 자외선 레이저 광에 대한 흡광계수이며, 보다 상세하게는 파장이 10nm 내지 1mm인 레이저 광에 대한 흡광 계수이다.
나아가, 상기 기판은 상기 기판에 조사되는 레이저 광에 대한 열전도도(Thermal conductivity, K)가 1000 Wm-1K-1 이하인 특징이 있다. 상기 열전도도가 1000 Wm-1K-1를 초과하는 경우, 열적 평형을 위해 흡수된 레이저 광의 에너지가 빠르게 표면 이외의 영역으로 퍼져, 흡수된 레이저 광 에너지를 표면 영역에 가두어 두기 힘든 한계가 있다. 이때, 제조 또는 구매하여 기판으로 사용가능한 물질을 고려할 때 실질적인 기판의 상기 레이저 광에 대한 열전도도는 0.005 Wm-1K-1 이상이다.
더 나아가, 상기 기판은 비열(Heat Capacity, Cp)이 0.01 Jcm-3K-1 이상인 특징이 있다. 상기 기판의 비열이 0.01 Jcm-3K-1 미만인 경우, 기판 물질이 충분히 큰 흡광계수를 가지고 빛을 흡수하더라도 비열이 낮으면 레이저 흡수로 인한 열에너지를 가두어 둘 수 없기 때문에 열에너지가 표면 멀리로 빠르게 분산되게 되고, 이로 인해 상승할 수 있는 기판 표면의 온도가 충분히 높지 않아 분석대상물질의 탈착 및 이온화가 발생하기 어려운 한계가 있다. 이때, 제조 또는 구매하여 기판으로 사용가능한 물질을 고려할 때 실질적인 기판의 비열은 100 Jcm-3K-1 이하이다.
보다 더 특징적으로, 질량이 1600 Da에 이르는 매우 고 질량의 분석대상물질의 검출이 이루어지며, 분석대상물질의 양이 0.01 fmol에 이르는 초민감 검출이 이루어지기 위해, 상기 기판은 상기 기판에 조사되는 레이저 광에 대한 흡광계수(absorption coefficient, a)는 1x104/cm 이상인 특징이 있으며, 상기 기판에 조사되는 레이저 광에 대한 열전도도(Thermal conductivity, K)가 500 Wm-1K-1 이하인 특징이 있으며, 상기 기판은 비열(Heat Capacity, Cp)이 0.1 Jcm-3K-1 이상인 특징이 있다.
또한, 재현성과 신뢰도 높은 측정 결과를 얻기 위해, 상기 기판은 비정질 기판인 것이 바람직하다.
상기 기판은 상술한 기판의 조건을 만족하여 조사되는 레이저 광의 흡수에 의해 표면에 위치한 분석대상물질이 탈착 이온화되는 기판이면 모두 사용가능하며, 상기 기판은 이온 또는 공유결합으로 결합하는 물질을 포함한다. 또한, 상기 기판은 상술한 기판의 조건을 만족하는 기판을 제1층으로 하고, 상기 제1층 하부에 물리적 지지 및 핸들링을 위한 동종 또는 이종물질의 제2층이 적층된 적층기판을 포함한다.
실질적으로, 상기 기판은 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘게르마늄을 포함하는 4족 물질; 갈륨비소, 인듐인 또는 갈륨을 포함하는 3-5족 물질; 2-6족 물질; 4-6족 물질; 전이원소, 금속원소 및 비금속원소 군에서 선택된 둘 이상의 원소가 이온 또는 공유 결합한 다성분계물질; 전이원소의 산화물; 전이원소의 탄화물; 전이원소의 질화물; 금속원소의 산화물; 금속원소의 탄화물; 금속원소의 질화물; 비금속원소의 산화물; 비금속원소의 탄화물; 비금속원소의 질화물; 또는 이들이 적층된 적층 기판;을 사용할 수 있다. 상기 기판은 박막 또는 후막의 형태일 수 있으며, 상기 기판의 두께는 1nm 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 기판의 표면에는 상기 기판과 상기 분석대상물질과의 결합력보다 낮은 상기 분석대상물질과의 결합력을 갖는 코팅층이 형성된 복합기판인 것이 바람직하다. 상기 복합기판을 사용함으로써, 상기 분석대상물질의 탈착이 용이하게 발생하여, 보다 높은 분석대상물질의 광탈착 이온화율을 얻을 수 있다.
분석대상물질의 탈착을 용이하게 하며, 상술한 기판의 레이저 광 흡수에 따른 표면 영역의 급격한 온도 상승(heating)에 영향을 미치지 않기 위해, 상기 코팅층의 두께는 단원자층 내지 50nm 이하인 것이 바람직하다. 상기 기판 표면의 코팅층은 실란기 또는 티올기를 포함하는 분자에 의한 자기조립 단분자막, 실리카(silica), -CH3를 포함하는 탄화수소 사슬, 폴리에틸렌 글리콜(-PEG), -OCH3 , -NH2, -COOH, -CF3, -F 및 -Cl에서 하나 이상 선택된 작용기를 표면 작용기로 갖는 코팅층인 특징이 있다. 실질적인 일 예로, 테트라 에틸 오쏘 실리케이트(TEOS; Tetra Ethyl Ortho Silicate) 용액을 이용하여 실리카 코팅층을 제조할 수 있으며, 플라즈마 증착, 물리/화학적 증착을 이용하여 코팅층을 제조할 수 있다.
상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 기판에 조사되는 상기 레이저 광은 적외선 내지 자외선 레이저 광이며, 상기 적외선 내지 자외선 레이저 광은 파장이 10nm 내지 1mm인 레이저 광을 포함한다. 바람직하게, 보다 높은 광탈착 이온화율을 얻기 위해 상기 레이저 광은 자외선 레이저 광이며, 상기 자외선 레이저 광은 파장이 10nm 내지 500nm인 레이저 광을 포함한다.
상기 레이저 광의 조사 형태는 표면 영역의 가열 속도에 영향을 미치며, 분석대상물질이 높은 표면 온도에 의해 탈착되기 전 표면에서 깨지는 위험을 방지하기 위해, 상기 레이저 광은 펄스(pulse)형 광인 것이 바람직하며, 상기 레이저 광의 펄스 폭은 100μs 내지 1 fs인 것이 바람직하다.
본 발명의 질량분석방법의 우수함을 실험적으로 입증하기 위하여 상술한 기판의 요구조건을 만족하는 비정질 실리콘(355 nm 파장에 대한 흡광계수 : 106/cm, 열전도도 : 5.5 Wm-1K-1 및 비열 : 1.65 J cm-3K-1)을 기판으로 하여 다양한 분석대상물질의 질량 분석을 수행하였다.
비정질 실리콘 기판은 Si 타겟 및 이온빔 스퍼터링(스퍼터링 조건: 1keV Ar+, 상온)을 이용하여 6인치 실리콘 웨이퍼(B 도핑, 1~10 ohm-cm, Siltron Inc. Korea, 네이티브 옥사이드를 제거하지 않고 사용함)에 100nm 두께로 비정질 실리콘막을 형성한 후, 비정질 실리콘 막이 형성된 웨이퍼를 1x1cm2으로 절단하여 비정질 실리콘 기판으로 사용하였다. 분석액의 도포 전, 상기 실리콘 기판은 이소프로필알코올(IPA)에 함침한 후 30초간 초음파 세척을 수행한 후 탈이온수로 세척하여 진공에서 건조하였다.
코팅층을 형성하는 경우, 비정질 실리콘 기판을 UV-오존 처리를 하여 표면의 탄소 오염을 제거한 직후, 질소 챔버 안에서 12시간 동안 10-3M 옥타데실트리클로로실란(OTS; Octadecyltrichlorosilane)을 함유하는 핵산과 반응시켜 0.3 nm 두께의 OTS 코팅층을 형성하였다. OTS 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판은 메틸렌 클로라이드 및 이소프로필알콜로 세척되었으며, 질소 흐름 분위기에서 건조된 후, 실험에 사용하기까지 진공에서 보관되었다.
분석대상물질로 클로디닌(Clonidine: 229.0 Da), 아지쓰로마이신(Azithromycin: 749.0 Da), 콜레스테롤(Cholesterol: 386.4 Da), 브래디키닌1-5(Bradkynin 1-5: 572.7 Da), 브래디키닌 1-7(Bradkynin 1-7: 756.9 Da), 안지오텐신 II(Angiotensin II: 1046.2 Da), P 물질(Substance P: 1347.6 Da) 또는 소마토스타틴(Somatostatin: 1637.9 Da)을 사용하였다. 상기 분석대상물질을 10fmol 내지 10pmol 함유하는 10%(v/v)메탄올 수용액을 분석액으로 이용하였다.
상기 비정질 실리콘 기판 또는 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판을 이용하여 분석대상물질의 질량분석을 수행하기 위해, 피펫을 이용하여 상기 기판에 0.2μL의 분석액을 떨어뜨린 후 건조하였으며, 질량 검출은 MALDI-TOF 질량 분석기(Autoflex III; Bruker-Daltonics, Germany, reflectron mode)를 이용하여 수행하였다. 상세하게, 355nm 레이저((SmartbeamTM)를 이용하였으며, 200 Hz 및 레이저 펄스의 FWHM(full-width at half-maximum)를 기준으로 펄스 폭이 7 nsec가 되도록 레이저를 조사하였다.
도 1은 코팅층이 형성되지 않은 비정질 실리콘 기판의 비접촉 AFM 이미지이다. 도 1에서 알 수 있듯이 나노구조라 규정할 수 있는 어떠한 구조도 존재하지 않음을 알 수 있으며, 스퍼터링에 의한 표면 요철만이 존재함을 알 수 있다. 나아가, AFM 측정결과 상기 코팅층이 형성되지 않은 비정질 실리콘 기판의 표면 러프니스(r.m.s.; root-mean-square)는 140pm에 불과함을 알 수 있다. 참고로, 비정질 실리콘 기판의 제조에 사용된 실리콘 웨이퍼의 표면 러프니스(r.m.s)는 70pm였다.
도 2는 약물(클로디닌(a) 또는 아지쓰로마이신(d)), 지질(콜레스테롤(b)) 또는 단백질(브래디키닌 1-5(c), 브래디키닌 1-7(e), 안지오텐신 II(f), P 물질(g) 또는 소마토스타틴(h))을 검출대상물질로 하여 50μM 분석액을 제조한 후, 코팅층이 형성되지 않은 비정질 실리콘 기판 표면에 0.2μL의 분석액을 떨어뜨린 후 건조하여 MALDI-TOF 질량 분석기로 측정된 광탈착 이온화 질량 스펙트럼을 도시한 것이다. 이때, 지질이 분석대상물질인 경우 비수성을 고려하여 30~50부피%의 메탄올-클로로포름을 용매로 0.2μL의 분석액내에 100pmol 콜레스테롤을 함유하도록 분석액을 제조하여 사용하였다.
도 2로부터 나노구조 또는 매트릭스의 도움없이 편평한 기판에 분석액을 단순 점적하는 것만으로 생화학물질이 매우 효과적으로 검출됨을 알 수 있으며, 나아가, 콜레스테롤만이 [M-H2O]+의 형태로 검출되었으며, 다른 물질들의 경우 손상되지 않은 분자 이온(intact molecular ion)형태로 검출됨을 확인할 수 있다.
또한, 질량이 작은 물질일수록 더 높은 이온화율을 가짐을 알 수 있으며, 일 예로, 0.1fmol의 클로디닌 분석액을 코팅층이 형성되지 않은 비정질 실리콘 기판에 점적하는 경우, 100 이상의 매우 우수한 신호대비잡음비(SNR)로 시그널이 검출됨을 확인할 수 있다. 수계 대신 클로로포름을 용매로 사용한 콜레스테롤 분석액의 경우, 비정질 실리콘 기판에 수계 분석액보다 젖음성이 매우 좋아 비정질 실리콘 기판 전 영역에 분석액이 퍼짐을 확인하였으며, 이에 의해 콜레스테롤의 경우 다른 분석대상물질에 비해 검출 세기가 상대적으로 약함을 알 수 있다.
도 3은 비정질 실리콘 기판 대신 OTS 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판을 이용한 질량분석 결과를 도시한 것이다. 도 3에서 알 수 있듯이 기판 표면에 위치한 분석대상물질과의 결합력을 낮춰주는 OTS 코팅층을 사용함으로써 이온화효율이 매우 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 즉, OTS 코팅층에 의해 분석대상물질의 탈착을 위한 활성화 에너지(Ea(des); activation energy of desorption)가 낮아져 탈착 반응의 속도 상수가 증가하여 매우 높은 이온화효율을 갖게 된다. 이에 따라 질량검출의 민감도 또한 매우 크게 향상될 수 있는데, 클로디닌의 경우 0.01fmol 까지도 안정적으로 검출되었으며, 안지오텐신II의 경우 10fmol의 극히 낮은 함량도 검출됨을 확인하였다. 이때, OTS 코팅층과 비정질 실리콘 기판 표면의 수계 분석액에 대한 젖음성이 서로 유사함을 확인하였으며, OTS 코팅층이 형성된 비정질 실리콘 기판과 코팅층이 형성되지 않은 비정질 실리콘 기판간의 이온화효율 차이가 젖음성에 따른 분석액의 기판상 퍼짐 또는 모임에 의한 것이 아님을 확인하였다.
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.
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.

Claims (12)

  1. 무기 기판에 유기물, 무기물, 생화학물질, 또는 이들의 복합물을 함유하는 분석대상물질을 포함하는 분석액을 도포한 후 건조하고, 상기 분석대상물질이 도포 및 건조된 무기 기판에 레이저 광을 조사하여 상기 무기 기판의 레이저 광 흡수에 의해 상기 분석대상물질을 탈착 이온화시켜, 상기 탈착 이온화된 분석대상물질의 질량 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 흡광계수 (absorption coefficient, a)는 1x103/cm 이상인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기판의 열전도도(Thermal conductivity, K)는 1000 Wm-1K-1 이하인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기판의 비열(Heat Capacity, Cp)은 0.01 Jcm-3K-1 이상인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  5. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광은 펄스(pulse) 광이며, 레이저 광의 펄스 폭은 100μs 내지 1 fs인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  6. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광은 자외선 내지 적외선인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  7. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 표면에는 인위적인 나노구조가 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  8. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 비정질인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  9. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 표면에는 상기 기판과 상기 분석대상물질과의 결합력보다 낮은 상기 분석대상물질과의 결합력을 갖는 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 코팅층은 자기조립 단분자막, 실리카(silica), -CH3를 포함하는 탄화수소 사슬, 폴리에틸렌 글리콜(-PEG), -OCH3 , -NH2, -COOH, -CF3, -F 및 -Cl에서 하나 이상 선택된 작용기를 표면 작용기로 갖는 코팅층인 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  11. 제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량분석방법은 1600 Da 이하의 분석대상물질의 질량 검출이 수행되는 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
  12. 제 1항 내지 제4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 질량분석방법은 10fmol 이상의 분석대상물질의 질량 검출이 수행되는 것을 특징으로 하는 무 매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량분석방법.
KR1020100104319A 2010-10-25 2010-10-25 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법 KR20120042581A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100104319A KR20120042581A (ko) 2010-10-25 2010-10-25 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100104319A KR20120042581A (ko) 2010-10-25 2010-10-25 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120042581A true KR20120042581A (ko) 2012-05-03

Family

ID=46263305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100104319A KR20120042581A (ko) 2010-10-25 2010-10-25 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20120042581A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014107043A1 (ko) * 2013-01-03 2014-07-10 서울대학교 산학협력단 전체 이온 개수를 측정하여 일정한 온도에서 생성된 이온들의 질량 스펙트럼을 구하는 방법 및 말디 질량분석법을 이용한 정량 분석을 위한 매트릭스의 용도
KR20190083598A (ko) * 2018-01-04 2019-07-12 연세대학교 산학협력단 이온화 효율을 조절 가능한 샘플 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 질량 분석 방법
CN111684273A (zh) * 2018-02-09 2020-09-18 浜松光子学株式会社 试样支撑体、电离法以及质量分析方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014107043A1 (ko) * 2013-01-03 2014-07-10 서울대학교 산학협력단 전체 이온 개수를 측정하여 일정한 온도에서 생성된 이온들의 질량 스펙트럼을 구하는 방법 및 말디 질량분석법을 이용한 정량 분석을 위한 매트릭스의 용도
KR20190083598A (ko) * 2018-01-04 2019-07-12 연세대학교 산학협력단 이온화 효율을 조절 가능한 샘플 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 질량 분석 방법
CN111684273A (zh) * 2018-02-09 2020-09-18 浜松光子学株式会社 试样支撑体、电离法以及质量分析方法
CN111684273B (zh) * 2018-02-09 2023-09-05 浜松光子学株式会社 试样支撑体、电离法以及质量分析方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stolee et al. Laser–nanostructure interactions for ion production
Abdelhamid Nanoparticle assisted laser desorption/ionization mass spectrometry for small molecule analytes
Bergman et al. Approaches for the analysis of low molecular weight compounds with laser desorption/ionization techniques and mass spectrometry
Peterson Matrix‐free methods for laser desorption/ionization mass spectrometry
Kruse et al. Experimental factors controlling analyte ion generation in laser desorption/ionization mass spectrometry on porous silicon
Chiang et al. Nanomaterial-based surface-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry of peptides and proteins
US20090166523A1 (en) Use of carbon nanotubes (cnts) for analysis of samples
US8278626B2 (en) Device for mass spectrometry, and mass spectrometry apparatus and method
US7834314B2 (en) Ion detection using a pillar chip
JP2007535107A (ja) ダイヤモンド及び他の材料の複合材料又は組成物の検体分析への利用
KR101592517B1 (ko) 레이저 탈착 이온화 질량 분석용 기판 및 그 제조방법
KR100534204B1 (ko) 나노선이 보조된 레이저 탈착/이온화 질량분석 방법
US9671409B2 (en) Ultrathin calcinated films on a gold surface for highly effective laser desorption/ionization of biomolecules
Chen et al. Roles of water, acidity, and surface morphology in surface-assisted laser desorption/ionization of amino acids
KR20120042581A (ko) 무?매트릭스 레이저 광탈착 이온화 질량 분석 방법
US7078683B2 (en) Nanowire target support and method
US20140353485A1 (en) Measurement plate for maldi mass spectrometry
Hosu et al. Boron-doped carbon nanowalls for fast and direct detection of cytochrome C and ricin by matrix-free laser desorption/ionization mass spectrometry
US20060180755A1 (en) Patterned nanostructure sample supports for mass spectrometry and methods of forming thereof
JP6808179B2 (ja) 有機シリカ薄膜、その製造方法、それを用いたレーザー脱離イオン化質量分析用基板、及び、レーザー脱離イオン化質量分析法
Murase et al. Hybrid Surface Design of Organosilica Films for Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry: Low Free Energy Surface with Interactive Sites
Liu et al. Ultrathin Homogenous AuNP Monolayers as Tunable Functional Substrates for Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization of Small Biomolecules
Kuzishchin et al. Surface-assisted laser desorption/ionization of trinitrotoluene on porous silicon under ambient conditions
Hsieh et al. Self‐assembled‐monolayer‐modified silicon substrate to enhance the sensitivity of peptide detection for AP‐MALDI mass spectrometry
Silina et al. A study of enhanced ion formation from metal‐semiconductor complexes in atmospheric pressure laser desorption/ionization mass spectrometry

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination