shopkeeper/korean_wiki_content_only_120125 huggingface dataset:
전사체학에서 대표되는 기술 생물학 데이터의 대량 생산에 큰 기여를 했다. 반도체 칩 제조공정과 유사한 방식으로 작은 판 위에 수백만 개의 유전자의 발현 정도를 볼 수 있다. 비교군과 대조군의 샘플에서 mRNA를 추출하여 상보적인 cDNA를 만들고 형광물질로 표지하여 탐침자가 붙어 있는 마이크로 칩에 뿌려주면 형광물질의 색으로 발현 정도를 볼 수 있다. 정량적이지 못하고 극단적이라는 단점이 있다. 사용하는 서열의 종류와 실험 기법에 따라 여러 종류가 있고 각 종류마다 나타내는 정보도 다르다.
기능 유전체학의 핵심은 발현이라 할 수 있다. 우리 몸의 모든 세포는 같은 유전자로 이루어져 있고 특정 부위의 발현 정도에 따라 각각 다른 세포로 분화되어 다른 기능을 가지게 되기 때문이다. 유전자 발현의 공간적, 시간적 변화정보를 얻기 위해 시스템 생물학을 통해 연구하려는 노력이 계속되고 있다. 발현 패턴을 통해 비슷한 발현 양상을 보이는 유전자들끼리 그룹 지을 수 있다. 이러한 그룹을 만드는 과정을 클러스터링이라고 한다. 특정한 기준을 알고 기준에 따라 나누는 것을 분류(classification)이라 한다면 클러스터링(clustering)은 기준을 모르는 상태에서 비슷한 것들끼리 뭉쳐보면서 기준을 찾는 것이다.
비교유전체학은 종간의 유전체를 비교함으로써 유전자의 보존도를 통해 기능과의 연관성을 밝히는 학문이다. 특정 종간에 유전체를 비교했을 때 특이적으로 보존이 잘 되어 있는 서열의 경우 생존과 밀접한 기능을 하는 서열로 예측할 수 있다. 예를 들어 젖이 나오는 기능을 하는 서열의 경우 어류에서는 나타나지 않지만 포유류의 경우 높게 보존되어 있을 수 있다. 비교유전체학이란 인간 유전체 연구를 위해서 여러 생물종을 모델로 이용하여 인체 생명현상 및 질환을 연구하는 것을 말한다. 미생물이나 초파리 및 생쥐에서 인체 질환 모델을 분석하고 유전체의 변화를 비교 연구하거나 다른 생물의 변이형을 이용하여 인간 생명현상을 연구할 수 있다. 유전체 염기서열을 분석하거나 단백질, 구조 및 대사산물의 비교 연구를 통하여 각 생명체간의 진화적 비교연구와 질환연구의 능력을 배양한다. 또한 사람들마다 유전체 염기서열간에 차이가 있고 이는 개인의 차이와 질병 감수성, 약물 반응성 등에 차이를 가져올 수 있다. 일염기다형성(Single nucleotide polymorphism)의 연구를 통하여 인간 다양성을 연구할 수 있고 어떻게 질환 발생에 영향을 주는지 알 수 있다. 이와 같은 비교유전체학 연구분야의 최신 지견과 연구방법을 숙지함으로써 생명정보를 활용하는 능력을 배양한다. 유전자의 구조를 예측시 더 정확하게 할 수 있다는 장점이 있다. 인간 게놈 프로젝트가 완성되기 이전까진 유전자의 구조를 정확히 알 수 없었고 비교유전체학을 통해 유전자 구조를 예측할 수 있었다.
생물정보학.
컴퓨터과학, 수학, 통계학, 화학 등의 타분야가 생명과학과 융합된 형태. 전산생물학의 연구분야는 시스템즈 생물학과 중복되기도 한다. 주 연구분야는 서열정렬, 유전자 검색, 유전자 어셈블, 단백질 구조 정렬, 단백질 구조 예측, 유전자발현의 예측, 단백질간 상호작용, 진화모델 등 다양하다. DNA 서열 분석 방법의 발달에 따라 현재 수많은 종의 게놈 서열이 밝혀져 있으며, 이로부터 만들어지는 RNA와 단백질에 대한 서열의 정보 또한 급속히 증가하고 있다. 또한, 특정 조건에서의 유전자들의 발현량, 그들의 산물 및 상호작용들에 대한 정보가 transcriptomics, proteomics, metabolomics와 같은 방법들을 이용하여 대규모로 얻어지고 있다. 이와 같이 데이터의 양이 급격히 증가함에 따라 이를 수작업으로 다룬다는 것은 불가능하게 되었으며, 이로부터 유용한 지식을 얻어내기 위해서는 수학, 통계학, 전산학을 기반으로 하는 방법론들이 필요로 하게 되었다. 이처럼 생물체로부터 얻어진 대량의 데이터로부터 유용한 지식을 얻어내기 위한 전산/통계/수학적인 도구를 통칭하는 용어로써 생물정보학(bioinformatics)이 쓰이고 있으며, 전산생물학(computational biology)이라는 용어 또한 흔히 같은 뜻으로 쓰이고 있다. 이처럼 생물체로부터 얻어진 대량의 데이터로부터 유용한 지식을 얻어내고자 하는 노력 중에서, 시스템 전체에 대한 분석 및 수리적인 모델링(mathematical modeling)을 강조하는 용어인 시스템 생물학(systems biology)도 생물정보학과 상당부분 겹치는 용어이다.
생명 시스템을 네트워크라는 단위로 효과적으로 설명하고자 하는 시도. 시스템 생물학에서는 단백질, 단백질간의 상호작용이나 대상 경로, 신호전달 네트워크, 전사-조절 네트워크, mRNA-타겟 네트워크, 협동적 발현 네트워크 등 생물학적 관계를 네트워크로 모델링하고자 한다. 대부분 이러한 생물학적 네트워크는 불규칙적이지 않고 독특한 구조를 형성하는데 이러한 구조가 어떤 기작으로 생성되었는지 이해하는 것은 시스템 생물학 기초 및 응용 연구의 기본 원리가 된다.
온톨로지와 시스템 생물학, GO(Gene Ontology).
온톨로지는 일종의 용어를 정의하는 계약이라 할 수 있다. 주로 인용되는 온톨로지에 대한 정의는 '어떤 관심 분야를 개념화하기 위해 명시적으로 정형화한 명세서 (An ontology is an explicit and formal specification of a conceptualisation of a domain of interest. (c.f. Tom Gruber, 1993)'이다. 즉, 각 사물에서 공통점을 찾아내고 이를 하나의 집합 또는 범주로 나타내기 위해 의미, 지식의 쓰임새 등을 분명하고 자세하게 설명하는 것을 말한다. 또 Borst는 온톨로지를 '공유된 개념의 정형화된 명세이다. (Ontologies are defined as a formal specification of a shared conceptualization.)'라고 정의하고 있다. 앞의 정의에 '공유'의 개념이 추가되었는데, 이는 하나의 잘 정의된 개념을 각 분야에서 공통적으로 사용한다는 의미로 볼 수 있다.
개인 유전체학.
인간 게놈 프로젝트를 통해 유전체 정보를 알게 되었는데 그 활용은 생명과학 뿐 아니라 의학분야에서도 많은 가능성을 제시한다. 그 중 가장 파급 효과를 일으킬 것으로 예상되는 분야는 개인의 게놈 정보를 분석하여 보다 효과적인 치료를 제공할 수 있는 개인 맞춤 의학이다. 사람의 유전체는 모든 사람들이 100% 일치 하지 않기 때문에 같은 약을 사용해도 효과에 차이가 있을 수 있다. 하지만 개인 맞춤 의약은 환자의 유전 정보를 통해 환자를 위해 설계된 개인 맞춤 의약을 제공함으로써 부작용을 줄이고 예후가 좋을 것으로 기대된다.
개인 유전체학을 선도하는 핵심 기술은 2007년부터 도입된 차세대 염기서열 분석(NGS: Next Generation Sequencing) 방식이다. 기존의 시퀀싱 방법보다 비용과 시간을 대폭 절감하여 이미 2010년 천만원 정도 비용이면 2주 내에 개인 유전체 분석을 할 수 있다.
생식 세포를 제외하고 우리 몸의 모든 세포는 22쌍의 상염색체와 한 쌍의 성염색체를 가지고 있고 DNA 염기 서열의 수는 60억개 이상이다. 인간 게놈 프로젝트는 개인의 차이를 배제한 평균화된 표준 지도를 그린 셈이다. 따라서 사람마다 질병에 대한 감수성과 약물에 대한 민감도, 알레르기 반응등이 천차만별로 나타나는 것이다. 개인 유전체에는 이러한 모든 특성들이 들어 있는 것이다.
미국의 리로이 후드 박사(ISB: Institute for Systems Biology를 세운 사람)는 P4-의학에 대해 얘기한 바 있다.
인간 게놈 프로젝트.
인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project, HGP)는 2005년까지 인간 게놈에 있는 약 30억개의 뉴클레오티드 염기쌍의 서열을 밝히는 것을 목적으로 한 프로젝트이다. 이 프로젝트는 미국, 영국, 일본, 독일, 프랑스 5개국의 공동 노력과 셀레라 게노믹스(Celera Genomics)라는 민간 법인의 후원을 받아 이루어지게 되었다. 이 프로젝트의 첫 단계는 효모와 선충류 등을 포함한 다른 종의 게놈 서열을 밝히는 것으로서 이미 완성되어 있다. 인간 게놈의 초기 지도는 2000년 6월에 발표되었고 이것은 예상보다 5년 앞서 완성된 것이다. 인간 게놈 프로젝트의 결과는 의학과 과학 분야에 많은 충격을 주었고, 이 결과로 많은 질병의 원인이 되는 유전자의 염색체 상에서의 위치를 알 수 있게 되었다. 인간 게놈 프로젝트를 시작하기 전, 생물학자들은 다른 생물들의 게놈서열을 밝히는데 성공하였다. 가장 잘 알려진 초파리의 경우, 유전자의 개수는 1만 3700개 정도였고, 다른 생물들도 이와 비슷하거나 좀 더 많은 정도였다. 이를 통해 생물학자들은 인간이 가진 생명활동의 복잡성에 근거하여, 인간이 대략 10만 개의 유전자를 가지고 있을 것으로 추정하였다. 이는 나름 타당해 보였는데, 단순한 생물들에 비해 복잡한 생물들이 많은 유전자를 가지는 경향을 보이기 때문이다. 또한 '1유전자 1단백질' 설에 의거, 인간이 가진 단백질의 종류를 보았을 때, 인간에게는 대략 10만 개의 유전자가 있을 것이라고 추정한 것이다. 게놈 프로젝트가 끝나고, 생물학자들은 인간이 가진 유전자의 개수와 관련된 연구결과에 충격을 받았다. 10만 개에 달할 것이라고 생각하였던 인간의 유전자 개수는, 게놈 분석결과 대략 2만 3천 개 밖에 되지 않았던 것이었다. 이는 하등 식물이 가진 유전자의 개수인 2만 5천 개보다 적은 숫자였다.
엔코드 프로젝트(ENCODE=ENCyclopedia Of DNA Elements).
인간 유전체에 있는 모든 기능에 관련된 요소를 찾아 백과사전처럼 만들고자 한다. 사람의 유전체의 1%에 대해서 낱낱히 파헤지자는 취지로 전 세계에서 돈을 모아 2003년에 시작 2007년에 논문을 발표한 뒤 1차 프로젝트를 종료하고 2008년 2차 프로젝트를 시작했다.
햅맵 프로젝트.
햅맵 프로젝트(International HapMap Project)는 미국, 유럽, 중국 및 일본이 참여한 국제 생명과학 프로젝트로서, 인간의 염색체의 한 가닥을 지도화하는 프로젝트이다. 유전체를 분석하는 데 필요한 단계의 정보를 도출했고, 사이언스에 그 결과가 발표되었다. 본 프로젝트의 목적은 인간 유전체의 하플로타입 지도를 만드는 것으로 인간 유전적 변이의 공통된 패턴을 묘사하는 데 있다. 본 프로젝트의 결과는 건강과 질병, 약물반응, 환경요인에 영향을 미치는 유전적 변이를 찾는데 중요한 자원이 될 것으로 기대되며, 전 세계에 자유롭게 배포된다. 서로 관련없는 두 사람은 약 99.5%의 DNA 서열을 공유하고 있으며, 일부 다른 영역이 존재한다. 어떤 사람은 A이지만 G를 가진 사람도 있으며, 이를 단일염기다형성(SNP, Single Nucleotide Polymorphism)라고 하며, 이들 각각을 대립형질(Allele)이라고 한다. 햅맵 프로젝트는 인류전체중 적어도 1% 이상이 갖고 있는 공통된 SNP에 초점을 맞추고 있다.인간은 남성 성염색체를 제외하고는 모두 두벌의 염색체를 가진다. 각각의 SNP에 대한 대립형질의 조합을 유전형이라고 한다. 유전형분석은 특정영역에 어떤 유전형이 있는가를 밝히는 것을 의미한다. 본 프로젝트는 269명으로부터 샘플을 취하고 수백만 개의 잘 정의된 SNP를 선택하여 이들의 유전형을 알아내고 결과를 공개한 것이다. 하나의 염색체위에 존재하는 근처의 SNP의 대립형질들은 서로 연관되어 있다. 이것은 만일 어느 한 SNP의 대립형질이 알려져 있다면, 그 근처 SNP의 대립형질을 예측할 수 있다는 의미이다. 이는 각 SNP이 진화역사에서 단일 돌연변이로 나타나고, 더 이전의 돌연변이와 함께 자손에게 전달되기 때문이다. SNP이 서로 멀리 떨어질수록 연관정도가 낮아지는데 이는 각 세대마다 두 염색체간의 대립형질이 섞이는 유전자 재조합때문이다. 하나의 염색체위에 일련의 대립형질들의 순서를 하플로타입이라고 한다. 특정 질병에 관련된 유전요인을 찾기 위해서는 먼저 이전의 유전학연구로부터 유전체상의 관심영역을 정하고, 이 영역에 햅맵 데이터로부터 얻은 tag SNP을 위치시킨다. 이들 SNP은 근처의 다른 SNP들과 매우 잘 연관되어 있으므로 각 개인의 하플로타입을 결정할 수 있다. 이로써, 특정 질병과 특정 하플로타입이 관련되어 있는지 결정할 수 있다.
햅맵 프로젝트를 통해 스닙(SNP)를 찾게 되면 시스템 생물학에서는 특정 질병과 스닙(SNP)의 관계에 대해 탐구할 수 있다. 이를 전장유전체연관성분석(GWAS=Genome wide association Studies)라 부른다. 질병 유전자를 찾는데 가장 대표적인 연구 방법론이다. 유전자 전체를 비교하는 것이 아니라 사람마다 다른 염기를 가지고 있는 부분의 서열만 모아서 더 많은 사람을 비교하는 것이 경제적이고 효율적이기 대문이다.
1000 유전체 프로젝트.
전체 인구의 1%에서 나타나는 모든 변이에 대해 조사하고자 하는 프로젝트다.
1000 유전체 프로젝트(1000 Genomes Project)는 2008년 1월에 영국, 미국, 중국이 합작하여 3년 내에 다양한 인종으로 구성된 인간 1000명의 유전체를 해독하는 국제 프로젝트이다. 인간 게놈 프로젝트 이후 가장 큰 규모의 유전체 프로젝트이다. 기존에 한두 명의 게놈 지도를 해석하는 것이 아니라, 빠른 속도로 많은 사람의 유전체를 한꺼번에 해석하여 변이체학의 기초를 이룰 수 있는 매우 귀중한 자료를 만들겠다는 것이다. 또한, 이 자료는 일반인이 쉽게 찾을 수 있도록 공개된다. 이 프로젝트는 궁극적으로 $1000 유전체 프로젝트나 $0 유전체 프로젝트의 기초가 될 것으로 기대될 프로젝트로 알려져 있다. 유전학, 약리학, 의학, 생화학, 생물정보학 등에 도움을 줄 것으로 예상된다.
TCGA 프로젝트.
유전체 10000 프로젝트.
질량 분석법(質量分析法, ) 또는 질량 분석(質量分析, MS)은 이온의 질량 전하비를 측정하는 데 사용되는 분석 기법이다. 결과는 질량 전하비의 함수로 강도를 나타내는 그림인 질량 스펙트럼으로 제공된다. 질량 분석법은 다양한 분야에서 사용되며 순수 시료와 복잡한 혼합물 모두에 적용된다.
질량 스펙트럼은 질량 전하비의 함수로 이온 신호를 나타내는 일종의 그림이다. 이러한 스펙트럼은 시료의 원소 또는 동위원소 기호, 입자 및 분자의 질량, 그리고 분자 및 기타 화합물의 화학적 정체성 또는 구조를 규명하는 데 사용된다.
일반적인 질량 분석 과정에서는 고체, 액체 또는 기체 상태일 수 있는 시료를 이온화, 예를 들어 전자빔으로 충격하여 이온화한다. 이로 인해 시료의 일부 분자가 양전하를 띤 조각으로 부서지거나 단순히 조각화되지 않고 양전하를 띠게 될 수 있다. 그런 다음 이 이온(조각)은 예를 들어 전기장 또는 자기장에 노출시켜 가속시켜 질량 전하비에 따라 분리된다. 질량 전하비가 같은 이온은 동일한 양의 편향을 겪게 된다. 이온은 전자 증배관과 같이 대전된 입자를 감지할 수 있는 메커니즘으로 감지된다. 결과는 질량 전하비의 함수로 감지된 이온의 신호 강도 스펙트럼으로 표시된다. 시료의 원자 또는 분자는 알려진 질량(예: 전체 분자)을 식별된 질량과 연관시키거나 특징적인 조각화 패턴을 통해 식별할 수 있다.
질량 분석계의 역사.
초기 이온의 질량 전하비를 측정한 분광학 장치는 질량 분광기라고 불렸는데, 이는 사진 건판에 질량 값 스펙트럼을 기록하는 기기로 구성되었다. 질량 분광기는 이온 빔이 형광체 스크린으로 향한다는 점을 제외하고는 질량 분광기와 유사하다. 질량 분광기 구성은 조정 효과를 신속하게 관찰하는 것이 바람직한 초기 장비에 사용되었다. 장비가 제대로 조정되면 사진 건판을 삽입하고 노출시켰다. 질량 분광기라는 용어는 형광체 스크린의 직접 조명이 오실로스코프를 사용한 간접 측정으로 대체된 후에도 계속 사용되었다. 현재는 빛 분광학과의 혼동 가능성 때문에 질량 분광학이라는 용어 사용은 권장되지 않는다. 질량 분석법은 종종 질량 분광법 또는 간단히 MS로 약칭된다.
질량 분석법의 현대적 기술은 아서 제프리 뎀스터와 F. W. 애스턴이 각각 1918년과 1919년에 고안했다.
섹터형 질량 분석기는 맨해튼 프로젝트 중에 어니스트 로런스가 개발하고 우라늄 동위원소 분리에 사용된 캘루트론으로 알려져 있다. 캘루트론 질량 분석기는 제2차 세계 대전 중 설립된 오크리지 Y-12 시설에서 우라늄 농축에 사용되었다.
1989년에는 한스 데멜트와 볼프강 파울이 1950년대와 1960년대에 이온 트랩 기술을 개발한 공로로 노벨 물리학상의 절반을 받았다.
2002년에는 존 베넷 펜이 전기분무 이온화(ESI) 개발, 다나카 고이치가 소프트 레이저 탈착(SLD) 개발 및 생체 거대분자, 특히 단백질 이온화에 이 기술을 적용한 공로로 노벨 화학상을 받았다.
질량 분석계의 구성 요소.
질량 분석계는 이온 소스, 질량 분석기, 검출기의 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 이온화 장치는 분석 대상 물질(분석물)의 일부를 이온으로 변환한다. 시료의 상(고체, 액체, 기체) 및 미지의 화학종에 대한 다양한 이온화 메커니즘의 효율에 따라 다양한 이온화 기술이 존재한다. 추출 시스템은 시료에서 이온을 제거하고, 이온은 질량 분석기를 통과하여 검출기로 향하게 된다. 조각들의 질량 차이를 통해 질량 분석기는 이온을 질량 전하비에 따라 분류할 수 있다. 검출기는 지표량의 값을 측정하여 존재하는 각 이온의 존재량을 계산하기 위한 데이터를 제공한다. 일부 검출기는 공간 정보도 제공한다(예: 다중 채널 판).
이론적 예시.
다음은 섹터형 질량 분석기의 작동을 설명한다. (다른 분석기 유형은 아래에서 다룬다.) 염화나트륨 (식탁용 소금) 시료를 고려하자. 이온 소스에서 시료는 기화(기체로 변환) 및 이온화(전하를 띤 입자로 변환)되어 나트륨 (Na+) 및 염소 (Cl−) 이온이 된다. 나트륨 원자와 이온은 단일 동위원소 원소이며 질량은 약 23 달튼 (기호: Da 또는 이전 기호: u)이다. 염소 원자와 이온은 약 35 u (자연 존재량 약 75%) 및 약 37 u (자연 존재량 약 25%)의 질량을 갖는 두 개의 안정적인 동위원소로 존재한다. 질량 분석기의 분석기 부분에는 이온에 힘을 가하는 전기장과 자기장이 포함되어 있다. 전하를 띤 입자의 속도는 전기장을 통과하면서 증가하거나 감소할 수 있으며, 자기장에 의해 방향이 변경될 수 있다. 움직이는 이온의 궤적 편향 크기는 질량 전하비에 따라 달라진다. 가벼운 이온은 무거운 이온보다 자기력에 의해 더 크게 편향된다(뉴턴 제2법칙, F = ma에 기초함). 자력으로 분류된 이온 흐름은 분석기에서 검출기로 이동하며, 검출기는 각 이온 유형의 상대적 존재량을 기록한다. 이 정보는 원래 시료의 화학 원소 구성(즉, 시료에 나트륨과 염소가 모두 존재함)과 그 성분의 동위원소 구성(35Cl 대 37Cl 비율)을 결정하는 데 사용된다.
이온 생성.
이온 소스는 질량 분석계의 구성 요소로서 분석 대상 물질(분석물)을 이온화한다. 생성된 이온은 자기장 또는 전기장에 의해 질량 분석기로 이동된다.
이온화 기술은 질량 분석법으로 분석할 수 있는 시료 유형을 결정하는 데 핵심적인 역할을 해왔다.
전자 이온화 및 화학 이온화는 기체 및 증기에 사용된다. 화학 이온화 소스에서 분석물은 소스 내부 충돌 과정에서 화학적 이온-분자 반응에 의해 이온화된다. 액체 및 고체 생체 시료에 자주 사용되는 두 가지 기술은 전기분무 이온화 (존 베넷 펜이 발명함) 및 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI, 원래 K. Tanaka가 유사한 기술인 "소프트 레이저 탈착 (SLD)"으로 개발했으며 노벨상을 수상했으며, M. Karas 및 F. Hillenkamp가 MALDI로 개발함)이다.
경성 이온화 및 연성 이온화.
질량 분석법에서 이온화는 질량 분석기 또는 질량 필터에서 분해에 적합한 기체상 이온을 생성하는 것을 의미한다. 이온화는 이온 소스에서 발생한다. 여러 이온 소스가 있으며, 각각의 특정 응용 분야에 장점과 단점이 있다. 예를 들어, 전자 이온화(EI)는 높은 수준의 조각화를 제공하여 숙련된 분석을 통해 구조 규명/특성화에 중요한 정보를 제공하고 동일한 작동 조건에서 얻은 질량 스펙트럼 라이브러리와 비교하여 알려지지 않은 화합물의 식별을 용이하게 할 수 있는 매우 상세한 질량 스펙트럼을 생성한다. 그러나 EI는 HPLC(즉, LC-MS)와 연결하는 데 적합하지 않다. 이는 대기압에서 전자를 생성하는 데 사용되는 필라멘트가 빠르게 타버리기 때문이다. 따라서 EI는 전체 시스템이 고진공 상태인 기체 크로마토그래피(즉, GC-MS)와 주로 연결된다.
경성 이온화 기술은 대상 분자에 높은 양의 잔류 에너지를 부여하여 큰 정도의 조각화를 유도하는 공정이다(즉, 결합의 체계적인 파괴는 과도한 에너지를 제거하여 결과 이온의 안정성을 회복시키는 역할을 한다). 결과 이온은 분자 이온보다 낮은 m/z를 갖는 경향이 있다(양성자 이동의 경우와 동위원소 피크 제외). 경성 이온화의 가장 일반적인 예는 전자 이온화(EI)이다.
연성 이온화는 대상 분자에 거의 잔류 에너지를 부여하지 않아 거의 조각화를 일으키지 않는 공정을 말한다. 예로는 고속 원자 충격 (FAB), 화학 이온화 (CI), 대기압 화학 이온화 (APCI), 대기압 광이온화 (APPI), 전기분무 이온화 (ESI), 탈착 전기분무 이온화 (DESI), 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI) 등이 있다.
유도 결합 플라스마.
유도 결합 플라스마 (ICP) 소스는 주로 다양한 유형의 시료에서 양이온 분석에 사용된다. 이 소스에서는 전체적으로 전기적으로 중성이지만 고온에 의해 상당 부분의 원자가 이온화된 플라스마가 도입된 시료 분자를 원자화하고 이 원자들로부터 외곽 전자를 더욱 떼어내는 데 사용된다. 플라스마는 일반적으로 아르곤 기체로부터 생성된다. 이는 아르곤 원자의 첫 번째 이온화 에너지가 He, F, Ne를 제외한 다른 모든 원소의 첫 번째 이온화 에너지보다 높지만, 가장 전기 양성적인 금속을 제외한 모든 원소의 두 번째 이온화 에너지보다 낮기 때문이다. 가열은 플라스마를 둘러싼 코일을 통해 고주파 전류를 통과시켜 이루어진다.
광이온화 질량 분석법.
광이온화는 질량 분석법을 화학 반응 속도 메커니즘 및 이성질체 생성물 분지를 해결하는 수단으로 사용하려는 실험에 활용될 수 있다. 이러한 경우 X선 또는 UV와 같은 고에너지 광자가 He 또는 Ar의 운반 기체 내에서 안정한 기체 분자를 해리시키는 데 사용된다. 싱크로트론 광원이 활용되는 경우, 튜닝 가능한 광자 에너지를 사용하여 광이온화 효율 곡선을 얻을 수 있으며, 이는 전하 비율 m/z와 함께 사용하여 분자 및 이온 화학종을 식별하는 데 사용할 수 있다. 최근에는 대기압 광이온화 (APPI)가 개발되어 주로 LC-MS 시스템의 유출물로서 분자를 이온화한다.
대기압 이온화.
대기압 이온화의 일부 응용 분야에는 환경 응용 분야뿐만 아니라 임상 응용 분야도 포함된다. 이러한 기술에서는 질량 분석계 외부의 이온 소스에서 이온이 형성된다. 시료는 이전 분리 또는 준비가 필요하지 않으므로 샘플링이 용이해진다. 대기압 이온화 기술의 예로는 실시간 직접 분석 (DART), DESI, SESI, LAESI, 탈착 대기압 화학 이온화 (DAPCI), 전달 화학 반응에 의한 연성 이온화 (SICRT) 및 탈착 대기압 광이온화 DAPPI 등이 있다.
기타 이온화 기술.
그 외에는 글로우 방전, 전계 탈착 (FD), 고속 원자 충격 (FAB), 열분무, 실리콘 기반 탈착/이온화 (DIOS), 대기압 화학 이온화 (APCI), 2차 이온 질량 분석법 (SIMS), 스파크 이온화 및 열 이온화 (TIMS)가 있다.
질량 선택.
질량 분석기는 질량 전하비에 따라 이온을 분리한다. 다음 두 가지 법칙은 진공에서 전기장과 자기장에서 전하를 띤 입자의 동역학을 지배한다.
여기서 F는 이온에 가해지는 힘, "m"은 이온의 질량, a는 가속도, "Q"는 이온 전하, E는 전기장, v × B는 이온 속도와 자기장의 벡터 외적이다.
이온에 가해지는 힘에 대한 위의 표현을 동일시하면 다음과 같다.
이 미분 방정식은 전하를 띤 입자의 운동에 대한 고전적인 방정식이다. 입자의 초기 조건과 함께 m/Q 측면에서 입자의 공간 및 시간 운동을 완벽하게 결정한다. 따라서 질량 분석계는 "질량-전하 분석계"로 생각할 수 있다. 데이터를 제시할 때 (공식적으로) 무차원인 m/z를 사용하는 것이 일반적이다. 여기서 z는 이온의 기본 전하 (e) 수(z=Q/e)이다. 이 양은 비공식적으로 질량-전하비라고 불리지만, 더 정확히 말하면 질량수와 전하수 z의 비율을 나타낸다.
정적 또는 동적 장, 자기장 또는 전기장을 사용하는 다양한 유형의 질량 분석기가 있지만, 모두 위의 미분 방정식에 따라 작동한다. 각 분석기 유형은 장점과 단점이 있다. 많은 질량 분석계는 탠덤 질량 분석법(MS/MS)을 위해 두 개 이상의 질량 분석기를 사용한다. 아래에 나열된 더 일반적인 질량 분석기 외에도 특수 상황을 위해 설계된 다른 분석기들도 있다.
몇 가지 중요한 분석기 특성이 있다. 질량 분해능은 약간 다른 m/z의 두 피크를 구별하는 능력을 측정하는 것이다. 질량 정확도는 m/z 측정 오차와 실제 m/z의 비율이다. 질량 정확도는 일반적으로 ppm 또는 밀리 질량 단위로 측정된다. 질량 범위는 주어진 분석기로 분석 가능한 m/z의 범위이다. 선형 동적 범위는 이온 신호가 분석물 농도와 선형 관계를 갖는 범위이다. 속도는 실험 시간 프레임을 나타내며 궁극적으로 단위 시간당 생성될 수 있는 스펙트럼 수를 결정하는 데 사용된다.
섹터 기기.
섹터 필드 질량 분석기는 정적 전기장 및 자기장을 사용하여 전하를 띤 입자가 질량 분석기를 통과할 때 궤적 및 속도에 어떤 식으로든 영향을 미친다.
위에서 보듯이 섹터형 질량 분석기는 질량 분석기를 통과하는 이온의 궤적을 질량 전하비에 따라 구부리며, 더 전하를 띠고 더 빠르게 움직이는 가벼운 이온을 더 많이 편향시킨다. 분석기는 좁은 m/z 범위를 선택하거나 m/z 범위를 스캔하여 존재하는 이온을 목록화하는 데 사용할 수 있다.
비행 시간.
비행 시간 (TOF) 분석기는 전기장을 사용하여 이온을 동일한 전위를 통해 가속시킨 다음 검출기에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정한다. 입자가 모두 동일한 전하를 가진 경우 운동 에너지는 동일하며, 속도는 질량에만 의존한다. 예를 들어, 질량이 낮은 이온은 더 빠르게 이동하여 검출기에 먼저 도달한다. 이온은 전기장에 의해 가속되기 전에 일반적으로 움직이고 있다. 이로 인해 동일한 m/z를 가진 입자가 검출기에 다른 시간에 도착한다. 초기 속도의 이러한 분포는 종종 이온의 질량에 의존하지 않으며, 최종 속도의 차이로 바뀐다. 이러한 속도 분포는 카운트 대 m/z 그림에 표시된 피크를 넓히지만, 이온의 시작 속도는 일반적으로 0을 중심으로 하므로 피크의 중심 위치는 일반적으로 변경되지 않는다. 이 문제를 해결하기 위해 TOF-MS와 시간 지연 초점/지연 추출이 결합되었다.
사중극자 질량 필터.
사중극자 질량 분석기는 진동하는 전기장을 사용하여 평행한 네 개의 로드 사이에 생성된 라디오 주파수 (RF) 사중극자 장을 통과하는 이온 궤적을 선택적으로 안정화 또는 불안정화한다. 특정 질량/전하 범위의 이온만 언제든지 시스템을 통과하지만, 로드의 전위 변화를 통해 넓은 범위의 m/z 값을 연속적으로 또는 일련의 불연속 점프로 빠르게 스캔할 수 있다. 사중극자 질량 분석기는 질량 선택 필터 역할을 하며 사중극자 이온 트랩, 특히 선형 사중극자 이온 트랩과 밀접하게 관련되어 있다. 단, 트랩된 이온을 수집하는 대신 트랩되지 않은 이온을 통과시키도록 설계되어 있으며, 이 때문에 투과 사중극자라고 불린다.
자력 강화 사중극자 질량 분석기는 축 방향 또는 횡 방향으로 인가되는 자기장을 추가한 것이다. 이 새로운 유형의 장비는 인가되는 자기장의 크기와 방향에 따라 분해능 및 감도 측면에서 추가적인 성능 향상을 가져온다.
투과 사중극자의 일반적인 변형은 삼중 사중극자 질량 분석계이다. "삼중 사중극자"는 세 개의 연속적인 사중극자 단계를 가지며, 첫 번째 사중극자는 특정 이온을 두 번째 사중극자인 충돌실로 전달하는 질량 필터 역할을 하며, 거기서 이온은 충돌 유도 해리에 의해 조각으로 분해될 수 있다. 세 번째 사중극자는 특정 조각 이온을 검출기로 전달하는 질량 필터 역할도 한다. 사중극자가 질량 필터 설정 범위를 빠르게 반복적으로 순환하도록 하면 전체 스펙트럼을 보고할 수 있다. 마찬가지로, 삼중 사중극자는 탠덤 질량 분석법의 특징적인 다양한 스캔 유형을 수행하도록 할 수 있다.
이온 트랩.
3차원 사중극자 이온 트랩.
사중극자 이온 트랩은 사중극자 질량 분석기와 동일한 물리적 원리로 작동하지만, 이온은 트랩되고 순차적으로 방출된다. 이온은 주로 사중극자 RF 필드에 트랩되며, 두 개의 엔드캡 전극(일반적으로 DC 또는 보조 AC 전압에 연결됨) 사이의 링 전극(일반적으로 주 RF 전압에 연결됨)으로 정의된 공간에 있다. 시료는 내부적으로 이온화되거나(예: 전자 또는 레이저 빔 사용) 외부적으로 이온화되며, 이 경우 이온은 종종 엔드캡 전극의 개구부를 통해 도입된다.
질량/전하 분리 및 격리 방법은 많지만 가장 일반적으로 사용되는 방법은 질량 불안정성 모드이며, 이 모드에서는 RF 전위가 증가되어 질량 를 갖는 이온의 궤도가 안정적이며 질량 b를 갖는 이온은 불안정해져 z축을 따라 검출기로 방출된다. 비파괴 분석 방법도 있다.
이온은 공명 여기 방법을 통해 방출될 수도 있다. 이 방법에서는 보조 진동 여기 전압이 엔드캡 전극에 인가되고, 트랩 전압 진폭 및 여기 전압 주파수가 변경되어 질량/전하 비율 순서대로 이온을 공명 상태로 만든다.
원통형 이온 트랩.
원통형 이온 트랩 질량 분석계 (CIT)는 사중극자 이온 트랩의 파생형으로, 전극이 쌍곡선 모양의 전극이 아닌 평면 링으로 형성된다. 이 아키텍처는 트랩 크기가 작아짐에 따라 이온이 트랩되는 영역인 트랩 중앙 근처의 전기장 모양이 쌍곡선 트랩과 유사한 모양을 형성하기 때문에 소형화에 적합하다.
선형 사중극자 이온 트랩.
선형 사중극자 이온 트랩은 사중극자 이온 트랩과 유사하지만, 3차원 사중극자 이온 트랩과 달리 3차원 사중극자장이 아닌 2차원 사중극자장에 이온을 트랩한다. Thermo Fisher의 LTQ ("선형 트랩 사중극자")는 선형 이온 트랩의 예이다.
원환형 이온 트랩은 선형 사중극자를 구부려 양 끝을 연결하거나 3D 이온 트랩의 단면을 회전시켜 원환체, 즉 도넛 모양의 트랩을 형성하는 것으로 시각화할 수 있다. 이 트랩은 링 모양의 트랩 구조 전체에 이온을 분산시켜 대량의 이온을 저장할 수 있다. 이 원환체 모양의 트랩은 이온 트랩 질량 분석기를 더욱 소형화할 수 있는 구성이다. 또한 모든 이온은 동일한 트래핑 필드에 저장되고 함께 방출되므로 검출기 정렬 및 어레이 가공의 변화로 인해 어레이 구성이 복잡해질 수 있는 검출이 단순화된다.
원환형 트랩과 마찬가지로 선형 트랩과 3D 사중극자 이온 트랩은 높은 감도, mTorr 압력 허용 오차 및 단일 분석기 탠덤 질량 분석 기능(예: 생성물 이온 스캔)으로 인해 가장 일반적으로 소형화되는 질량 분석기이다.
오비트랩.
오비트랩 기기는 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석기와 유사하다(아래 텍스트 참조). 이온은 중심에 있는 스핀들 모양의 전극 주위를 궤도로 정전기적으로 트랩된다. 이 전극은 이온을 트랩하여 중심 전극 주위를 궤도를 돌고 중심 전극의 긴 축을 따라 앞뒤로 진동하게 한다. 이 진동은 검출기 판에 영상 전류를 생성하며, 이는 기기에 기록된다. 이러한 영상 전류의 주파수는 이온의 질량 전하비에 따라 달라진다. 질량 스펙트럼은 기록된 영상 전류의 푸리에 변환을 통해 얻는다.
오비트랩은 높은 질량 정확도, 높은 감도 및 우수한 동적 범위를 갖는다.
푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명.
푸리에 변환 질량 분석법 (FTMS), 또는 더 정확하게는 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 MS는 자기장이 존재하는 상태에서 이온이 사이클로트론으로 인해 발생하는 영상 전류를 감지하여 질량을 측정한다. 전자 증배관과 같은 검출기로 이온의 편향을 측정하는 대신, 이온은 페닝 트랩 (정적 전기/자기 이온 트랩)으로 주입되어 효과적으로 회로의 일부를 형성한다. 공간의 고정된 위치에 있는 검출기는 시간이 지남에 따라 이온이 근처를 통과할 때 발생하는 전기 신호를 측정하여 주기적인 신호를 생성한다. 이온의 순환 주파수는 질량-전하비에 의해 결정되므로, 신호에 역회선을 수행하여 이를 푸리에 변환할 수 있다. FTMS는 높은 감도 (각 이온이 한 번 이상 "계산"되므로)와 훨씬 더 높은 분해능, 따라서 정밀도를 제공한다는 장점이 있다.
이온 사이클로트론 공명 (ICR)은 FTMS와 유사하지만 이온이 전통적인 검출기로 감지된다는 점이 다른 오래된 질량 분석 기술이다. 페닝 트랩에 트랩된 이온은 RF 전기장에 의해 여기되어 트랩 벽에 충돌할 때까지 여기되며, 검출기가 그 위치에 있다. 질량이 다른 이온은 충돌 시간에 따라 분해된다.
검출기.
질량 분석기의 최종 요소는 검출기이다. 검출기는 이온이 통과하거나 표면에 충돌할 때 유도된 전하 또는 생성된 전류를 기록한다. 스캔 장비에서 스캔 과정 중 검출기에서 생성된 신호와 장비가 스캔하는 위치 (m/Q의 어느 위치)에 따라 질량 스펙트럼, 즉 m/Q의 함수로 이온을 기록한 결과가 생성된다.
일반적으로 전자 증배관의 일종이 사용되지만, 패러데이 컵 및 이온-광자 검출기를 포함한 다른 검출기도 사용된다. 특정 순간에 질량 분석기에서 나가는 이온의 수가 일반적으로 매우 작기 때문에 신호를 얻으려면 상당한 증폭이 필요한 경우가 많다. 마이크로채널 판 검출기는 현대 상업용 장비에 일반적으로 사용된다. FTMS 및 Orbitrap에서 검출기는 이온이 진동할 때만 근처를 통과하는 질량 분석기/이온 트랩 영역 내의 한 쌍의 금속 표면으로 구성된다. 직접 전류는 생성되지 않으며, 전극 사이의 회로에서 약한 AC 영상 전류만 생성된다. 다른 유도 검출기도 사용되었다.
탠덤 질량 분석법.
탠덤 질량 분석계는 일반적으로 분자 조각화의 어떤 형태에 의해 분리된 여러 라운드의 질량 분석을 수행할 수 있는 장비이다. 예를 들어, 하나의 질량 분석기는 질량 분석기에 들어오는 여러 펩타이드 중에서 하나의 펩타이드를 분리할 수 있다. 그런 다음 충돌 셀은 펩타이드 이온이 가스와 충돌하는 동안 안정화하여 충돌 유도 해리 (CID)에 의해 조각화되도록 한다. 그런 다음 다른 질량 분석기는 펩타이드에서 생성된 조각을 정렬한다. 탠덤 MS는 사중극자 이온 트랩과 같이 시간 경과에 따라 단일 질량 분석기에서도 수행할 수 있다. 충돌 유도 해리 (CID), 전자 포획 해리 (ECD), 전자 전달 해리 (ETD), 적외선 다광자 해리 (IRMPD), 흑체 적외선 복사 해리 (BIRD), 전자 제거 해리 (EDD) 및 표면 유도 해리 (SID)를 포함하여 탠덤 MS를 위한 분자 조각화 방법은 다양하다. 탠덤 질량 분석법을 사용하는 중요한 응용 분야는 단백질 식별이다.
탠덤 질량 분석법은 다양한 실험 시퀀스를 가능하게 한다. 많은 상업용 질량 분석기는 선택된 반응 모니터링 (SRM), 전구 이온 스캐닝, 생성물 이온 스캐닝 및 중성 손실 스캐닝과 같은 일상적인 시퀀스의 실행을 가속화하도록 설계되었다.
방사성 탄소 연대 측정에 사용되는 또 다른 유형의 탠덤 질량 분석법은 가속기 질량 분석법 (AMS)이며, 이는 음이온을 일종의 탠덤 질량 분석기에 가속시키기 위해 메가볼트 범위의 매우 높은 전압을 사용한다.
'METLIN 대사체 및 화학 물질 데이터베이스'는 표준에서 얻은 실험 탠덤 질량 분석법 데이터의 가장 큰 저장소이다. 93만 개 이상의 분자 표준(2024년 1월 기준)에 대한 탠덤 질량 분석 데이터는 탠덤 질량 분석 실험에서 화학 물질 식별을 용이하게 하기 위해 제공된다. 알려진 분자 식별 외에도 유사성 검색/분석을 통해 알려지지 않은 분자 식별에도 유용하다. 모든 탠덤 질량 분석 데이터는 여러 충돌 에너지 및 양성 및 음성 이온화 모드에서 표준에 대한 실험 분석에서 얻은 것이다.
일반적인 질량 분석기 구성 및 기술.
특정 소스, 분석기 및 검출기의 조합이 실제 사용에서 일반화되면, 이를 간결하게 나타내는 복합 약어가 생길 수 있다. 한 예는 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 소스와 비행 시간 질량 분석기의 조합을 나타내는 MALDI-TOF이다. 다른 예로는 유도 결합 플라스마 질량 분석법 (ICP-MS), 가속기 질량 분석법 (AMS), 열 이온화 (TIMS) 및 스파크 이온화 (SSMS)가 있다.
특정 질량 분석법 응용 분야는 엄밀히 말하면 광범위한 응용 분야를 의미하는 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 특정 또는 제한된 수의 기기 구성을 의미하게 되는 명칭이 생겼다. 이러한 예로는 동위원소 비율 질량 분석법 (IRMS)이 있는데, 이는 실제로는 제한된 수의 섹터 기반 질량 분석기 사용을 의미한다. 이 이름은 응용 분야와 응용 분야에 사용되는 기기 모두를 나타내는 데 사용된다.
질량 분석법과 결합된 분리 기술.
질량 분석법의 질량 분해 및 질량 결정 능력을 향상시키는 중요한 요소는 크로마토그래피 및 기타 분리 기술과 함께 사용하는 것이다.
기체 크로마토그래피.
일반적인 조합은 기체 크로마토그래피-질량 분석법 (GC/MS 또는 GC-MS)이다. 이 기술에서는 기체 크로마토그래피를 사용하여 서로 다른 화합물을 분리한다. 분리된 화합물의 흐름은 온라인으로 이온 소스, 즉 전압이 인가된 금속 전기 필라멘트로 공급된다. 이 필라멘트는 전자를 방출하여 화합물을 이온화한다. 이온은 더 조각화되어 예측 가능한 패턴을 생성할 수 있다. 손상되지 않은 이온과 조각은 질량 분석기의 분석기를 통과하여 결국 검출된다. 그러나 GC-MS 주입 포트 (및 오븐)에서 사용되는 높은 온도 (300 °C)는 주입된 분자의 열 분해를 초래하여 실제 관심 분자 대신 분해 산물을 측정하게 될 수 있다.
액체 크로마토그래피.
기체 크로마토그래피 질량 분석법 (GC-MS)과 유사하게, 액체 크로마토그래피-질량 분석법 (LC/MS 또는 LC-MS)은 화합물을 이온 소스 및 질량 분석기에 도입하기 전에 크로마토그래피로 분리한다. GC-MS와는 이동상이 기체 대신 액체, 보통 물과 유기 용매의 혼합물이라는 점에서 다르다. 대부분의 경우 LC-MS에서는 전기분무 이온화 소스가 사용된다. 기타 인기 있고 상업적으로 이용 가능한 LC-MS 이온 소스는 대기압 화학 이온화 및 대기압 광이온화이다. 레이저 분무와 같은 새로 개발된 이온화 기술도 있다.
모세관 전기영동-질량 분석법.
모세관 전기영동-질량 분석법(CE-MS)은 모세관 전기영동의 액체 분리 과정과 질량 분석법을 결합한 기술이다. CE-MS는 일반적으로 전기분무 이온화와 결합된다.
이온 이동성.
이온 이동성 분광법-질량 분석법(IMS/MS 또는 IMMS)은 이온이 질량 분석기에 도입되기 전에 특정 중성 기체 속에서 인가된 전기 전위 기울기 하에서 드리프트 시간을 통해 먼저 분리되는 기술이다. 드리프트 시간은 이온 전하에 대한 충돌 단면적을 측정한 것이다. IMS의 듀티 사이클 (실험이 진행되는 시간)은 대부분의 질량 분석 기술보다 길어서 질량 분석기는 IMS 분리 과정 전체를 샘플링할 수 있다. 이것은 LC-MS와 유사한 방식으로 이온의 질량-전하 비율뿐만 아니라 IMS 분리에 대한 데이터도 생성한다.
IMS의 듀티 사이클은 액체 크로마토그래피 또는 기체 크로마토그래피 분리에 비해 짧으므로 LC/IMS/MS와 같은 삼중 모달리티와 결합될 수 있다.
데이터 및 분석.
데이터 표현.
질량 분석법은 다양한 유형의 데이터를 생성한다. 가장 일반적인 데이터 표현은 질량 스펙트럼이다.
특정 유형의 질량 분석 데이터는 질량 크로마토그램으로 가장 잘 표현된다. 크로마토그램 유형에는 선택 이온 모니터링 (SIM), 총 이온 전류 (TIC), 선택 반응 모니터링 (SRM) 등이 있다.
다른 유형의 질량 분석 데이터는 3차원 등고선 지도로 잘 표현된다. 이 형태에서 질량-전하, m/z는 x축에, 강도는 y축에, 시간과 같은 추가 실험 매개변수는 z축에 기록된다.
질량 분석 데이터 분석은 데이터를 생성하는 실험 유형에 따라 다르다. 데이터의 일반적인 하위 구분은 모든 데이터를 이해하는 데 근본적이다.
많은 질량 분석기는 음이온 모드 또는 양이온 모드 중 하나로 작동한다. 관찰된 이온이 음전하를 띠는지 양전하를 띠는지 아는 것은 매우 중요하다. 이는 중성 질량을 결정하는 데 종종 중요하지만, 분자의 특성에 대해서도 무언가를 나타낸다.
이온 소스 유형에 따라 원래 분자에서 생성되는 조각의 배열이 달라진다. 전자 이온화 소스는 많은 조각과 대부분 단일 전하를 띤 (1-) 라디칼(홀수 전자를 가짐)을 생성하는 반면, 전기분무 소스는 일반적으로 자주 다중 전하를 띤 비라디칼 유사분자 이온을 생성한다. 탠덤 질량 분석법은 의도적으로 소스 후 조각 이온을 생성하며, 실험을 통해 얻는 데이터 유형을 크게 변경할 수 있다.
시료 출처에 대한 지식은 시료 구성 분자 및 그 조각화에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 합성/제조 공정에서 얻은 시료는 아마도 대상 구성 요소와 화학적으로 관련된 불순물을 포함할 것이다. 대충 준비된 생물학적 시료는 아마도 특정 분석에서 분석물 분자와 부가체를 형성할 수 있는 일정량의 염분을 포함할 것이다.
결과는 또한 시료 준비 및 실행/도입 방식에 크게 좌우될 수 있다. 중요한 예로는 MALDI 스팟팅에 사용되는 매트릭스 문제가 있다. 이는 탈착/이온화 이벤트 에너지의 대부분이 레이저 출력보다는 매트릭스에 의해 제어되기 때문이다. 때때로 시료는 나트륨 또는 다른 이온 운반 종으로 스파이킹되어 양성자화된 종 대신 부가체를 생성한다.
질량 분석법은 몰 질량, 분자 구조, 시료 순도를 측정할 수 있다. 이러한 질문은 각각 다른 실험 절차를 요구하므로, 적절한 실험 목표 정의는 적절한 데이터를 수집하고 성공적으로 해석하기 위한 전제 조건이다.
질량 스펙트럼 해석.
분자의 정확한 화학 구조 또는 펩타이드 서열은 일련의 조각 질량을 통해 해독되기 때문에, 질량 스펙트럼의 해석은 다양한 기술의 결합된 사용을 요구한다. 일반적으로 알려지지 않은 화합물을 식별하기 위한 첫 번째 전략은 실험 질량 스펙트럼을 질량 스펙트럼 라이브러리와 비교하는 것이다. 검색 결과 일치하는 것이 없으면 수동 해석 또는 소프트웨어 지원 질량 스펙트럼 해석을 수행해야 한다. 질량 분석기에서 발생하는 이온화 및 조각화 과정을 컴퓨터 시뮬레이션하는 것은 분자에 구조 또는 펩타이드 서열을 할당하는 주요 도구이다. 선험적 구조 정보는 컴퓨터 시뮬레이션으로 조각화되고 결과 패턴은 관찰된 스펙트럼과 비교된다. 이러한 시뮬레이션은 종종 알려진 분해 반응의 공개된 패턴을 포함하는 조각화 라이브러리의 지원을 받는다. 이 아이디어를 활용한 소프트웨어는 작은 분자와 단백질 모두에 대해 개발되었다.
질량 스펙트럼 분석은 정확한 질량을 가진 스펙트럼도 가능하다. 정수 정밀도만 있는 질량-전하비 값(m/z)은 이론적으로 가능한 엄청난 수의 이온 구조를 나타낼 수 있지만, 더 정확한 질량 수치는 후보 분자식의 수를 크게 줄인다. 공식 생성기라는 컴퓨터 알고리즘은 지정된 허용 오차 내에서 주어진 질량에 이론적으로 맞는 모든 분자식을 계산한다.
질량 분석법에서 구조 규명을 위한 최근 기술인 전구 이온 지문법은 구조적으로 특성화된 전구 이온의 생성물 이온 스펙트럼 라이브러리에 대한 연구 대상 분자의 탠덤 스펙트럼 검색을 수행하여 개별 구조 정보 조각을 식별한다.
질량 분석법은 정성적 및 정량적 용도로 모두 사용된다. 여기에는 알려지지 않은 화합물 식별, 분자의 원소 동위원소 조성 결정, 그리고 조각화를 관찰하여 화합물의 구조 결정 등이 포함된다. 다른 용도로는 시료 내 화합물 양 정량 또는 기체상 이온 화학의 기초 연구(진공에서 이온과 중성체의 화학) 등이 있다. MS는 이제 다양한 화합물의 물리적, 화학적 또는 생물학적 특성을 연구하는 분석 실험실에서 일반적으로 사용된다. 정량은 상대적(참조 시료에 대해 분석) 또는 절대적(표준 곡선 방법을 사용하여 분석)일 수 있다.
분석 기술로서 다음과 같은 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 분석기가 질량-전하 필터로서 배경 간섭을 줄여 다른 대부분의 분석 기술보다 향상된 감도, 알려지지 않은 물질을 식별하거나 의심되는 화합물의 존재를 확인하는 특징적인 조각화 패턴으로부터 우수한 특이성, 분자량에 대한 정보, 원소의 동위원소 존재량에 대한 정보, 시간 분해 화학 데이터.
이 방법의 몇 가지 단점은 종종 광학 및 기하 이성질체와 방향족 고리에서 치환체의 o-, m-, p- 위치를 구별하지 못한다는 것이다. 또한 유사한 조각 이온을 생성하는 탄화수소 식별 범위가 제한적이다.
동위원소 비율 MS: 동위원소 연대 측정 및 추적.
질량 분석법은 시료 내 원소의 동위원소 조성을 결정하는 데에도 사용된다. 원소 동위원소 간의 질량 차이는 매우 작고, 원소의 존재량이 적은 동위원소는 일반적으로 매우 희귀하므로 매우 민감한 장비가 필요하다. 이러한 장비는 때때로 동위원소 비율 질량 분석계(IR-MS)라고 불리며, 일반적으로 단일 자석을 사용하여 이온화된 입자 빔을 입자 충돌을 전류로 변환하는 일련의 패러데이 컵으로 구부린다. 물의 중수소 함량에 대한 신속한 온라인 분석은 흐름 후광 질량 분석법, FA-MS를 사용하여 수행할 수 있다. 이 목적에 가장 민감하고 정확한 질량 분석기는 가속기 질량 분석법 (AMS)일 것이다. 이는 최고의 감도를 제공하여 개별 원자를 측정하고 주요 안정 동위원소에 대해 약 1015의 동적 범위로 핵종을 측정할 수 있기 때문이다. 동위원소 비율은 다양한 과정의 중요한 지표이다. 일부 동위원소 비율은 탄소 연대 측정과 같이 물질의 연대를 결정하는 데 사용된다. 안정 동위원소 표지는 단백질 정량에도 사용된다. (아래 단백질 특성 분석 참조)
막 도입 질량 분석법: 용액 내 기체 측정.
막 도입 질량 분석법은 동위원소 비율 MS와 기체 투과성 막으로 분리된 반응 챔버/셀을 결합한다. 이 방법을 통해 용액에서 발생하는 기체를 연구할 수 있다. 이 방법은 광계 II에 의한 산소 생성 연구에 광범위하게 사용되었다.
미량 기체 분석.
전용 이온 소스에서 생성된 이온을 유동관 또는 드리프트관에 주입하는 여러 기술이 사용된다. 선택 이온 유동관 (SIFT-MS) 및 양성자 이동 반응 질량 분석법 (PTR-MS)은 공기, 호흡 또는 액체 상부 공간의 미량 기체 분석 전용 화학 이온화 변형체이며, 잘 정의된 반응 시간을 사용하여 내부 표준 또는 교정 없이 알려진 반응 속도론으로부터 분석물 농도를 계산할 수 있다.
미량 기체 분석 분야에 응용되는 또 다른 기술은 2차 전기분무 이온화 (SESI-MS)이며, 이는 전기분무 이온화의 한 변형이다. SESI는 중성 증기와 상호 작용하는 순수한 산성화 용매의 전기분무 플룸으로 구성된다.  증기 분자는 전기분무에서 형성된 이온으로부터 분자로 전하가 전달될 때 대기압에서 이온화된다. 이 접근 방식의 장점 중 하나는 대부분의 ESI-MS 시스템과 호환된다는 것이다.
원자 탐침.
원자 탐침은 비행 시간 질량 분석법과 전계 증발 현미경을 결합하여 개별 원자의 위치를 매핑하는 기기이다.
약동학은 복잡한 매트릭스(종종 혈액 또는 소변)의 특성과 낮은 용량 및 긴 시간 데이터 포인트를 관찰하기 위한 높은 감도의 필요성 때문에 질량 분석법을 사용하여 자주 연구된다. 이 응용 분야에 사용되는 가장 일반적인 기기는 삼중 사중극자 질량 분석계를 사용하는 LC-MS이다. 추가 특이성을 위해 일반적으로 탠덤 질량 분석법이 사용된다. 표준 곡선과 내부 표준은 시료에서 단일 의약품을 정량화하는 데 사용된다. 시료는 의약품이 투여된 후 대사되거나 체외로 배설되는 다양한 시간 포인트를 나타낸다. 투여 전 채취된 공백 또는 t=0 시료는 배경을 결정하고 이러한 복잡한 시료 매트릭스에서 데이터 무결성을 보장하는 데 중요하다. 표준 곡선의 선형성에 많은 주의를 기울이지만, 대부분의 질량 분석계의 반응이 넓은 농도 범위에서 선형성이 떨어지므로 이차 방정식과 같은 더 복잡한 함수를 사용하는 곡선 피팅을 사용하는 것이 드문 일은 아니다.
현재 동물 실험의 유망한 대안으로 여겨지는 마이크로도징 연구를 위한 초고감도 질량 분석법 사용에 상당한 관심이 집중되고 있다.
최근 연구에 따르면 2차 전기분무 이온화 (SESI)는 호흡 분석을 통해 약물 동태학을 모니터링하는 강력한 기술이다. 호흡은 자연적으로 생성되므로 여러 데이터 포인트를 쉽게 수집할 수 있다. 이를 통해 수집된 데이터 포인트 수를 크게 늘릴 수 있다. 동물 연구에서 이 SESI 접근 방식은 동물 희생을 줄일 수 있다. 인간의 경우 SESI-MS 비침습 호흡 분석은 개인 수준에서 약물 동태학 연구에 도움이 될 수 있다.
단백질 특성 분석.