LC-QqQ-MS란? (작동원리, 적용분야 등)

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LC-QqQ-MS란? (작동원리, 적용분야 등)

 

 

LC-QqQ-MS(액체 크로마토그래피-삼중 사중극자 질량분석기)는 현대 분석화학 분야에서 가장 강력하고 다재다능한 분석 도구 중 하나입니다. 이 기술은 복잡한 시료 매트릭스에서 극미량 성분의 정확한 정량 분석을 가능하게 하여 다양한 분야에서 필수적인 역할을 하고 있습니다.

 

 

HPLC의 기본 원리와 컬럼의 종류

HPLC의 기본 원리와 컬럼의 종류

 

LC-QqQ-MS의 기본 원리

 

LC-QqQ-MS는 액체 크로마토그래피(LC)와 삼중 사중극자 질량분석기(QqQ-MS)를 결합한 시스템입니다. 이 시스템은 LC의 우수한 분리 능력과 QqQ-MS의 높은 선택성 및 감도를 결합하여 복잡한 혼합물에서 목적 성분을 정확하게 분석할 수 있습니다.

 

액체 크로마토그래피(LC)

 

LC는 시료 중 성분들을 분리하는 역할을 합니다. 이동상(액체)과 정지상(컬럼 내 충진제) 사이의 상호작용 차이를 이용하여 혼합물의 각 성분을 분리합니다. 분리된 성분들은 순차적으로 질량분석기로 유입됩니다.

 

삼중 사중극자 질량분석기(QqQ-MS)

 

QqQ-MS는 세 개의 사중극자가 직렬로 연결된 구조를 가집니다. 각 사중극자의 역할은 다음과 같습니다:

1.   첫 번째 사중극자(Q1): 특정 질량대전하비(m/z)를 가진 이온을 선택합니다.

2.   두 번째 사중극자(q2): 충돌 셀로 작용하여 선택된 이온을 조각화합니다.

3.   세 번째 사중극자(Q3): 생성된 조각 이온을 분석합니다.

이러한 구조를 통해 QqQ-MS는 높은 선택성과 감도를 제공하며, 특히 복잡한 매트릭스에서 목적 성분의 정확한 정량 분석에 탁월한 성능을 발휘합니다.

schematic illustration of the principle of lC-Q-toF-Ms/Ms. (a) lC. (b)... ❘ Download Scientific Diagram

LC-QqQ-MS의 주요 작동 모드

 

LC-QqQ-MS는 다양한 스캔 모드를 제공하여 분석 목적에 따라 최적화된 데이터를 얻을 수 있습니다:

1.   Product Ion Scan: Q1에서 특정 m/z의 이온을 선택하고, Q3에서 생성된 모든 조각 이온을 스캔합니다. 이 모드는 화합물의 구조 분석에 유용합니다.

2.   Precursor Ion Scan: Q3에서 특정 m/z의 조각 이온을 고정하고, Q1에서 모든 전구 이온을 스캔합니다. 특정 구조적 특징을 가진 화합물 그룹을 식별하는 데 사용됩니다.

3.   Neutral Loss Scan: Q1과 Q3가 동시에 스캔하되, 특정 질량 차이를 유지합니다. 특정 작용기를 가진 화합물을 검출하는 데 유용합니다.

4.   Multiple Reaction Monitoring (MRM): Q1과 Q3 모두 특정 m/z 값으로 고정됩니다. 이 모드는 높은 선택성과 감도로 목적 성분을 정량 분석하는 데 가장 널리 사용됩니다.

LC-MS – What Is LC-MS, LC-MS Analysis and LC-MS/MS ❘ Technology Networks

 

LC-QqQ-MS의 기기 구성

LC-QqQ-MS 시스템은 크게 세 부분으로 구성됩니다:

1. 액체 크로마토그래피(LC) 시스템

·         펌프: 이동상을 일정한 유속으로 공급합니다.

·         자동 시료 주입기: 시료를 자동으로 주입합니다.

·         컬럼: 시료 성분을 분리합니다.

·         컬럼 오븐: 컬럼의 온도를 일정하게 유지합니다.

2. 이온화원

LC와 MS를 연결하는 인터페이스 역할을 합니다. 가장 흔히 사용되는 이온화 방식은 다음과 같습니다:

·         전기분무이온화(ESI): 극성 및 이온성 화합물에 적합합니다.

·         대기압화학이온화(APCI): 중간 극성에서 비극성 화합물에 적합합니다.

3. 삼중 사중극자 질량분석기(QqQ-MS)

·         Q1, Q3: RF와 DC 전압을 결합하여 특정 m/z의 이온을 선택적으로 통과시킵니다.

·         q2 (충돌 셀): RF만 적용되어 이온을 집속하고 중성 가스와의 충돌을 통해 이온을 조각화합니다.

·         검출기: 통과한 이온을 검출하여 전기 신호로 변환합니다. 일반적으로 전자증배관(EM) 또는 광전자증배관(PMT)이 사용됩니다.

LC-QqQ-MS의 주요 특징 및 성능

 

최신 LC-QqQ-MS 시스템은 다음과 같은 우수한 성능을 제공합니다:

·         질량 범위: 일반적으로 m/z 5-3,000 범위를 커버합니다.

·         스캔 속도: 최대 17,000 Da/s의 고속 스캔이 가능합니다.

·         MRM 전환 속도: 초당 500개 이상의 MRM 전환이 가능합니다.

·         감도: 일부 화합물의 경우 0.1-50 ng/L 수준의 검출한계를 달성할 수 있습니다.

·         다이나믹 레인지: 106 이상의 넓은 선형 다이나믹 레인지를 제공합니다.

Mass Spectrometry Explained: How LC/MS/MS Works ❘ PerkinElmer Blog

LC-QqQ-MS의 주요 적용 분야

제약

LC-QqQ-MS는 그 우수한 성능으로 인해 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다:

1. 제약 및 생명과학 분야

·         약물 개발: 신약 후보 물질의 스크리닝, 대사체 연구, 약동학 및 약력학 연구에 활용됩니다.

·         생체시료 분석: 혈액, 소변 등의 생체시료에서 약물, 대사체, 바이오마커 등을 분석합니다.

·         단백질체학: 복잡한 단백질 혼합물에서 특정 단백질이나 펩타이드를 정량 분석합니다.

2. 식품 안전 및 품질 관리

·         잔류농약 분석: 농산물, 가공식품 등에서 다양한 농약 성분을 동시 분석합니다.

·         동물용의약품 검출: 축산물에서 항생제, 성장촉진제 등의 잔류량을 모니터링합니다.

·         식품 첨가물 분석: 가공식품 중 인공감미료, 보존제 등의 함량을 분석합니다.

3. 환경 모니터링

·         수질 분석: 지표수, 지하수, 음용수 등에서 오염물질을 검출 및 정량합니다.

·         대기 오염 물질 분석: 미세먼지 중 유해 유기물질을 분석합니다.

·         토양 오염 평가: 토양 중 잔류 유기오염물질을 모니터링합니다.

4. 법의학 및 독성학

·         약물 남용 검사: 혈액, 소변, 모발 등에서 불법 약물 및 그 대사체를 검출합니다.

·         독성물질 스크리닝: 의심 시료에서 다양한 독성 물질을 신속하게 스크리닝합니다.

5. 임상 진단

·         신생아 스크리닝: 선천성 대사 이상을 조기 진단하기 위한 대사산물 분석에 활용됩니다.

·         호르몬 검사: 내분비계 질환 진단을 위한 호르몬 정량 분석에 사용됩니다.

·         치료약물농도 모니터링(TDM): 환자의 혈중 약물 농도를 정확하게 측정합니다.

 

LC-QqQ-MS의 장점 및 한계

 

장점

1.   높은 선택성: MRM 모드를 통해 복잡한 매트릭스에서도 목적 성분을 선택적으로 검출할 수 있습니다.

2.   우수한 감도: 일부 화합물의 경우 ppq (10^-15 g/mL) 수준의 검출이 가능합니다.

3.   넓은 다이나믹 레인지: 106 이상의 선형 범위로 광범위한 농도의 시료를 분석할 수 있습니다.

4.   높은 재현성: 안정적인 이온화와 정확한 질량 선별로 우수한 정량 재현성을 제공합니다.

5.   다중 성분 동시 분석: 하나의 분석법으로 수백 개의 화합물을 동시에 정량할 수 있습니다.

한계

1.   구조 정보 제한: 고분해능 질량분석기에 비해 미지 화합물의 구조 규명 능력이 제한적입니다.

2.   이온화 효율 의존성: 화합물의 이온화 효율에 따라 감도 차이가 크게 발생할 수 있습니다.

3.   매트릭스 효과: 복잡한 시료에서 매트릭스 성분에 의한 이온 억제/증강 효과가 발생할 수 있습니다.

4.   고가의 장비 및 유지보수: 초기 투자 비용과 지속적인 유지보수 비용이 높습니다

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LC-QqQ-MS의 최신 기술 동향

기술동향

LC-QqQ-MS 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 최근의 주요 기술 동향은 다음과 같습니다:

1. 고감도화 기술

·         Jet Stream 이온화: 열적으로 집속된 전기분무를 사용하여 이온화 효율을 크게 향상시킵니다.

·         이온 광학계 개선: 이온 전송 효율을 높여 전체적인 감도를 향상시킵니다.

2. 고속 분석 기술

·         고속 MRM 전환: 초당 500회 이상의 MRM 전환으로 더 많은 화합물을 동시에 모니터링할 수 있습니다.

·         Scheduled MRM: 화합물의 용출 시간을 고려하여 효율적으로 MRM을 스케줄링합니다.

3. 데이터 처리 기술

·         자동화된 데이터 처리: 머신러닝 기반의 알고리즘을 통해 피크 적분, 정량 등의 과정을 자동화합니다.

·         종합적인 데이터 해석: 대사체학, 단백질체학 등의 분야에서 복잡한 데이터를 종합적으로 해석하는 도구가 개발되고 있습니다.

4. 미니어처화 및 현장 분석

·         소형 LC-MS 시스템: 실험실 외부에서도 사용 가능한 소형, 휴대형 LC-MS 시스템이 개발되고 있습니다.

·         온라인 모니터링: 산업 공정이나 환경 모니터링에 실시간으로 적용 가능한 시스템이 연구되고 있습니다.

 

LC-QqQ-MS 분석법 개발 및 최적화

효과적인 LC-QqQ-MS 분석을 위해서는 다음과 같은 단계별 접근이 필요합니다:

1. LC 조건 최적화

·         컬럼 선택: 목적 성분의 물리화학적 특성에 적합한 컬럼을 선택합니다. 일반적으로 C18, C8, HILIC 등이 널리 사용됩니다.

·         이동상 조성: 수용성/유기용매의 비율, pH, 첨가제 등을 최적화하여 분리능과 감도를 향상시킵니다.

·         그래디언트 프로그램: 복잡한 혼합물의 경우, 이동상 조성을 시간에 따라 변화시켜 분리능을 개선합니다.

·         유속 및 온도: 적절한 유속과 컬럼 온도를 설정하여 분리 효율을 최적화합니다.

2. MS 파라미터 최적화

·         이온화 조건: 이온화 모드(ESI/APCI), 극성(양/음이온), 분무 전압, 가스 유량 등을 최적화합니다.

·         MRM 전이: 각 분석 대상 물질에 대해 최적의 전구 이온(precursor ion)과 생성 이온(product ion)을 선택합니다.

·         충돌 에너지: 각 MRM 전이에 대해 최적의 충돌 에너지를 결정하여 감도를 극대화합니다.

·         Dwell time: 각 MRM 전이에 할당되는 시간을 최적화하여 감도와 데이터 포인트 수를 조절합니다.

3. 시료 전처리 방법 개발

·         추출: 목적 성분의 특성에 맞는 용매와 추출 방법(액-액 추출, 고체상 추출 등)을 선택합니다.

·         정제: 매트릭스 효과를 최소화하기 위해 적절한 정제 과정(SPE, 면역친화 컬럼 등)을 적용합니다.

·         농축/희석: 목적 성분의 농도 범위에 따라 적절한 농축 또는 희석 단계를 포함시킵니다.

4. 방법 검증

·         선택성: 간섭 물질의 영향을 평가합니다.

·         직선성: 검량선의 범위와 결정계수(R^2)를 확인합니다.

·         정확도 및 정밀도: 회수율과 반복성을 평가합니다.

·         검출한계(LOD) 및 정량한계(LOQ): 방법의 감도를 결정합니다.

·         매트릭스 효과: 이온 억제/증강 효과를 평가하고 보정 방법을 개발합니다.

·         안정성: 시료와 표준물질의 보관 안정성을 확인합니다.

 

 

LC-QqQ-MS의 실제 적용 사례

LC-QqQ-MS의 다양한 적용 분야 중 몇 가지 구체적인 사례를 살펴보겠습니다:

1. 식품 중 잔류농약 분석

목적: 과일과 채소에서 200종 이상의 농약을 동시에 스크리닝하고 정량하는 것

방법:

·         시료 전처리: QuEChERS(Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, and Safe) 방법 사용

·         LC 조건: C18 컬럼, 0.1% 포름산 수용액/메탄올 그래디언트

·         MS 조건: ESI 양/음이온 모드 전환, 500개 이상의 MRM 전이 모니터링

결과: 0.01 mg/kg 수준의 검출한계로 200종 이상의 농약을 15분 이내에 분석 가능

2. 혈장 중 치료약물농도 모니터링

목적: 항전간제, 항생제 등 20종 이상의 약물을 환자 혈장에서 동시 정량

방법:

·         시료 전처리: 단백질 침전 후 온라인 SPE

·         LC 조건: HILIC 컬럼, 암모늄 포메이트 완충액/아세토니트릴 그래디언트

·         MS 조건: ESI 양이온 모드, Scheduled MRM

결과: 5분 이내 분석, 치료 농도 범위 내 정확도 90-110%, 정밀도 <10% RSD 달성

3. 환경 수질 모니터링

목적: 지표수에서 신종 오염물질(의약품, 개인위생용품 등) 100종 이상 스크리닝

방법:

·         시료 전처리: 대용량 고체상 추출(SPE)

·         LC 조건: C18 컬럼, pH 3.0 포름산 완충액/메탄올 그래디언트

·         MS 조건: ESI 양/음이온 모드 전환, MRM과 full scan 병행

결과: ng/L 수준의 검출한계로 100종 이상의 오염물질을 20분 이내에 스크리닝 및 반정량 분석

 

 

LC-QqQ-MS의 향후 전망

 

LC-QqQ-MS 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 향후 다음과 같은 방향으로 진화할 것으로 예상됩니다:

1. 초고감도화

나노LC와 마이크로LC 기술의 발전, 이온화 효율 개선 등을 통해 현재보다 10-100배 향상된 감도를 달성할 것으로 예상됩니다. 이는 극미량 분석이 필요한 환경, 법의학, 임상 진단 분야에서 큰 혁신을 가져올 것입니다.

2. 고분해능 기술과의 융합

QqQ-MS의 정량 능력과 고분해능 MS의 정성 능력을 결합한 하이브리드 시스템이 개발될 것으로 예상됩니다. 이를 통해 단일 분석으로 정확한 정량과 미지 물질의 구조 규명이 동시에 가능해질 것입니다.

3. 인공지능과 빅데이터의 활용

머신러닝과 딥러닝 기술을 활용하여 데이터 처리, 화합물 동정, 방법 개발 등의 과정을 자동화하고 최적화할 수 있을 것입니다. 또한, 대규모 LC-MS 데이터베이스와 연계하여 보다 포괄적인 화합물 프로파일링이 가능해질 것입니다.

4. 온라인 및 실시간 모니터링 시스템

산업 공정, 환경 모니터링, 임상 진단 등의 분야에서 LC-QqQ-MS를 이용한 실시간, 연속 모니터링 시스템이 보편화될 것으로 예상됩니다. 이는 신속한 의사결정과 즉각적인 대응을 가능하게 할 것입니다.

5. 휴대성 및 현장 적용성 향상

소형화 기술의 발전으로 현장에서 사용 가능한 휴대형 LC-QqQ-MS 시스템이 개발될 것으로 예상됩니다. 이는 환경 모니터링, 식품 안전 검사, 법의학적 조사 등에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다.

 

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결론

 

LC-QqQ-MS는 그 우수한 선택성, 감도, 정량 능력으로 인해 현대 분석화학의 핵심 도구로 자리잡았습니다. 제약, 환경, 식품, 임상 진단 등 다양한 분야에서 복잡한 시료의 정확한 정량 분석을 가능하게 함으로써 과학 발전과 인류 복지 향상에 크게 기여하고 있습니다.

향후 기술의 발전에 따라 LC-QqQ-MS는 더욱 높은 감도와 선택성, 더 빠른 분석 속도, 더 넓은 적용 범위를 제공할 것으로 예상됩니다. 또한 인공지능과 빅데이터 기술의 접목을 통해 데이터 해석과 의사결정 지원 능력이 크게 향상될 것입니다.

그러나 이러한 기술적 진보와 함께, 분석자의 전문성과 경험, 그리고 과학적 통찰력의 중요성은 여전히 강조되어야 합니다. LC-QqQ-MS는 강력한 도구이지만, 이를 효과적으로 활용하기 위해서는 시료의 특성, 분석 목적, 데이터 해석 등에 대한 깊은 이해가 필요합니다.

결론적으로, LC-QqQ-MS는 앞으로도 계속해서 발전하며 과학 연구와 산업 응용 분야에서 중요한 역할을 수행할 것입니다. 이 기술의 잠재력을 최대한 활용하기 위해서는 지속적인 연구 개발과 함께, 다양한 분야의 전문가들 간의 협력이 필수적일 것입니다.