“과학 이론은 도구이지 신조(信條)가 아니다.”_조지프 존 톰슨(J.J Thomson)

[Mass Spectrometer장비의 태동과 변천사]

시료를 기체화 한 후 이온으로 만든 다음 가속시켜, 질량 대 전하 비에 따라 이온을 분리 후 질량 스펙트럼을 얻는 Mass spectrometer(질량 분석기)는 현재 화학 조성 조사(investigating chemical composition) 에 중요한 역할을 하고 있는 분석장비로 자리매김을 하고 있다.

질량분석기로는 원소조성에 대한 정보와 분자구조에 대한 정보, 복잡한 혼합물의 정성/정량분석, 고체 표면의 정보, 시료에 존재하는 동위원소 비에 대한 정보를 얻을 수 있다.

 
질랑분석기 구조 (자료출처: 다음 블로그 S.M Hwang)

질량분석기의 초기 개념은 1890년 후반에 태동하였으며, 20세기 숙성단계를 거쳐 21세기이후에도 계속 진화하고 있다. 또한 이 장비와 직접 관련해서 노벨상를 받는 사람이 5명이나 된다니, 참 노벨상과도 연관이 많은 장비이다
 
Mass spectrometry 와 노벨상 수상자들 (자료출처: www.slideshare.net)

질량분석기의 역사는 1886년 오이겐 골드슈타인에 의해서 시작된다. 그는 전하를 띈 기체분자가 저압 조건 양극에서 음극으로 이동하는 선을 발견하였다. 그리고 이를 양극선이라고 명명하였다.
 
오이겐 골드슈타인 (자료출처: 위키피아)

빌헬름 빈은 1899년 이 양극선이 강한 전기장 혹은 자기장에 의해서 휘게 되는 것을 발견하였다. 그리고 기기를 고안해서 전하 대 질량 비에 따른 분자의 분리를 시도하였다. 또한 그는 열복사 연구로 1911년 노벨 물리학상을 받았다.

 
빌헤름 빈 (자료출처: 위키피아)

조지프 존 톰슨은 빈이 고안했던 기기를 좀 더 기압이 낮은 상황으로 조성해서 그는 1897년 전자를 발견하였다. 그리고 나서 원자의 모형을 제안했으며, 그의 업적 덕분에 mass spectrometer가 발명될 수 있었다. 보통 질량분석기는 조지프 존 톰슨부터 태생하였다는 시각이 지배적이다. 

그때는 mass spectrometer가 아닌 parabola spectrograph로 불리었다.
아무래도 양극선이 포물선(parabola)형태로 휘는 모양 때문에 parabola spectrograph라고 불리지 않았나 추론해본다.

 
The cathode ray(blue line) was deflected by the electric field(yellow)

그는 전자와 동위원소를 발견하였고, 기체에 의한 전기전도에 관한 실험적 연구, 전자를 발견한 공로로 1906년 노벨 물리학상을 수상하였다.
 
조지프 존 톰슨과 실험모습 (자료출처: 위키피아)

 
J.J thompson's mass spectrometer (자료출처: 위키피아)

질량 분석계의 이해를 돕기 위해, ‘최무영 교수의 물리학 강의’ 중 ‘원자의 구성 입자’에 대해 살펴보자.

“원자란 말 자체가 더 는 쪼갤 수 없다는 뜻을 지녔지만, 20세기에 들어오면서 원자가 사실은 더 기본적인 것들로 구성되어 있다고 생각하게 되었습니다. 원자보다 더 기본적인 알갱이를 처음으로 발견한 사람이 톰슨입니다.
유리로 만든 밀폐된 용기 안 양쪽에 전극을 집어넣고 공기를 웬만큼 빼냅니다. 그리고 두 전극 사이에 전압을 걸어 줍니다.
전기 이음줄을 통해서 전극에 외부 전지를 연결한 거지요.
그런 후에 전압을 충분히 올려 주면 두 전극 중에서 전지의 음극단자에 연결된 음극에서 뭔가 나온다는 사실을 알게 되었습니다.
물론 눈에는 보이지 않지만 음극선이라 불렀습니다. 1897년의 일이지요.
뭔가 나오는 건 어떻게 알 수 있을까요? 용기 안에 공기 같은 기체가 조금 남아있으면 빛이 납니다.
용기에 채우는 기체에 따라 특정한 빛을 냅니다. 이를 이용한 것이 네온사인이지요.
~중략~
용기 안에 장애물을 넣으면 그 뒤에 그림지가 생긴다는 사실도 관측했습니다.
이는 눈에는 안 보이지만 음극에서 나온 뭔가가 직진하기 때문에 장애물 뒤에 도달하기 못한다고 생각할 수 있지요.
그뿐 아니라 바람개비를 갖다 놓으면 돌아가는 것도 봤습니다. 나온 무엇인지가 바람개비에 부딪쳐서 돌아간다고 생각할 수 있겠네요.
또한 내부 전극과 수직으로 외부에 전극을 배치하거나 자석을 놓으면 굽은 길로 움직인다는 사실도 알았습니다.
결국 음극에서 뭔가 나온다고 결론지을 수 있고, 이를 음극선이라고 이름 붙였습니다.
음극선은 여러 가지 성질로 미뤄봐서 어떤 작은 알갱이들이 흘러 나가는 것이라고 생각할 수 있습니다.
뭔가 와서 부딪히고 압력을 줘서 바람개비가 돌아가니까 운동량이 있고, 이는 질량을 갖는다는 뜻입니다.
질량을 지닌 알갱이들의 흐름이라는 거지요.
그리고 전기나 자기 마당에서 가는 길이 굽어지는 걸로 봐서 전기를 띤다는 사실도 알게 되었습니다. 그 전기가 음(-)전기라고 정한 거지요.
따라서 음극선은 질량과 음전기를 띤다는 뜻에서 전자라고 이름 붙였습니다.”

톰슨이 전자를 발견하기 전 까지 과정 중에 ‘음극선이 질량을 갖는다’는 대목이 흥미롭다. 혹시 많은 질량 분석계 관련자들은 이 점을 주목하지 않았을까? 란 생각을 해본다. 

그럼 연도별로 Mass spectrometer의 변천사를 살펴보자.
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1940년대

1940년대는 Mass spectrometer가 실험용 장치에서 실용적 측정장치로 전개가 되었다. 그 예로 Mass spectrometer를 이용하여 핵동위원소 농축기(nuclear isotope enrichment) 와 석유조성 (petroleum composition)분석에 사용되었다. Mass spectrometer도 불운하게 세계2차대전과 관계가 있다고 생각하니, 정말로 전쟁과 분석장비는 나누고 싶어도 나눌 수가 없는 불가분의 관계인가 보다. UV/VIS, FT-IR에 이어서 Mass 너마저도 세계2차대전를 통해 치열한 삶을 살아왔구나.

Mass spectrometer의 원리가 맨해튼 프로젝트(Manhattan Project)동안 우라늄의 동위원소를 분리하고 농축하는데 사용되었다고 한다.

 
Calutron mass spectrometers were used in the Manhattan project for uranium enrichment (자료출처: 위키피아)

참고로 맨해튼 프로젝트는 제2차 세계대전 중에 미국이 주도하고 영국과 캐나다가 공동으로 참여한 핵폭탄 개발 프로그램이다. 그리고 이 프로젝트로 개발된 핵폭탄은 세계2차대전 종결을 위해 히로시마와 나가사키에 죽음의 버섯구름을 만들었다. 

 
나가사키 원폭 투하 사진 (자료출처: 위키피아)

1941년, John Hipple에 의해 디자인된 최초의 Mass spectrometer를 Westinghouse Electric사에서 판매하였다. 그러나 이 모델은 과학분야에 호응을 얻기 부족하였고, 상업적으로도 성공하지 못하였다.

John hipple & his Mass spectrometer (자료출처: 위키피아)

 
John hipple의 실험모습 (자료출처: 위키피아)

1943년, Consolidated Engineering Corporation(CEC)이 CEC 21-101 모델의 Mass spectrometer를 Atlantic Refining Corp에 판매함으로써, 최초로 상업적으로 Mass spectrometer를 판매한 회사가 되었다.
 
CEC 21-101 mass spectrometer (자료출처: 위키피아)

1946년, 최초의 Time-of-flight(TOF) mass spectrometer가 W. Stephens에 의해 개발되었다.

William E. stephens 1952 TOF patent (자료출처: 위키피아)

1948년, Vickers사에서 최초의 전자 이온화 장비 (electron ionization)가 사용된 Mass spectrometer, MS-2를 출시하였다.

Vaccum pump for MS-2 mass spectrometer (자료출처: 위키피아)

MS-2 Mass spectrometer tube (자료출처: 위키피아)

1948년, Omegatron으로 알려진 최초의 ion cyclotron mass spectrometer가 미네소타 대학(University of Minnesota)에서 개발하였다. 이 기기는 두 개의 시료 주입구 (dual inlet)와 전환밸브를 조합하여 보다 빠른 시료 전환을 가능하게 하였다.

1950년대

1950년 초 mass spectrometer는 해상도의 제약 (resolution limits)때문에 제한적으로 사용되고 있었다. 하지만 이 시대에 장비의 개발과 발전은 현재 mass spectrometer가 benchtop model로 인기 있게 널리 사용될 수 있도록 선구자 역할을 하였다. 1953, Wolfgang Paul 과 Helmut Stein wedel에 의해 4극자(quadrupole) mass spectrometer가 개발 되었다.
현재 4극자 질량 분석계는 다른 종류의 질량분석계 보다 인기 있고, 잘 팔리는 제품으로 자리매김하고 있다. .

Wolfgang Paul은 이러한 실험 공로를 인정받아 1989년 노벨 물리학상을 받았다.

quadrupole mass spectrometer 원리 (자료출처: 위키피아)
 
wolfgang paul (1913~1993) (자료출처: 위키피아)

1956년, Roland Gohlke와 Fred McLafferty 가 Gas chromatography와 Mass spectrometer를 조합하여 GC-Mass spectrometer를 개발하였다. Bendix Aviation corporation이 GC와 TOF mass를 결합하여 개발한 Mode 12-101 장비는 전처리 분리 시간 소요 없이 바로 혼합물의 측정을 가능하게 하였다.

Roland Gohlke and Fred McLafferty with Bendix corp. Model 12-101 GC/TOF MS (자료출처: 위키피아)

1956년, Mass spectrometer가 최초로 분자들을 양성자, 중성자 전자로 쪼개어(breaking down) 유기화합물의 조성을 확인 하는데 사용되었다.

1960년대

1960년대에는 처음으로 4극자 질량분석기(Quadrupole mass spectrometer)가 잔류가스 분석을 위해 사용된다.

1962년, EAI(Electronics Associate, Inc)사에서 최초의 상용화된 4극자 질량분석기를 우주 환경 조건의 잔류가스분석을 위해 NASA(미항공우주국)와)에 판매하였다. 참고로 EAI사는 1950년~60년대 과학용 컴퓨터를 제조하는 업체였다. 컴퓨터 제조회사가 분석장비를 제조하는 것을 보아서는 컴퓨터기술과 분석장비기술이 많은 연관성이 있지 않나 추론해본다. 아니면 그때의 컴퓨터 연구자들의 과학 실력이 뛰어나서 분석장비의 원리도 쉽게 섭렵할 수 있지 않았을까?란 생각을 해본다. 하여간 분석장비와 컴퓨터의 궁합은 참으로 잘 맞는 것 같다. 데이터 획득과 연산처리, 사용자 인터페이스와 제어 등…

EAI 680 scientific computing system (1965) (자료출처: www.computerhistory.org)

1964년, EAI사의 W.M.Brubaker. P. Michael Uthe, Robert Finnigan에 의해 잔류가스분석을 위한 최초의 4극자 질량분석기(GC-MS)가 상용화되었다.
이 기기는 1965년~1966년에 500대 이상 판매되었다.

Robert Finnigan (자료출처: engineering.illinois.edu)

1965년, Karolinska Institue 의 R. Ryhage에 의해 최초의 Helium enrichment jet separator 와 결합된 Prepackaged Magnetic sector가 개발되고, LKB instrument에 의해 판매되었다.
 
LKB9000 GC/MS system (1966) (자료출처: onlinelibrary.wiley.com)

1967년, Robert Finnigan이 EAI사를 떠나, Roger Sant, T.Z Chou, Michael stoty, willam Fies와 함께 Finnigan Instrument Corporation을 창립하였다.
 
* 1990년 Finnigan Instrument Corporation는 Thermo Fisher Scientific에 합병되었다.

Finnigan instrument leaflet (자료출처: cdn-pubs.acs.org)

1967년, PerkinElmer 사가 최초의 Magnetic Double-Focusing GC-MS, Model270을 출시하였다. 
 
PE model 270 MS leaflet (자료출처: /pubs.acs.org)

1968년, 대기압상태의 Electrospray Ionization (ESI)기술이 Malcolm Dole에 의해 연구되었다.이 연구는 비록 20년 넘게 빛을 보지 못했지만, 추후에 LC-MS의 개발로 생화학 쪽 Mass spectrometer의 활용에 지대한 공헌을 하게된다.

ESI 원리 (자료출처: 위키피아)
 
Malcolm Dole (on right), 1903~1990 (자료출처: 위키피아)

1970년대

1970년대는 Fourier-transform, Secondary Ionization(이온화), Plasma desorption(탈착), laser desorption, thermal desorption, spark source(광원), glow discharge(방전) 등. 여러 종류의 변형된 질량분석계가 시도되었다.

1974년, Fourier-Transform ion cyclotron resonance(FT-ICR) 가 Melvin B. Comisarow와 Alan G. Marshall에 의해 소개 되었다. 이 장비는 Fouirer-Transform nuclear magnetic resonance(FT-NMR)에서 영감을 얻었다.

Tesla FT-ICR Mass spectrometer (자료출처: 위키피아)
 
Alan G. Marshall(1944~) (자료출처: 위키피아)

1976년, Hewlett-Packard(HP)사가 세계 최초로 Integrated, digital Benchtop GC-MS 시스템 5992를 출시한다. 또한 이 장비는 최초로 hyperbolic chromium-molybdenum (Cr-Mo)합금 4극자 필터를 사용했다.
 
HP 5922 GC-MS (자료출처: HP)

1980년대

1982년, Bruker사 에서 최초로 FT-ICR (Fourier-Transform ion cyclotron resonance) Mass spectrometer를 상용화한다. 그 동안 Bruker에서 축적한 핵자기 공명(NMR: nuclear magnetic resonance)과 초전도 기술 (Superconducting Magnet) 등이 사용되었다. 
 
Bruker FT-MS spectrometer, CMS47X leaflet (자료출처: Bruker)

1983년, Finnigan MAT에서 최초의 상용화된 Ion-trap 시스템이 소개되었다.
Ion trap 기법에 의해 주사된 무선파(radio frequency)는 질량 대 전하 비(mass to charge ratio)를 증가시켰다. 오늘날 Ion trap system는 보통 GC와 LC-MS의 검출기에 사용되고, 한 개의 mass spectrometer 장비로도 구성된다.

1983년, PerkinElmer SCIEX사가 최초로 백금원뿔(Platinum cones)과 비활성 시료 도입 시스템(inert sample introduction)으로 구성된 유도결합 질량분석기(ICP-MS) ELAN250 출시한다.
 
Perkin-Elmer SCIEX, ELAN250 (자료출처: http://www.speciation.net)

1985년, 레이저로 시료의 흡착과 이온화를 동시에 하는 기술 (MALDI, matrix assisted  laser desorption/ionization)이 시마즈사(Shimadzu corp)의 다나카 고이치(Koichi Tanaka)에 의해 개발된다. 그는 이 공로를 인정받아 2002년 노벨 화학상을 수상하게된다. 학계와 관련이 없는 민간 연구원(당시 직급은 주임)이 노벨 과학상을 수상한 사례로는 두 번째이며 학사출신으로는 유일했다. 비록 경쟁사 연구원이지만, 이 글을 준비하면서 만난 다나카 고이치 상의 과학에 대한 겸손한 품성, 실험에 대한 진정성과 솔직함이 내겐 좋은 귀감이 된다고 생각한다.  
 
Koichi Tanaka와 연구모습 (자료출처: 위키피아)

MALDI는 레이저로 시료의 흡착과 이온을 동시에 시키는 기술이다. 기화가 되기에 자연스럽게 기기 내로 들어가게 된다. 주로 고분자인 천연중합체, 단백질이나 펩티드 같은 물질을 분석하는데 이용한다. 분석을 위해서 레이저의 파장대를 흡수할 수 있는 배경용액에 시료를 묽혀지게 된다. 이러한 혼합물에 레이저를 쏴서 배경용액에 에너지를 가하게 한다. 이때 흡수한 에너지를 통해서 시료를 이온화 시키게 된다.

1987년, Finnigan사에서 MAT90 series Mass Spectrometer를 출시한다.
MAT90 Series는 모든 제어가 Computer로 제어되는 최초의 Mass spectrometer이다.
 
Finnigan MAT90 MS (자료출처: http://www.chemie.uni-wuerzburg.de)

1988년, Shimadzu사에서 최초의 상용화된 MALDI-TOF Mass spectrometer LAMS-50K 출시한다. MALDI는 1990년대 생화학 시료와 단백질 구조 해석을 위해 중요한 분석장비로 자리매김을 한다 .
 
Shimadzu LAMS-50K Mass spectrometer (자료출처: shimadzu)

1988년, John Bennett. Fenn 이 전기분무이온화법(ESI, electrospray Ionization)기술에 대한 논문2편을 발표한다. 이 기술의 개발로 Mass spectrometer가 단백질, DNA를 비롯한 생체고분자 및 합성고분자 분석에 획기적으로 널리 응용할 수 있는 계기가 마련된다.
이 방법이 개발되기 전까지는 질량분석시 열적으로, 화학적으로 분해되는 제한으로 인해 질량분석법은 고분자 연구에서의 활용이 매우 한정적이었다.

그러나 이 새로운 발견으로 고분자를 분해시키지 아니하고 원상태로 질량분석기에 도입 될 수 있는 형태인 기체상태의 이온으로 만들 수 있는 길을 열어 주었다. 그는 이 업적을 인정받아 2002년 노벨 화학상을 수상한다.
 
John Bennet Fenn (자료출처 위키피아)

 
The instrument Fenn and his colleagues used to develop ESI is on display at the Chemical Heritage Foundation Museum in Philadelphia, PA (자료출처 위키피아)

1988년, HP사가 세계 최초로 Hyperbolic glass quadrupole이 장착된 Mass spectrometer 5971 MSD를 출시한다.
 
HP 5971 MSD(Mass selective detector) (자료출처: HP)
 
1990년대

1990년, PerkinElmer사에서 최초의 터보 롤레쿨러 펌프(turbomolecular-Pump)가 장착된 ICP-MS, ELAN5000를 출시한다.

PE ELAN5000 (자료출처: perkin-Elmer)

1992년, Mass 분석기술로 낮은 수준(low level)의 펩타이드(peptide)분석이 가능해진다.
참고로 MALDI-TOF 등의 질량분석계에 의해 분리된 단백질의 정체 확인을 위해
가장 일반적으로 사용되는 방법은 펩타이드 질량 분석(peptide mass fingerprinting)방법이다.

1992년, shimadzu 사에서 제약과 대사물질 연구분야에서 펩타이드, 단백질, 당, 지방, 뉴클레오티드 등의 분석이 가능한 Kompact MALDI 시리즈을 출시한다.
 
Kompact MALDI Series (자료출처: Shimadzu)

1993년, 올리고핵산염(oligonucleotide) 염기서열분석이 제한적으로 가능해졌으며
이로 인해 인간 게놈 프로젝트(Human Genome Project)의 길이 열린다.

참고로 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.

또한 인간 게놈 프로젝트의 목적은 인간 유전자의 종류와 기능을 밝히고, 이를 통해 개인 간, 인종 간, 환자와 정상인 간의 유전적 차이를 비교하여 질병의 원인을 규명하는데 있다. 이렇게 알아낸 유전 정보는 질병 진단, 난치병 예방, 신약 개발, 개인별 맞춤형 치료 등에 이용될 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다.

1996년, Mass spectrometer가 HPLC(고성능 액체크로마토 그래피)장비와 융합되고 바이러스에 대한 질량분석 연구가 시작된다.
 
1997년, shimadzu 사에서 ESI와 Atmospheric Pressure chemical Ionization 인터페이스가 장착된 LCMS-QP8000 모델 출시한다.
 
shimdzu LCMS-QP8000 (자료출처: shimadzu)

2000년대

2002년 노벨화학상은 생화학 중 거대분자의 구조와 판별을 할 수 있는 기술에 기여한 3명의 과학자들에게 수여된다. 이 중 2명은 Mass spectrometer 개발에 기여한 과학자가 받게 된다. 한 명은 MALDI 질량분석기를 개발한 Shimadzu사의 Koichi Tannaka 다른 한 명은 ESI(electrospray Ionization)를 개발한 John B. Fenn이다. 

자료출처: www.nobelprize.org

2002년, Shimazu 사 에서 laser ionization quadrupole ion trap time of flight Mass spectrometer AX IMA-QIT를 출시한다.
 
AXIMA-QIT (자료출처: shimadzu)

2005년, Direct Analysis in Real time(DART) ion source 기술이 특허화 된다. DART 기술은 시료 전처리 없이 대기상태에서 바로 이온화(ambient ionization)를 할 수 있는 기술로서, 이 기술은 Laramee와 cody에 의해 개발되었으며, JEOL사와 IonSense사에 의해 상품화 된다. 
 
DART ion source (자료출처: 위키피아)

2006년, Water corporation에서 SYNAPT High-Definition Mass spectrometer(HDMS)를 소개한다. HDMS는 질량 측정과 더불어 이온의 크기, 형태, 전하량도 측정이 가능한 것이 특징이다.
 
Waters SYNAPT HDMS (자료출처: waters)

2006년, Agilent사에서 innovation GeneSpring MS software를 출시한다.
이 소프트웨어로 질량 분석된 데이터에서 관련된 바이오마커(Biomarker)를 발명 및 추출 할 수 있게 된다.
 
Genespring MS software (자료출처: Agilent)

2008년, Agilent사에서 최초로 펨토그램 질량 검출을 할 수 있는 mass spectrometer 기술을 소개한다. 2009년, Thermo Fisher Scientific 사에서 LTQ Velos 제품을 출시한다. 이 제품은 가장 빠르고 가장 감도가 높은 ion trap mass spectrometer을 추구하기 위해 스캔속도(scan speed)와 해상도(resolution)를 동시에 높인 제품이다. 
 
LTQ Velos (자료출처: thermos Fisher Scientific)

2010년, Bruker사에서 최초로 MADI-TOF 기반의 microbial identification workflow solution, IVD MALDI Biotyper을 위해 vitro diagnostic CE Mark를 획득한다. 이 시스템은 의학진단분야(Clinical diagnostic)에 질량분석계가 사용할 수 있게 선구적 역할을 한다.
 
MALDI Biotyper (자료출처: Bruker)

2010년, Waters Corp사에서 Xevo MS Platform(Xevo TQ-S, Xevo G2 QTof)를 출시한다.
이 제품은 감도의 단계적 변화를 기반으로 까다로운 정량분석에 강점이 있다.  
 
Xevo TQ-S (자료 출처: waters)

Future of UV-Vis Spectrophotometer

Mass spectrometer는 최근 생명공학의 발달로 인해 계속 진화하고 있다. Tandem expansions과 multiple connection 기술이 HPLC 장비에 접목된 mass spectrometer 제품 출시가 예상되며, 제품의 크기도 휴대용처럼 계속 작아질 것이다. 그리고 Mass spectrometer는 현대 화학분석에 없어서는 안 되는 장비뿐만 아니라, 궁극적인 크로마토그래피의 검출기로 계속 자리를 확고히 할 것으로 예상된다.