Tandem Mass Spectrometry의 종류와 원리, 적용 분야

혹시 여러분은 과학 수사 드라마에서 범죄 현장의 미세한 증거만으로 범인을 찾아내는 장면을 보신 적이 있으신가요? 또는 병원에서 아주 작은 양의 혈액으로 질병을 정확하게 진단하는 놀라운 기술에 대해 궁금해하신 적은 없으신가요? 이러한 일들은 상상 속의 이야기가 아니라, 탠덤 질량 분석법 (Tandem Mass Spectrometry, MS/MS) 이라는 첨단 분석 기술 덕분에 현실에서 가능한 일입니다.

Tandem MS

이번 포스팅에서는 마치 분자 수준의 정밀 현미경과 같은 역할을 하는 탠덤 질량 분석법의 세계를 탐험해 보겠습니다. 복잡하고 미묘한 분자 구조를 밝혀내는 MS/MS의 놀라운 능력과, 다양한 분야에서 어떻게 활용되고 있는지 쉽고 자세하게 알아보도록 하겠습니다. 특히, MS/MS의 핵심 원리를 바탕으로 GC-MS/MS, LC-MS/MS, MALDI-TOF 와 같은 다양한 응용 기술들을 심층적으로 분석하여, 여러분이 탠덤 질량 분석법에 대한 깊이 있는 이해를 얻을 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

질량 분석법 (Mass Spectrometry, MS) 이란 무엇일까요? - 분자 '무게' 를 측정하는 기술

본격적으로 탠덤 질량 분석법을 알아보기 전에, 먼저 질량 분석법 (Mass Spectrometry, MS) 이 무엇인지부터 명확하게 이해하고 넘어가는 것이 중요합니다. 질량 분석법은 간단히 말해 분자들의 '무게'를 측정하는 기술이라고 할 수 있습니다. 여기서 '무게'라고 표현했지만, 정확히는 질량 대 전하 비 (mass-to-charge ratio, m/z) 를 측정하는 것입니다. 하지만, 처음 접하는 분들에게는 '분자 무게를 측정하는 기술'이라고 이해하는 것이 더 직관적일 수 있습니다.

 "분자의 무게를 측정한다니, 마치 저울로 재는 것과 비슷한 걸까요?" 

라고 생각하실 수도 있습니다. 물론, 질량 분석법이 분자의 질량을 측정한다는 점에서 저울과 비슷한 역할을 하는 것은 맞습니다. 하지만, 질량 분석법은 우리가 일상생활에서 사용하는 저울과는 비교할 수 없을 정도로 훨씬 정밀하고 섬세한 기술입니다. 일반 저울로는 측정할 수 없는 아주 작은 분자들의 질량까지 정확하게 측정할 수 있으며, 심지어 분자의 구조에 대한 정보까지 얻을 수 있다는 놀라운 장점을 가지고 있습니다.

질량 분석법의 핵심 원리를 이해하기 위해, 아주 간단한 비유를 들어보겠습니다. 마치 볼링공과 테니스공을 같은 힘으로 던졌을 때, 날아가는 속도가 다른 것과 비슷합니다. 질량 분석법에서는 분자들을 이온 (ion) 상태로 만든 후, 전기장 (electric field) 이나 자기장 (magnetic field) 을 이용하여 이온들을 가속시키거나 궤도를 변화시킵니다. 이때, 질량이 작은 이온은 더 빠르게 움직이고, 질량이 큰 이온은 더 느리게 움직이는 원리를 이용하여, 이온들의 질량 대 전하 비 (m/z) 를 측정하는 것입니다 [1].

좀 더 구체적으로 질량 분석법의 작동 원리를 살펴보면, 크게 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 바로 이온화원 (ion source), 질량 분석기 (mass analyzer), 그리고 검출기 (detector) 입니다.

1. 이온화원 (Ion Source): 분자들을 기체 상태로 만들고, 이온 상태로 만들어주는 장치입니다. 분자들을 이온화시키는 방법은 여러 가지가 있지만, 대표적인 방법으로는 전자 이온화 (Electron Ionization, EI), 전기 분무 이온화 (Electrospray Ionization, ESI), 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI) 등이 있습니다. 각각의 이온화 방법은 분석하고자 하는 분자의 종류나 특성에 따라 선택됩니다.
2. 질량 분석기 (Mass Analyzer): 이온화원에서 생성된 이온들을 질량 대 전하 비 (m/z) 에 따라 분리하는 장치입니다. 질량 분석기의 종류 또한 매우 다양하며, 대표적인 예로는 사중극자 질량 분석기 (Quadrupole Mass Analyzer), 비행시간 질량 분석기 (Time-of-Flight Mass Analyzer, TOF), 이온 트랩 질량 분석기 (Ion Trap Mass Analyzer) 등이 있습니다. 각 질량 분석기는 질량 분해능, 질량 정확도, 스캔 속도 등에서 서로 다른 특징을 가지고 있으며, 분석 목적에 따라 적절한 질량 분석기를 선택해야 합니다.
3. 검출기 (Detector): 질량 분석기를 통과하여 분리된 이온들을 검출하고, 이온의 양을 측정하는 장치입니다. 검출기에서 측정된 이온의 양은 이온 전류 (ion current) 형태로 변환되어 전기 신호로 기록됩니다. 일반적으로 검출기는 이온이 검출기에 충돌했을 때 발생하는 전자를 증폭시켜 신호를 측정하는 방식을 사용합니다.

질량 분석기를 통해 얻어진 결과는 질량 스펙트럼 (mass spectrum) 이라는 형태로 나타납니다. 질량 스펙트럼은 x축에 질량 대 전하 비 (m/z), y축에 이온의 상대적인 양 (abundance) 을 나타내는 그래프입니다. 질량 스펙트럼을 분석하면, 분자량, 동위원소 분포, 분자 구조 등에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 질량 스펙트럼에서 가장 높은 강도를 나타내는 피크 (peak) 는 분자 이온 (molecular ion) 에 해당하며, 이를 통해 분자량을 추정할 수 있습니다. 또한, 동위원소 피크들의 상대적인 강도를 분석하면, 분자 내에 존재하는 특정 원소의 개수를 파악할 수도 있습니다.

"그렇다면, 질량 분석법으로 물 (H₂O) 분자를 분석하면 어떤 질량 스펙트럼을 얻을 수 있을까요?"

라는 질문을 던져볼 수 있습니다. 물을 전자 이온화 (EI) 방식으로 이온화시키면, 물 분자에서 전자 하나가 떨어져 나가면서 분자 이온 [H₂O]⁺ 가 생성됩니다. 이 분자 이온의 질량 대 전하 비 (m/z) 는 약 18 (수소 원자 2개, 산소 원자 1개) 이므로, 질량 스펙트럼에는 m/z 18 부근에서 가장 강한 피크가 나타날 것입니다. 물론, 물 분자가 조각나면서 생성되는 조각 이온 (fragment ion) 들도 질량 스펙트럼에 함께 나타날 수 있습니다.

이처럼 질량 분석법은 분자의 질량 정보를 정확하게 측정하여 분자를 식별하고 분석하는 데 매우 유용한 기술입니다. 하지만, 단순한 질량 정보만으로는 복잡한 분자들의 구조를 완벽하게 파악하기 어렵다는 한계가 있습니다. 이러한 한계를 극복하고 분자 분석 능력을 획기적으로 향상시킨 기술이 바로 탠덤 질량 분석법 (Tandem Mass Spectrometry, MS/MS) 입니다. 이제부터 탠덤 질량 분석법의 세계로 더 깊이 들어가 보도록 하겠습니다.

탠덤 질량 분석법 (MS/MS) - 분자 비밀을 여는 '두 번의 질량 분석'

"탠덤 (tandem)" 이라는 단어는 '직렬로 연결된', '2인용 자전거' 라는 의미를 가지고 있습니다. 탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 이라는 이름에서 짐작할 수 있듯이, 이 기술은 질량 분석을 '두 번' 직렬로 수행하는 방식을 의미합니다. 

"왜 질량 분석을 한 번 더 해야 하는 걸까요? 한 번으로 충분하지 않나요?" 

라는 의문이 들 수 있습니다.

앞서 설명했듯이, 일반적인 질량 분석법 (MS) 은 분자의 질량 정보를 얻을 수 있지만, 복잡한 혼합물 속에서 서로 질량이 비슷한 분자들이 섞여 있을 경우, 질량 스펙트럼만으로는 이들을 명확하게 구별하기 어렵습니다. 또한, 분자량이 큰 복잡한 분자의 경우, 질량 스펙트럼에서 얻을 수 있는 구조 정보가 제한적일 수 있습니다. 마치 숲 속에서 나무들의 높이와 굵기만으로는 어떤 종류의 나무인지 정확하게 식별하기 어려운 것과 같습니다.

탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 은 이러한 문제점을 해결하기 위해 개발된 기술입니다. MS/MS는 첫 번째 질량 분석 (MS¹) 을 통해 특정 분자 이온을 선택한 후, 이온을 의도적으로 조각내어 (fragmentation) 생성된 조각 이온들을 두 번째 질량 분석 (MS²) 으로 분석합니다. 마치 나무의 잎이나 껍질의 모양까지 자세히 관찰하여 나무의 종류를 정확하게 식별하는 것과 같습니다. 분자를 조각내어 얻은 조각 이온들의 패턴 (fragmentation pattern) 은 분자마다 고유한 특징을 나타내므로, MS/MS를 통해 분자의 구조를 훨씬 더 자세하고 정확하게 분석할 수 있게 됩니다.

탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 의 작동 과정을 단계별로 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. MS/MS는 크게 세 부분으로 구성됩니다. 첫 번째 질량 분석기 (MS¹), 충돌 셀 (collision cell), 그리고 두 번째 질량 분석기 (MS²) 입니다.

1. 첫 번째 질량 분석기 (MS¹): 혼합물 시료에서 분석하고자 하는 특정 분자의 전구체 이온 (precursor ion, parent ion) 을 선택합니다. 예를 들어, 복잡한 펩타이드 혼합물에서 특정 펩타이드 분자를 선택하는 단계라고 할 수 있습니다. MS¹으로는 사중극자 질량 분석기 (quadrupole mass analyzer) 가 주로 사용됩니다.
2. 충돌 셀 (Collision Cell): MS¹에서 선택된 전구체 이온들을 비활성 기체 (inert gas, 보통 아르곤 Ar, 질소 N₂) 와 충돌시켜 충돌 유도 해리 (Collision-Induced Dissociation, CID) 를 일으킵니다. CID는 전구체 이온이 비활성 기체 분자와 충돌하면서 운동 에너지가 내부 에너지로 전환되어 분자 내의 약한 결합이 끊어지는 현상입니다. 마치 망치로 깨지기 쉬운 목걸이를 두드려 조각내는 것과 비슷합니다. 충돌 셀 내부에는 비활성 기체가 채워져 있으며, 전구체 이온들은 충돌 셀을 통과하면서 비활성 기체 분자들과 여러 번 충돌하게 됩니다. 충돌 에너지 (collision energy) 를 조절하여 분자 조각화 정도를 제어할 수 있습니다.
3. 두 번째 질량 분석기 (MS²): 충돌 셀에서 생성된 생성물 이온 (product ion, daughter ion, fragment ion) 들을 질량 대 전하 비 (m/z) 에 따라 분석합니다. MS² 역시 다양한 질량 분석기를 사용할 수 있지만, 일반적으로 사중극자 질량 분석기 (quadrupole mass analyzer), 비행시간 질량 분석기 (time-of-flight mass analyzer, TOF), 이온 트랩 질량 분석기 (ion trap mass analyzer) 등이 사용됩니다. MS²를 통해 얻어진 질량 스펙트럼을 MS/MS 스펙트럼 또는 생성물 이온 스펙트럼 (product ion spectrum) 이라고 부릅니다.

MS/MS 스펙트럼은 x축에 생성물 이온의 질량 대 전하 비 (m/z), y축에 이온의 상대적인 양 (abundance) 을 나타내는 그래프입니다. MS/MS 스펙트럼을 분석하면, 전구체 이온의 구조 정보, 조각화 패턴, 미지 화합물 식별 등 다양한 정보를 얻을 수 있습니다. 특히, 펩타이드나 단백질과 같은 생체 분자의 MS/MS 스펙트럼 분석은 아미노산 서열 분석 (peptide sequencing) 에 매우 강력한 도구로 활용됩니다.

탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 에는 다양한 스캔 모드 (scan mode) 가 존재하며, 분석 목적에 따라 적절한 스캔 모드를 선택하여 실험을 수행합니다. 주요 MS/MS 스캔 모드는 다음과 같습니다.

• 생성물 이온 스캔 (Product Ion Scan): 특정 전구체 이온을 선택하고, 이 전구체 이온으로부터 생성되는 모든 생성물 이온들의 질량 스펙트럼을 얻는 방식입니다. 전구체 이온의 구조를 분석하거나, 특정 분자의 조각화 패턴을 확인하고자 할 때 유용합니다. 예를 들어, 특정 펩타이드 분자를 전구체 이온으로 선택한 후, 생성물 이온 스캔을 수행하면, 펩타이드의 아미노산 서열 정보를 얻을 수 있습니다.
• 전구체 이온 스캔 (Precursor Ion Scan): 특정 생성물 이온을 선택하고, 이 생성물 이온을 생성하는 모든 전구체 이온들을 찾는 방식입니다. 특정 구조 조각 (fragment) 을 공통적으로 가지는 화합물들을 스크리닝 (screening) 하고자 할 때 유용합니다. 예를 들어, 인산화 펩타이드 분석에서 인산기 (phosphate group) 를 잃고 생성되는 특정 생성물 이온을 선택하여 전구체 이온 스캔을 수행하면, 인산화된 펩타이드들을 선택적으로 검출할 수 있습니다.
• 중성 손실 스캔 (Neutral Loss Scan): 전구체 이온과 생성물 이온 사이의 질량 차이 (중성 손실, neutral loss) 가 특정 값으로 일정한 경우를 찾는 방식입니다. 특정 작용기 (functional group) 를 공통적으로 가지는 화합물들을 스크리닝 하고자 할 때 유용합니다. 예를 들어, 당쇄 (glycan) 분석에서 특정 당 잔기 (sugar residue) 의 중성 손실을 이용하여 당쇄를 포함하는 화합물들을 선택적으로 검출할 수 있습니다.
• 선택 반응 모니터링 (Selected Reaction Monitoring, SRM) / 다중 반응 모니터링 (Multiple Reaction Monitoring, MRM): 특정 전구체 이온에서 특정 생성물 이온으로 전환 (transition) 되는 특정 반응 쌍 (reaction pair) 을 선택적으로 검출하는 방식입니다. 매우 높은 감도와 선택성을 가지므로, 정량 분석 (quantitative analysis) 에 매우 효과적입니다. SRM/MRM은 특정 화합물의 미량 분석, 약물 대사체 분석, 임상 진단 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 마치 숲 속에서 특정 종류의 새 (특정 반응 쌍) 만을 집중적으로 관찰하는 것과 같습니다.

"탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 은 마치 분자 수준의 정밀 망원경과 같아서, 분자의 깊숙한 곳에 숨겨진 비밀까지 꿰뚫어 볼 수 있게 해주는군요!" 

맞습니다. MS/MS는 단순한 질량 정보만으로는 알 수 없었던 분자 구조에 대한 풍부한 정보를 제공하며, 복잡한 혼합물 속에서도 특정 분자를 정확하게 식별하고 정량 분석할 수 있도록 해주는 매우 강력한 분석 기술입니다. 이제부터 탠덤 질량 분석법을 기반으로 하는 다양한 응용 기술들을 하나씩 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

GC-MS/MS: 휘발성 화합물 분석의 최강자

"만약 분석하고자 하는 시료가 휘발성이 강한 화합물들의 혼합물이라면, 어떤 MS/MS 기술을 사용하는 것이 좋을까요?" 이러한 경우에 가장 적합한 기술이 바로 GC-MS/MS (Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometry) 입니다. GC-MS/MS는 기체 크로마토그래피 (Gas Chromatography, GC) 와 탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 을 결합한 분석 기술입니다.

기체 크로마토그래피 (GC) 는 휘발성이 있는 화합물들을 분리하는 데 특화된 기술입니다. GC에서는 시료를 기화시켜 이동상 (mobile phase, 보통 헬륨 He, 수소 H₂, 질소 N₂ 등의 불활성 기체) 에 실어 고정상 (stationary phase, 컬럼 내부에 코팅된 액체 또는 고체 물질) 이 채워진 컬럼 (column) 을 통과시킵니다. 각 화합물은 고정상과의 상호작용 정도가 다르기 때문에 컬럼을 통과하는 속도가 다르게 됩니다. 마치 운동장에서 달리기 경주를 할 때, 선수들의 달리기 속도가 다른 것과 같습니다. 이러한 원리를 이용하여 복잡한 혼합물 시료 속의 휘발성 화합물들을 효과적으로 분리할 수 있습니다.

GC에서 분리된 화합물들은 GC 컬럼의 출구에 연결된 질량 분석기 (MS/MS) 로 차례대로 도입됩니다. MS/MS는 앞서 설명한 탠덤 질량 분석법의 원리에 따라 작동하여, 각 화합물에 대한 질량 스펙트럼 정보를 얻습니다. GC-MS/MS 시스템은 GC의 뛰어난 분리능과 MS/MS의 강력한 분석 능력을 결합하여, 복잡한 혼합물 시료 속의 휘발성 화합물들을 분리, 식별, 정량 하는 데 매우 효과적인 분석 도구입니다.

GC-MS/MS는 환경 분석, 식품 안전, 법의학, 대사체학 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 환경 분야에서는 GC-MS/MS를 이용하여 토양, 물, 대기 중의 잔류 농약, 휘발성 유기 화합물 (Volatile Organic Compounds, VOCs), 다환 방향족 탄화수소 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) 등을 분석합니다 [2]. 식품 안전 분야에서는 식품 중의 잔류 농약, 식품 첨가물, 향기 성분, 오염 물질 등을 분석하여 식품의 안전성과 품질을 평가합니다 [3]. 법의학 분야에서는 범죄 현장의 증거물 (혈액, 소변, 모발 등) 에서 약물, 독극물, 폭발물 등을 분석하여 범죄 수사에 활용합니다 [4]. 대사체학 분야에서는 생체 시료 (혈액, 소변, 조직 등) 에서 휘발성 대사체 를 분석하여 질병 진단, 약물 반응 예측, 생체 지표 발굴 등에 활용합니다 [5].

"GC-MS/MS를 이용하여 식품 속 잔류 농약을 분석하는 과정을 좀 더 자세히 설명해 주실 수 있을까요?" 

라는 질문을 던져볼 수 있습니다. 식품 속 잔류 농약 분석 과정은 다음과 같습니다.

1. 시료 전처리 (Sample Preparation): 식품 시료에서 농약을 추출하고, 불필요한 방해 물질들을 제거하는 과정입니다. 고체상 추출 (Solid-Phase Extraction, SPE), 액체-액체 추출 (Liquid-Liquid Extraction, LLE) 등 다양한 전처리 방법이 사용됩니다. 전처리 과정은 분석 결과의 정확도와 감도를 높이는 데 매우 중요합니다.
2. GC 분리 (GC Separation): 전처리된 시료 추출물을 GC에 주입하여 휘발성 농약 성분들을 분리합니다. GC 컬럼, 컬럼 온도, 이동상 유속 등 GC 분석 조건을 최적화하여 농약 성분들의 분리능을 극대화합니다.
3. MS/MS 분석 (MS/MS Analysis): GC 컬럼에서 분리되어 나오는 농약 성분들을 MS/MS로 분석합니다. SRM/MRM 모드 를 이용하여 특정 농약 성분에 대한 전구체 이온-생성물 이온 쌍 을 모니터링하면, 매우 높은 감도와 선택성으로 농약을 검출하고 정량할 수 있습니다. 데이터베이스 (database) 와 비교하여 농약 성분을 식별하고, 검량선 (calibration curve) 을 이용하여 농약의 농도를 정량합니다.
4. 데이터 분석 및 결과 보고 (Data Analysis and Reporting): MS/MS 분석 데이터를 분석하고, 검출된 농약 성분의 종류와 농도를 확인합니다. 분석 결과를 보고서 형태로 작성하여 고객에게 제공합니다.

이처럼 GC-MS/MS는 휘발성 화합물 분석에 매우 강력하고 효과적인 기술이며, 다양한 분야에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 다음으로는 비휘발성 및 열에 불안정한 화합물 분석 에 특화된 LC-MS/MS (Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry) 에 대해 자세히 알아보겠습니다.

LC-MS/MS: 비휘발성 및 열에 불안정한 화합물 분석의 핵심 기술

"GC-MS/MS는 휘발성 화합물 분석에 유용하지만, 비휘발성이거나 열에 불안정한 화합물들은 어떻게 분석해야 할까요?" 

이러한 경우에는 LC-MS/MS (Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry) 가 매우 효과적인 해결책이 될 수 있습니다. LC-MS/MS는 액체 크로마토그래피 (Liquid Chromatography, LC) 와 탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 을 결합한 분석 기술입니다.

액체 크로마토그래피 (LC) 는 비휘발성이거나 열에 불안정한 화합물들을 분리하는 데 특화된 기술입니다. LC에서는 시료를 액체 상태로 이동상 (mobile phase, 보통 물, 메탄올, 아세토니트릴 등의 용매 혼합물) 에 녹여 고정상 (stationary phase, 컬럼 내부에 채워진 고체 물질) 이 채워진 컬럼 (column) 을 통과시킵니다. 각 화합물은 고정상과의 상호작용 정도가 다르기 때문에 컬럼을 통과하는 속도가 다르게 됩니다. 마치 물 속에서 구슬들이 서로 다른 속도로 굴러가는 것과 같습니다. 이러한 원리를 이용하여 비휘발성 및 열에 불안정한 화합물들을 효과적으로 분리할 수 있습니다.

LC에서 분리된 화합물들은 LC 컬럼의 출구에 연결된 질량 분석기 (MS/MS) 로 차례대로 도입됩니다. 전기 분무 이온화 (Electrospray Ionization, ESI) 는 LC-MS/MS에서 가장 널리 사용되는 이온화 방법입니다. ESI는 액체 상태의 시료를 미세한 에어로졸 (aerosol) 형태로 분사하고, 강한 전기장을 가하여 이온화시키는 방식입니다. ESI는 극성 (polar) 이 크고 분자량이 큰 화합물 (예: 펩타이드, 단백질, 핵산, 당류 등) 을 이온화하는 데 매우 효과적입니다. ESI를 통해 생성된 이온들은 MS/MS로 분석되어 질량 스펙트럼 정보를 제공합니다.

LC-MS/MS는 제약 분석, 단백질체학, 임상 진단, 식품 과학 등 다양한 분야에서 필수적인 분석 기술로 자리매김하고 있습니다. 제약 분석 분야에서는 LC-MS/MS를 이용하여 신약 개발 과정에서 약물의 생체 내 농도 측정, 약물 대사체 분석, 약물 동태 연구 (Pharmacokinetics, PK) 등에 활용합니다 [6]. 단백질체학 분야에서는 세포, 조직, 생체액 시료에서 단백질 및 펩타이드 분석, 단백질 동정 (protein identification), 단백질 정량 (protein quantification), 단백질 변형 분석 (post-translational modification analysis) 등에 활용합니다 [7]. 임상 진단 분야에서는 혈액, 소변 등 임상 시료에서 질병 바이오마커 (biomarker) 분석, 신생아 선별 검사, 약물 치료 모니터링 (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) 등에 활용합니다 [8]. 식품 과학 분야에서는 식품 중의 비타민, 아미노산, 폴리페놀, 식품 첨가물, 오염 물질 등을 분석하여 식품의 영양 성분 및 안전성을 평가합니다 [9].

"LC-MS/MS를 이용하여 혈액 속 약물 대사체를 분석하는 과정을 좀 더 자세히 설명해 주실 수 있을까요?" 

라는 질문을 던져볼 수 있습니다. 혈액 속 약물 대사체 분석 과정은 다음과 같습니다.

1. 시료 전처리 (Sample Preparation): 혈액 시료에서 단백질 침전, 액체-액체 추출 (LLE), 고체상 추출 (SPE) 등 다양한 전처리 방법을 이용하여 약물 및 대사체를 추출하고, 방해 물질을 제거합니다. 혈액 시료는 복잡한 매트릭스 (matrix) 이므로, 전처리 과정이 매우 중요합니다.
2. LC 분리 (LC Separation): 전처리된 시료 추출물을 LC에 주입하여 약물 및 대사체 성분들을 분리합니다. 역상 크로마토그래피 (Reversed-Phase Chromatography, RPC) 가 LC-MS/MS에서 가장 널리 사용되는 분리 모드입니다. 컬럼, 이동상 조성, 유속, 컬럼 온도 등 LC 분석 조건을 최적화하여 분석 대상 성분들의 분리능을 극대화합니다.
3. MS/MS 분석 (MS/MS Analysis): LC 컬럼에서 분리되어 나오는 약물 및 대사체 성분들을 ESI 이온화원을 이용하여 이온화시킨 후, MS/MS로 분석합니다. SRM/MRM 모드 를 이용하여 특정 약물 대사체에 대한 전구체 이온-생성물 이온 쌍 을 모니터링하면, 매우 높은 감도와 선택성으로 약물 대사체를 검출하고 정량할 수 있습니다. 표준 시료 (standard) 를 사용하여 검량선을 작성하고, 미지 시료 중 약물 대사체의 농도를 정량합니다.
4. 데이터 분석 및 결과 보고 (Data Analysis and Reporting): MS/MS 분석 데이터를 분석하고, 검출된 약물 대사체의 종류와 농도를 확인합니다. 약물 대사체 프로파일 (metabolite profile) 을 작성하고, 약물 대사 경로 (metabolic pathway) 를 추정합니다. 분석 결과를 보고서 형태로 작성하여 연구자 또는 의료진에게 제공합니다.

이처럼 LC-MS/MS는 비휘발성 및 열에 불안정한 화합물 분석에 매우 강력하고 필수적인 기술이며, 현대 과학 연구 및 산업 분야에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 마지막으로 MALDI-TOF MS/MS (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Tandem Mass Spectrometry) 에 대해 자세히 알아보겠습니다.

MALDI-TOF MS/MS: 거대 분자 분석의 새로운 지평을 열다

"단백질, 고분자, DNA와 같이 분자량이 매우 큰 거대 분자들을 분석해야 할 때는 어떤 MS/MS 기술을 사용하는 것이 효과적일까요?" 

이러한 경우에는 MALDI-TOF MS/MS (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Tandem Mass Spectrometry) 가 매우 유용한 솔루션이 될 수 있습니다. MALDI-TOF MS/MS는 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI) 와 비행시간 질량 분석기 (Time-of-Flight Mass Analyzer, TOF) 를 결합한 탠덤 질량 분석법입니다.

매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화 (MALDI) 는 분자량이 매우 큰 거대 분자들을 이온화하는 데 특화된 기술입니다. MALDI에서는 시료를 매트릭스 (matrix, 작은 유기 분자) 와 함께 혼합하여 결정 (crystal) 형태로 만듭니다. 레이저 (laser, 보통 질소 레이저 N₂ laser) 를 결정에 조사하면, 매트릭스가 레이저 에너지를 흡수하고, 시료 분자를 기체 상태로 탈착 (desorption) 시키면서 이온화시킵니다. 마치 스프링보드를 이용하여 무거운 물체를 공중으로 띄우는 것과 같습니다. 매트릭스는 스프링보드 역할을, 레이저는 스프링보드를 튕기는 힘 역할을 하는 것입니다. MALDI는 단백질, 펩타이드, 당쇄, 고분자, DNA, 지질 등 다양한 종류의 거대 분자들을 이온화하는 데 효과적이며, 분자 이온 (molecular ion) 을 주로 생성하고, 조각화 (fragmentation) 를 최소화하는 특징을 가지고 있습니다.

비행시간 질량 분석기 (Time-of-Flight Mass Analyzer, TOF) 는 이온의 비행 시간 (time-of-flight) 을 측정하여 질량 대 전하 비 (m/z) 를 결정하는 질량 분석기입니다. TOF는 이온들을 전기장으로 가속시킨 후, 일정한 거리를 비행하도록 합니다. 질량이 작은 이온은 빠르게 날아가고, 질량이 큰 이온은 느리게 날아가는 원리를 이용하여 질량 분리를 수행합니다. 마치 운동장에서 무게가 다른 공들을 같은 힘으로 던졌을 때, 가벼운 공은 멀리 날아가고 무거운 공은 가까이 떨어지는 것과 같습니다. TOF는 질량 범위가 넓고, 스캔 속도가 빠르며, 질량 정확도가 높다는 장점을 가지고 있어, MALDI와 결합하여 거대 분자 분석에 매우 유용하게 활용됩니다.

MALDI-TOF MS/MS는 단백질체학, 미생물 동정, 고분자 분석, 생체 재료 분석 등 다양한 분야에서 혁신적인 분석 도구로 활용되고 있습니다. 단백질체학 분야에서는 MALDI-TOF MS/MS를 이용하여 단백질 동정 (protein identification), 펩타이드 질량 지문 분석 (Peptide Mass Fingerprinting, PMF), 단백질 정량 (protein quantification), 당단백질 분석 (glycoprotein analysis) 등에 활용합니다 [10]. 미생물 동정 분야에서는 MALDI-TOF MS/MS를 이용하여 미생물 (세균, 곰팡이, 바이러스 등) 을 신속하고 정확하게 동정합니다. 미생물의 세포를 MALDI-TOF MS/MS로 분석하면, 미생물 종 (species) 마다 고유한 단백질 스펙트럼 (fingerprint) 이 얻어지며, 이를 데이터베이스와 비교하여 미생물을 동정하는 방식입니다. MALDI-TOF MS/MS 기반 미생물 동정법은 기존의 생화학적, 유전학적 동정 방법에 비해 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있으며, 임상 미생물 검사실에서 감염 질환 진단에 널리 활용되고 있습니다 [11]. 고분자 분석 분야에서는 MALDI-TOF MS/MS를 이용하여 고분자의 분자량 분포, 말단기 분석, 공중합체 조성 분석 등에 활용합니다 [12]. 생체 재료 분석 분야에서는 MALDI-TOF MS/MS를 이용하여 생체 재료 표면의 단백질, 펩타이드, 지질 분석, 생체 재료-세포 상호 작용 연구 등에 활용합니다 [13].

"MALDI-TOF MS/MS를 이용하여 임상 미생물 검사실에서 세균을 동정하는 과정을 좀 더 자세히 설명해 주실 수 있을까요?" 

라는 질문을 던져볼 수 있습니다. MALDI-TOF MS/MS 기반 세균 동정 과정은 다음과 같습니다.

1. 세균 배양 (Bacterial Culture): 환자 검체 (blood, urine, sputum 등) 에서 세균을 분리하여 배양 배지에서 순수 배양합니다. 세균 동정을 위해서는 순수 배양이 필수적입니다.
2. 시료 전처리 (Sample Preparation): 배양된 세균 콜로니 (colony) 를 백금이 (platinum loop) 로 채취하여 MALDI 타겟 플레이트 (target plate) 에 도말합니다. 세균 세포를 파괴하고 단백질을 추출하기 위해 매트릭스 용액 (matrix solution, 보통 시아노히드록시신남산 CHCA) 을 도말된 세균 콜로니 위에 떨어뜨려 건조시킵니다. 전처리 과정은 매우 간단하며, 숙련된 기술자 없이도 쉽게 수행할 수 있습니다.
3. MALDI-TOF MS/MS 분석 (MALDI-TOF MS/MS Analysis): MALDI-TOF MS/MS 장비에 타겟 플레이트를 장착하고, 레이저를 조사하여 세균 세포 유래 단백질을 이온화시키고, TOF 질량 분석기로 질량 스펙트럼을 얻습니다. MALDI-TOF MS/MS 분석 시간은 샘플 당 수 분 이내로 매우 빠릅니다.
4. 데이터 분석 및 세균 동정 (Data Analysis and Bacterial Identification): MALDI-TOF MS/MS로 얻어진 질량 스펙트럼을 미생물 동정 데이터베이스 (database) 와 비교하여 가장 유사한 스펙트럼을 보이는 미생물 종을 동정합니다. 데이터베이스는 다양한 미생물 종의 표준 스펙트럼 정보를 포함하고 있으며, 상용 데이터베이스 또는 자체 구축 데이터베이스 를 사용할 수 있습니다. 세균 동정 결과는 신뢰도 점수 (score) 와 함께 제공되며, 높은 신뢰도 점수를 보이는 경우 정확한 세균 동정이 가능합니다.

이처럼 MALDI-TOF MS/MS는 거대 분자 분석, 특히 미생물 동정 분야에서 매우 강력하고 혁신적인 기술이며, 의료, 환경, 식품 등 다양한 분야에 기여하고 있습니다.

탠덤 질량 분석법 - 미래 검사의 핵심 분석 기술

지금까지 탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 의 기본 원리부터 다양한 응용 기술 (GC-MS/MS, LC-MS/MS, MALDI-TOF MS/MS) 까지 자세히 살펴보았습니다. 탠덤 질량 분석법은 분자 수준에서 물질의 구성 성분과 구조를 정밀하게 분석할 수 있는 매우 강력한 분석 기술이며, 과학 연구 및 산업 분야에서 혁신적인 발전을 이끌어왔습니다.

의료 분야에서는 질병 진단, 신약 개발, 약물 치료 모니터링 등 다양한 영역에서 MS/MS가 활용되고 있으며, 개인 맞춤형 의료 (precision medicine) 시대의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 환경 분야에서는 환경 오염 물질 검출, 환경 모니터링, 환경 독성 평가 등에 MS/MS가 활용되어 안전하고 지속 가능한 환경을 구축하는 데 기여하고 있습니다. 식품 분야에서는 식품 안전성 검사, 식품 품질 관리, 식품 성분 분석 등에 MS/MS가 활용되어 안전하고 건강한 먹거리 를 제공하는 데 중요한 역할을 수행하고 있습니다. 화학, 생물학, 재료 과학 등 기초 과학 분야에서도 MS/MS는 새로운 물질 발견, 분자 메커니즘 규명, 신소재 개발 등 연구 활동에 필수적인 분석 도구로 활용되고 있습니다.

앞으로 탠덤 질량 분석법은 더욱 발전된 기술과 융합되어 분자 분석 능력을 더욱 확장하고, 분석 속도와 감도를 향상시킬 것으로 기대됩니다. 인공지능 (Artificial Intelligence, AI), 빅데이터 (Big Data), 자동화 (Automation) 기술과의 융합을 통해 MS/MS는 더욱 빠르고 정확하며 효율적인 분석 을 가능하게 할 것이며, 미래 사회의 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 주도 할 것입니다. 탠덤 질량 분석법은 마치 분자 세계를 탐험하는 첨단 우주선 과 같으며, 앞으로 우리가 상상하지 못했던 놀라운 발견과 발전을 가져다줄 것으로 확신합니다.

이제 여러분은 탠덤 질량 분석법 (MS/MS) 의 세계를 탐험할 준비가 되셨나요? 이 포스팅을 통해 탠덤 질량 분석법에 대한 깊이 있는 이해를 얻으셨기를 바라며, 앞으로 MS/MS가 만들어갈 미래를 함께 기대해 봅니다.

2025.04.08 - [임상화학] - Mass spectrometry의 원리와 임상 검사의 적용

Mass spectrometry의 원리와 임상 검사의 적용

 

참고 문헌

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2. Cunha, S. C.; Fernandes, J. O. Comprehensive Analytical Chemistry; Elsevier B.V., 2010; Vol. 55, pp 355–381.
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