Transcript PowerPoint 프레젠테이션

서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
질량분석학 :
2002년도 노벨 화학상 수상 분야
2002년 11월
서울대학교 화학부 교수 김명수
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
2002년도 노벨 화학상
수상자
John Fenn,
버지니아 컴먼웰스 대학, 미국
Koichi Tanaka,
시마즈사, 일본
Kurt Wüthrich,
스위스 연방공대 , 스위스
주제
생물고분자의 분자량과 구조 결정법 개발
(질량 분석법, 핵자기공명 분광법)
. 원자량, 분자량, 분자식
A.
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
원자량
돌턴의 원자설 – 같은 원소의 원자의 질량은 모두 같다.
원자의 질량
예) 1H= 1.673  10-27 kg
H
?
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
원자량
12C
= 12 를 기준으로 한 원자의 상대적 질량
원자의 질량(g)  아보가드로수 (6.022137  1023) = 원자량 (g)
동위원소
원소
H
C
Cl
종류
1H
2H
12C
13C
35Cl
37Cl
원자량
존재비(%)
화학적 원자량
1.007825  0.99988 +
2.014108  0.00012
=1.00794
1.007825
2.014108
99.988
0.012
12
13.003354
98.91
1.09
12.011
34.968853
36.9659
75.8
24.2
35.45
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
B. 분자량과 분자식
분자량 = 분자에 들어 있는 모든 원자의 원자량의 합
예) 벤젠 (C6H6), 6  12.011 + 6  1.00794 = 78.114
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
분자식의 결정 (고전적 방법)
1. 실험식의 결정
예) 어떤 탄화수소를 연소하여 생성되는 이산화탄소 (CO2)와 물 (H2O)의 양을
측정해보니 각각 1.000 몰과 1.330 몰이었다.
C : H = 1.000 : 2  1.330
= 1.000 : 2.660
3:8
가장 간단한 정수비를 취하자(?)
실험식 = (C3H8)n,
실험식량 = 3  12.011 + 8  1.00794 = 44.097
2. 분자식의 결정
분자량을 알면 (기화시킬수 있는 시료의 경우 밀도 측정 등) n을 결정할 수
있음  분자식이 결정됨
예) 앞의 탄화 수소에 대해 실험적으로 결정된 분자량이 43.5  0.6 이라면
n = 1  분자식 = C3H8
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
화학적 원소 분석법의 문제점
1. 거대 분자의 경우 부적절
예) 인슐린, C254H379N65O75S6
간단한 정수비?
2. 다량의 시료 필요 (  0.01 g)
3. 분자량에 대한 정보 필요 ( 기체 밀도, 어는점 내림, 비열 측정 등)
Ⅱ. 질량 분석법 (Mass Spectrometry, MS)
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• 과학 기기(질량분석계)를 이용하여 분자량, 분자식, 분자구조를
결정하는 방법.
• 기체 분자를 전자로 때려 이온화 시킨 후 이온의 질량을 측정.
• 최초의 질량 분석계 – 전자의 질량 대 전하비 (e⁄m)를 측정하기
위해 1897년 J. J. Thomson 이 만든 장치.
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• 현대의 질량 분석계 – 정밀 기계 가공기술, 진공기술, 전자기술,
컴퓨터 등을 활용하는 최첨단 과학 기기
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
1. 전자 이온화
• 텅스텐 필라멘트를 가열할 때 나오는 전자를 전기적으로 가속시켜
운동에너지가 큰 전자빔을 만듦
• 전자빔으로 기체 분자를 때려 이온을 만듦
예) CO2
e-
CO2+, CO+, O+, C+
trap
M+
전자
filament
• 높은 전압 (V)를 걸어 이온을 가속하여 뽑아냄
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
운동 에너지
m 2/2 = eV ,
모든 이온이 동일
속력
 = (2eV/m)1/2 ,
질량이 큰 이온은 속력이 느림
운동량
m = (2meV)1/2 ,
질량이 큰 이온은 운동량이 큼
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
2. 질량 분석관
2-1 자기부채꼴(Magnetic Sector) 질량 분석관
단일 집중 자기 부채꼴
-10
압력 < 10
기압
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
전자석
질량이 큰 이온
이온원
질량이
작은 이온
• 자기 부채꼴 – 운동량 분석관
• 자기장의 세기를 바꾸어 이온의 질량을 측정
검출기
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
2-2 비행시간형 질량분석관 (Time of Flight , TOF)
D
A
B
• 이온의 비행 시간을 측정하여 질량 결정
C
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
3. 질량 스펙트럼
m/z
세기
12
8.7
12C+
16
9.6
16O+
22
1.9
12C16O 2+
2
28
9.8
12C16O+
29
0.1
13C16O+
44
100.
분자식
12C16O +
2
45
1.2
13C16O +
2
46
0.4
12C16O18O+
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
화성 대기의 질량 스펙트럼
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
전통적 질량 분석법의 문제점
• 기화시킬 수 없는 분자 (예) 핵산, 단백질 등)의 질량 스펙트럼은
얻을 수 없음
• 고체 시료의 질량 스펙트럼을 얻기 위한 다양한 방법들이 1980 ~ 2000년
에 개발됨
Prof. Fenn
–
전기 분무 이온화 (electrospray ionization, ESI)
Mr. Tanaka
–
레이저 이온화 (matrix-assisted laser desorption
ionization, MALDI)
Ⅲ. 전기 분무 이온화 (ESI) - Fenn
분무
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
전기 분무
단백질 수용액
모세관
3kV
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
용매 증발
+
+ +
+ : H+ 가 붙은 단백질 양이온
++++++
+
+
++++++++
양전하 사이의
척력에 의해
양이온 방출
Ⅳ. 레이저 이온화 (MALDI) - Tanaka
• 기체 분자를 레이저로 이온화시키는
방법은 1960년대초부터 개발되어 널
리 사용되고 있음
• 고체 시료 ?
레이저
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• Tanaka
실수로 코발트 가루를 시료에 떨어뜨림
레이저
레이저 – 펄스 레이저 (10-8초 동안 작동)
코발트 가루 – 순간적으로 레이저 흡수 → 온도 급상승
→ 주변에 있던 이온들이 방출됨
• Hillenkamp(독일)
코발트 가루 대신 물감을 섞음. 현재 MALDI의 표준 기술임
+
V. ESI, MALDI, 프로테오믹스(Proteomics)
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
프로테오믹스
• 세포나 기관에 있는 단백질 전체를 연구하는 분야.
• 유전자에 비해 훨씬 다양하고 미량으로 존재하는 단백질
구조 분석이 필요함.
• ESI와 MALDI는 분자량이 수십만에 이르는 단백질의 분자량과
아미노산 순서를 결정할 수 있으며 펨토몰(10-15몰 = 6x108개)
정도의 시료만 있으면 분석이 가능함.
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
예) 소의 심실 단백질 분석
트립신으로 분해한 단편 펩타이드들 중 하나의 펩타이드를 선택하여 이단계 질량분석법으로 얻은 스펙트럼.
VI. 전망
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• 분자량이 매우 큰 단백질의 경우 MALDI와 ESI 질량 스펙트럼
만으로 단백질 전체의 아미노산 순서를 결정하기 어려운 경우
가 많음. 현재는 효소나 화학 반응을 사용하여 단백질을 작게
자른 후 질량 스펙트럼을 얻어 구조를 결정하는 방법이 많이
사용되고 있음.
• 이단계 질량 분석법(Tandem mass spectrometry)
MALDI 나 ESI 로 만들어진 이온을 다시 쪼개어 구조를 결정하
는 방법.
이온과 기체의 충돌, 레이저에 의한 분해 등을 이용.
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• Q - TOF
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• TOF - TOF
PD Laser
TOF
TOF
Laser
MALDI 이온원
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
• OA – TOF 질량 분석계
Magnet
ESA
collector slit
PM
Ion source
orthogonal
accelerator
MCP
laser
PM
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
연사 약력
서울대학교 화학부 교수 김명수
서울대학교 화학부
질량분석학/반응동력학 연구실
전공
물리화학 및 질량분석학
학력
1967년도
1967년도
1971년도
1972~1976
경기고등학교 졸업
서울대학교 문리과대학 화학과 입학(서울대학교 수석 입학)
서울대학교 문리과대학 화학과 졸업(문리과대학 수석 졸업)
시카고대학교(미국), 석사 및 박사
경력
1976~1977
1977~1978
1978~1979
1979~현재
코넬대학교(미국), 연구원
케이스웨스턴대학교(미국), 연구원
유타대학교(미국), 조교수
서울대학교, 교수
기타
1995년도
1995~현재
1990~현재
한국과학상(화학분야) 수상
한국과학기술한림원 종신회원
Rapid Communications in Mass Spectrometry
(질량분석학 분야 국제 학술지), 편집위원