질량분석법의 역사

1898년 독일의 물리학자 빈은 전하를 띤 입자 빔은 자기장에 의해 편향된다는 사실을 발견했다.

1907~13년의 연구를 통해 톰슨은 정전기장과 자기장 내에서 이온이 포물선운동을 하며, 각 포물선은 특정 질량 대 전하비를 갖는 이온에 대응된다는 사실을 밝혔다. 이후 질량분석기가 출현했으며 대기 중에 있는 희유기체의 스펙트럼을 관찰할 수 있게 되었다. 1918~19년 애스턴과 뎀프스터에 의해 초점 질량분석계가 만들어졌다. 애스턴은 전기장과 자기장을 모두 사용했고, 뎀프스터는 자기장만을 사용했다.

1935~36년 이중초점 질량분석기가 만들어졌다. 이후에는 교류 전기장을 이용한 것, 펄스빔의 원리를 이용한 것 등이 개발되었으며, 1953년 파울리와 슈타인베델은 사중극자 질량분석계를 개발했다.

이온 생성과 검출

분자가 전자와 충돌하면 전자를 잃고 양이온이 되며, 여분의 에너지로 인해 이 양이온은 중성의 토막을 잃고 여러 가지 형태의 이온으로 바뀌며, 이들에 의해 질량 스펙트럼이 나타나게 된다.

처음 충돌하는 전자로부터의 에너지 전이가 충분히 클 경우 분자 이온이 간혹 ＋2 이상의 전하를 띠기도 하며, 전자의 운동 에너지가 작을 경우 음이온도 볼 수 있다. 처음 사용되는 전자 발생원으로는 가열된 텅스텐이나 레늄 필라멘트를 사용한다. 전자 대신 원자외선 영역의 광자나 고주파 펄스 퍼텐셜, 저전압 아크 광원 등이 이용되기도 한다.

널리 쓰이는 이온 검출기는 2종류, 즉 사진판과 이차전자증배관이다. 이차전자증배관으로는 하나의 이온까지도 측정할 수 있다. 이외에 전기검출기로 패러데이 케이지가 있다.

이온 분석

같은 지점에서 출발하여 자기장 내에 들어오는 모든 이온들은 전하와 운동량이 같으면 질량에 관계없이 같은 반경으로 움직이며, 그림4에서 볼 수 있듯이 180。 이후에 1차 초점이 생긴다.

한편 운동 에너지가 같기만 하면 분석광계에서의 곡률반경은 이온의 질량-전하비에만 의존하게 된다. 따라서 에너지가 같은 이온을 다양한 질량성분으로 분리시키는 데 자기장을 사용할 수 있다.

그림5에서처럼 전기장 내에서 이온이 운동하게 되는 호의 반지름은 운동 에너지에 비례하며, 이로부터 이온의 에너지 스펙트럼을 얻을 수 있다. 자기장과 전기장을 동시에 사용한 이중초점 질량분석계는 마타우흐 헤르초크에 의한 것, 니어에 의한 것 등 2가지 예를 들 수 있다.

응용

질량분석계로는 동위원소의 질량을 측정하고, 천연 시료나 임의의 시료 내에 있는 동위원소의 상대적인 양도 알 수 있다.

이를 이용하여 분자 중의 특정위치에 있는 특정원자를 동위원소 표지(isotope labelling)를 하여 생물의 대사 연구, 식물의 호흡, 광합성, 인산 전이반응 등의 분야를 발전시켰다. 원자량을 정확히 아는 원자의 2/3 이상은 질량분석계의 측정을 바탕으로 한다. 오늘날의 유기화학자들은 유기화합물의 구조식을 결정하기 위해 질량분석계를 주로 이용한다(유기화학). 이외에도 고주파 스파크 광원을 이용하여 휘발성이 적은 여러 물질들을 질량분석법으로 연구할 수 있으며 방사성붕괴를 바탕으로 하여 지질학적 연대도 알 수 있다.