Mass Spectrometry(질량분석)은 mass spectrometer(질량분석기)를 이용하여 유기분자를 이온화시킨 후 질량대전하비[Ratio of mass to charge (m/z)]로 분리하여 분자의 질량을 측정하는 작업으로서, GC와 연결된 GC-MS/MS와, HPLC와 연결된 LC-MS/MS는 복잡한 물질이 존재하는 시료 중에서 분석 대상 유기분자의 정확한 정성분석과 고감도 정밀 정량분석이 가능하다. 이러한 장점 때문에 일반 GC나 HPLC보다 고가임에도 불구하고 유기물질 분석 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 본 강의는 질량의 기초 개념(Exact mass, Nominal mass, Monoisotopic mass 등)부터 GC-MS/MS와 LC-MS/MS의 특징과 장점, 질량분석기의 구성, 분자 이온화 방법의 종류 및 원리, 분자이온의 생성과 fragmentation 기본 개념, 이온화된 분자를 분리하는 mass analyzer와 이것들을 검출하는 ion detector의 종류 및 원리 등 GC-MS/MS와 LC-MS/MS에 대한 전반적인 리뷰를 하여 이 분야에 종사하는 연구자들에게 도움을 주고자 한다. 또한 GC-MS/MS와 LC-MS/MS의 실질적 활용 예로서 유기성 잔류물질의 대표 물질인 잔류농약의 분석에서 수백 개의 다성분 잔류농약을 동시에 신속정밀하게 분석한 연구를 살펴보면서 GC-MS/MS와 LC-MS/MS의 정량적 활용을 알아보고자 한다. GC나 HPLC를 통해 분리되어 mass spectrometer로 들어오는 물질의 질량분석을 위해서는 제일 먼저 분자를 이온화해야 하는데, GC-MS/MS에서 분자의 이온화(ionization)법으로 가장 전통적인 EI(Electron ionization)법이 있으며 분자이온을 크게 만들기 위한 CI[Chemical ionization; PICI(Positive ion chemical ionization), NICI(Negative ion chemical ionization)]법 및 근래에 개발된 APCI(Atmospheric pressure chemical ionization)법이 있다. LC-MS/MS는 대기압에서 분자를 이온화를 하는데(API; Atmospheric pressure ionization) 대표적인 이온화법으로 ESI(Electrospray ionization)법이 가장 많이 쓰이고 있고, APCI(Atmospheric pressure chemical ionization), MALDI(Matrix assisted laser desorption ionization) 등이 많이 활용되고 있다. 이온화된 분자들은 mass analyzer에서 질량대전 하비로 분리되는데 그 종류를 보면 전통적인 magnetic sector, double focusing magnetic sector를 포함하여, quadrupole, ion trap, TOF(Time-of-flight), orbitrap, FT-ICR 등 다양하며 분해능(resolution)에 따라 저분해능(Low resolution), 고분해능(HR; High resolution)을 구분한다. Mass analyzer에서 분리된 이온은 ion detector에서 검출되어 mass spectrum을 생산하는데, 단순 검출이 아니라 증폭 기능을 하고 있고, electron multiplier (EM)와 photomultiplier가 대표적이며 high-energy conversion dynode가 연결되어 증폭의 범위가 한층 증가된다. Mass spectrum은 m/z에 따라 이온의 강도를 기록한 것으로 화합물의 화학적 지문(chemical fingerprint) 역할을 하며 molecular ion peak, isotope peak, base peak, fragment ion peak으로 구성되고 화학적 구조에 대한 근거를 제공한다. Molecular ion(분자이온)은 분자량 정보를 제공하며, GC-MS/MS의 EI 경우 전자가 하나 빠진 M⁺로 나타나고 LC-MS/MS의 ESI 경우 양성자가 추가된 [M+H]⁺로 나타난다. 이러한 분자이온 M⁺는 분자 내에 질소원소가 없거나 짝수로 있으면 짝수분자이온, 질소원소가 홀수로 존재하면 홀수분자이온을 보인다(Nitrogen rule). Isotope ion은 분자를 구성하는 원소들의 무거운 동위원소(heavier isotope; ¹²C[M]/¹³C[M+1], ³⁵Cl[M]/³⁷Cl[M+2], ⁷⁹Br[M]/⁸¹Br[M+2]등)에 의해 생성되고, Cl이 한 개 있는 경우 M⁺:[M+2]⁺의 peak 강도가 3:1로 나타나고, Br이 한 개있는 경우 M⁺:[M+2]⁺의 peak 강도가 1:1로 나타난다. Cl, Br의 갯수에 따라 특이적인 양상을 보이며 Cl, Br을 포함한 분자의 확인에 유용한 지표가 된다. Base ion은 mass spectrum에서 가장 큰 이온이며 분자이온일 수도 있고 fragment ion일 수도 있는데, fragment ion은 분자이온이 분열되어 생성된 조각이온들이다. Fragment 이온의 구조는 분자구조 해석에 주요한 단서이나 단순분열부터 재배열 등 다양한 분열과정이 일어나기 때문에 기본적인 구조 외에는 대부분의 이온 구조를 직접 예측하기 어려워서 이온화 방법의 종류에 따라 fragment 이온의 구조를 예측해 주는 software를 사용해서 예측/확인할 수 있다. 이온을 분리하는 mass analyzer는 Full Scan, SIM(Selected ion monitoring), product ion scan, MRM(Multiple reaction monitoring)또는 SRM(Selected reaction monitoring), precursor ion scan, neutral loss scan 등 다양한 기능을 갖고 있다. 가장 많이 사용하고 일반적인 mass analyzer인 quadrupole의 경우를 보면 1개가 장착(Single quad)된 GC-MS 및 LC-MS, 3개가 장착(Triple quad)된 GC-MS/MS 및 LC-MS/MS로 구분한다. Full Scan은 일정한 범위의 질량(예; 60∼300 m/z)을 전체적으로 측정하는 기능이고, SIM은 일반적으로 1∼3개의 특정 이온만 골라서 측정하며, single quad GC-MS 및 LC-MS, triple quad GC-MS/MS 및 LC-MS/MS 모두 가능하다. Product ion scan, precursor ion scan, neutral loss scan은 triple quad GC-MS/MS 및 LC-MS/MS만 가능한 기능이며, product ion scan을 보면 1차 quadrupole(Q1)의 SIM 의해 선발된 이온(Precursor ion)을 2차 quadrupole(Q2)에서 product ion으로 분열시키고(CID) 3차 quadrupole(Q3)에서 product ion을 일정한 질량 범위로 Full Scan하는 기능이다. MRM은 Q2에서 생성된 product ion들 중에서 Q3에서 SIM으로 1∼3개 정도의 이온만 골라서 측정하는 방법이다. GC, HPLC로부터 분리되어 MS(/MS)를 거치면 ion chromatogram이 생성되는데, Full Scan의 경우는 각 peak가 일정한 범위 전체의 이온을 포함하고 있어서 total ion chromatogram (TIC)라고 하며 TIC에서 특정 화합물을 검출/확인하기 위해 해당 질량만 선발/검출한 chromatogram을 EIC(Extracted ion chromatogram)또는 XIC라고 한다. SIM, MRM의 경우도 각각 SIM chromatogram, MRM chromatogram이라고 한다. Full Scan과 product ion scan은 화합물 library (Database)와 연결되어 화합물을 찾고 확인하는 정성분석에 사용되며, SIM과 MRM은 정량분석에 사용하는데, MRM이 SIM 보다 특이성과 감도가 월등 뛰어나다. Precursor ion scan, neutral loss scan은 특정 부류의 화합물을 찾는데 사용한다. GC-MS/MS 및 LC-MS/MS를 활용한 정량 분석에서 월등한 특이성 및 감도를 제공하는 MRM과, 간편 정제법인 QuEChERS방법이 연결되어 다양한 시료에서 고감도 다성분동시신속분석 연구가 전세계적으로 진행되고있다. 본 연구실에서는 GC-MS/MS(EI, MRM)와 LC-MS/MS(ESI, MRM)를 이용하여 작물, 혈액, 소변 시료 등 다양한 시료에서 수백개의 잔류농약 다성분동시신속분석 연구를 수행하였으며, MS/MS 단점인 matrix effect를 극복하고 감도와 특이성을 더욱 향상시키고 분석 시간을 단축하고자 다양한 방법들을 시도하였다.