가스 크로마토그래프 질량분석기

가스 크로마토그래피-질량 분석기(GC-MS)란 무엇인가요?

가스 크로마토그래피-질량 분석기(GC-MS)는 가스 크로마토그래피(GC)와 질량 분석기(MS)를 결합한 분석 기기입니다. GC는 분배 크로마토그래피 원리에 따라 기화된 혼합 성분을 분리하고, MS는 GC에서 용출된 유기 화합물을 이온화하여 이온의 질량에 따라 분리 및 검출합니다. GC-MS의 분석 대상 성분은 휘발성 화합물이며, 유기 화합물의 정성 분석 및 환경 유해 물질의 정량 분석 ​​등에 널리 사용됩니다.

GC-MS로 얻은 정보

크로마토그램은 GC를 사용하여 혼합 성분을 분리함으로써 얻어집니다. 총 이온 전류를 시간에 따라 나타낸 그래프인 크로마토그램을 총 이온 전류 크로마토그램(TICC)이라고 합니다. 분리된 성분들은 MS에서 이온화되고, 그 질량은 (m / zTICC를 측정하여 질량 스펙트럼을 얻습니다. TICC와 질량 스펙트럼 간의 관계는 아래 그림에 나와 있습니다.

질량 스펙트럼에서 얻은 정보

질량 스펙트럼은 다음 정보를 제공합니다.

GC-MS는 무엇을 할 수 있나요?

GC-MS를 이용한 분석은 크게 정성 분석과 정량 분석으로 분류할 수 있다.

GC-MS의 적용 범위

GC-MS는 휘발성 화합물의 정성 및 정량 분석 ​​모두에 광범위하게 사용됩니다.

• 천연물 화학 / 합성 유기 화학
  • 분자량 확인, 구조분석
• 화학 / 재료
  • 합성고분자
  • 소스
  • 첨가제
  • 석유
• 환경 분석
  • POPs(잔류성 유기 오염물질: 다이옥신, PCB, 살충제 등)
  • 물, 대기 및 실내 공기
• 생화학/의학/약학/법의학 등
  • 메타 볼로 믹스
  • 도핑 테스트
  • 마약, 각성제, 신종 마약
  • 폭발물과 화약
• 기타
  • 향기 성분
  • 가스 분석

GC-MS용 GC 정보

GC의 주입 및 주입 모드 정보

GC 주입구는 시료가 기화되어 분리 컬럼으로 유입되는 곳입니다. 주입 모드에는 분할 주입 모드와 비분할 주입 모드가 있으며, 분석에 적합한 모드를 선택해야 합니다.

• 분할 모드
  이 모드에서는 기화된 시료의 일부가 임의의 분할 비율로 분리 컬럼에 도입됩니다. 분할 비율(컬럼 유속 대 분할 벤트 유속의 비율)은 컬럼에 주입되는 시료량과 목표 화합물의 감도를 고려하여 결정됩니다.
• 비분할 모드
  이 모드에서는 주입된 전체 용량이 분리 컬럼으로 유입됩니다. 컬럼으로 유입되는 절대 용량이 크기 때문에 미량 성분 분석에 적합합니다.

열 유형 및 선택

모세관 컬럼은 내벽이 고정상이라고 하는 고분자로 코팅된 용융 실리카로 만들어진 튜브입니다.
고정상의 종류, 컬럼 길이, 내경 및 필름 두께는 분리에 영향을 미치므로 각 특성을 이해하고 적절한 컬럼을 선택하는 것이 중요합니다.

• 고정상의 유형
  모세관 컬럼은 내벽에 코팅된 고정상의 종류에 따라 극성, 최대 작동 온도 등 다양한 특성을 갖습니다. 일반적으로 분석 대상 성분의 극성과 유사한 극성을 가진 고정상을 선택하면 친화도가 높아 양호한 피크 모양을 얻을 수 있습니다. 극성이 낮은 컬럼에서 분석할 경우, 성분들은 끓는점 순서대로 용출됩니다.
  
• 기둥 길이
  일반적으로 20~60m 길이의 컬럼이 사용됩니다. 동일한 내경, 필름 두께 및 운반 기체의 선형 속도에서 컬럼 길이가 길수록 분리능은 향상되지만 분석 시간이 더 오래 걸립니다.
• 기둥 내경
  일반적으로 내경은 0.18~0.53mm가 사용됩니다. 내경이 좁은 컬럼을 사용하면 피크 폭이 좁아져 분리능이 향상되지만, 허용 가능한 시료량이 줄어들기 때문에 주입하는 시료량에 주의해야 합니다.
• 기둥 필름 두께
  막이 얇을수록 유지 시간이 짧아지고 컬럼 누출이 줄어듭니다. 유지 시간이 긴 두꺼운 막 컬럼은 끓는점이 낮은 화합물에 사용됩니다.
  

유지율 지수에 대하여

기체 크로마토그래피(GC)에서 특정 화합물의 유지 시간은 컬럼 내경 및 길이, 고정상 필름 두께, 온도 설정, 운반 기체 유속과 같은 GC 조건에 따라 달라집니다. 따라서 화합물 식별의 기준으로 유지 시간을 사용할 때는 엄격하게 동일한 GC 조건에서 얻은 데이터를 비교해야 합니다. 유지 지수(RI)는 직쇄형 포화 탄화수소(n-알칸)를 기준으로 표준화된 유지 시간 측정값이며 다음 공식을 사용하여 계산합니다.

• t_R (알려지지 않은) :
  미지의 화합물의 유지 시간
• t_R (n ) :
  미지의 화합물보다 먼저 용출되는 탄소수 n을 갖는 n-알칸의 유지 시간
• t_R (n +1) :
  미지의 화합물 이후에 용출되는 탄소수 (n+1)을 갖는 n-알칸의 유지 시간

각 화합물은 GC 조건에 관계없이 고유한 RI 값을 가지므로, RI 데이터베이스는 화합물 식별에 강력한 도구입니다. 오른쪽의 개략도에서는 컬럼 온도 상승 속도를 변화시키면서 각 조건에서 n-알칸 표준 물질을 측정하여 "성분 A"의 RI 값을 계산했습니다. RI 값은 거의 변하지 않습니다.
RI 값은 GC 작동 조건과 무관하지만, 이는 GC 컬럼에 사용되는 고정상의 종류에 따라 달라집니다. 따라서 화합물 식별을 위해 RI 데이터베이스를 사용할 때는 데이터베이스에 있는 RI 값을 생성하는 데 사용된 것과 동일한 유형의 고정상을 사용하여 시료를 분석하는 것이 필수적입니다.

컬럼 온도 상승 속도: 5 °C/min

컬럼 온도 상승 속도: 10 °C/min

GC-MS의 이온화 방법

GC/MS에 적합한 휘발성 시료의 이온화 방법에는 전자 이온화(EI) 외에도 화학 이온화(CI), 광이온화(PI), 전계 이온화(FI) 등이 있습니다. EI로는 분자량을 확인하기 어려운 화합물을 분석할 수 있는데, CI, PI, FI는 이러한 화합물 분석에 효과적입니다.

전자 이온화(EI)

이온화 방식 중 가장 널리 사용되는 방법은 EI(전자 충격 이온화)입니다. 열 필라멘트에서 방출되는 고에너지 전자가 기체 상태의 분자와 충돌하여 이온을 생성합니다. 기체 상태의 분자를 이온화해야 한다는 점 때문에 EI는 가스 크로마토그래피(GC) 시료 주입에 매우 적합합니다. 이온/전자 충돌 과정에서 많은 조각 이온("강성 이온화")이 생성될 수 있습니다. 각 이온의 상대적인 강도(스펙트럼 패턴)가 높은 재현성을 가지므로, 획득한 스펙트럼을 EI 질량 스펙트럼 라이브러리 데이터베이스와 비교하여 성분을 식별할 수 있습니다. 다양한 데이터베이스에서 300,000만 개 이상의 화합물에 대한 EI 스펙트럼 측정 데이터가 제공되어 다양한 GC-MS 응용 분야에 활용할 수 있습니다.

화학적 이온화(CI)

이는 GC-MS에 일반적으로 사용되는 소프트 이온화 방식입니다. 시약 가스가 기밀성이 매우 높은 이온화 챔버(약 10μm)에 주입됩니다.² Pa)이고, 반응 기체는 열 전자에 의해 이온화됩니다.
시약 기체 이온은 시료 분자와 이온-분자 반응을 일으켜 양성자화 분자, 부가물 및 조각 이온을 생성합니다. 전자 이온화(EI)와 비교했을 때, 이온화 ​​이온화(CI)는 더 적은 수의 조각 이온을 생성하며("연성 이온화"), 시료의 원소 구성에 대한 정보를 제공합니다. 메탄, 이소부탄, 암모니아가 일반적으로 시약 기체로 사용됩니다. 메탄과 이소부탄은 일반적으로 양성자화 분자[M + H]를 생성합니다.⁺암모니아는 암모늄 부가물[M + NH₃]을 생성하는 반면,₄]⁺.

광이온화(PI)

광이온화는 8~10eV의 광자 에너지를 가진 진공 자외선(VUV)을 이용하여 시료 분자를 조사하고 이온화하는 방법입니다. 이 광자 에너지는 일반적인 유기 화합물의 이온화 에너지(8~11eV)보다 약간 높기 때문에, 광이온화는 파편화가 최소화되는 연성 이온화 방법입니다. 방향족 화합물과 같이 자외선을 흡수하는 화합물은 다른 화합물에 비해 감도가 더 높은 경향이 있습니다. 광이온화는 시약 가스가 필요 없는 GC-MS용 연성 이온화 방법으로, 사용이 간편하고 미지 화합물의 원소 조성을 효과적으로 분석할 수 있습니다.

전계 이온화(FI)

전계 이온화(FI)에서는 수지상 탄소 미세침으로 코팅된 와이어 이미터와 대향 전극(음극) 사이에 높은 전위(8~10kV)를 인가합니다. 시료 분자가 각 미세침 끝의 날카로운 부분에서 높은 전기장에 노출되면 전자 터널링 현상을 통해 분자 이온이 생성됩니다. 이온화 과정에서 시료 분자에 전달되는 내부 에너지는 1eV 이하로, 전자 이온화(EI), 이온화 ​​이온화(CI), 이온화 ​​이온화(PI) 방식보다 훨씬 작아 분자 파편화가 최소화됩니다. FI는 주로 분자 이온을 생성하지만, 극성이 높은 화합물의 경우 양성자화된 분자도 생성될 수 있습니다. 실제로 FI는 GC-MS에서 기체 상태의 시료 분자가 GC 컬럼에서 용출될 때 이온화하는 데 사용됩니다.
JEOL AccuTOF™ GC 시리즈 GC-TOFMS 시스템에서 전계 이온화 기능을 사용할 수 있습니다.

서로 다른 이온화 방법에 따른 질량 스펙트럼 비교

리모넨

CAS 번호 138-86-3

GC-MS용 MS 정보

GC-MS에 사용되는 질량 분석기에는 사중극자 질량 분석기(QMS), 삼중 사중극자 질량 분석기(TQMS) 및 비행시간 질량 분석기(TOFMS)가 있습니다.

[QMS] 이 기기는 조작이 간편하고 견고하며 다용도로 활용 가능하여 일상적인 분석에 적합합니다.
[TQMS] 이 장비는 탠덤 질량 분석법(MS/MS)을 이용한 2단계 질량 분리가 가능하며, 높은 선택성을 지니고 있어 복잡한 매트릭스와 간섭 물질이 있는 시료의 정량 분석에 적합합니다.
[TOFMS] JEOL 제품을 포함한 대부분의 TOFMS는 높은 질량 분해능과 질량 정확도를 갖추고 있으며, 정확한 질량 측정을 통해 원소 조성을 규명할 수 있습니다. 질량 분해능이 높은 TOFMS는 라이브러리 검색 없이 미지의 화합물을 식별할 수 있으며, 비표적 분석에 적합합니다.

QMS/TQMS와 TOFMS에서 얻은 데이터의 차이점

QMS와 TQMS는 명목 질량을 측정할 수 있는 반면, TOFMS는 1/1000 수준의 질량 정확도를 제공하는 질량 분해능을 가지고 있습니다.
정확한 질량 분석이 필요한 경우 고해상도 TOFMS가 최적의 선택입니다.

QMS/TQMS와 TOFMS 데이터 수집 방법의 차이점

QMS/TQMS는 투과형 사중극자 질량 분석기를 사용하여 이온을 분리하고, 목적에 따라 스캔 모드와 SIM 모드를 전환합니다. TOFMS는 항상 질량 스펙트럼을 획득합니다.

스캔 모드

투과형 사중극자 질량 분석기에서 사중극자에 인가되는 RF 전압(V)과 DC 전압(U)을 적절히 설정함으로써 특정 이온만 검출할 수 있다. m / z 전송이 가능합니다. 질량 스펙트럼은 RF 전압(V)과 DC 전압(U)의 비율을 일정하게 유지하면서 V와 U를 반복적으로 스캔하여 순차적으로 얻을 수 있습니다. 얻어진 데이터로부터 임의의 시점의 질량 스펙트럼과 임의의 EIC를 얻을 수 있습니다. m / z P. 2에 나타낸 바와 같이 얻을 수 있습니다. 질량 스펙트럼을 통해 화합물의 정성 분석(식별)을 수행할 수 있으며, EIC를 통해 정량 분석을 수행할 수 있습니다.

SIM(선택 이온 모니터링) 모드

측정은 RF 전압(V)과 DC 전압(U)을 단계적으로 반복적으로 변경하여 하나 이상의 사전 설정된 값이 감지되도록 수행된다. m / z 이온은 순차적으로 전송될 수 있습니다. 특정 이온이 전송되는 데 걸리는 시간 때문에 높은 감도를 얻을 수 있습니다. m / z 이온 전송 시간은 스캔 모드보다 훨씬 깁니다. 얻어진 데이터는 미리 지정된 크로마토그램으로만 구성됩니다. m / z 이온(SIM 크로마토그램) 데이터는 스캔 모드에서 감도가 불충분한 미량 물질의 정량 분석에 사용됩니다.

비행시간형 질량분석기: m / z ∝ [비행 시간]²

이온이 서로 다를 때 m / z 이온들이 동일한 전압에서 동시에 가속되면, 모든 이온은 동일한 운동 에너지를 얻고 자기장이 없는 영역에서 비행하게 됩니다. m / z 이온은 더 빠르고 더 크게 날아간다 m / z 이온은 속도가 느리기 때문에 검출기에 도달하는 이온을 순차적으로 검출하여 질량 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 이온의 단일 비행 주기는 수십 마이크로초에서 수백 마이크로초에 불과하므로 초당 10,000개 이상의 질량 스펙트럼을 측정할 수 있지만, 실제로는 적절한 수의 질량 스펙트럼을 합산하여 기록합니다. 초당 최대 50개의 질량 스펙트럼을 기록할 수 있습니다.

GC-MS 정성분석

GC/MS 정성 분석의 첫 번째 단계는 NIST 질량 스펙트럼 라이브러리를 검색하는 것입니다. EI 질량 스펙트럼에서 분자 이온의 존재 여부를 판단하기 어려울 경우, 연이온화 데이터에서 분자 이온을 검출함으로써 식별의 정확도를 높일 수 있습니다. 그러나 미지의 화합물의 경우, 확정적인 식별이 어려울 수 있습니다. 정확한 질량 분석을 통해 원소 구성(분자식)을 파악하고 추가적인 구조 분석을 진행할 수 있습니다.

통합 질적 분석의 장점

GC-MS를 이용한 정성 분석에서는 전자 이온화(EI) 방식으로 얻은 질량 스펙트럼을 이용하여 라이브러리 검색을 수행하는 것이 일반적입니다. 다음 그림과 표는 성분 A의 EI 및 연이온화(SI) 질량 스펙트럼과 EI ​​질량 스펙트럼을 이용한 라이브러리 검색 결과를 보여줍니다. 라이브러리 검색 결과, 모든 후보 물질이 800 이상의 높은 유사도 점수를 나타냈습니다. 대부분의 경우, EI 질량 스펙트럼만을 이용하여 정성 분석을 수행할 때 라이브러리 검색에서 가장 높은 유사도 점수를 가진 첫 번째 후보 물질이 성분 A로 결정됩니다. 그러나, m / z 분자 이온으로 추정되는 314가 SI 질량 스펙트럼에서 검출되었습니다. 따라서 성분 A는 두 번째 후보 물질인 "디에틸렌 글리콜 디벤조에이트"로 추정할 수 있습니다. JEOL에서는 EI 질량 스펙트럼을 이용한 라이브러리 검색과 SI 질량 스펙트럼에서 분자 이온 분석을 결합한 방법을 "통합 정성 분석"이라고 부릅니다. msFineAnalysis iQ는 이러한 통합 정성 분석을 자동으로 수행할 수 있는 소프트웨어입니다.

성분 A의 EI 질량 스펙트럼

성분 A의 SI 질량 스펙트럼

구성 요소 A의 라이브러리 검색 결과(상위 5개 후보)

통합적인 정성 분석은 소프트웨어를 사용하여 자동으로 간편하게 수행할 수 있습니다.

알려지지 않은 성분에 대한 정성 분석

정성적 분석 워크플로우

라이브러리에 등록되지 않은 미지 성분에 대한 정성 분석 워크플로는 아래와 같습니다. GC-QMS로는 미지 성분을 정성적으로 분석하기 어렵습니다. 이러한 경우, 앞서 언급한 통합 정성 분석과 GC-TOFMS를 이용한 정밀 질량 분석을 병행하는 것이 효과적입니다.

참고: 통합 분석 소프트웨어인 msFineAnalysis AI(JEOL GC-TOFMS용) 및 msFineAnalysis iQ(JEOL GC-QMS/TQMS용)는 위의 정성 분석 워크플로우를 자동으로 수행합니다.

알려지지 않은 화합물의 구조식 예측

미지 화합물 분석의 주된 목표는 구조식을 얻는 것입니다. 전자빔 리소그래피(EI) 질량 스펙트럼에서 관찰되는 수많은 조각 이온들은 풍부한 구조 정보를 담고 있기 때문에, 이들의 조성식을 이용하여 정확한 구조 분석을 수행할 수 있습니다. 일반적으로 고질량 조각 이온은 작용기 및 부분 구조를 나타내고, 저질량 조각 이온은 화합물 분류에 적합합니다. 또한, 맥래퍼티 재배열과 같은 특정 화합물의 구조를 특징짓는 조각화 반응도 존재합니다.

앞서 언급했듯이 분자식과 조각 이온의 원소 조성은 미지 화합물 분석에 유용한 정보입니다. 그러나 수동 구조 분석은 질량 스펙트럼 해석에 대한 지식과 경험을 필요로 합니다. 이러한 경우 자동 구조 분석 소프트웨어를 이용한 분석이 효과적입니다.

GC-MS 정량분석

정량 분석은 시료에 포함된 특정 성분의 농도를 조사하는 분석 방법으로, QMS/TQMS 스캔 모드와 TOFMS로 측정한 데이터에서 특정 성분으로부터 유래한 이온들의 EIC(Excited Ion Coefficient)를 생성함으로써 가능해집니다. 스캔 모드에서 감도가 충분하지 않은 경우, QMS/TQMS의 SIM(Simulated Annealing) 모드로 측정합니다. SIM 모드에서도 감도와 선택성이 충분하지 않으면 TQMS의 SRM(Selective Recognition Mode, 후술) 모드로 측정해야 합니다.

스캔 모드 데이터 및 TOFMS 데이터의 정량 분석

EIC는 다음을 지정하여 생성됩니다. m / z 분석 대상 성분에 특이적이며 강한 강도를 지닌 이온들.
그런 다음, EIC 상의 피크 면적으로부터 정량값을 계산할 수 있습니다.

SIM(선택 이온 모니터링)을 이용한 정량 분석

스캔 모드에서 감도가 충분하지 않은 경우 SIM 모드에서 측정을 수행할 수 있습니다. 스캔 모드에서 표준 시료를 미리 측정하여 분석 대상 성분에 특이적이고 강도가 높은 이온을 식별합니다. 그런 다음, 이러한 이온만을 모니터링하는 SIM 측정 조건에서 검정 곡선용 시료와 실제 시료를 측정합니다.

SRM(선택 반응 모니터링)을 이용한 정량 분석

SRM은 TQMS에 특화된 측정 모드입니다. 선택성이 매우 뛰어나 GC로는 성분 분리가 완전히 불가능한 다성분 분석이나, 다양한 매트릭스로 인해 정량 결과의 신뢰성을 확보하기 어려운 시료 분석에 효과적입니다.
TQMS(삼중 사중극자 질량 분석기)는 1차 질량 분석기(1st MS)와 2차 질량 분석기(2nd MS) 두 개로 구성된 탠덤 질량 분석기입니다. 1차 질량 분석기에서 선택된 특정 전구 이온은 충돌 가스와 충돌하고, 생성된 특정 생성 이온은 2차 질량 분석기에서 선택되어 분석됩니다. 이처럼 특정 이온의 질량 분리가 두 번 이루어지기 때문에, 1차 질량 분석기에서 한 번만 질량 분리를 수행하는 SIM 모드보다 더 선택적이고 신뢰할 수 있는 정량 분석 ​​결과를 얻을 수 있습니다.

SRM은 다양한 매트릭스를 포함하는 시료에서도 매우 민감하고 신뢰할 수 있는 정량 분석을 가능하게 합니다. m / z 목표 성분과 간섭 성분이 모두 겹쳐 SIM 모드를 사용해서는 정확하게 정량화할 수 없습니다.

GC-MS와 호환되는 시료 전처리 장치

GC-MS는 다양한 시료 전처리 장치와 함께 기체, 액체, 고체 시료의 성분을 분석할 수 있습니다. 본 논문에서는 널리 사용되는 시료 전처리 장치인 헤드 스페이스 샘플러(HS), 열분해 장치(Py), 그리고 열중량 분석/미분 열분석(TG/DTA) 시스템을 소개합니다.

헤드스페이스 샘플러(HS)

시료(액체 또는 고체)를 밀봉된 바이알에 넣고 가열합니다. 시료의 휘발성 성분이 추출되어 기체상과 시료 사이에 분배됩니다. 그런 다음, 휘발성 성분을 포함하는 기체상의 일부를 GC-MS에 주입합니다.

열분해기(Py)

Py/GC/MS는 열분해로에서 시료를 가열할 때 발생하는 발생 가스 또는 열분해 생성물을 분석하는 방법입니다. 주로 고분자 물질 분석에 사용되며, 고분자 식별 및 수지 내 첨가제 정량 분석에 활용됩니다.

열중량 분석/시차 열 분석(TG/DTA)

TG/DTA 시스템은 시료 가열 과정 중 무게 변화와 화학 ​​반응에 의한 발열 및 열 흡수와 같은 열물리적 특성을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 질량 분석기(MS)와 연결하면 가열 과정에서 생성된 가스 성분을 분석할 수 있습니다.

• TG(열중량 측정)
  시료를 가열하여 무게 변화를 측정하는 방법.
• DTA(차등열분석)
  시료와 기준 물질 간의 온도 차이를 감지하고 시료에서 발생하는 발열/흡열 반응을 관찰하는 데 사용되는 방법.

JMS-T1600GC UltraQuad™ SQ-Zeta 및 MS-62071 STRAP 헤드 페이스 자동 샘플러

JMS-T1600GC UltraQuad™ SQ-Zeta 및 EGA/PY-3030D 멀티샷 열분해 장치(프론티어 랩)

JMS-T2000GC AccuTOF™ GC-Alpha 2.0 및 STA 2500 TG/DTA(Netzsch)