질량분석법

분류된 이온을 검출하기 위해 전기적 수단을 사용하여 이와 같은 확인과정을 수행하는 기계장치를 질량분석계(質量分析計)라 하며, 전기가 아닌 다른 수단이나 사진을 이용하는 장치를 질량분석사진기 또는 질량분석기라고 한다.

적절한 실험 조건을 선택하여 질량분석을 하면 이온의 정확한 질량을 측정할 수 있고, 다른 동위원소의 존재 여부를 알 수 있으며 혼합물 속에 들어 있는 이온의 상대적인 양을 측정할 수 있다.

어미분자가 쪼개지면서 여러 가지 질량을 가지는 이온들이 생기며, 이 이온들의 질량과 상대적인 양에 따라 토막 이온을 확인하여 원래의 분자구조를 결정한다. J. J. 톰슨과 다른 사람들의 전기장과 자기장 속에서 하전된 입자의 행동에 관한 실험으로부터 질량분석법이 개발되었다.

1913년 톰슨은 포물선 분광사진기라고 알려진 질량분석계를 발명했다. 1919년 F. W. 애스턴은 이 장치를 사용하여 공기 시료 속에 들어 있는 질량이 22인 이온이 네온의 무거운 형태(그때까지는 네온의 질량이 20이라고 생각했음)라는 사실을 알아냄으로써 동위원소의 존재를 밝혀냈다.

질량분석계는 고진공 상태에서 작동하는데 다음과 같은 4가지의 기본적인 부분으로 구성되어 있다.

① 미지의 시료를 장치에 주입하는 조작부, ② 시료가 쪼개져 생성되는 입자들로 이온빔이 만들어지는 이온화상자, ③ 이온빔 속의 입자가 질량에 따라 분리되는 분석기, ④ 분리된 이온들이 모아져 그 성질을 밝히는 검출기 등이다. 생성된 이온들은 전기장에 의해 가속되어 자기장 속으로 들어간다. 하전된 입자는 매우 빠른 속도로 자기장 속을 곡선을 이루며 통과하는데, 이때 이 곡선의 반지름은 입자의 속도와 질량 대 전하의 비(m/z)에 의해 좌우된다.

전압을 변화시켜 입자의 속도를 바꾸거나 자기장의 세기를 바꾸면 다른 m/z값을 가지는 이온들이 모아져서 측정된다. 이때 다양한 질량을 가지는 이온들이 도시되는 질량 스펙트럼이 얻어진다. 질량 스펙트럼은 극소량(2×10^－13g 정도)으로도 얻어지지만 사용한 시료는 다시 사용할 수 없다. 금속과 그밖의 무기 물질은 높은 전압의 무선주파수 스파크에 의해 이온화되며, 분자를 대단히 작은 다원자 화학종을 가지는 기체 상태의 이온들로 해리시킨다.

1번 측정으로 1ppb 정도까지 정량분석이 가능하다. 미지의 성분들이 섞여 있는 혼합물을 분석하는 경우에는 먼저 기체 크로마토그래피로 분리한 다음, 이 분리된 성분들을 질량분석법으로 분석한다.

질량분석법을 이용하여 동위원소의 질량과 이들의 상대적인 양을 측정할 수 있으며, 여러 가지 천연 시료 또는 농축된 시료의 상대적인 양을 결정할 수 있다. 분자 내에 원소 특유의 동위원소, 특히 ²H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁷O, ¹⁸O 같은 중동위원소(重同位元素)들을 상당 부분 포함하고 있는 화합물들은 매우 유용하다.

이들 동위원소들은 다양한 생물학적 경로를 알고자 할 때 표지 물질로 사용되어 물질대사, 광합성, 식물의 호흡 과정, 효소 반응, 인산전달 반응 그리고 생리적 산화과정에 산소를 직접 넣어줄 때와 같은 복잡한 반응을 화학적으로 정확히 연구할 수 있다. 이런 과정의 생성물을 질량분석법으로 분석하여 얻은 분자 토막에 들어있는 중동위원소의 분포로부터 이와 관련된 대사경로를 알아낼 수 있다.

또한 기체를 분석할 때도 질량분석법을 사용할 수 있는데, 특히 이 방법은 탄화수소 기체들을 분석하는 데 널리 이용된다. 자동 기록기를 부착하여 기체를 계속 분석함으로써 화학공장에서 공정을 제어하는 데 사용할 수 있다. 질량분석법은 고진공을 필요로 하는 장치에서 진공상태를 검사하는 데 사용할 수 있다. 검사하고자 하는 진공장치에 특별한 추적 기체(보통은 헬륨)를 검출할 수 있도록 조정해놓은 질량분석계를 연결하고, 이 추적 기체를 진공장치에 넣은 후 질량분석기가 기록한 내용을 보면 어디에서 누출되었는지를 알 수 있다.

또한 질량분석 기술을 이용해 광물의 지질학적 연대를 측정할 수 있다. 우라늄과 토륨은 방사성 붕괴에 의해 각각 납의 다른 동위원소로 변환되므로 납의 비율을 분석하면 광물의 생성연대를 정확히 알 수 있다.