실험 개요
질량분석법(MS)은 분자나 원자를 이온화한 후 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리·검출해 정성·정량 분석하는 기법이다. 학부 분석화학 실험에서는 보통 이미 측정된 EI-MS 스펙트럼을 해석해 분자량과 작용기를 추정하는 형태로 진행한다. GC-MS·LC-MS 같은 결합 시스템도 자주 등장. 예비보고서는 이온화 방식(EI/CI/ESI/MALDI), 질량분리부(quadrupole/TOF/orbitrap), 단편화 규칙을 정리해야 한다.
이론 배경
이온화 방식
EI(전자이온화, 70 eV): 강한 단편화 → 구조 정보 풍부, 분자이온 약함. CI(화학이온화): 부드러운 → M+1·M+H+ 강함. ESI(전기분무): 비휘발성·고분자, 다중전하 가능. MALDI(매트릭스보조 레이저): 단백질·고분자.
질량분리부
Quadrupole: 4개 막대에 RF/DC 적용, 단위 분해능, 빠름. TOF: 비행시간으로 분리, 고분해능, 단백질 적합. Orbitrap·FT-ICR: 초고분해능(R > 100,000), 정확질량으로 분자식 결정.
단편화 규칙 (EI 기준)
Stevenson rule: 양전하는 IP 낮은 쪽이 가짐. α-cleavage: 헤테로원자 인접 결합 절단. McLafferty: γ-수소 전이 후 β-절단 → 카르보닐 화합물의 28 또는 42 손실. RDA: 시클로헥센의 retro-Diels-Alder. M+1 피크 = ¹³C 동위원소(자연존재비 1.1%, 탄소수 추정 가능).
실험 장치 및 시약
- — 이미 측정된 EI-MS 스펙트럼 (NIST DB, SDBS, 실측 데이터)
- — 분자량·동위원소 분포 계산 도구 (ChemDraw, MestReNova, IsotopeViewer)
- — 선택: GC-MS 시스템 (Agilent 5977) — 직접 측정 시
실험 절차
- 1.시료 정보 정리 (분자식 미정 가정).
- 2.분자이온 M+ 확인 — 가장 큰 m/z (단편화로 매우 약할 수 있음).
- 3.M+1, M+2 강도비로 탄소수·할로겐 유무 추정 (Br: M+2 ~100%, Cl: 33%).
- 4.주요 단편 4~5개 선정 → 손실 차이로 작용기 동정 (15=CH3, 17=OH, 18=H2O, 28=CO/N2/C2H4, 29=CHO/C2H5, 43=COCH3, 77=C6H5).
- 5.IR·NMR 데이터와 결합해 구조 후보 narrowing.
데이터 처리
분자량으로 분자식 후보 + 단편 손실로 작용기 → 가능한 구조 1~3개로 좁힘. 정확질량(orbitrap)이 있으면 ppm 단위 일치로 분자식 단정 가능.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
이온화·질량분리·검출 3단계 정리, EI vs ESI vs MALDI 차이 명확히.
결과
주요 m/z 표 + 단편 손실 해석 + 추정 구조.
고찰
단일 MS만으로 한계 (광학이성질체·구조이성질체 구분 X), IR·NMR 결합 필요성.
자주 하는 실수
- — M+1을 분자이온으로 오인 — 실제 M+1은 ¹³C 동위원소
- — EI 70 eV 가정 안 함 — 데이터베이스(NIST)는 70 eV 기준
- — 할로겐 동위원소 패턴 무시 — Cl/Br 있으면 M+2 패턴 명확
- — ESI에서 [M+H]+가 [M]+이라 가정 — ESI는 [M+H]+가 정상
자주 묻는 질문
Q. 왜 EI를 70 eV로 측정하나요?
70 eV가 대부분 분자의 이온화에너지(IE 7~12 eV)를 충분히 넘어 안정적인 단편화 패턴을 줍니다. 모든 EI-MS 라이브러리(NIST 등)가 70 eV 기준이라 비교 가능. 더 낮으면 분자이온은 강해지지만 단편이 약해서 구조 정보가 적어짐.
Q. 정확질량과 공칭질량 차이는?
공칭질량(nominal): 가장 많은 동위원소 정수 합 (예: H2O = 18). 정확질량(exact): 실제 atomic mass로 소수점 4~5자리 (H2O = 18.0106). 정확질량은 동일 공칭질량의 다른 분자식을 구분 가능 (예: CO와 N2는 둘 다 28이지만 27.995 vs 28.006).