고분자 특성분석 지상강좌

고분자 과학과 기술 제30권 4호 2019년 8월 319

유영석2014 한남대학교 화학과 (학사)2016 한남대학교 화학과 (석사)2016-2017 한국지질자원연구원

석사후연수자2018-현재 한국기초과학지원연구원

연구원

조 건1996 한림대학교 화학과 (학사)1998 서강대학교 화학과 (석사)2012 서강대학교 화학과 (박사)2013-2015 University of Florida 전기과

(Post-Doc.)1998-현재 한국기초과학지원연구원

선임연구원

질량분석기를 이용한

고분자 분석연구

Study on Synthesis Polymer Using Mass Spectrometry

유영석ㆍ조 건 | Yeongsuk YooㆍKun Cho

Korean Basic Science Institute, 162, Yeongudanji-ro, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheongju-si, Chungbuk 28119, Korea

E-mail: chokun@kbsi.re.kr

1. 서론

합성고분자는 석유의 분류 생성물이나 석탄을 원료로 하여 인공적으로 합성된 물질로 합성 섬유, 합성수지,

합성 고무 등 많은 합성고분자들이 우리 실생활에서도 많이 응용되고 있다.1 합성고분자는 분자량이 작은 화합

물인 단위체를 수백 또는 수천 개를 결합시킨 것으로 작게는 500 Da부터 크게는 100 kDa 이상까지 분자량 값

을 가진다. 이런 분자량 값은 합성 메커니즘, 반응속도 또는 여러 반응 조건들에 따라서 다양하게 가지며 합성

방법에 따라 분자량 분포가 매우 좁기도 하고 또는 매우 넓게 분포할 수 있으며 분자량 분포가 넓어질수록 고분

자들의 형태도 다양하게 존재하게 된다. 이처럼 고분자를 합성하면 단일 분자량이 아닌 다양한 분자량 값을 가

지기 때문에 단일 분자량 값이 아닌 분자량 분포(molecular weight distribution, MWD)를 측정한다. 고분자

의 분자량 분포는 역학적 행동, 녹는점 그리고 점성과 같은 고분자 특성을 결정짓는 매우 중요한 인자 중 하나이

다.2 따라서 고분자의 분자량 분포를 조절할 수 있다는 것은 고분자의 응용분야를 넓힐 수 있다는 것을 의미하

며 특성을 이해하기 위해 고분자를 정밀하게 분석할 수 있는 기술이 필요하다.

다음과 같은 원재료 고분자 첨가제인 합성 고분자의 분자량 분포 분석을 위해 연구기관 및 기업들은 다양한

분석 기술을 적용하고 있으며 기초적인 방법으로 점성도 측정(viscometry)이나 삼투압 측정(osmometry) 방법

이 있다. 하지만 실제 합성 고분자 시료들은 분자량 분포가 넓고 다양하게 존재하는 경우가 많기 때문에 분석 시

크로마토그래피(chromatography)와 같은 분리 기술의 병행이 필요하며 대표적으로 쓰이는 방법을 그림 1에

표현하였다. 대부분의 합성 고분자들은 유기용매에 용해되기 때문에 일반적으로 크기-배제 크로마토그래피

(size-exclusion chromatography, SEC)를 사용하여 분자량 분포를 분석하고 있다.3 SEC 중에서도 겔 투과 크

로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC)를 사용하는데 통상적으로 SEC와 GPC를 동일하게 부

르고 있다. SEC는 다공성 입자로 채워진 컬럼으로 분자들의 크기에 기반하여 분리하는 분석기법이다. 컬럼들

마다 분리할 수 있는 분자량 범위가 정해져 있으며 표준물질을 이용한 검정곡선 작성을 통해 분석물의 상대분

자량을 측정할 수 있다. 대표적인 검출기로는 굴절률 검출기(refractive index detector, RI)를 사용하고 특정 시

료에 따라 자외선-가시광선 검출기(ultraviolet-visible detector, UV-Vis)도 같이 사용한다.4

고분자 특성분석 지상강좌 | 질량분석기를 이용한 고분자 분석연구

320 Polymer Science and Technology Vol. 30, No. 4, August 2019

그림 1. 고분자 분자량 분포 분석을 위한 분석 기술들.

그림 2. 질량분석기의 구성.

그림 3. 매트릭스-보조 레이저 탈착/이온화 법 원리: (a) 시료와 매트릭스혼합, (b) 레이저 조사를 통한 매트릭스 자극, (c) 매트릭스에 의한 시료분자의 이온화.

또한 유사 크로마토그래피 분석 기술인 장-흐름 분획법

(field-flow fractionation, FFF)은 크로마토그래피 칼럼과는

달리 속이 빈 채널을 사용하며 정지상이 없기 때문에 정지상

으로 인한 시료 흡착 및 고압의 한 시료 손실 문제를 줄일 수

있다.5 그리고 채널 수직방향으로 걸리는 외부장의 세기에

따른 시료들의 머무름 차이로 물질들을 분리할 수 있다. FFF

는 다양한 검출기와 연계하여 수용성 및 합성 고분자 분석으

로 연구기관에서 활용된다. 하지만 이는 표준물질을 통한 상

대분자량 값을 얻기 때문에 현재는 절대분자량 값을 얻을 수

있는 광산란법(light scattering, LS)이나 질량분석법을 많이

사용하고 있다. 그 중에서도 질량분석법은 위에서 언급된 방

법들에 비해 빠르고 정확하며 직접적인 질량 정보를 제공할

수 있으면서 다양한 범위의 분자량 범위를 분석할 수 있다.

본 글에서는 질량분석법에 대한 원리 및 종류에 대해서 설

명하고 고분자 분석에 대한 응용 예시에 대해 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 질량분석법(Mass Spectrometry)

질량분석법(mass spectrometry, MS)은 분석 시료를 전

하를 띨 수 있게 이온화시켜 질량 대 전하 비(m/z)를 측정하

여 분자량을 측정하고 탠덤 질량 분석 기법을 활용하여 분석

물의 정확한 분자량을 측정하고 분자 구조를 분석하는 기기

분석법이다.4 질량을 분석하는 것이기 때문에 이온화된 시료

가 질량분석기 안으로 도입된 후에는 장비가 진공 상태에서

운영된다는 것이 특징이다.

그림 2은 질량분석기의 대표 구성을 나타낸 모식도이다.

질량분석기 구성으로 시료 주입 시스템, 이온화 장치, 질량분

석관 그리고 이온을 검출하는 장치로 총 4가지로 크게 나눌

수 있다. 그 중 이온화 장치와 질량분석관(파란색 점선 박스)

이 질량분석기에서 가장 큰 핵심이다. 시료 종류 및 목적에

따라 여러 종류의 이온화 장치와 질량분석관을 적용할 수 있

다. 따라서 대표적인 이온화 장치와 질량분석관을 중점으로

설명하고자 한다.

2.1.1 이온화 장치

질량분석 장비의 중요한 요소 중 하나인 이온화 장치로 질

량분석 장비에서 가장 중요한 것은 분석물질이 이온화가 되

어야 하다는 것이다. 분석물질이 분자의 운동을 조절할 수 있

는 형태인 이온으로 변화시키는 것이 이온화 장치의 역할이

다. 여러 가지 이온화 방법들 중에서 보편적으로 사용하는 이

온화 방법은 매트릭스-보조 레이저 탈착/이온화 법(matrix-

assisted laser desorption/ionization, MALDI)과 전자분

무 이온화법(electrospray ionization, ESI)이다.

MALDI 방법은 유기 매트릭스를 사용하여 분석할 고분

자 시료를 과량의 매트릭스 물질과 함께 섞어 결정성 고체의

형태로 시료 준비 후 UV 레이저를 조사하면 분석물질이 깨

짐 없이 양성자가 부착된 형태의 이온으로 이온화되어 질량

분석관으로 들어가는 원리이다(그림 3).6 다음 방법은 분석

시료가 레이저를 직접 받지 않고 매트릭스를 통해 이온화가

되어 질량분석관으로 들어가기 때문에 시료가 충격을 받지

않은 상태에서 분석을 할 수 있다는 장점이 있다. 조사하는

레이저의 역할은 강한 레이저 펄스로 흡색단인 매트릭스 분

자에 에너지를 순간적으로 흡수시킴으로써 MALDI 이온화

과정을 유발하는 것이다. 이때 흡수가 일어나기 위해서는 매

트릭스의 UV 흡수 스펙트럼의 가장 자리에 해당하는 380

nm보다 짧은 파장의 UV 레이저를 사용하는 것이 일반적이

다. UV 레이저를 사용하는 이유는 380 nm보다 단파장 영역

에서 일반 유기 매트릭스 분자의 흡수가 시작되기 때문이며

너무 짧은 단파장 영역은 매트릭스의 분자 생성 및 노이즈

이온세기 증가와 같은 현상을 야기하기 때문에 이용 가능한

레이저의 종류도 제한적이다.

MALDI에서 중요한 것은 시료 전처리이며 전처리 과정

유영석ㆍ조 건

고분자 과학과 기술 제30권 4호 2019년 8월 321

그림 4. Polymer 성질에 따른 매트릭스 물질.

그림 5. 전기분무화 이온화 법 원리.

그림 6. 사중극자의 내부 및 분석 원리 모식도.

에서 적절한 매트릭스 선정도 중요한 요소이다.7 진공에서의

안정성이 보장되어야 하며 분석물질이 용해되는 용매에도

같이 녹아야 한다. 또한 분석물질에 대해 반응성이 있어서는

안된다.

그림 4는 고분자 시료의 성질에 따라 사용하는 대표적인

매트릭스 물질들을 나타낸 그림이다. 목록에서 위로 갈수록

친수성(hydrophilic)에 해당되고 아래로 내려갈수록 소수성

(hydrophobic)에 해당하며 그림에 있는 목록 외에도 여러

가지 매트릭스 물질들이 사용되고 있다.

그리고 합성고분자에 대한 원활한 이온화를 위해서는

MALDI 매트릭스만이 아니라 두 가지 요소도 같이 고려해

야 한다. 첫 번째는 양이온화 시약(cationization agent)과 시

약, 매트릭스 그리고 고분자 시료들이 적절히 녹을 수 있는 용

액시스템이다. 조성에 따라 측정되는 고분자의 수평균 분자량

(Mn), 무게평균 분자량(Mw) 그리고 분산도(polydispersity

index, PI)가 다르게 나올 수 있기 때문이다.8 따라서 분석시

료에 대한 충분한 이해도를 가지고 다음 3가지의 최적화된

혼합 비율을 찾는 것이 좋은 결과를 얻을 수 있는 방법이다.

또 하나의 대표적인 이온화 방법인 ESI 방법(그림 5)은 분

석물질이 들어있는 용액을 고압 전위가 걸린 모세관으로 흘

려 보내는데 용액이 모세관 끝을 통해 나올 때 고압의 전기

효과로 인해 전하를 띠는 이온 방울(droplet)을 만들어 낸

다.9 이는 용액상의 축적된 양이온들로 인해 표면상에 축적

되며 정전기력이 표면장력 이상으로 증가할 때 모세관 끝으

로 이동하여 분출되고 질량분석기 도입부 방향으로 이동한

다. 도입부 이동과정에서 이온 방울 내의 용매들이 증발하고

이차분열(secondary fission, coulomb explosion)을 통해 더

작은 방울로 변하면서 마지막에는 단분자 이온만 남게 된다.

다음과 같이 이온 방울 내 용매 증발을 유도하기 위해 분

무기체(nebulizer gas)를 함께 흘려주며 주로 질소 또는 아

르곤 가스와 같은 반응성이 적은 비활성 기체를 사용한다. 이

때 이온 스프레이의 분출 속도, 용매 조성, 모세관에 걸리는

전기장의 세기 등이 분무기체 및 분무속도를 결정하는 주요

요소들이다.10

MALDI와 ESI가 개발된 이후로 생체 고분자 및 합성고분

자의 분석 분야가 크게 발전하여 질량분석법의 이용이 보편

화되었다. 이전 이온화법들과 비교하였을 때 중성의 분자에 에

너지가 적게 가해지기 때문에 이들을 연이온화법(soft ionization

method)이라고도 부른다. 이전에는 고분자 질량분석 시 열

또는 화학적으로 분해하는 방법으로 분석하였기에 고분자

연구의 활용에 있어서 제한적인 부분이 있었으나, 연이온화

법은 고분자들이 분해되지 않고 기체상태의 이온으로 질량

분석기에 들어갈 수 있어서 그동안 응용이 어려웠던 고분자

연구 분야에 많은 방법들을 제시할 수 있었다.

2.1.2 질량분석관

이온화 장치를 통해 생성된 이온들은 질량분석관으로 들

어오게 된다. 이온들은 질량분석관에서 각각의 질량에 따라

분리되며 이온화장치의 종류가 다양한 것처럼 질량분석기기

의 종류 또한 여러 가지 형태로 존재한다. 질량분석관에서 중

요한 특징은 질량 분석 상한선(upper mass limit), 투과효율

(transmission), 그리고 분해능(resolution)이다.11 질량 분석

상한성은 측정할 수 있는 m/z ratio를 의미하며 투과효율은

이온화 장치로부터 검출기에 도달하는 이온의 비율, 그리고

분해능은 작은 분자량의 차이를 구분할 수 있는 능력을 의미

한다. 질량분석관의 종류에 따라 위 3가지 요소들의 능력치

의 차이가 있으며 본 글에서는 대표적인 질량분석관인 사중

극자(quadrupole)와 비행시간(time-of-flight, TOF) 질량분

석기에 대해 소개하고자 한다.

사중극자 관련 모식도를 그림 6에 나타내었다. 사중극자

분석기는 1950년대부터 지금까지 가장 흔하게 사용하고 있

고분자 특성분석 지상강좌 | 질량분석기를 이용한 고분자 분석연구

322 Polymer Science and Technology Vol. 30, No. 4, August 2019

그림 7. 튕김 방식 시간차 비행 질량분석관의 내부 및 분석 원리 모식도.그림 8. MALDI-TOF를 이용한 ester polyol(PA(acid)/DEG(Alcohol))의 mass spectrum.

는 질량분석관이다. 쌍곡선 모양을 한 네 개의 원통이 평행하

게 나열된 형태로 질량 구분하는 특징을 여과(filteration)라

고 할 수 있다. 이온화 장치로부터 생성된 다양한 조각 이온

은 각 사중극자에서 걸어준 직류, 교류가 일정 비율을 유지하

면서 나타나는 전자기장 변화로 분류되는데 이에 따라 여과

되어 나온 이온(resonant ion)들만 검출기에 도달하는 원리

로 질량분석이 가능하다.11

다른 질량분석관들에 비해 다소

분리능이 떨어지지만 다른 이온화 장치들과 호환이 좋고 사

용이 용이하며 설치비용이 상대적으로 저렴하여 많은 분야

에서 응용되고 있다. 특히 사중극자 분석기를 세 개를 연결하

여 사용한 삼중 사중극자 질량분석기(triple quadrupole,

QQQ)는 다중 반응 모니터링(multi reaction monitoring,

MRM) 방법을 통해 크로마토그램의 신호 대비 잡음 비

(signal to noise, S/N)를 증가시킬 수 있다.

보통 HPLC와 연계하여 성분 분리 및 MRM 모드를 동시

적용하여 특정 분석물질에 대한 극미량의 정량분석으로 활

용하고 있는 것이 대표적이다.

비행시간 차 질량분석관(time-of-flight, TOF)으로 대표

적인 구조의 모식도 및 분석 원리를 그림 7에 나타내었다. 비

행시간 차 분석기는 구조적으로 가장 간단한 분석기로 이온

이 전기장 속에서 가속하여 속도를 가지며 검출기까지 가게

된다. 이때 걸리는 시간은 질량대비 전하 비(m/z ratio)로 측

정되며 가벼운 이온은 먼저 도착하고 무거운 이온은 나중에

검출되는 원리에 의하여 분석된다.12

초기 TOF의 구조는 단

순한 직선 형태의 linear mode로 사용되었으나 최근에는 그

림 7와 같이 튕김 방식(reflection mode)의 질량분석관을 사

용하고 있다. 다음 분석관은 기존 linear mode에서 정전기

이온 거울(electronic ion mirror)을 설치하여 비행하는 이온

의 경로를 휘게 만들어 비행시간이 빠른 이온은 더 큰 운동

에너지로 인해 더 깊숙이 투과하게 되고 느린 속도로 비행하

는 이온들은 낮은 운동에너지로 인해 상대적으로 짧은 거리

를 비행 후 검출기에 도달하는 원리이다.13 다음과 같은 원리

를 이용하여 비행시간을 증가시켜 분해능을 증가시켜 연구

에 사용하고 있다.

이온화원인 MALDI와 질량분석관인 TOF의 조합인

MALDI-TOF는 빠른 분석 시간과 넓은 분자량 분포 분석이

가능하기 때문에 바이오, 천연물 그리고 합성 고분자 분야의

연구에서 많이 활용되고 있다.

2.2. 질량분석기를 이용한 고분자 연구

폴리우레탄 폼은 뛰어난 내연성 때문에 다른 물질들과 함

께 다양한 산업 분야에서 사용되는 물질이다. 폴리우레탄은

폴리올과 diisocyanate 또는 polymeric isocyanate와 같은

첨가제 그리고 촉매제와의 반응으로부터 얻을 수 있다. 폴리

올은 폴리우레탄 생산을 위한 중요 전구물질이다.4 이때 폴

리올의 작용기 개수에 따라서 폴리우레탄 합성 시 생성 여부

및 부산물 존재가 달라지게 된다. 따라서 폴리올 품질을 평가

할 시 폴리올의 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다.

그림 8은 MALDI-TOF를 이용하여 ester polyol 종류 중

하나인 PA/DEG에 대한 mass spectrum을 나타낸 것이다.

MS spectrum 내에서 m/z 365.1, 601.2, 837.3, 1073.3, 1309.4,

1545.5 값을 확인하였다. 다음 m/z 값들은 [M+Na+]로 측정

된 값인데 시료 준비과정에서 사용된 양이온화 시약인 소듐

트리플루오르아세테이트(sodium trifluoroacetate, NaTFA)

의 존재로 인해 이온화 과정에서 Na+ 이온이 붙은 것이다.

또한 m/z 값들의 간격 차가 평균 236.1이였는데 이는

phytalic anhydride와 diethylene glycol의 합쳐진 물질인

copolymer 단위체이며 이의 분자량 값이 236.08 g/mol이

기에 단위체 개수에 따라 polyol의 일정 단위로 분자량이 증

가한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 다음과 같은 단위체에

대한 해석은 단순히 분자량의 차이로만 접근한 것이기 때문

에 polyol의 정확한 구조 해석을 위해서는 MS/MS 분석이

필요하다.

그림 9는 PA/DEG에 대해 MS/MS 분석으로 얻은 스펙

트럼으로 구조 해석을 한 그림이다. 단위체가 3개 붙었을 때

나타나는 값인 m/z 837.3을 precursor ion으로 설정한 후

MS/MS 분석으로부터 나오는 product ion을 확인하였다.

m/z 837.3으로 나온 product ion peak는 m/z 601과 m/z

365.1이다. 이 값들을 분자 구조로부터 추적하였을 때 단위

체가 각각 1개와 2개씩 떨어졌을 때 나오는 m/z 값으로 확

유영석ㆍ조 건

고분자 과학과 기술 제30권 4호 2019년 8월 323

그림 9. MS/MS 분석을 이용한 ester polyol(PA(acid)/DEG(alcohol))의 구조 분석. 그림 10. MS/MS 분석을 이용한 두 종류의 ester polyol 비교 분석(PA/DEG

vs. TPA/DEG).

인하였다. 그리고 m/z 365.1에 대해 추가로 MS/MS 분석

(MS/MS/MS)을 진행하였을 때 나오는 product ion은

m/z 129가 확인되었다. m/z 129는 diethylene glycol의

[M+Na+] 값을 나타내어 다음 polyol(PA/DEG)의 구조를

확인할 수 있었다.

그림 10은 두 종류의 ester polyol인 PA/DEG와 TPA

(terephthalic acid)/DEG에 대해 MS 및 MS/MS 비교 분석

한 결과이다. 먼저 두 polyol에 대한 MS Spectrum을 비교하

였을 때 m/z 분포가 같은 값으로 나오는 것을 확인하여 MS

분석 만으로는 두 물질이 동일한 것으로 보인다. 하지만 그들

의 구조적인 차이를 비교하였을 때 벤젠 고리에 붙어있는 카

르복실기의 위치가 서로 다르기 때문에 구조 분석 과정이 거

치지 않으면 단순히 분자량 값 만으로는 구별할 수 없다. 따

라서 구조분석을 위하여 같은 precursor ion 값인 m/z

837.2를 선정하여 두 polyol에 대해 MS/MS 분석을 실시하

였다. 먼저 PA/DEG는 그림 7에서 나타낸 MS/MS 결과와

같은 값을 보여주었으나 TPA/DEG는 대표 product ion 값

이 m/z 749와 583.5 값이 측정되었다. 다음 값들의 유래를

추적하였을 때 diethylene glycol이 분해되어 나온 값과

terephthalic acid 값인 165.7가 확인되었다.

3. 결론

최근 연구되는 질량분석법에 대한 이론 및 종류에 대해 소

개하고 이를 합성 고분자 중 하나인 ester polyol을 대상으로

질량분석 결과를 소개하였다. 결과들을 통해 MS 스펙트

럼 결과로부터 분자량 값 및 분포를 확인할 수 있었으며

MS/MS 분석을 통해 구조 분석 및 다른 종류의 polyol들에

대해서 구조적인 차이를 비교하여 질량분석법이 합성고분자

의 특성 연구에 있어서 매우 중요한 기술임을 확인할 수 있

었다.

참고문헌

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