Mass Spectrometer Tuning과 Ion Source Parameter 최적화로 감도 향상시키기

– LC-MS/MS 정량 분석에서 “보이지 않는 신호”를 끌어올리는 과학

1. 서론 – 감도(sensitivity)는 운이 아니라 설계의 결과다

LC-MS/MS 분석에서 감도는 단순히 장비의 스펙으로만 결정되지 않는다.
같은 기기, 같은 컬럼, 같은 mobile phase를 사용해도 연구자에 따라 감도가 2배 이상 차이나는 경우가 있다.

그 이유는 mass spectrometer tuning과 ion source parameter 세팅의 차이 때문이다.
이 두 영역은 “MS가 신호를 보는 눈의 해상도”를 조정하는 과정이다.
조금만 조정이 어긋나도 peak intensity는 떨어지고, noise는 증가한다.

Mass Spectrometer Tuning과 Ion Source Parameter 최적화로 감도 향상시키기

🎯 결국 고감도 분석은 장비가 아니라, “튜닝 능력”이 만든다.

2. Mass spectrometer tuning의 본질

2.1 튜닝(Tuning)이란 무엇인가?

MS 튜닝은 이온의 생성, 전이, 검출 과정에서 최적의 신호 세기를 확보하기 위해 전압(voltage), 가스 압력, 렌즈 전위(lens potential) 등을 조정하는 과정이다.

주요 목적은 다음과 같다:

1. 이온 전이 효율 최대화 (Transmission efficiency)
2. Signal-to-noise ratio 개선
3. Mass accuracy 유지
4. Fragmentation 에너지 최적화

튜닝은 단순한 감도 조정이 아니라, MS의 전자광학적 환경을 정렬(alignment)하는 행위다.

3. Ion source parameter의 역할 – 이온화의 출발점

MS 감도 향상의 첫 단계는 “얼마나 많은 이온을 만들어내는가”이다.
이온 소스 영역에서는 전하 생성량과 spray 안정성이 감도에 직접적으로 영향을 준다.

3.1 주요 Ion source parameter

 

Parameter	주요 역할	감도 영향
IonSpray Voltage (ESI Voltage)	시료의 전하 생성 효율 조절	+ 전압 상승 시 감도 증가, 과하면 corona discharge로 noise 증가
Curtain Gas (N₂)	중성분자 유입 방지, spray 안정화	부족 시 contamination, 과하면 spray 분산
Nebulizer Gas (GS1)	분무 효율 조절	적절한 droplet 크기 형성에 중요
Auxiliary Gas (GS2)	용매 증발 보조	유기 용매 비율 높을수록 중요
Source Temperature	Droplet 건조 속도 제어	너무 낮으면 incomplete desolvation, 너무 높으면 thermal degradation
Ion Transfer Tube Voltage / Temperature	Droplet → gas phase 전이 효율	sensitivity와 background 모두 영향

3.2 Spray stability가 감도에 미치는 영향

이온 소스는 마치 “물방울을 전하로 쪼개는 공장”과 같다.
이 공장에서의 생산성은 droplet의 크기, 전하 밀도, 증발 속도에 의해 결정된다.
Spray가 불안정하면 short-term signal drift가 발생하고, LLOQ 이하의 시료는 noise에 묻힌다.

실제 실험실에서는 IonSpray Voltage 4500~5500V, Temp 500°C, GS1 50, GS2 55, Curtain Gas 25 (단위: psi) 근처에서 가장 높은 감도를 보이는 경우가 많다.
단, matrix 종류(혈장, 소변 등)에 따라 적정점(optimum point)이 다르다.

4. 튜닝 단계별 최적화 접근

튜닝은 보통 세 단계로 구분된다.

4.1 Mass calibration

– Calibration solution을 이용하여 Q1, Q3 각각의 m/z 정확도 조정
– Tuning 직후 mass accuracy는 ±0.2 Da 이하 유지

4.2 Ion optics tuning

– Lens 1, 2, skimmer, entrance potential, collision cell entrance 등 전위 조절
– 이온의 focusing 및 전이 효율 개선

4.3 Compound-dependent optimization

– Declustering potential (DP), Collision energy (CE), Collision cell exit potential (CXP) 등
– 각 analyte의 fragmentation 특성에 맞게 조정

5. Key Parameter: Declustering Potential (DP)

DP는 이온 소스와 Q1 사이에서 neutral cluster를 제거하기 위한 전위차로,
너무 낮으면 droplet 잔류 → 신호 약화,
너무 높으면 pre-fragmentation 발생 → sensitivity 저하.

일반적으로 small molecule은 DP 30–100 V 범위에서 최적점 존재.

실제 실험에서 DP를 10 V 단위로 변화시켜 peak area를 비교하면,
보통 종형 곡선(감도 vs DP)을 그리며, 60~80 V 부근에서 최대치를 보인다.

6. Collision Energy (CE) 최적화 – Fragmentation의 균형

CE는 MRM 전이에서 precursor ion → product ion으로 변환되는 에너지다.
너무 낮으면 fragment 생성이 부족하고,
너무 높으면 target fragment가 과도하게 깨져서 신호 소실이 발생한다.

따라서 “CE ramping” 실험을 통해 product ion intensity를 모니터링하여 최적점 설정이 필요하다.

일반적으로 CE는 분자량과 구조에 따라 다음 범위에서 조정한다:

• Polar compound: 15–25 eV
• Aromatic ring compound: 25–35 eV
• Peptide or large molecule: 30–50 eV

7. Collision Cell (Q2) 및 Gas Control

Collision gas (보통 N₂ 또는 Ar)의 압력도 중요한 감도 인자다.
가스가 너무 많으면 fragment 충돌이 과도해 signal loss,
너무 적으면 fragmentation 불충분.

대부분 장비에서는 “Medium (3~4 × 10⁻⁵ Torr)” 설정이 가장 안정적이며,
collision gas pressure fine tuning으로 S/N를 약 20~30% 향상시킬 수 있다.

8. Dwell Time과 Cycle Time 조정

LC peak 폭이 10초인 경우,
1 MRM당 dwell time이 너무 짧으면 data point 수가 부족해 peak shape가 왜곡된다.
반대로 너무 길면 다른 전이(MRM) 측정이 지연되어 전체 감도 저하로 이어진다.

🔹 Dwell time: 10–30 ms
🔹 Cycle time: ≤ 500 ms

→ “Peak 당 10–15 data points 확보”를 목표로 설정하면 안정적 정량 가능.

9. 감도 향상 실험의 실제 예시

항암제 대사체 LC-MS/MS 분석 중,
튜닝 전후의 감도 향상 실험 결과는 다음과 같다.

Parameter	변경 전	변경 후	Signal 변화
IonSpray Voltage	4500 V	5200 V	+25%
Temp	450°C	550°C	+18%
DP	40 V	65 V	+35%
CE	25 eV	30 eV	+28%
Curtain Gas	20 psi	25 psi	+15%
총 감도 향상율	100%	+70% 향상

단순히 몇 가지 전위만 조정했을 뿐인데, LLOQ가 2 ng/mL → 1 ng/mL로 절반 수준까지 개선되었다.

10. 고감도 확보를 위한 추가 팁

1️⃣ Ion Source Cleaning
→ Spray needle 및 orifice 주변 오염이 축적되면 signal drift 발생
→ 50:50 MeOH:H₂O로 주 1회 세척

2️⃣ Mass Analyzer Temperature 안정화
→ Daily warm-up 최소 30분
→ Thermal drift 방지

3️⃣ Collision cell contamination 확인
→ Signal decay의 원인 중 30%는 cell 내부 오염

4️⃣ Batch 간 tuning 기록 관리
→ “튜닝 로그 파일”을 통해 reproducibility 추적 가능

11. Matrix-dependent tuning 전략

Matrix에 따라 ion suppression 정도가 달라 최적 parameter가 달라진다.

 

Matrix	특징	주요 최적화 포인트
Plasma	Protein, phospholipid에 의한 suppression	Curtain Gas ↑, Temp ↑
Urine	Salt 및 metabolite 간섭	GS1 ↑, DP ↓
Tissue homogenate	높은 viscosity	GS2 ↑, Temp ↑
Formulation extract	Surfactant 잔류	Source Temp ↑, Nebulizer Gas ↑

12. 고급 전략 – Source Geometry와 Ion Optics 조합 최적화

최근 QTRAP, Orbitrap, QTOF 등의 장비에서는 ion guide geometry가 세밀하게 조정 가능하다.
이 영역의 조정은 감도를 2~3배 이상 높일 수 있는 포인트다.

예:

• Entrance potential (EP): 8–15 V
• Focusing lens: +50~+80 V
• Skimmer voltage: 10–20 V

이 중 EP는 이온의 initial kinetic energy를 조절하며,
fragmentation이 아닌 transmission을 제어한다.
따라서 EP를 5 V 단위로 변화시키며 S/N를 비교하는 것이 좋다.

13. 소결 – Parameter 최적화의 전략적 접근 순서

1️⃣ Ion source tuning (Spray 안정화)
2️⃣ DP, CE, CXP 개별 최적화
3️⃣ Gas flow balance (GS1, GS2, Curtain)
4️⃣ Dwell time / Cycle time 조정
5️⃣ Batch reproducibility 검증

이 과정을 systematic하게 수행하면,
동일한 시료에서도 감도는 최소 1.5배, 많게는 3배 이상 향상된다.

14. 결론 – “감도는 기기의 기능이 아니라, 분석가의 감각이다”

Mass spectrometer tuning은 단순히 전압을 바꾸는 작업이 아니다.
이온의 비행을 설계하고, noise와 signal 사이의 균형을 조율하는 “공학적 감각의 예술”이다.

최적의 감도는 매트릭스, 화합물, 장비 상태에 따라 달라지므로
한 번의 설정으로 고정할 수 없다.
결국 매일의 튜닝 기록과 실험적 감각의 누적이
진정한 reproducibility를 만든다.

“감도 향상은 장비의 능력이 아니라, 분석가의 세밀함이 만든다.”