화학 이온화

화학 이온화(Chemical Ionization, CI)는 부드러운 이온화 기술로, 분자와 이온 반응 연구의 결과를 분석 화학에 직접 응용한 것입니다. CI는 20세기 50년대에 시작되었으며, 생성되는 파편이 적고 분석 화학에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

화학 이온화 과정에서, 전자는 먼저 시약 가스를 충돌하여 시약 이온을 생성합니다. 샘플 분자는 그 후에 분자와 이온 반응 경로를 통해 시약 이온에 의해 이온화됩니다. 20세기 70년대는 화학 이온화 발전의 이정표로 여겨집니다. 당시 연구자들은 화학 이온화가 진공 환경에서 작업해야 한다는 단점을 해결하여, 화학 이온화가 대기 조건에서 작동할 수 있게 했습니다. 대기 화학 이온화는 코로나 방전으로 에너지를 제공하며, 진공 환경이 필요하지 않아 화학 이온화 응용 범위를 크게 확장했습니다. 화학 이온화는 질량 분석 기술에 널리 응용되고 있습니다.

화학 이온화의 원리는 시약 이온 X+가 분석물 분자 A와 반응하여 분석물을 이온화하는 것입니다:

화학 이온화1

위의 반응에서 X+는 이온화 반응 가스로부터 유래합니다. 일반적인 시약 가스에는 메탄, 암모니아, 물, 이소부탄 등이 포함됩니다. 공식에서의 반응 시간과 속도 상수(k)는 문헌이나 측정을 통해 얻을 수 있습니다.

시약 이온은 이온 소스에 의해 생성됩니다. 일반적으로 사용되는 이온 소스는 방사선 소스, 중공 음극 방전 전원 및 일반적인 휘광 방전 전원을 포함합니다. 210Po와 241Am은 가장 흔히 사용되는 방사선 소스입니다. 이온화 과정은 210Po와 241Am이 α입자를 방출하는 것으로 시작합니다. 이는 매우 높은 에너지를 가지고 있으며, 시약 가스와 충돌하여 시약 이온과 전자를 생성합니다. 생성된 전자가 충분히 고에너지이면, 시약 가스와 충돌하여 새로운 시약 이온과 전자를 형성할 수 있습니다. H3O+를 반응 이온으로 사용하는 CI에서는 일반적으로 중공 음극 방전 전원을 사용하며, 이는 99.5%의 H3O+를 생성할 수 있습니다.

화학 이온화는 조건에 따라 저압 화학 이온화(<0.1 Pa), 중압 화학 이온화(1-2000 Pa) 및 대기압 화학 이온화로 구분됩니다. 화학 반응의 유형에 따라 화학 이온화는 양성 화학 이온화와 음성 화학 이온화로 나눌 수 있습니다. 양성 화학 이온화 반응은 주로 양성자 이동 반응, 전하 교환 반응 및 친전자 첨가 반응을 포함합니다. 음성 화학 이온화 반응은 주로 전자 포획 반응 및 음이온 첨가 반응을 포함합니다.

화학 이온화2

화학 이온화 스펙트럼의 해상도는 매우 간단하며, 분석물의 정확한 분자량을 얻을 수 있습니다. 화학 이온화를 통해 얻은 산물 파편은 거의 없으며, 산물은 주로 분석물의 분자와 이온입니다. 적절한 시약 이온을 선택함으로써 화학 이온화의 분리성을 쉽게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 화학 이온화는 높은 감도와 빠른 응답(15초)을 가지고 있습니다. 그러나, 반응 이온이 불순하고 여러 화학 이온화 반응이 동시에 발생하는 경우, 질량 분석이 어려워질 수 있습니다.

현재, 화학 이온화는 질량 분석 시스템에서 다양한 미량 물질을 검출하기 위한 이온 소스로 널리 사용됩니다. 화학 이온화는 대기 중의 미량 가스, 야채와 과일의 농약 잔류물, 분유의 멜라민, 토양의 가소제와 제초제 등의 물질을 검출하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, CI는 재료 식별, 예를 들어 차 품질 식별에도 사용할 수 있습니다.

휘발성 유기 화합물(VOC)의 측정

화학 이온화를 통해 VOC를 측정할 때, 일반적으로 H3O+를 시약 이온으로 사용합니다. H3O+는 공기 중 대부분의 물질과 반응하지 않으며, 예를 들어 O2, N2, CO2 등과도 반응하지 않습니다. 한편, 대부분의 양성자 이동 반응은 비분리성으로, 산물 이온은 단일이므로 결과 분석이 간단해집니다.

분유 중 멜라민의 측정

화학 이온화 I를 통해 멜라민을 측정할 때, N2를 시약 가스로 사용합니다. 고압에서, N2와 H2O는 복잡한 물리화학적 반응을 거쳐 시약 이온 H3O+를 생성합니다.

차 품질 감정

화학 이온화를 통해 차 표면의 화학 물질을 측정함으로써 다양한 차 종류를 감정할 수 있습니다. H3O+는 차 표면의 부탄올, 제라니올, 카페인 등과 반응하며, 반응 산물은 질량 분석기에 다른 질량 스펙트럼을 형성합니다. 다른 품종의 차에 동일한 물질의 함량이 다르기 때문에, 화학 이온화 감지로 형성된 질량 스펙트럼도 다릅니다. 질량 스펙트럼은 어느 정도 차의 화학적 지문 특성을 반영할 수 있습니다. 따라서, 화학 이온화는 차의 빠른 감정과 품질 분석에 중요한 실제 응용 가치를 가지고 있습니다.

화학 이온화는 강한 선택성과 높은 감도로 인해 질량 분석에서 널리 사용됩니다. 화학 이온화 질량 분석(CIMS)은 복합 샘플의 물질을 연쇄 질량 분석으로 감정할 수 있을 뿐만 아니라, 샘플의 화학적 지문 데이터를 얻어 화학 계량 분석을 수행할 수 있습니다. CIMS의 응용은 식품, 제약, 환경 보호, 농업 등의 산업 발전에 긍정적인 영향을 미칩니다.