Mechanistic studies on nanostructure-based laser desorption/ionization mass spectrometry : toward the nanostructure development
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2023
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University , Department of Materials Science and Engineering , 2023.2
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
나노구조체 기반의 레이저 탈착 이온화 질량분석 메커니즘 연구 : 나노구조체 개발
형태사항
xxv, 226 p. : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Jae-chul Pyun
UCI식별코드
I804:11046-000000544532
소장기관
MALDI 는 Karas 와 Hillenkamp 그리고 Tanaka 에 의해 개발된 질량분석방법으로 높은
정확성 및 높은 민감도를 지닌 분석 방법이다. MALDI 질량분석은 높은 정확성, 민감도, 빠른
분석 그리고 간단한 데이터 분석과 같은 여러 장점을 지녔음에도 불구하고 MALDI 에
사용되는 유기 매트릭스의 UV 레이저에 대한 취약함은 MALDI 질량분석의 심각한 문제이다.
레이저가 가해진 유기 매트릭스는 크고 재현성이 없는 조각난 매트릭스 이온 노이즈를
저분자량 영역 (<1000 Da)에서 형성하기 때문에 작은 분자의 질량분석에는 응용이 어렵다.
뿐만 아니라 불균일한 시료-매트릭스 결정화는 레이저가 가해지는 위치에 따라 질량분석
피크 세기가 크게 달라지게 하여 재현성을 낮춤으로써 분석 신뢰도를 떨어뜨린다. 위의
언급한 문제점들을 극복하고자 유기 매트릭스 대신 나노구조체를 질량분석 기판으로
사용하려는 시도가 등장하였고 이런 방법을 LDI 질량분석법이라고 한다.
그러나 나노구조체 기반의 LDI 질량분석은 대체로 기존의 유기 매트릭스를 이용하는
MALDI 질량분석에 비해 효율성이 낮다. 따라서 높은 LDI 질량분석 성능을 위해서는
효율적인 나노구조체의 설계 및 개발이 필요하다. 그러나 나노구조체의 기본적은 물성은
LDI 질량분석의 성능을 좌우함에도 불구하고 나노구조체 물성에 기반한 탈착 이온화 과정의
메커니즘 이해에 대한 연구가 많이 부족한 상황이다. 따라서 본 학위논문에서는 새로 개발한
나노구조체를 이용하여 탈착 이온화 향상 전략을 제시하며 특히 나노구조체의 빛에 대한
화학적, 열적, 구조적, 그리고 전기적 특성 분석에 초점을 맞추어 높은 질량분석 성능을 얻기
위한 여러 방법을 제시한다.
먼저, TiO2 나노선 표면을 금 나노아일랜드로 기능화한 금 나노아일랜드-TiO2 나노선
하이브리드를 합성하였고 이 기판을 통해 4 종류의 면역억제제 (tacrolimus, cyclosporin A,
everolimus, sirolimus)에 대해 효율적으로 LDI 질량분석이 가능함을 보였다. 금
나노아일랜드보다 TiO2 나노선이 높은 광촉매 활성을 보임을 실험을 통해 확인함으로써
TiO2 반도체 나노선이 이온화에 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 반면, 시차주사열량법
열분석을 통해 TiO2 반도체 나노선에 비해 금 금속 나노아일랜드가 표면에서 시료로 빠르게
열전달을 하여 시료 탈착에 기여함을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 금 나노아일랜드와 TiO2
나노선 계면에서 쇼트키 배리어를 형성하여 전자와 홀의 공간적 분리를 유도하여 전하의
재결합을 막아 이온화 향상에 시너지 효과를 줌을 알 수 있었다. 즉, 첫번째 연구를 통해
금속이 탈착에 영향을 주는 반면 반도체는 이온화에 영향을 줌을 실험을 통해 확인할 수
있었고, 금속과 반도체 계면의 쇼트키 배리어로 인해 LDI 질량분석의 시너지 효과를 얻을
수 있음을 확인하였다.
두번째 연구에서는 나노다공성 금으로 TiO2 나노선 표면을 기능화한 나노다공성 금TiO2 나노선 하이브리드를 합성하였고, 레이저에 의한 in situ 표면 재구조화/녹음 현상이
높은 효율의 LDI 질량분석 원인이 될 수 있음을 제시하였다. 나노다공성 금-TiO2 나노선
하이브리드를 이용하여 3 종류의 신경전달물질 (norepinephrine, serotonin, dopamine)에
대해 성공적인 질량분석이 가능하였다. 특히 나노다공성 금의 높은 빛흡수와 효율적인 빛열 전환효율로 인해 레이저가 가해졌을 때 나노다공성 금 표면의 재구조화/녹음 현상이
관찰되었고 이 현상은 순간적으로 표면에 붙은 시료에 내부에너지 (일, 열)를 전달함으로써
시료 탈착을 촉진하였다. 게다가 나노다공성 금에 붙은 인접한 TiO2 나노선 격자 왜곡을
발견하였고 이 격자 왜곡은 TiO2내에 산소 공공과 같은 결함을 발생시켜 trap state 를 밴드갭
내부에 형성하였다. Sub-gap defect state 는 레이저에 의해 여기된 전하 캐리어를 trap 하여
전하의 재결합을 낮춤으로써 이온화를 향상시킨다. 즉, 레이저에 의한 in situ 나노다공성 금
표면의 재구조화/녹음 현상은 탈착 그리고 이온화 효율을 높이는 원인이 됨을 본 두번째
연구를 통해 확인하였다.
세번째 연구에서는 압전성을 띠는 ZnO 나노물질을 LDI 기판으로 도입하여 압전성을
질량분석에 응용하고자 하였다. 금 금속에서 레이저에 의한 in situ 표면 재구조화/녹음
현상이 주변에 인접한 반도체 나노물질 격자 왜곡 즉, 격자 strain 을 가한다는 선행연구에
영감을 받아 압전물질은 ZnO 나노튜브와 그 표면에 금 나노아일랜드로 기능화된 금
나노아일랜드-ZnO 나노튜브 하이브리드를 개발하였다. 레이저가 가해졌을 때, 금
나노아일랜드의 표면 재구조화/녹음 과정에서 ZnO 나노튜브에 strain 이 가해지면서
압전분극이 발생한다. 압전분극 (+) 전하는 레이저에 의해 여기된 전자를 끌어당기는 반면,
압전분극 (-) 전하는 홀을 끌어당겨 전자와 홀을 공간적으로 분리하고 전하 재결합을
막음으로써 LDI 이온화 효율을 높인다. 즉, 본 세번째 연구에서는 금 나노아일랜드가 photothermal “nanofurnace”로 역할을 하여 LDI 질량분석 과정에서 인접한 ZnO 나노튜브에
압전효과를 일으켜 이온화 효율을 높일 수 있음을 제시하였다. 기존의 MALDI
질량분석으로는 측정이 어려웠던 극성이 낮은 fatty acids 및 산성/염기성이 낮은 monosaccharides 분석물질에 대해 금 나노아일랜드-ZnO 나노튜브 하이브리드를 이용했을 때는
측정이 가능함을 보임으로써, 세번째 연구에서 개발한 하이브리드 물질이 기존
질량분석법의 장벽을 극복하는 나노구조체가 될 수 있음을 제시하였다.
마지막으로, 높은 LDI 질량분석효율을 위해 레이저에 의한 shock wave 를 이용하는
방법을 제시하였다. LDI 레이저의 shock wave 측면에서의 연구가 거의 이루어지지 않았고
레이저 shock wave 의 이온화에 대한 영향 또한 잘 알려지지 않았다. 본 마지막 연구에서는
2 차원의 g-C3N4 nanosheet (2D g-C3N4 NS)를 LDI 질량분석 기판으로 활용하였고 레이저
shock wave 에 의해 점결함 및 압전성이 유도될 수 있고 이는 이온화 효율 향상에 기여함을
입증 하였다. 레이저 shock wave 는 압전성 g-C3N4 NS 기판에 압력을 가해 strain 을
줌으로써 압전효과를 일으킴으로써 전자와 홀을 공간적으로 분리함에 따라 전하 재결합을
낮춘다. 질소와 탄소 결합을 끊을 만큼의 매우 강한 레이저 파워가 가해질 경우 이 강한
레이저 shock wave 에 의해 질소 공공 및 탄소 공공과 같은 점 결함이 발생하고 이런 결함은
전자 및 홀을 trap 함으로써 전하 재결합을 낮춘다. 따라서 레이저 shock wave 에 의해 gC3N4 NS 에 생성되는 압전성 및 공공 결함은 이온화 효율을 향상시키는 원인이 되고 높은
질량분석 성능은 사람의 피에서 추출한 면역억제제 측정을 통해 확인되었다.
Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS), de-veloped by Karas and Hillenkamp and Tanaka et al., is a high-accuracy and high-sensitivity analytical tool. Although this method has several benefits such as high accu-racy and sensitivity, and fast and straightforward data analysis, the fragility of the or-ganic matrix to the UV laser is a severe challenge for MALDI-MS. The laser-irradiated organic matrix produces intense and unreproducible matrix-related fragmented ions es-pecially in the low-m/z region (< 1000 Da), limiting the MS analysis of small molecules. Moreover, heterogeneous crystallization of the analyte-mixed matrix crystals leads to large variances in mass peak intensities depending on the laser-irradiation spot position and thus the analytical reproducibility is typically poor. To overcome these challenges, an organic-matrix-free approach was developed where a nanostructure is employed in-stead of an organic matrix, and this strategy is termed as laser desorption/ionization (LDI)-MS.
However, the nanostructure-based LDI-MS is generally inefficient compared to the conventional MALDI-MS. Thus, the design and development of efficient nanostruc-tures are required for high LDI-MS performance. Even though the fundamental proper-ties of the nanostructures govern the performance of LDI-MS, the mechanistic under-standing of the desorption and ionization processes based on nanostructure properties is limitedly available in literature. This dissertation presents several strategies for enhanc-ing the desorption and ionization with newly developed nanostructures, along with pho-to-induced thermal, electronic, and structural characterizations of nanostructures, to achieve high LDI-MS performance.
First, we presented a synergistic effect of the hybrid nanostructure composed of Au nanoislands and TiO2 nanowires (Au-TNW) for high LDI-MS efficiency of four immu-nosuppressive drugs (tacrolimus, cyclosporin A, everolimus, and sirolimus). Further, we explored the properties of Au-TNW hybrid that critically affected the respective desorp-tion and ionization. As observed in the high photocatalytic activity of TNW than Au, we concluded that the TiO2 material in the Au-TNW hybrid contributed to the ioniza-tion. In contrast, the differential scanning calorimetry (DSC) thermal analysis results demonstrated that the Au metal improved heat transfer from its surface to adsorbed an-alytes than TNW, indicating that Au material in the Au-TNW hybrid exerted a benefi-cial effect on the desorption. Moreover, we also attributed the synergistic effect of Au-TNW hybrid to the presence of Schottky barrier at Au-TNW interface, promoting the photo-excited carrier separation and thereby further improving the ionization efficiency.
Second, we proposed the laser-induced in situ surface restructuring/melting behav-ior in a hybrid of nanoporous Au-modified TiO2 nanowires (npAu-TNW) that might be the origin of high LDI-MS performance. We verified highly efficient LDI-MS results based on the npAu-TNW by analyzing three types of neurotransmitters (norepinephrine, serotonin, and dopamine). We observed a notable in situ surface restructuring/melting by laser irradiation in npAu structure in the npAu-TNW via high photoabsorption and efficient photo-thermal conversion of the highly porous npAu structure, which instan-taneously facilitated internal energy transfer from npAu to adsorbed analyte and thus increased desorption efficiency. In addition, we confirmed the lattice strain and distor-tion in the TNW crystal adjacent to restructuring/melting npAu by structural analysis, which introduced the charge trapping oxygen vacancy states in the TNW bandgap and thereby improved ionization process. This is the first experimental verification of the effect of laser-induced in situ surface reconstruction on the enhancement in desorption and ionization.
Third, inspired by previous laser-induced in situ surface restructuring/melting in Au metal, we introduced the piezoelectric nanomaterial of ZnO and fabricated the Au-ZnO nanohybrid. A hybrid nanostructure of Au nanoislands-functionalized ZnO nano-tubes (Au-ZNT) was rationally developed to generate lattice strain and piezoelectricity inside the ZNT crystal by in situ surface reconstruction of Au. For the first time, we reported the laser-induced surface restructuring/melting phenomenon by correlating with piezoelectricity development and its positive effect on LDI-MS. The developed piezoelectricity in ZNT structure modulated the electronic band structure particularly at Au-ZnO interface, resultantly separating the photo-excited charge carriers and improv-ing the ionization efficiency. By observing a notable structural changes only in Au metal, we demonstrated that Au served as a photothermal “nanofurnace” inducing pie-zoelectric effect on the adjacent ZNT during LDI-MS. The high LDI-MS results were validated by analyzing fatty acids and monosaccharides with non-polar groups and low acidity/basicity, revealing that Au-ZNT nanohybrid can overcome major hurdles in con-ventional MALDI-MS.
Finally, we proposed the approach utilizing laser-induced shock waves for efficient LDI-MS. Limited studies have focused on the aspect of laser shock wave that can gen-eratd pressure to the irradiated substrate during LDI-MS. Thus, we focused on the laser shock wave and explored its influence on desorption and ionization. We employed the two-dimensional graphitic carbon nitride nanosheets (2D g-C3N4 NS) as a nanostructure substrate for LDI-MS. This is the first study to report the effect of laser shock pressure on the ionization with correlations to both in situ development of atomic defect and piezoelectricity in 2D g-C3N4 NS by short laser pulses. Numerical calculation of laser shock pressure and HR-XRD and Raman analysis results revealed that both laser shock pressure-induced piezoelectricity and atomic defects such as N and C vacancies positive-ly influenced the ionization by separating photo-excited charge carriers and reducing recombination in LDI-MS. Ultimately, we verified practical applicability of g-C3N4 NS by analyzing immunosuppressive drugs in a biological environment of human blood and also demonstrated the analytical validity.
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