Spray Stability 향상을 위한 Nano-ESI Emitter 최적화 기법

LC-MS/MS에서 가장 과소평가되지만 실제 분석 현장에서 결과 재현성을 결정짓는 절대 요소는 바로 spray stability이다. 특히 최근 국내 제약사 분석팀에서 HRMS 기반 대사체 분석, 약물 대사체 구조 동정, low-fg 수준 약물 모니터링 연구가 증가하면서, 기존 micrometer-sized ESI emitter 대신 nano-flow 기반 nano-ESI emitter 사용이 빠르게 늘고 있다. 하지만 nano-flow LC 시스템은 예민하고, emitter 팁 구조·전압·거리·용매 조성 변화에 따라 스프레이가 즉시 붕괴되거나 방울형 모드로 전환되기 때문에, 많은 연구자들이 “감도는 좋은데 재현성이 너무 떨어지는” 문제를 경험하게 된다.

이 글에서는 nano-ESI emitter에서의 spray stability 향상 기술을 국내 제약사 분석팀의 실무 환경에 맞춰 재정리하여 소개한다. 또한 emitter의 물성, 팁 형상, 재질, 전압 전달 방식, 용매 조성, 배경 전해질, LC 조건 등 실무자가 놓치기 쉬운 파라미터를 체계적으로 다룬다.

1. Nano-ESI spray stability가 왜 중요한가

1) Signal fluctuation → 정량 불안정

Nano-ESI는 picoliter 수준 샘플을 미세하게 분무하기 때문에, 스프레이 모드가 cone → jet → dripping 모드로 순식간에 변화한다.
이 변화는 다음 현상을 유발한다.

• peak area RSD 증가 (5~30%까지 흔함)
• low-level quantitation에서 S/N 급격한 감소
• precursor ion intensity 돌발 저하
• fragment ion stability 저하로 MRM transition 정확도 저하
• 고농도 carry-over처럼 보이는 ghost peak 발생

2) HRMS 기반 metabolomics의 경우 더 치명적

Nano-ESI는 특히 microbial metabolites·lipidomics·untargeted metabolomics와 같이 소수성/친수성 화합물이 혼재하는 분석에서, spray 모드가 조금만 흔들려도 “감도 불균형(ionization bias)”이 발생한다.

• 특정 클래스(lipid, bile acid, SCFA 등)만 비정상적으로 증가/감소
• PCA/PLS-DA score plot이 재현되지 않는 문제
• retention time이 같아도 intensity pattern이 달라 메타볼라이트 구조 동정 실패

3) 제약사의 DMPK/TK/TDM 연구에서도 핵심

최근 국내 제약사에서도 fg~pg 수준 농도 분석, micro-sampling 기반 혈중 분석(DFM·VAMS·DBS)이 늘면서 nano-ESI 사용이 늘고 있다.
이때 spray stability가 확보되지 않으면:

• low-dose tox 모델에서 노이즈 증가 → TK nonlinearity
• TDM 정량에서 day-to-day drift 발생
• metabolite profiling에서 phase II metabolite 누락

즉, nano-ESI emitter 최적화는 단순 감도 향상이 아니라 정량 신뢰도 확보의 근본 요인이다.

2. Nano-ESI emitter 설계 변수별 최적화 전략

2.1 Tip geometry (팁 형상)

Emitter 팁의 형상은 spray stability에 직접적인 영향을 준다.
대표 파라미터는 다음 4가지이다.

① Tip diameter

• 1.0 μm 팁: 감도 우수하지만 막힘 빈번
• 2.0 μm 팁: 가장 안정적인 compromise
• 3.0 μm 이상: spray 안정하지만 nano-ESI 감도 감소

실무 추천:

• 구조 동정(HRMS) → 1.0~1.5 μm
• 정량(TQ) → 2.0~3.0 μm
• 조직 추출물·lipidomics → 2.0 μm

② Taper length(팁 테이퍼 길이)

• 긴 taper(>5 mm): 전계 집중 → 감도↑, 안정성↓
• 짧은 taper(1–3 mm): 감도↓, 안정성↑

제약사 분석팀용 추천:

• 5 mm tapered tip이 가장 현실적 (감도와 유지보수 균형)

③ Cone angle (팁 각도)

• 좁은 각도: nano-jet 발생 → high sensitivity
• 넓은 각도: drift 감소, clogging 감소

실무 최적 조건: 10–12°

④ Pulling method

Laser pulling vs. mechanical pulling

• laser-pulled emitter가 표면 매끄러워 spray 균일성 높음
• mechanical pulling은 제조 흔들림 많아 재현성 낮음

2.2 Emitter 재질(Material)

Emitter 재질은 전하 전달 효율·wetting behavior·내구성에 영향을 미친다.

재질	장점	단점	추천 용도
Borosilicate glass	저렴, 제조 쉬움	spray stability 낮음, 내열성 낮음	보급형 metabolomics
Quartz	높은 내구성, 균일한 taper	가격 비쌈	HRMS 구조 동정
Metal-coated fused silica (Pt, Au)	전도성 우수, spray 안정	코팅 벗겨짐 가능성	nano-flow routine
Stainless-steel emitter	매우 안정, clogging 적음	nano-flow 감도 ↓	정량 위주 (TDM, PK)

분석팀 기준 Best choice:

• Gold-coated fused silica emitter
  → 안정성·내구성·전도성의 최적 균형

2.3 Surface wetting / Hydrophobicity 조정

Tip 내부·외부 wetting은 spray stability를 크게 좌우한다.
조절 방법:

① Plasma cleaning

• 유기 오염 제거 → hydrophilicity 증가
• 집속 차지 증가 → spray initiate 용이
• 주 1회 cleaning만 해도 spray drift 감소

② Hydrophobic coating

• spray 과증착(splashing) 방지
• organic solvent 비율 높은 분석에 유리

③ Silanization

• base-sensitive sample이 있는 경우 금지
• 하지만 spray stability는 매우 좋아짐

실무자 팁:

• plasma cleaning 후 3일 내 사용해야 유지됨
• 장기간 보관 시 wetting 특징 소실

---

3. 전기적 조건 최적화 (ESI Voltage & Grounding)

Nano-ESI는 voltage가 0.1–0.2 kV만 바뀌어도 spray 모드가 큰 폭 변화한다.

3.1 Applied voltage 최적 범위

 

Flow rate	Voltage	Stability
20–50 nL/min	0.7–1.0 kV	가장 안정적
50–150 nL/min	1.0–1.5 kV	general nano-ESI
150–300 nL/min	1.5–1.7 kV	micro-ESI 전환 구간

이 범위에서 가장 중요한 값은
→ voltage ripple amplitude < 10 mV
(Power supply 품질이 매우 중요함)

3.2 Grounding

Emitter와 MS 간 거리보다 더 중요한 것이 grounding quality이다.

• MS inlet cone과 LC-nano source 간 metal-to-metal 접촉 확보
• paint된 surface는 절대 접촉부로 사용 금지
• ground loop 발생 시 spray jitter 발생

4. LC 조건이 spray stability에 미치는 영향

4.1 Organic solvent 비율

• High organic (>80%) → spray initiation 쉬움
• Low organic (<50%) → droplet size 증가 → instability 증가

nano-flow에서는 aqueous phase가 너무 많으면 “pulsing” 현상이 증가한다.

4.2 Additive 선택

Additive는 전도도·pH·surface tension 모두를 바꾼다.

 

Additive	Stability	Note
FA 0.1%	안정	가장 보편적
AA 0.1%	중간	일부 compound 감도↑
NH₄Ac 5–10 mM	매우 안정	HRMS 선호
NH₄FA 5 mM	안정	salt deposit 적음

제약사 분석팀에서 metabolite profiling 시 가장 안정적인 조합은

→ H₂O/ACN(50/50) + 0.1% FA + 5 mM ammonium formate

4.3 Flow pulsation 최소화

Nano-pump pulsation은 emitter의 spray flickering을 유발한다.

해결 방법:

• micro-tee restrictor 사용
• active flow feedback pump 사용
• pulse-free pump head 사용

5. Nano-ESI emitter 설정에서 가장 중요한 10가지 실무 변수

아래 항목들은 nano-ESI emitter를 사용할 때 가장 실무 재현성에 큰 영향을 주는 요소들이다.

1. Tip ID (inner diameter)
2. Taper length
3. Surface treatment (plasma, silane, coating)
4. Applied voltage
5. Distance to MS inlet
6. Background electrolyte concentration
7. Flow pulsation amplitude
8. LC peak width vs spray response 시간
9. Sample salt load
10. Ambient humidity & temperature

6. 실제 제약사 분석팀에서 적용할 때의 Best practice

6.1 DMPK/비임상 TK

• matrix complexity 높음 → clogging 위험↑
• 2 μm tip + gold-coated silica가 가장 현실적
• organic 60–70% 유지해 spray collapse 방지
• 1 sample/10 min 분석에서는 spray drift 영향 적지만
  → batch 200개 이상에서 drift 누적됨
• 20 sample마다 emitter 교체 권장

6.2 TDM 임상 정량

• 정확성·정밀도가 더 중요
• nano-ESI는 감도 유리하지만 재현성 위험
• micro-ESI(300–500 nL/min) + robust stainless emitter가 추천
• ion suppression이 낮아 장기적 관리성 좋음

6.3 HRMS 기반 구조 동정 (MET ID)

• 감도 극대화 필요
• 1 μm tapered quartz tip
• voltage 0.9–1.2 kV
• inlet distance 1.5–2.0 mm
• FA 0.1% + ammonium salt 필수
• spray stability가 fragment pattern 안정성에 직접 영향을 줌

7. Nano-ESI spray instability Trouble-shooting Guide

아래는 분석팀 실무에서 흔히 발생하는 문제를 원인-해결 형태로 정리한 것이다.

문제 1. Spray가 일정 간격으로 pulsing된다

원인

• LC pump pulsation
• emitter wetting 불균일
• grounding loop

해결

• restrictor 설치
• plasma cleaning 재시행
• grounding metal 표면 재정비

문제 2. 짧은 시간 후 signal intensity 급감

원인

• tip clogging
• salt deposit
• solvent evaporation

해결

• sample salt load 감소
• syringe filter pore size 0.2 μm로 변경
• emitter 가열 온도 소폭 증가

문제 3. spray onset이 느리거나 안 켜짐

원인

• organic 비율 너무 낮음
• emitter 표면 hydrophobic
• voltage insufficient

해결

• ACN 60% 이상 유지
• emitter plasma cleaning
• voltage 100–200 V 증가

문제 4. noise floor 증가

원인

• spray cone이 불안정
• droplet size 편차 발생
• inlet distance 부적절

해결

• tip-to-inlet 거리 1.5–2.0 mm로 조정
• organic 50→70%로 증가
• NH₄FA 5 mM 추가

8. Nano-ESI emitter 선택 기준 종합

아래 항목을 기준으로 emitter를 선택하는 것이 가장 실무적이다.

1) 분석 목적

• 정량 중심 → stability 중심 emitter
• 구조 동정 → small tip + high sensitivity emitter

2) 분석 대상의 matrix

• plasma/serum → clogging resistant emitter
• metabolomics → tapered high-sensitivity emitter

3) 사용 LC-MS 장비

• Orbitrap/Q-TOF → nano-ESI 최적
• Triple Quad → micro-ESI가 더 유리할 때 많음

4) 유지보수 가능성

• emitter 자주 교체 가능 → quartz tip
• 유지보수 어려움 → stainless emitter

9. Nano-ESI emitter 유지보수 & 관리 체크리스트

 

✓ 일일 체크

• emitter tip salt deposit 확인
• spray cone 모양 관찰
• voltage fluctuation 10 mV 이하인지 확인

✓ 주간 체크

• plasma cleaning 1회
• LC pump pulsation 로그 확인
• grounding contact 부식 여부 확인

✓ 월간 체크

• emitter batch 간 품질 비교
• tip geometry 확인
• standard QC sample의 signal trend 분석

10. 결론: Nano-ESI emitter는 작은 부품이 아니라 ‘성공적 분석의 절반’이다

Nano-ESI emitter는 크기도 작고 단가도 높지 않지만,
LC-MS/MS 분석의 감도·재현성·정량 정확성의 절반을 결정짓는 핵심 요소이다.

특히 국내 제약사 분석팀은 batch 규모가 크고, matrix가 복잡하며, 연구자 교체가 잦기 때문에 nano-ESI의 spray stability 관리는 선택이 아니라 필수적이다.

• tip geometry
• surface treatment
• LC 조건
• voltage stability
  이 네 요소만 제대로 관리해도 spray stability는 50–80% 이상 개선된다.

앞으로 HRMS 기반 분석, micro-sampling 기반 TDM, untargeted metabolomics가 국내 산업에서 더욱 확대될수록, nano-ESI emitter의 정교한 관리 능력은 분석팀의 중요한 경쟁력이 될 것이다.

 

Spray Stability 향상을 위한 Nano-ESI Emitter 최적화 기법