「質量分析計」の版間の差分

<font size="+1">[http://researchmap.jp/read0123657 脇 紀彦]、早坂 孝宏、[http://researchmap.jp/setou 瀬藤 光利]</font><br>

 

 

　質量分析計は[[wikipedia:ja:気相イオン|気相イオン]]の[[wikipedia:ja:質量電荷比|質量電荷比]](''m/z'')と存在量を測定する装置である<ref>'''J H Gross (日本質量分析学会出版委員会訳)'''<br>マススペクトロメトリー<br>シュプリンガー:2007</ref>。質量分析計はイオン源、質量分析部、検出部から構成される。イオン源で化合物は[[wikipedia:ja:イオン化|イオン化]]され、質量分析部方向に加速される。イオンは質量分析部で''m/z''に従い分離され、検出部で検出される。質量分析計の装置構成を表記する際に特に重要となるのは、イオン源と質量分析部の種類である。ここではそれぞれの代表的な動作原理について説明する。  

 

 

== イオン源の種類と動作原理 ==

 

　質量分析の分析対象となるのはイオンである。試料化合物をイオン化する装置がイオン源であり、以下に示すような複数のイオン化原理に基づいている。とりわけ[[質量分析計#マトリックス支援レーザー脱離イオン化法|マトリックス支援レーザー脱離イオン化法]]（matrix-assisted laser desorption/ionization、MALDI法）と[[質量分析計#エレクトロスプレーイオン化法|エレクトロスプレーイオン化法]]（ESI法）は、それまでのイオン化法では断片化しやすかった高分子化合物のイオン化を可能にした<ref><pubmed>15458815</pubmed></ref><ref><pubmed>15362902</pubmed></ref>。このことにより医学生物学分野における[[wikipedia:ja:タンパク質|タンパク質]]、[[wikipedia:ja:ペプチド|ペプチド]]、[[wikipedia:ja:多糖|多糖]]等の[[wikipedia:ja:生体高分子|生体高分子]]の解析が大きく発展した。  

 

=== マトリックス支援レーザー脱離イオン化法 ===

 

　マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（matrix-assisted laser desorption/ionization、MALDI法）は、試料化合物とイオン化促進剤（[[wikipedia:ja:マトリックス|マトリックス]]）の混合物にパルス[[wikipedia:ja:レーザー|レーザー]]を照射することにより試料化合物をイオン化し、気体中に放出する技術である<ref><pubmed>10633229</pubmed></ref><ref name="ref1"><pubmed>18166020</pubmed></ref>。レーザーエネルギーの殆どはこれらの[[wikipedia:ja:マトリックス|マトリックス]]化合物に吸収されるため、試料は分解されず、[[wikipedia:ja:水素イオン|水素イオン]]の付加により生じる[M + H]⁺、[[wikipedia:ja:ナトリウム|ナトリウム]]イオンの付加による [M + Na]⁺、水素イオンの除去による [M − H]^-等の化合物由来イオンが主に検出される。 M/z 3000を超す巨大分子をイオン化できることが長所である。欠点としては、低極性分子のイオン化が一般に難しいことが挙げられる。

 

=== エレクトロスプレーイオン化法 ===

 

　エレクトロスプレーイオン化法（electrospray ionization、ESI法）では、液体試料が細管先端から[[wikipedia:ja:窒素|窒素]]ガスと共に噴霧される<ref><pubmed>2675315</pubmed></ref>。溶媒の蒸発に伴いイオンが形成される。ESI法では多価イオン[M + nH]ⁿ⁺がしばしば形成されるので、高分子量化合物が小さな''m/z''範囲で検出されるのが特徴である。したがって広い質量範囲に亘り測定を行える利点がある。ESIは大気圧イオン化法の一つであり、[[液体クロマトグラフィー]]質量分析（LC/MS）はESIの開発により実現したといえる。

 

=== 化学イオン化法 ===

 

 

=== 電子イオン化法 ===

 

　電子イオン化法（electron ionization, EI法）は、運動エネルギーを持った電子（熱電子）を気相中の分子に照射することでイオン化を行う技術である。[[wikipedia:ja:ガスクロマトグラフィー|ガスクロマトグラフィー]]MSのイオン化法として用いられている。試料を加熱し気化させることが必要であるため難揮発性の物質の解析が難しく、また試料がフラグメンテーションしやすいため分子量の大きい物質は解析困難であることが欠点である。非イオン性の低分子量[[wikipedia:ja:有機化合物|有機化合物]]の分析のための技術として用いられている。

 

=== 高速原子衝撃法 ===

 

　高速原子衝撃法（Fast Atom Bombardment, FAB法）は、[[wikipedia:ja:グリセロール|グリセロール]]（[[wikipedia:ja:グリセリン|グリセリン]]）等のマトリックスに溶解させた試料に、加速した[[wikipedia:ja:キセノン|キセノン]]または[[wikipedia:ja:アルゴン|アルゴン]]原子を照射することでイオン化する方法である。 FABでは極性の低い分子も比較的容易にイオン化できるのが長所であるが、一方でMALDIのように巨大分子をイオン化できないのは短所といえる。

 

== 質量分析部の種類と動作原理 ==

　質量分析部は、電磁気的相互作用を利用することにより、''m/z''に従いイオンを分離する部分である。分離方法は[[質量分析計#飛行時間型|飛行時間型]]、[[質量分析計#磁場型|磁場型]]、[[質量分析計#四重極型|四重極型]]、[[質量分析計#イオントラップ型|イオントラップ型]]、[[質量分析計#フーリエ変換型|フーリエ変換型]]等の動作原理に基づいている。複数の原理を組み合わせたハイブリッド型も最近では開発されている。ここでは代表的な動作原理に基づく装置について記述する。

 

=== 飛行時間型===

 

　飛行時間型(time-of-flight, TOF) 装置は、一定の加速電圧で加速されたイオンが一定距離を飛行するために必要な時間が、イオンの''m/z''の値により異なることを利用した装置である<ref name="ref1" /><ref><pubmed>19142962</pubmed></ref>。真空の分析管を通過する間にイオンは分離され、''m/z''の小さいものから順次イオン検出器に到達する。原理上、測定対象となる質量の上限がないため、高分子量化合物の測定に適している。全てのイオンを検出するため、測定感度が高い。一方で、飛行距離を長くすると装置が大型化するという欠点がある。  

 

=== 磁場セクター型===

 

　 磁場セクター(magnetic sector) 型装置ではイオン化された試料化合物は加速電圧で加速され、扇形分析管中の[[wikipedia:ja:磁場|磁場]]に入射され、[[wikipedia:ja:ローレンツ力|ローレンツ力]]により軌道を変える<ref><pubmed>9030050</pubmed></ref>。分析管の半径と一致する軌道を示すイオンは分離部を通過し、検出器で検出される。この条件を満たすイオンの''m/z''は加速電圧と磁場強度に依存するため、加速電圧を一定にし、磁場強度を変化させることにより任意の''m/z''のイオンを検出することができる。分解能が高いのが長所である。外部磁場を必要とするので機体全体としては大型になるのが短所である。

 

=== リニア四重極型===

 

　リニア四重極型装置(linear quadrupole) では、[[wikipedia:ja:真空|真空]]容器中に4本の円筒形の棒状電極が、中心軸から等距離・平行に配置されている<ref>'''P H Dawson'''<br>Quadrupole Mass Spectrometry and Its Applications<br>Springer:1976</ref>。隣接する電極に正負逆の電位を、向かい合う電極に等しい電位を与えるという条件のもとに、各電極に[[wikipedia:ja:直流|直流]]と[[wikipedia:ja:交流|交流]]の成分を持つ電位を印加すると、四重極中に周期的に[[wikipedia:ja:位相|位相]]の変化する[[wikipedia:ja:電場|電場]]が生じる。イオン源で生成されたイオンは四重極の領域に進入し、イオンと同極性の電極対からの斥力と、逆極性の電極対からの引力を受け振動する。電位の直流成分、交流成分の振幅と周波数により決まる特定範囲の''m/z''のイオンのみが、棒状電極にぶつからずに四重極を通過し、検出器に到達する。比較的小型で単純な構造を持ち安価である長所を持ち、汎用装置として広く普及している。検出器に到達するのは生成されたイオンの一部であるため、感度が低いのが欠点である。

 

=== 四重極イオントラップ===

 

　四重極イオントラップ(quadrupole ion trap, QIT) は三次元の高周波四重極電場によりイオンを蓄積することを基本原理とする<ref><pubmed>14530094</pubmed></ref>。ドーナツ状のリング電極とそれを挟む2つのエンドキャップ電極で構成され、リング電極の入り口側にイオン化部，出口側に検出器が配置されている。導入されたイオンは電極間にトラップされる。リニア四重極では安定な振動を行うイオンが四重極を通過し検出されるが、四重極イオントラップでは不安定な振動のイオンが系外へ排出され検出される。リニア四重極に似た特徴を持つが、原理上、導入された全てのイオンを検出できるためより高感度である。また機体は小型で安価である。一方で蓄積可能なイオン量に制限があるため定量性は劣る。

 

===フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴===

 

　イオンを磁場中に導入すると、ローレンツ力を求心力（[[wikipedia:ja:向心力|向心力]]）として、イオンは磁場と鉛直に交わる面で回転運動する<ref><pubmed>8017637</pubmed></ref>。これはサイクロトロン運動と呼ばれ、運動の周波数はイオンの''m/z''と[[wikipedia:ja:磁束密度|磁束密度]]に依存する。励起極板間にこの周波数の電圧を印加すると、[[wikipedia:ja:共鳴|共鳴]]するイオンはエネルギーを吸収し、サイクロトロン運動の位相が揃い回転半径は増す。このとき検出極板間に生じる[[wikipedia:ja:誘導電流|誘導電流]]は異なるサイクロトロン共鳴周波数が合成されたものである。フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴(fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR) 型装置では、この誘導電流を[[wikipedia:ja:フーリエ変換|フーリエ変換]]することで周波数スペクトルおよび[[wikipedia:ja:質量スペクトル|質量スペクトル]]（[[wikipedia:ja:マススペクトル|マススペクトル]]）が得られる。高い質量分解能が利点であり、一方価格が高いことが欠点である。

 

 

 

<references />