質量分析法

質量分析法は、様々な分子や生体分子の分子量を決定するために用いられる分析手法です。この手法は、イオン化された分析対象物をその質量電荷比に基づいて分離・選別することにより、タンパク質の構造情報を提供するとともに、高い感度と特異性をもって定量分析を行います。イオン化された分析対象物の質量分析、すなわち測定は、気相中で行われます。分子はイオン化された後、電場へと導入されます。この電場内において、分子はそれぞれの質量電荷比に応じて分離・選別されます。質量分析法は多岐にわたる分野で活用されており、純粋な試料から複雑な混合物に至るまで、幅広い対象に適用されています。

質量分析法においては、どのような状態にある試料であっても、電子ビームを用いてイオン化されます。このイオン化の過程で、試料中の分子の一部は断片化し、正電荷を帯びたフラグメント（断片イオン）へと分解されます。場合によっては断片化が起こらず、単に正電荷を帯びたイオン粒子のみが生成されることもあります。こうして生成された正電荷イオンは、その後、それぞれの質量電荷比に基づいて分離されます。続いて、これらのイオンは電子増倍管などの検出機構によって検出されます。その分析結果は、質量電荷比を横軸、信号強度を縦軸とする「スペクトル」として表示されます。最終的に、試料中に含まれる原子や分子は、その質量を既知の質量データと照合・比較することによって同定されます。

質量分析法の歴史：

1886年、オイゲン・ゴルトシュタインは気体放電中に生じる光線（カナル線）を観測し、1899年には、直交する電場と磁場を用いて正の荷電粒子（正極線）をその電荷対質量比（Q/m）に応じて分離する装置を構築した。イオンの質量対電荷比を測定する初期の分光装置は「質量分光写真機（マス・スペクトログラフ）」と呼ばれ、質量値のスペクトルを写真乾板上に記録する仕組みとなっていた。現代の質量分析技術の基礎は、それぞれ1918年と1919年に、アーサー・ジェフリー・デンプスターとF.W.アストンによって考案された。

質量分析計の構成要素：

質量分析計は、イオン源、質量分析器、検出器の3つの主要な部分から構成されています。イオン化器は試料をイオンに変換します。次に、抽出機構によって試料からイオンが分離されます。これらのイオンは質量分析器を通過して検出器に到達します。質量分析器は、フラグメントの質量の違いを利用して、質量電荷比に基づいてイオンを識別します。検出器は指標量を測定し、各イオンの存在量を算出するためのデータを提供します。質量分析器には、静磁場または動磁場、あるいは電場を用いるものなど、多くの種類がありますが、いずれも上記の微分方程式に従って動作します。各分析器にはそれぞれ長所と短所があります。多くの質量分析計は、タンデム質量分析（MS/MS）のために2つ以上の質量分析器を使用します。

イオン源には様々な種類があります。

電子イオン化（EI）：

揮発性化合物からイオンを生成する一般的な方法であり、高いフラグメンテーション率が得られ、詳細な質量スペクトルが得られます。これは、未知化合物の構造解析/特性評価および同定に利用できます。しかし、EIはHPLC、すなわちLC-MSとの組み合わせには適していません。大気圧下では、電子を生成するために使用されるフィラメントが急速に燃焼してしまうためです。したがって、EIは主に別の方法で組み合わせられます。 GC, i.e. GC-MS, システム全体が高真空下にある場所

エレクトロスプレーイオン化（ESI）：

ペプチドやタンパク質のような、不揮発性かつ極性を持つ分子の分析に用いられます。3つ目は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）であり、これはタンパク質やペプチドなどの巨大分子の分析に使用されます。質量分析計としては、四重極型（Quadrupole）、飛行時間型（TOF）、およびオービトラップ型（Orbitrap）が一般的に用いられています。四重極型は極めて一般的なタイプであり、質量電荷比に基づいてイオンを分離します。TOF型では、原子が一定距離を移動するのに要する時間に基づいて分離が行われ、これにより質量による分離が可能となります。オービトラップ型は、電磁場を利用して分離を行います。他の方式と比較して、極めて高い分解能を有しているのが特徴です。

異なる分離技術と質量分析の組み合わせ

質量分析法とさまざまな分離技術を組み合わせることで、質量分解能と質量決定能力が向上します。 クロマトグラフィーの およびその他の分離技術

一般的な組み合わせはガスクロマトグラフィー質量分析法（GC/MSまたはGC-MS）です。この技術では、 ガスクロマトグラフ は、異なる化合物を分離するために使用されます。分離された化合物の流れは、オンラインで供給されます。 イオン ソース、a 金属的な フィラメント それに対して 電圧 が印加されます。このフィラメントから電子が放出され、化合物がイオン化されます。生成したイオンはさらに開裂し、予測可能なパターンを生じさせます。無傷のイオンおよびフラグメントは質量分析計のアナライザーへと導入され、最終的に検出されます。しかしながら、GC-MSの注入口やオーブンでは高温が用いられるため、導入された分子が熱分解を起こす可能性があります。その結果、本来の目的分子ではなく、分解生成物の質量が測定されてしまう恐れがあります。

ガスクロマトグラフィー質量分析法（GC-MS）と同様に、液体クロマトグラフィー質量分析法（LC/MSまたはLC-MS）は、イオン源および質量分析計に導入される前に、クロマトグラフィーによって化合物を分離します。GC-MSとの違いは、移動相が液体である点にあり、通常は……の混合物です。 水 そしてオーガニック 溶媒, ガスの代わりに。最も一般的には、 エレクトロスプレーイオン化 LC-MSでは、このソースが使用されます。キャピラリー電気泳動とイオン移動度は、液体分離プロセスを組み合わせたもう1つの技術です。 キャピラリー電気泳動 ……質量分析法を用いて。CE-MSは通常、エレクトロスプレーイオン化法と組み合わせて用いられます。イオン移動度分光法・質量分析法（IMS/MSまたはIMMS）は、印加された電位勾配の下、中性ガス中を通過する際のドリフト時間に基づいてまずイオンを分離し、その後、質量分析計へと導入する手法です。

利点と欠点：

次世代の分析ツールとして、本手法は他のあらゆる類似の分析ツールと比較して、独自の利点と欠点を有しています。現在利用可能な各種機器や分析ツールの中で、最も高い感度を誇ります。その理由は、バックグラウンド干渉を低減する「質量電荷フィルター」を搭載している点にあります。これにより、未知物質の同定や特定の化合物の存在確認において、極めて高い特異性と感度を実現しています。本手法の欠点としては、主に光学異性体や幾何異性体の区別、および芳香環における置換基のオルト（o-）、メタ（m-）、パラ（p-）位置の特定が困難である点が挙げられます。また、類似したフラグメントイオン（断片化イオン）を生成する炭化水素の同定においては、その適用範囲が限定的であるという側面もあります。

質量分析法の応用：質量分析法は、定性分析および定量分析の両方に活用されます。現在、MS（質量分析法）は、多種多様な化合物の物理的、化学的、あるいは生物学的特性を研究する分析ラボにおいて、広く一般的に利用されています。定量分析は、相対定量または絶対定量のいずれの方法でも実施可能です。具体的には、質量スペクトルを解析することで未知化合物を同定したり、既知化合物の定量を行ったりするために用いられます。また、分子のフラグメンテーションパターン（断片化挙動）を解析することで、構造解析を行う用途にも活用されます。さらに、ある元素に含まれる同位体の存在比を決定する目的でも利用可能です。質量分析法は、代謝産物やタンパク質といった高分子化合物から、低分子化合物に至るまで、幅広い分子の分析に適用されます。LC-MS（液体クロマトグラフィー質量分析法）は、原薬や製剤中に混入している可能性のある不純物を同定・定量するのに役立ち、製品の品質と安全性の確保に寄与します。また、LC-MSは生体液（血液、血漿、尿など）中の薬物濃度を測定し、薬物の吸収、分布、代謝、排泄（ADME）の各過程を評価するためにも利用されています。

よくある質問:

References: