質量分析計とその動作

質量分析計には、コインより小さなものから、広大な部屋を埋め尽くすほど大きなものがあります。様々なタイプの装置が多様なアプリケーションに使用されていますが、動作の原理は同じです。測定単位は、amuなどの用語に代わり、ダルトン(Da)が用いられるようになっています。1 Da =炭素12 (12C)の同位体の単一原子が持つ質量の1/12。

かつて質量分析計は、化合物を同定する際の付加的な定性デバイスとして、限られた用途に利用されており、正確な定量性が得られないものと見なされていました。しかし近年になって、定性と定量のどちらも可能な装置としての評価を得ています。

質量分析計は、分子を 気相のイオン に変換できる場合に限って、その分子の質量を測定することができます。イオン化のためには分子に電荷を与え、帯電したイオンの流れを、それに比例する電流に変換し、その電流をデータシステムで読み取ります。データシステムは、電流をデジタル情報に変換し、質量スペクトルとして表示します。

イオンの生成には、分析対象物に適するような複数の方法があります。例えば、MALDIのように平面上のマトリックスに溶解した化合物の レーザー脱離 によるもの、電子イオン化(EI)のように荷電粒子や電子との相互作用によるもの、また、移動過程の一部でイオン化が行われるエレクトロスプレー(ESI)などもあります。ESIでは、液体クロマトグラフィーの溶出物に高電圧をかけ、霧状にしたサンプルからイオンを生成します。

イオンは、その質量電荷比(m/z)に応じて分離、検出、測定されます。相対的なイオン電流(シグナル)がm/zに対してプロットされ、質量スペクトルが作成されます。低分子は一価であるため、m/zは質量(m)に1が加算されます。「1」は、イオン化プロセスで付加されたプロトンです[M+H+で表示。プロトンが失われて生成される場合はM-H-と表示]。また電子が失われた結果イオンが形成された場合は、ラジカルカチオン[M+.]で表します。質量分析計の精度と、いかに真値に近づけるかについては、この章の後半に記載します。

高分子の場合、構造により複数の場所に電荷を取り込みます。高分子には多くの部位がありますが、小さいペプチドは一般に二価(M+2H+)であるため、単純なアルゴリズムを使用して、スペクトルで表されるイオンの質量を推測することができます。

 

Charged ions of Substance P

Substance Pの一価および二価のイオン(図中に、一価および二価のスペクトルの拡大図を示しています)

 

Charges shown for human transferrin

最大エントロピーアルゴリズムを用いて解析した、複数種類の電荷を持つ質量79550 Daの高分子
(ヒトトランスフェリンの27~46価のピークを表示)、装置のスペックを大きく超える範囲で高い精度での質量測定が可能


どのくらい高分子のものを分析できる?

脱離法(この章で説明)により、サイズの大きい、不揮発性で壊れやすい分子の分析が可能になりました。精度0.01%以内(もしくは4 Da以内)で40,000 Daを常に分析できるようになったことで、タンパク質の翻訳後修飾のようなわずかな変化を検出できるようになっています。多価イオンの形成により、質量分析計の測定範囲が設計時の上限を大きく超え、1,000,000 Da以上の質量の分析が可能になりました。

同位体および元素質量分析

自然界における同位体の存在比については、充分に解明されています。多くの場合は安定しているものと考えられますが、この比が大きな特徴的な変化を示すことがあります。 同位体比 の測定は代謝物の研究 (代謝形態を追跡するためのトレーサーとして同位体をラベル化して使用)や、温度による酸素および炭素の変化を測定する気候の研究でも使用されています。実際には、複雑な分子は単純な形に分解してから、扇形磁場型の装置(次の項を参照)が持つ高い精度を利用して測定します。

元素分析 は一般に無機化合物(場合によっては金属固体サンプル)について実施され、構造ではなく元素組成を確認するものです。放電(または低電力グロー放電)デバイスでサンプルをイオン化する場合には、誘導結合プラズマ(ICP)イオン源が一般的です。pptレベルで分析できる装置は一般的ではありません。

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