質量分析の原理
どのようにして計測するのか?
 バネや圧力センサーでは分子レベルの計測
は不可能
 1907 J.J.Thomsonが電場・磁場を利用し
た質量測定方法を開発
質量分析の概要
試料
イオン化
Ionization
EI, CI, FAB, ESI
APCI, MALDI
フラグメント
Sector MS, QMS
TOFMS, FT-ICRMS
質量分析
Mass analyzer
マススペクトル
質量分析法の特徴
 強力な物質同定能力
 未知の物質の同定
 物質の量の測定
 分子の構造的、化学的な性質の解明
 高い検出能力
 ごく微量の試料でも測定可能
質量分析装置




磁場型質量分離装置 Sector MS
四重極型質量分離装置 QMS
飛行時間型質量分離装置 TOFMS
フーリエ変換イオンサイクロトロン型質量分離
装置 FT-ICRMS
磁場型質量分析装置 Sector MS
電場
磁場
イオンが磁場中で運動するときに
働くローレンツ力(F1)と遠心力(F2)
はつりあっているので、
m 2
mv
F1  vBq, F2  v  r 
r
qB
イオンが電場中で運動するときに働く電場
から受ける力(F3)と遠心力(F2)はつりあって
いるので、
イオン源
検出器
m 2
mv 2
F2  v , F3  qE  r 
r
qE
運動エネルギーが異なるイオンは同じ質量であっても磁場の中での曲率半径rは変化
磁場に入ってくるイオンの運動エネルギーをそろえるために、電場を用いる。
四重極型質量分離装置(QMS)
4本のロッドを平行に束ねて分離装置を作る 装置が小型
ロッドには高周波電位に直流電位を重ね合わせた電位を与える
4本のロッドの間にイオンを送り込むと質量電荷比に応じて振動し
ながらロッドの間を進み、一定範囲の質量電荷比のイオンだけが
通り抜けることができる。
測定可能な質量の上限は2000~4000
イオントラップ型質量分離装置 ITMS
エンドキャップ電極
リング電極
四重極ロッドの入り口と出口をつないでリング状にしたもの
安定に振動するイオンは外に出ることなく内部にとどまる
印加する高周波の電圧を徐々に強くしていくと、質量電荷比の小さい
ものから順にイオントラップの外に出てくるのでマススペクトルが得ら
れる。
飛行時間型質量分離装置 TOFMS
イオン反射器
m 1
t  72.0  l 

z V
イオンを加速してから検出器に到達するまでの時間を測定する。
イオン反射器を用いることで、運動エネルギーのぶれを打ち消すことで、
高い分解能をもったスペクトルを得ることができる。
いかにしイオン化するのか?
 そもそもイオン化しなければ質量分析できな
い
 イオン化する際に試料が壊れてしまっては困
る
⇒イオン化の方法が重要
イオン化法






電子イオン化法 EI
化学イオン化法 CI
高速原子衝撃法 FAB
エレクトロスプレーイオン化法 ESI
大気圧化学イオン化法 APCI
マトリックス支援レーザー脱離イオン化法
MALDI
電子イオン化法 EI / 化学イオン化法 CI
EI = electron ionization
CI=chemical ionization
分子量1000以下の低分子量の試薬で揮発性の高い試料や常温で
気体の試料に用いられる
CIでは、イオン化室内に試薬ガスを封入することで、試料分子より先
に試薬ガスがイオン化し、次に試薬がそれらによってイオン化される
ためEIよりもソフトなイオン化ができる
フィラメント
フィラメントから発した熱電子(e-)が試料分子
近傍をかすめ、試料分子Mはイオン化される
M + e- → M+ + 2e-
高速原子衝撃法 FAB
FAB = fast atom bombardment
Ar
アルゴンイオン化室
アルゴンイオン中性化室
アルゴンビーム照射管
分子量が3000付近までの質量分析が可能
常温で固体・液体・の試料に用いられる
加熱処理されないため、熱に弱い試料の測定
も可能
電子衝撃によってイオン化したアルゴン(一次イ
オン)を同種のガス(中性原子)を導入した中性
子化室を通過させると、運動エネルギーを失わ
ずに中性原子ビームに変換される
マトリックスとよばれる低揮発性有機溶剤を混
合した試料に一次ビームを照射すると、試料の
気化とイオン化を同時に起こすことができる。
エレクトロスプレーイオン化法 ESI
ESI = electrospray ionization
分子量10万程度以下の全分子領域で測定が可能
特に、FAB法では測定不可能なタンパク質などに有効
大気圧下でのイオン化法であるため、液体クロマトグラフィー(LC)や
キャピラリー電気泳動(CE)と接続できる
ESI法はFAB以上にソフトなイオン化法
高電圧を印加
液相の多価イオンから気相の
多価イオンが生成する。
大気圧化学イオン化法 APCI
APCI = atmospheric pressure chemical ionization
分子量が1500程度以下の化合物の測定が可能
ESI法と同様に大気圧下で測定可能
ESIでは高電圧を印加して試料分子をイオン化するのに対してAPCI
法では送液管を加熱し、窒素ガスを流して試料溶液の気化と噴霧を
行う
イオン化は噴霧口近くに設置した針電極に高電圧を印加してコロナ放
電を起こして、溶媒分子をイオン化
マトリックス支援レーザー脱離イオン化法
MALDI
MALDI = matrix-assisted laser desorption/ionization
紫外線レーザー
分子量100万程度までの分子について
測定可能
可動ターゲット
試料量は数フェムトモルから測定可能
紫外線吸収性の固体マトリックスを使用
質量分離部へ
試料
イオン引き出し電極
タンパク質の質量分析をするには?
ESI法か、MALDI法でイオン化して測定
EI
CI
FAB
ESI
MALDI
無機化合物
○
○
○
△
○
低質量有機化合物
○
○
○
○
○
脂質
△
△
○
○
○
糖
×
×
○
○
○
核酸
×
×
△
○
○
ペプチド
×
×
○
○
○
タンパク質
×
×
×
○
○
PMFの説明
PMF peptide Mass Fingerprinting
 試料に含まれるタンパク質を同定する方法
 トリプシン処理していくつかのフラグメントに分
割した後、質量分析を行う
(トリプシンは、リジン[K]、アルギニン[R]のC
末端を切断するため、K,RをC末端に持つ
様々なフラグメントが生成される)
 データベースに対して、同じフラグメントを生成
するようなタンパク質を検索して、試料を推定
する
PMFによるタンパク質の同定
 1993年に提唱されたペプチドの同定方法
 タンパク質を特異的なプロテアーゼを用いて分解
 個々のフラグメントの質量を計測して得られるス
ペクトルと同様のスペクトルを与えるペプチドを
データベースから検索することで同定できる
 得られるスペクトルは個々のタンパク質に特異的
であることから、Fingerprint(指紋)法と呼ばれ
ている。
PMF
MASVKLASLIVLFATLGMFLTKNVGAASC
NGVCSPFEMPPCGTSACRCIPVGLVIGYC
RNP
MASVKLASLIVLFATLGMFLTKNVGAASC
NGVCSPFEMPPCGTSACRCIPVGLVIGYC
RNP
マススペクトル
データベース
を検索
付録:アミノ酸の質量
Alanine
Ala
A
89.04768
Methionin
Met
M
149.0511
Cysteine
Cys
C
121.01975
Asparagin
Asn
N
132.0535
Aspartic Acid
Asp
D
133.03751
Proline
Pro
P
115.0633
Glutamic Acid
Glu
E
146.04533
Glutamine
Gln
Q
146.0691
Phenylalanine
Phe
F
165.07898
Arginine
Arg
R
174.1117
Glycine
Gly
G
75.03203
Serine
Ser
S
105.0426
Histidine
His
H
155.06948
Threonine
Thr
T
119.0582
Isoleucine
Ile
I
131.09463
Valine
Val
V
117.079
Lysine
Lys
K
146.10553
Tryptophan
Trp
W
204.0899
Leucine
Leu
L
131.09463
Tyrosine
Tyr
Y
181.0739
ダウンロード

pmf