質量分析

質量分析法( MS ) は、イオンの 質量電荷比を測定するために使用される分析技術です。結果は質量スペクトル、つまり質量電荷比の関数としての強度のプロットとして表示されます。質量分析法はさまざまな分野で使用されており、純粋なサンプルだけでなく複雑な混合物にも適用されます。

質量スペクトルは、イオン信号を質量電荷比の関数としてプロットしたものです。これらのスペクトルは、サンプルの元素または同位体シグネチャ、粒子および分子の質量を決定し、分子およびその他の化合物の化学的同一性または構造を解明するために使用されます。

典型的な質量分析法では、固体、液体、気体の試料を、例えば電子ビームで衝撃を与えることによってイオン化します。これにより、試料の分子の一部が正に帯電したフラグメントに分解されるか、フラグメント化せずに単に正に帯電します。これらのイオン（フラグメント）は、次に、例えば加速して電場または磁場にさらすことによって、質量電荷比に応じて分離されます。同じ質量電荷比のイオンは同じ量の偏向を受けます。^{[1]イオンは、}電子増倍管などの荷電粒子を検出できるメカニズムによって検出されます。結果は、質量電荷比の関数として検出されたイオンの信号強度のスペクトルとして表示されます。試料内の原子または分子は、既知の質量（分子全体など）を識別された質量と相関させることによって、または特徴的なフラグメンテーションパターンを通じて識別できます。

1886 年、オイゲン ゴールドシュタインは、低圧のガス放電で、負に帯電した陰極線(陰極から陽極へ進む)の方向とは反対方向に、陽極から離れて穴あき陰極のチャネルを通って進む放射線を観察しました。ゴールドシュタインは、これらの正に帯電した陽極線を「運河線」と呼びました。この用語の標準的な英語への翻訳は「運河線」です。ヴィルヘルム ウィーンは、強い電場または磁場が運河線を偏向させることを発見し、1899 年に、垂直の電場と磁場を使用して正の線を電荷質量比 ( Q/m )に応じて分離する装置を作成しました。ウィーンは、電荷質量比は放電管内のガスの性質に依存することを発見しました。イギリスの科学者JJ トムソンは、後にウィーンの研究を改良し、圧力を下げて質量分析計を作成しました。

1884年までに、分光器という言葉は国際的な科学用語の一部となった。^{[2] [3]}イオンの質量電荷比を測定する初期の分光測定装置は質量分析器と呼ばれ、写真乾板上に質量値のスペクトルを記録する装置で構成されていた。^{[4] [5]}質量分析器は、イオンビームが蛍光体スクリーンに向けられることを除いて質量分析器に似ている。^[6]質量分析器の構成は、調整の効果をすぐに観察することが望まれる場合に初期の装置で使用された。装置が適切に調整されると、写真乾板が挿入され、露光された。蛍光体スクリーンの直接照明がオシロスコープによる間接測定に置き換えられた後も、質量分析器という用語は使用され続けた。 [ ^7]質量分析法という用語は、光分光法と混同される可能性があるため、現在では使用されていない。^{[1] [8]}質量分析法は、mass-specまたは単にMSと略されることが多い。^[1]

現代の質量分析技術は、アーサー・ジェフリー・デンプスターとFW・アストンによってそれぞれ1918年と1919年に考案されました。

カルトロンとして知られるセクター質量分析計は、アーネスト・O・ローレンスによって開発され、マンハッタン計画中にウランの同位体を分離するために使用されました。^[9]カルトロン質量分析計は、第二次世界大戦中に設立された テネシー州オークリッジのY-12工場でウラン濃縮に使用されました。

1989年、ノーベル物理学賞の半分は、1950年代と1960年代の イオントラップ技術の開発に対してハンス・デーメルトとヴォルフガング・パウルに授与されました。

2002年、ジョン・ベネット・フェンはエレクトロスプレーイオン化（ESI）の開発に対して、田中耕一はソフトレーザー脱離（SLD）の開発と生体高分子、特にタンパク質のイオン化への応用に対してノーベル化学賞を受賞しました。^[10]

質量分析計は、イオン源、質量分析器、検出器の 3 つのコンポーネントで構成されています。イオン化装置はサンプルの一部をイオンに変換します。サンプルの相 (固体、液体、気体) と未知の種に対するさまざまなイオン化メカニズムの効率に応じて、さまざまなイオン化手法があります。抽出システムによってサンプルからイオンが除去され、そのイオンは質量分析器を通過して検出器に送られます。フラグメントの質量の違いにより、質量分析器はイオンを質量電荷比で分類できます。検出器は指標量の値を測定し、存在する各イオンの存在量を計算するためのデータを提供します。マルチチャネル プレートなどの一部の検出器は空間情報も提供します。

以下では、セクタータイプの分光計質量分析器の動作について説明します。(他のタイプの分析器については後述します。)塩化ナトリウム(食塩) のサンプルを考えてみましょう。イオン源では、サンプルは気化(ガスに変わる) され、イオン化 (電荷を帯びた粒子に変換) されて、ナトリウム(Na ⁺ ) イオンと塩化物(Cl ⁻ ) イオンになります。ナトリウム原子とイオンはモノアイソトピックで、質量は約 23ダルトン(記号: Da または旧記号: u) です。塩化物原子とイオンには、質量が約 35 u (自然存在比が約 75 パーセントの場合) と約 37 u (自然存在比が約 25 パーセントの場合) の 2 つの安定同位体があります。分光計の分析器部分には電場と磁場が含まれており、これらの場を通過するイオンに力が加わります。荷電粒子の速度は電場を通過するときに増加または減少し、方向は磁場によって変更される場合があります。移動するイオンの軌道の偏向の大きさは、質量電荷比によって異なります。軽いイオンは、重いイオンよりも磁力によって大きく偏向します (ニュートンの運動の第二法則、F = maに基づく)。磁気的に選別されたイオンの流れは分析装置から検出器に送られ、検出器は各イオン タイプの相対的な存在量を記録します。この情報を使用して、元のサンプルの化学元素組成 (つまり、サンプルにはナトリウムと塩素の両方が存在する) とその成分の同位体組成 (35 ^Clと³⁷ Cl の比率) が決定されます。

イオン源は、分析対象の物質（分析物）をイオン化する質量分析計の一部です。イオンは磁場または電場によって質量分析装置に輸送されます。

イオン化技術は、質量分析法で分析できるサンプルの種類を決定する上で重要な役割を果たしてきました。 ガスや蒸気には電子イオン化と化学イオン化が使用されます。化学イオン化源では、分析対象物は、源内での衝突中に化学イオン分子反応によってイオン化されます。液体および固体の生物学的サンプルによく使用される 2 つの技術は、エレクトロスプレーイオン化(ジョン・フェン^[11]が発明) とマトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI、最初は K. 田中^[12]が同様の技術「ソフトレーザー脱離 (SLD)」として開発し、ノーベル賞を受賞し、その後 M.​​ カラスと F. ヒレンカンプ^[13]が MALDI として開発) です。

質量分析法において、イオン化とは、質量分析装置または質量フィルターでの分解に適した気相イオンの生成を指します。イオン化はイオン源で発生します。利用可能なイオン源は複数あり、それぞれ特定の用途に対して利点と欠点があります。たとえば、電子イオン化(EI) は高度なフラグメンテーションをもたらし、非常に詳細な質量スペクトルを生成します。これを巧みに分析すると、構造の解明/特性評価に重要な情報が得られ、同一の動作条件下で得られた質量スペクトルライブラリと比較することで未知の化合物の同定が容易になります。ただし、EI はHPLC ( LC-MS)との組み合わせには適していません。大気圧では、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え尽きてしまうためです。したがって、EI は主にGC ( GC-MS)と組み合わせられ、システム全体が高真空下になります。

ハードイオン化技術は、対象分子に大量の残留エネルギーを与え、大きなフラグメンテーションを引き起こすプロセスです (つまり、結合の体系的な破壊により余分なエネルギーが除去され、結果として生じるイオンの安定性が回復します)。結果として生じるイオンは、分子イオンよりもm/zが低くなる傾向があります (プロトン移動の場合と同位体ピークを含まない場合を除く)。ハードイオン化の最も一般的な例は、電子イオン化 (EI) です。

ソフトイオン化とは、対象分子にほとんど残留エネルギーを与えず、その結果ほとんど断片化を起こさないプロセスを指します。例としては、高速原子衝撃(FAB)、化学イオン化(CI)、大気圧化学イオン化(APCI)、大気圧光イオン化(APPI)、エレクトロスプレーイオン化(ESI)、脱離エレクトロスプレーイオン化(DESI)、マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI) などがあります。

誘導結合プラズマ(ICP) 源は、主にさまざまなサンプル タイプの陽イオン分析に使用されます。この源では、全体的に電気的に中性であるが、高温によって相当数の原子がイオン化されたプラズマを使用して、導入されたサンプル分子を原子化し、それらの原子からさらに外側の電子を剥ぎ取ります。プラズマは通常、アルゴン ガスから生成されます。アルゴン原子の第一イオン化エネルギーは、He、F、および Ne を除く他のどの元素の第一イオン化エネルギーよりも高いが、最も電気陽性の金属を除くすべての第二イオン化エネルギーよりも低いためです。加熱は、プラズマを取り囲むコイルに流れる高周波電流によって行われます。

光イオン化は、質量分析法を化学反応速度論のメカニズムや異性体生成物の分岐を解明する手段として利用しようとする実験で使用できます。^[14]このような場合、X線または紫外線の高エネルギー光子を使用して、HeまたはArのキャリアガス中の安定した気体分子を解離します。シンクロトロン光源が使用される場合、調整可能な光子エネルギーを使用して光イオン化効率曲線を取得し、これを電荷比m/zと組み合わせて分子種とイオン種の指紋を作成できます。最近では、大気圧光イオン化（APPI）が開発され、主にLC-MSシステムの流出物として分子をイオン化しています。

アンビエントイオン化の用途には、環境用途や臨床用途などがあります。これらの技術では、イオンは質量分析計の外側のイオン源で形成されます。サンプルを事前に分離したり準備したりする必要がないため、サンプリングは容易になります。アンビエントイオン化技術の例として、 直接リアルタイム分析(DART)、DESI、SESI、LAESI、脱離大気圧化学イオン化 (DAPCI)、移動時の化学反応によるソフトイオン化(SICRT)、脱離大気圧光イオン化DAPPIなどがあります。

その他には、グロー放電、電界脱離（FD）、高速原子衝撃（FAB）、サーモスプレー、シリコン上の脱離イオン化（DIOS）、大気圧化学イオン化（APCI）、二次イオン質量分析（SIMS）、スパークイオン化および熱イオン化（TIMS）などがあります。^[15]

質量分析装置は、イオンを質量電荷比に応じて分離します。真空中の電場と磁場における荷電粒子の運動は、次の 2 つの法則によって決まります。

${\displaystyle \mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$（ローレンツ力の法則）

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$(非相対論的な場合のニュートンの運動の第二法則、つまり光速よりもはるかに遅いイオン速度でのみ有効)。

ここで、Fはイオンに作用する力、mはイオンの質量、aは加速度、Qはイオンの電荷、Eは電場、v × Bはイオン速度と磁場の ベクトル積である。

上記の式をイオンに作用する力に当てはめると次のようになります。

${\displaystyle (m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .}$

この微分方程式は、荷電粒子の古典的な運動方程式です。粒子の初期条件とともに、m/Qの観点から空間と時間における粒子の運動を完全に決定します。したがって、質量分析計は「質量電荷分析計」と考えることができます。データを提示する場合、（正式には）無次元の m/z を使用するのが一般的です。ここで、 z はイオンの基本電荷の数（e）です（z = Q / e）。この量は、非公式には質量電荷比と呼ばれていますが、より正確には、質量数と電荷数zの比を表します。

質量分析装置には、静的または動的場、磁場または電場を使用する多くの種類がありますが、すべて上記の微分方程式に従って動作します。各分析装置の種類には、長所と短所があります。多くの質量分析計は、タンデム質量分析法 (MS/MS)に 2 台以上の質量分析装置を使用します。以下に挙げる一般的な質量分析装置に加えて、特殊な状況向けに設計された質量分析装置もあります。

分析装置には重要な特性がいくつかあります。質量分解能は、わずかに異なるm/zの 2 つのピークを区別する能力の尺度です。質量精度は、m/z測定誤差と真のm/zの比率です。質量精度は通常、 ppmまたはミリ質量単位で測定されます。質量範囲は、特定の分析装置による分析に適したm/zの範囲です。線形ダイナミック レンジは、イオン信号が分析対象物の濃度に対して線形である範囲です。速度は実験の時間枠を指し、最終的には単位時間あたりに生成できるスペクトルの数を決定するために使用されます。

セクターフィールド質量分析計は、静電場や磁場を利用して、荷電粒子の軌道や速度に何らかの影響を与えます。上図に示すように、セクター型質量分析計は、質量電荷比に応じてイオンが質量分析計を通過する際の軌道を曲げ、より荷電され、より速く移動する軽いイオンをより大きく偏向させます。この分析計は、m/zの狭い範囲を選択することも、 m/zの範囲をスキャンして存在するイオンをカタログ化することもできます。^[16]

飛行時間型（TOF）分析器は、電界を使用してイオンを同じ電位で加速し、検出器に到達するまでの時間を測定します。粒子がすべて同じ電荷を持っている場合、それらの運動エネルギーは同じになり、速度は質量のみに依存します。たとえば、質量の小さいイオンはより速く移動し、最初に検出器に到達します。^{[17]イオンは通常、}電界によって加速される前に移動しているため、同じm/zの粒子が検出器に異なる時間に到着します。この初期速度の差は、イオンの質量に依存せず、最終速度の差になります。この速度の分布により、カウント対m/zプロットに表示されるピークが広がりますが、イオンの開始速度は通常ゼロに集中するため、ピークの中心位置は変化しません。この問題を解決するために、タイムラグフォーカス/遅延抽出がTOF-MSと組み合わせられています。^[18]

四重極質量分析計は、振動電界を使用して、 4 本の平行ロッドの間に作成された無線周波数(RF)四重極電界を通過するイオンの経路を選択的に安定化または不安定化します。常に特定の範囲の質量/電荷比のイオンのみがシステムを通過できますが、ロッドの電位を変更することで、広範囲のm/z値を連続的または一連の個別のホップで迅速にスイープできます。四重極質量分析計は質量選択フィルターとして機能し、四重極イオントラップ、特に線形四重極イオントラップと密接に関連していますが、トラップされたイオンを収集するのではなく、トラップされていないイオンを通過させるように設計されているため、透過型四重極と呼ばれます。磁気強化四重極質量分析計には、軸方向または横方向に適用される磁場の追加が含まれます。この新しいタイプの機器は、印加磁場の大きさと方向に応じて、分解能や感度の点でさらなる性能向上をもたらします。^{[19] [20]} 透過型四重極の一般的なバリエーションは、トリプル四重極質量分析計です。「トリプル四重極」には3つの連続した四重極ステージがあり、最初のステージは質量フィルターとして機能し、特定の入射イオンを2番目の四重極である衝突チャンバーに伝送し、そこでそのイオンをフラグメントに分解できます。3番目の四重極も質量フィルターとして機能し、特定のフラグメントイオンを検出器に伝送します。四重極をさまざまな質量フィルター設定で迅速かつ繰り返し循環させると、完全なスペクトルを報告できます。同様に、トリプル四重極は、タンデム質量分析法に特徴的なさまざまなスキャンタイプを実行するようにできます。

四重極イオントラップは、四重極質量分析装置と同じ物理的原理で動作しますが、イオンはトラップされ、順次放出されます。イオンは、主に四重極 RF フィールド、つまり 2 つのエンドキャップ電極 (通常は DC または補助 AC 電位に接続) 間のリング電極 (通常はメイン RF 電位に接続) によって定義される空間にトラップされます。サンプルは内部で (たとえば、電子ビームまたはレーザー ビームを使用して) または外部でイオン化されます。後者の場合、イオンは多くの場合、エンドキャップ電極の開口部から導入されます。

質量/電荷の分離および隔離方法は多数ありますが、最も一般的に使用されているのは質量不安定モードです。このモードでは、RF 電位が上昇し、質量a > bのイオンの軌道が安定し、質量bのイオンが不安定になり、 z軸上で検出器上に放出されます。非破壊分析方法もあります。

イオンは共鳴励起法によっても放出される可能性があり、この方法では補助的な振動励起電圧がエンドキャップ電極に印加され、捕捉電圧振幅および/または励起電圧周波数が変化してイオンが質量電荷比の順に共鳴状態にされる。^{[21] [22]}

円筒形イオントラップ質量分析計( CIT) は、四重極イオントラップの派生型で、電極は双曲面電極ではなく平らなリングで形成されます。この構造は小型化に適しています。トラップのサイズが小さくなると、イオンがトラップされる領域であるトラップの中心付近の電界の形状が双曲面トラップの形状に似た形状になるからです。

線形四重極イオントラップは四重極イオントラップに似ていますが、3D四重極イオントラップのような3次元四重極場ではなく、2次元四重極場にイオンをトラップします。サーモフィッシャーのLTQ（「線形トラップ四重極」）は線形イオントラップの一例です。^[23]

トロイダルイオントラップは、両端が曲がって接続された線形四重極として、または端を回転させてトロイダルドーナツ型トラップを形成した 3D イオントラップの断面として視覚化できます。トラップは、リング状のトラップ構造全体にイオンを分散させることで、大量のイオンを貯蔵できます。このトロイダル型トラップは、イオントラップ質量分析装置の小型化を可能にする構成です。さらに、すべてのイオンが同じトラップフィールドに格納され、一緒に排出されるため、検出器の配置やアレイの機械加工のばらつきによりアレイ構成で複雑になる可能性がある検出が簡素化されます。^[24]

トロイダルトラップと同様に、リニアトラップと3D四重極イオントラップは、高感度、mTorr圧力耐性、および単一分析装置タンデム質量分析（例：プロダクトイオンスキャン）の機能を備えているため、最も一般的に小型化された質量分析装置です。^[25]

オービトラップ装置は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計に似ています(以下のテキストを参照)。イオンは、中央のスピンドル型電極の周りの軌道に静電的に捕捉されます。電極はイオンを閉じ込め、イオンが中央電極の周りを軌道を描きながら、中央電極の長軸に沿って前後に振動するようにします。この振動により、検出器プレートにイメージ電流が生成され、装置によって記録されます。これらのイメージ電流の周波数は、イオンの質量電荷比によって異なります。質量スペクトルは、記録されたイメージ電流の フーリエ変換によって得られます。

オービトラップは質量精度が高く、感度が高く、ダイナミックレンジが広い。^[26]

フーリエ変換質量分析法(FTMS)、より正確にはフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴MS は、磁場の存在下でイオンがサイクロトロン運動することによって生成されるイメージ電流を検出することによって質量を測定します。電子増倍管などの検出器でイオンの偏向を測定する代わりに、イオンはペニングトラップ(静的電気/磁気イオントラップ) に注入され、そこで実質的に回路の一部を形成します。空間内の固定位置にある検出器は、時間の経過とともに近くを通過するイオンの電気信号を測定し、周期的な信号を生成します。イオンの循環の周波数は質量電荷比によって決まるため、信号にフーリエ変換を実行することでこれをデコンボリューションできます。FTMSの利点は、高感度 (各イオンが複数回「カウント」されるため) と非常に高い解像度、したがって精度です。^{[27] [28]}

イオンサイクロトロン共鳴(ICR) は、イオンが従来の検出器で検出される点を除いて、FTMS に似た古い質量分析技術です。ペニング トラップに捕らえられたイオンは、検出器が配置されているトラップの壁に衝突するまで、RF 電界によって励起されます。異なる質量のイオンは、衝突時間に応じて分離されます。

質量分析計の最後の要素は検出器です。検出器は、イオンが表面を通過するか表面に衝突したときに誘導される電荷​​または生成される電流を記録します。スキャン装置では、スキャン中に検出器で生成される信号と、装置がスキャン中にある場所 ( m/Q が何であるか) に基づいて、 m/Qの関数としてイオンを記録する質量スペクトルが生成されます。

通常は何らかの電子増倍管が使用されるが、ファラデーカップやイオン光子検出器などの他の検出器も使用される。特定の瞬間に質量分析器から出るイオンの数は通常非常に少ないため、信号を得るにはかなりの増幅が必要になることが多い。マイクロチャネルプレート検出器は、現代の市販機器で一般的に使用されている。^[29] FTMSおよびオービトラップでは、検出器は質量分析器/イオントラップ領域内の一対の金属表面で構成され、イオンは振動しながらその近くを通過するだけである。直流電流は生成されず、電極間の回路で弱い交流イメージ電流のみが生成される。他の誘導検出器も使用されている。^[30]

タンデム質量分析計は、通常、何らかの分子フラグメンテーションによって区切られた複数回の質量分析が可能な質量分析計です。たとえば、1 つの質量分析計で、質量分析計に入る多数のペプチドから 1 つのペプチドを分離できます。次に、衝突セルがペプチドイオンをガスと衝突しながら安定化させ、衝突誘起解離(CID) によってフラグメント化します。さらに別の質量分析計が、ペプチドから生成されたフラグメントを分類します。タンデム MS は、四重極イオントラップの場合のように、時間の経過とともに単一の質量分析計で実行することもできます。タンデム MS 用に分子をフラグメント化する方法はさまざまで、衝突誘起解離(CID)、電子捕獲解離(ECD)、電子移動解離(ETD) 、赤外多光子解離(IRMPD)、黒体赤外放射解離(BIRD)、電子脱離解離(EDD)、表面誘起解離(SID) などがあります。タンデム質量分析法の重要な応用分野はタンパク質の同定である。^[31]

タンデム質量分析法は、さまざまな実験シーケンスを可能にします。多くの市販の質量分析計は、選択反応モニタリング（SRM）、前駆イオンスキャン、生成物イオンスキャン、中性損失スキャンなどのルーチンシーケンスの実行を迅速化するように設計されています。^[32]

• SRM では、最初の分析装置が単一の質量のみを通過させ、2 番目の分析装置がフルスキャンで達成できるよりも長い滞留時間にわたって複数のユーザー定義フラグメントイオンを監視します。これにより感度が向上します。
• 生成物イオンスキャンでは、最初の質量分析器は特定の前駆体イオン (「親」) を選択するように固定され、2 番目の質量分析器は衝突セルで断片化される可能性のあるすべてのフラグメント (「生成物」または「娘イオン」) を見つけるようにスキャンされます。
• 前駆体イオンスキャンでは、2 番目の質量分析器は特定のフラグメントイオン (「娘」) を選択するように固定され、1 番目の質量分析器はスキャンされて、このフラグメントを生成する可能性のあるすべての前駆体イオンが検出されます。
• ニュートラルロススキャンでは、2 つの質量分析装置が並行してスキャンされますが、分析者が関心を持つ分子サブユニットの質量によって分離されます。イオンは、フラグメンテーション中にその固定質量を失うと検出されます。これは、糖残基など、特定のニュートラル基を失う可能性のある化学物質を探すために使用できます。ニュートラルロススキャンとプリカーサーイオンスキャンを併用すると、特定のモチーフを持つ化学物質を探すことができます。

放射性炭素年代測定に使用される別のタイプのタンデム質量分析は、加速器質量分析(AMS)です。これは、通常メガボルト範囲の非常に高い電圧を使用して、負イオンを一種のタンデム質量分析計に加速します。

METLIN代謝物および化学物質データベース^{[33] [34] [35] [36]は、標準物質から取得された実験的}タンデム質量分析データの最大のリポジトリです。930,000を超える分子標準物質（2024年1月現在）^{[33] [36]}のタンデム質量分析データは、タンデム質量分析実験からの化学物質の同定を容易にするために提供されています。^[37]既知分子の同定に加えて、類似性検索/分析を使用して未知分子を識別するのにも役立ちます。^[38]すべてのタンデム質量分析データは、複数の衝突エネルギーと正と負の両方のイオン化モードでの標準物質の実験分析から得られます。^[33]

特定のソース、分析装置、および検出器の組み合わせが実際に一般的になるにつれて、それを簡潔に示す複合頭字語が生まれることがあります。1 つの例はMALDI-TOFで、これはマトリックス支援レーザー脱離/イオン化ソースと飛行時間型質量分析装置の組み合わせを指します。他の例としては、誘導結合プラズマ質量分析 (ICP-MS)、加速器質量分析 (AMS)、熱イオン化質量分析 (TIMS)、スパークソース質量分析 (SSMS)などがあります。

質量分析の特定の用途では、厳密に言えば幅広い用途を指すように思われるが、実際には特定の、または限られた数の機器構成を意味するようになった呼び名が付けられています。その一例が同位体比質量分析(IRMS) で、これは実際には限られた数のセクターベースの質量分析装置の使用を指します。この名前は、用途と用途に使用される機器の両方を指すために使用されます。

質量分析の質量分解および質量決定機能の重要な強化は、クロマトグラフィーやその他の分離技術と連携して使用することです。

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を使用してさまざまな化合物を分離します。分離された化合物の流れは、電圧が印加される金属フィラメントであるイオン源にオンラインで供給されます。このフィラメントは電子を放出し、化合物をイオン化します。その後、イオンはさらに断片化し、予測可能なパターンを生成します。無傷のイオンと断片は質量分析計の分析装置に送られ、最終的に検出されます。^[39]ただし、GC-MS 注入ポート（およびオーブン）で使用される高温（300 °C）により、注入された分子が熱分解し、実際の対象分子ではなく分解生成物が測定される可能性があります。^[40]

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、化合物をイオン源と質量分析計に導入する前にクロマトグラフィーで分離します。移動相がガスではなく液体 (通常は水と有機溶媒の混合物) である点で GC-MS と異なります。LC-MS で最も一般的に使用されるのは、エレクトロスプレーイオン化源です。その他の一般的な市販の LC-MS イオン源には、大気圧化学イオン化と大気圧光イオン化があります。レーザースプレーなどの新しく開発されたイオン化技術もあります。

キャピラリー電気泳動質量分析法（CE-MS）は、キャピラリー電気泳動の液体分離プロセスと質量分析法を組み合わせた技術です。 ^[41] CE-MSは通常、エレクトロスプレーイオン化と組み合わせられます。^[42]

イオン移動度分光法-質量分析法（IMS/MSまたはIMMS）は、イオンをまず電位勾配をかけた中性ガス中をドリフト時間で分離してから質量分析計に導入する技術である。^[43]ドリフト時間は、イオンの電荷に対する衝突断面積の測定値である。IMSのデューティサイクル（実験が行われる時間）は、ほとんどの質量分析技術よりも長いため、質量分析計はIMS分離の過程に沿ってサンプルを採取することができる。これにより、 LC-MSと同様の方法で、IMS分離とイオンの質量電荷比に関するデータが得られる。^[44]

IMSのデューティサイクルは液体クロマトグラフィーやガスクロマトグラフィーの分離に比べて短いため、これらの技術と組み合わせてLC/IMS/MSなどのトリプルモダリティを生成することができます。^[45]

質量分析はさまざまな種類のデータを生成します。最も一般的なデータ表現は質量スペクトルです。

特定の種類の質量分析データは、質量クロマトグラムとして表現するのが最適です。クロマトグラムの種類には、選択イオンモニタリング(SIM)、全イオン電流(TIC)、選択反応モニタリング(SRM) などがあります。

他の種類の質量分析データは、3 次元等高線マップとして適切に表現されます。この形式では、質量対電荷比 ( m/z)がx軸に、強度がy軸に、時間などの追加の実験パラメータがz軸に記録されます。

質量分析データの解析は、データを生成する実験の種類に特化しています。データの一般的な細分化は、あらゆるデータを理解する上で基本となります。

多くの質量分析計は、負イオン モードまたは正イオン モードのいずれかで動作します。観測されたイオンが負に帯電しているか正に帯電しているかを知ることは非常に重要です。これは中性質量を決定する上で重要になることが多いですが、分子の性質についても何かを示します。

イオン源の種類によって、元の分子から生成されるフラグメントの配列が異なります。電子イオン化源は、多数のフラグメントと、主に単電荷 (1-) ラジカル (電子の数が奇数) を生成しますが、エレクトロスプレー源は通常、非ラジカルの準分子イオンを生成しますが、これは多電荷であることが多いです。タンデム質量分析法は、意図的にイオン源の後にフラグメントイオンを生成するため、実験で得られるデータの種類を大幅に変えることができます。

サンプルの起源に関する知識は、サンプルの成分分子とその断片化についての洞察を提供します。合成/製造プロセスからのサンプルには、ターゲット成分と化学的に関連する不純物が含まれている可能性があります。粗雑に準備された生物学的サンプルには、特定の分析で分析対象分子と付加物を形成する可能性のある一定量の塩が含まれている可能性があります。

結果は、サンプルの準備方法やサンプルの実行/導入方法にも大きく左右されます。重要な例としては、MALDI スポッティングにどのマトリックスを使用するかという問題があります。これは、脱離/イオン化イベントのエネルギーの多くは、レーザー出力ではなくマトリックスによって制御されるためです。サンプルには、プロトン化種ではなく付加物を生成するために、ナトリウムまたは別のイオン輸送種がスパイクされることがあります。

質量分析法では、モル質量、分子構造、サンプルの純度を測定できます。これらの質問にはそれぞれ異なる実験手順が必要です。したがって、適切なデータを収集し、それを適切に解釈するには、実験目標を適切に定義することが前提条件となります。

分子の正確な構造やペプチド配列はフラグメント質量のセットを通じて解読されるため、質量スペクトルの解釈にはさまざまな技術を組み合わせて使用​​する必要があります。通常、未知の化合物を同定するための最初の戦略は、その実験的な質量スペクトルを質量スペクトルのライブラリと比較することです。検索で一致するものがない場合、手動解釈^[46]または質量スペクトルのソフトウェア支援解釈を実行する必要があります。質量分析計で発生するイオン化およびフラグメンテーションプロセスのコンピューターシミュレーションは、分子に構造またはペプチド配列を割り当てるための主要なツールです。事前の構造情報はコンピューター内でフラグメント化され、結果として得られるパターンが観測されたスペクトルと比較されます。このようなシミュレーションは、既知の分解反応の公開されたパターンを含むフラグメンテーションライブラリ^{[47]によってサポートされていることがよくあります。このアイデアを利用した}ソフトウェアは、小分子とタンパク質の両方に対して開発されています。

質量スペクトルの分析は、正確な質量を持つスペクトルでも可能です。整数精度の質量電荷比値 ( m/z ) は、理論的に可能なイオン構造の膨大な数を表すことができますが、より正確な質量数値は、候補となる分子式の数を大幅に減らします。フォーミュラ ジェネレーターと呼ばれるコンピューター アルゴリズムは、指定された許容値で特定の質量に理論的に適合するすべての分子式を計算します。

質量分析における構造解明のための最近の技術である前駆イオンフィンガープリンティングは、構造的に特徴付けられた前駆イオンの生成イオンスペクトルのライブラリに対して調査対象分子のタンデムスペクトルを検索することにより、個々の構造情報を識別する。^[48]

質量分析法には定性的および定量的用途の両方があります。これらには、未知の化合物の特定、分子内の元素の同位体組成の決定、および断片化の観察による化合物の構造の決定が含まれます。その他の用途には、サンプル内の化合物の量の定量化や、気相イオン化学（真空中のイオンと中性物質の化学）の基礎研究などがあります。MSは現在、さまざまな化合物の物理的、化学的、または生物学的特性を研究する分析ラボで一般的に使用されています。定量化は、相対的（参照サンプルと比較して分析）または絶対的（標準曲線法を使用して分析）に行うことができます。^{[49] [50]}

分析技術として、次のような明確な利点があります。分析装置が質量電荷フィルターとしてバックグラウンド干渉を低減するため、他のほとんどの分析技術よりも感度が高く、特徴的なフラグメンテーション パターンから優れた特異性が得られ、未知の物質を識別したり、疑わしい化合物の存在を確認したりできる。分子量に関する情報、元素の同位体存在比に関する情報、時間的に分解された化学データ。

この方法の欠点としては、光学異性体と幾何異性体、および芳香族環の o-、m-、p- 位の置換基の位置を区別できないことがよくあることです。また、同様の断片化イオンを生成する炭化水素の識別には適用範囲が限られています。

質量分析法は、サンプル内の元素の同位体組成を決定するためにも使用されます。元素の同位体間の質量の差は非常に小さく、元素のより少ない同位体は通常非常にまれであるため、非常に感度の高い機器が必要です。これらの機器は、同位体比質量分析計 (IR-MS) と呼ばれることもあり、通常、単一の磁石を使用してイオン化された粒子のビームを一連のファラデーカップに向けて曲げ、粒子の衝撃を電流に変換します。水の重水素含有量の高速オンライン分析は、流動残光質量分析法(FA-MS)を使用して行うことができます。この目的に最も感度が高く正確な質量分析計は、おそらく加速器質量分析計(AMS) です。これは、究極の感度を提供し、個々の原子を測定し、主要な安定同位体に対して約 10 ¹⁵のダイナミック レンジで核種を測定できるためです。 ^[51]同位体比は、さまざまなプロセスの重要なマーカーです。いくつかの同位体比は、炭素年代測定などのように物質の年代を決定するために使用されます。安定同位体による標識は、タンパク質の定量にも使用されます。（下記のタンパク質特性評価を参照）

膜導入質量分析法は、同位体比MSとガス透過膜で分離された反応室/セルを組み合わせたものである。この方法では、溶液中で発生するガスを研究することができる。この方法は、光化学系IIによる酸素生成の研究に広く使用されている。^[52]

いくつかの技術では、フロー チューブまたはドリフト チューブに注入された専用イオン ソースで生成されたイオンを使用します。選択イオン フロー チューブ(SIFT-MS) とプロトン移動反応(PTR-MS) は、空気、呼気、または液体ヘッドスペースの微量ガス分析専用の化学イオン化のバリエーションであり、明確に定義された反応時間を使用して、内部標準やキャリブレーションを必要とせずに既知の反応速度論から分析対象物の濃度を計算できます。

微量ガス分析分野で応用されている別の技術は、二次エレクトロスプレーイオン化（SESI-MS）であり、これはエレクトロスプレーイオン化の変形である。SESIは、中性蒸気と相互作用する純粋な酸性溶媒のエレクトロスプレープルームで構成される。電荷がエレクトロスプレーで形成されたイオンから分子に移動すると、蒸気分子は大気圧でイオン化される。このアプローチの利点の1つは、ほとんどのESI-MSシステムと互換性があることです。^{[53] [54]}

原子プローブは、飛行時間型質量分析法と電界蒸発顕微鏡法 を組み合わせて、個々の原子の位置をマッピングする装置です。

薬物動態は、マトリックス（多くの場合、血液または尿）の複雑な性質と、低用量および長時間のデータを観察するための高感度の必要性から、質量分析法を使用して研究されることが多い。このアプリケーションで使用される最も一般的な機器は、トリプル四重極質量分析計を備えたLC-MSです。タンデム質量分析法は、通常、特異性を高めるために採用されます。標準曲線と内部標準は、通常、サンプル中の単一の医薬品の定量に使用されます。サンプルは、医薬品が投与され、その後代謝または体内から排出されるさまざまな時点を表します。投与前に採取されたブランクまたはt = 0サンプルは、バックグラウンドを決定し、このような複雑なサンプルマトリックスでデータの整合性を確保する上で重要です。標準曲線の直線性には多くの注意が払われますが、ほとんどの質量分析計の応答は広い濃度範囲にわたって直線的ではないため、2次関数などのより複雑な関数で曲線フィッティングを使用することは珍しくありません。 ^{[55] [56] [57]}

現在、マイクロドージング研究における超高感度質量分析法の使用に大きな関心が寄せられており、これは動物実験の有望な代替手段と考えられています。

最近の研究では、二次エレクトロスプレーイオン化（SESI）は呼気分析による薬物動態のモニタリングに強力な技術であることが示されています。^{[58] [59]} 呼気は自然に生成されるため、複数のデータポイントを簡単に収集できます。これにより、収集されるデータポイントの数を大幅に増やすことができます。^[60] 動物実験では、このSESIアプローチにより動物の犠牲を減らすことができます。^[59]人間では、呼気のSESI-MS非侵襲分析により、薬物の動態を個人レベルで研究することができます。^{[58] [61] [62]}

質量分析は、タンパク質の特性評価と配列決定に重要な方法です。タンパク質全体のイオン化には、エレクトロスプレーイオン化(ESI) とマトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI) という 2 つの主な方法があります。利用可能な質量分析計の性能と質量範囲に合わせて、タンパク質の特性評価には 2 つのアプローチが使用されます。最初のアプローチでは、完全なタンパク質が上記の 2 つの技術のいずれかによってイオン化され、質量分析装置に導入されます。このアプローチは、タンパク質分析の「トップダウン」戦略と呼ばれます。ただし、トップダウン アプローチは、主に低スループットの単一タンパク質研究に限定されています。2 番目のアプローチでは、タンパク質は、トリプシンやペプシンなどのプロテアーゼを使用して、溶液または電気泳動分離後のゲルで、より小さなペプチドに酵素分解されます。他のタンパク質分解剤も使用されます。ペプチド生成物のコレクションは、質量分析装置に導入される前に、クロマトグラフィーによって分離されることがよくあります。ペプチドの特徴的なパターンをタンパク質の同定に使用する方法はペプチドマスフィンガープリンティング（PMF）と呼ばれ、タンデムMS分析で決定された配列データを使用して同定が行われる場合は、デノボペプチドシーケンシングと呼ばれます。これらのタンパク質分析手順は「ボトムアップ」アプローチとも呼ばれ、タンパク質のリン酸化などの翻訳後修飾の分布と位置を分析するためにも使用されています。^[63] 3番目のアプローチも使用され始めており、この中間の「ミドルダウン」アプローチでは、典型的なトリプシンペプチドよりも大きいタンパク質分解ペプチドを分析します。^[64]

分析の標準的な方法として、質量分析計は他の惑星や衛星にも導入されている。バイキング計画によって2台が火星に持ち込まれた。2005年初頭、カッシーニ・ホイヘンス計画は、土星最大の衛星タイタンの大気圏にホイヘンス探査機に搭載された特殊なGC-MS装置を運んだ。この装置は降下軌道に沿って大気サンプルを分析し、探査機が着陸するとタイタンの凍った炭化水素で覆われた表面のサンプルを気化させて分析することができた。これらの測定は、各粒子の同位体の豊富さを地球の天然豊富さと比較する。^[65]また、カッシーニ・ホイヘンス探査機にはイオンおよび中性質量分析計が搭載されており、タイタンの大気組成とエンケラドゥスの噴煙の組成を測定していた。熱および発生ガス分析質量分析計は、2007年に打ち上げられた火星フェニックス着陸機に搭載された。^[66]

質量分析計はプラズマの組成を測定するために宇宙ミッションでも広く使用されています。例えば、カッシーニ宇宙船はカッシーニプラズマ分光計（CAPS）^{[67]を搭載し、土星の}磁気圏内のイオンの質量を測定しました。

質量分析計は1975年頃から世紀末まで、病院で呼吸ガス分析に使用されていました。おそらくまだ使用されているものもありますが、現在製造されているものはありません。^[68]

主に手術室に設置されていたこれらの装置は、複雑なシステムの一部であり、麻酔中の患者の呼吸ガスサンプルが、最大 32 室を質量分析計に順番に接続するように設計されたバルブ機構を通じて装置に取り込まれました。システムのすべての操作はコンピューターによって制御されていました。質量分析計から収集されたデータは、麻酔科医が使用できるように各部屋に配信されました。

この磁場型質量分析計のユニークな点は、サンプルに含まれると予想されるすべてのイオン種を収集するように意図的に配置された検出器の平面により、患者が呼吸するすべてのガスを同時に報告できることであった。質量範囲は120 uをわずかに超える範囲に制限されていたが、一部の重い分子が断片化することで、より高い検出限界が必要なくなった。^[69]

質量分析法の主な機能は、イオンの質量電荷比による検出と定量化に基づく化学分析ツールとしての機能です。しかし、質量分析法は材料合成にも有望です。^[51]イオンソフトランディングは、入射種の断片化を防ぐ低運動エネルギーで表面に無傷の種を沈着させることが特徴です。^[70]ソフトランディング技術は、1977年に鉛表面での低エネルギー硫黄含有イオンの反応について初めて報告されました。^[71]

• 質量スペクトルに関するインタラクティブチュートリアル 国立高磁場研究所
• 質量分析計シミュレーション 質量分析計のコンソールをシミュレートするインタラクティブなアプリケーション
• リアルタイム質量スペクトルシミュレーション ブラウザで質量スペクトルをシミュレートするツール