質量分析法

以下では、セクター型質量分析計の単純な動作原理について説明する。その他のタイプの質量分析計については、後述の通りである。

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（ガス化）され、イオン化（電気的に帯電した粒子に変換）されて、ナトリウムイオン（Na ⁺）と塩化物イオン（Cl ⁻）になります。

ナトリウム原子およびイオンは単一同位体であり、質量は約23ダルトン（記号：Da、旧記号：u）である。塩化物原子およびイオンには、質量が約35u（天然存在比約75％）と約37u（天然存在比約25％）の2つの安定同位体が存在する。

分光計のアナライザー部には電場と磁場があり、これらの場を通過するイオンに力が作用する。荷電粒子の速度は電場を通過する際に増減し、磁場によってその方向が変化する。

移動するイオンの軌道の偏向の大きさは、その質量電荷比に依存します。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されます（ニュートンの運動第二法則、F = maに基づく）。

磁気分離されたイオンの流れは分析装置から検出器へと送られ、検出器は各イオン種の相対存在量を記録します。この情報は、元の試料の化学元素組成（すなわち、試料中にナトリウムと塩素の両方が存在すること）と、その構成元素の同位体組成（^35Clと^37Clの比率）を決定するために使用されます。

ハードイオン化法とは、イオン化後も対象分子に多量の残留内部エネルギーを与える手法のことである。このエネルギーの一部は、イオン内の化学結合を切断することによって散逸し、多数の断片ラジカルイオンを生成する。生成されるイオンは、プロトン移動の場合や同位体ピークを除き、分子イオンよりもm/z値が低くなる傾向がある。ハードイオン化の最も一般的な例は、電子イオン化（EI）である。

最初のイオン化後に生成されるラジカルイオンは、第二世代生成イオンと呼​​ばれます。これらの生成物は、反発電極によって質量分析計へと導かれます。イオン化プロセスは、多くの場合、予測可能な開裂反応を経てフラグメントイオンを生成します。これらのフラグメントイオンは、検出および信号処理を経て、分析対象物に関する構造情報を提供します。

一方、ソフトイオン化法とは、対象分子にほとんど残留エネルギーを与えず、結果として断片化をほとんど起こさないイオン化法のことである。例としては、高速原子衝撃イオン化（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）などが挙げられる。

電子イオン化（EI）では、高エネルギー電子は熱陰極によって生成されます。熱陰極とは、電流を流して加熱されたワイヤーフィラメントであり、熱電子放出によって高エネルギー電子を生成します。生成された電子は陽極に向かって加速されます。陰極と陽極間の電圧差によって電子流のエネルギーが決まります。^{[ 11 ]：第3.3章}

ほとんどの有機化合物のイオン化エネルギーは8～15 eVですが、経験的に、電子ビームのエネルギーが電子1個あたり50～70 eVでない限り、イオン化効率は低すぎます。フラグメンテーションパターンを含むスペクトル特性は、エネルギー設定に依存します。慣例として、EIでは電子エネルギーは正確に70 eVに標準化されています。したがって、EI-MSの結果を標準データベースと比較したり、標準データベースに追加できる結果を生成したりする場合は、EI電子エネルギーを70 eVに標準化する必要があります。^{[ 11 ]：第3.3章}

EIは、分子リークからのガス流を入力として受け取る。ガス流は電子流と垂直に交差する。この衝突によってガス流はイオン化される。イオン流は、一連の電極によって加速される。通常、1電子を運ぶイオンは1～10keVまで加速される。^{[ 11 ]：第3.3章}

EI法は、小型有機分子のルーチン質量分析において多くの利点がある。安価で堅牢であり、再現性の高いスペクトルが得られる。EIスペクトルのデータベースは広く利用可能であり、多くの分子を網羅している。^{[ 11 ]：第3.3章}

EIは、ほとんどの生体分子のような大きな分子には適していません。EIは難易度の高い技術であり、大きな分子は特に断片化されやすいため、飛行中に大きな分子イオンを分解する傾向があります。さらに、大きな分子は熱による分解を受けずに揮発させるのは困難です。^{[ 11 ]：第3.3章}

化学イオン化（CI）では、分析対象物はイオン化された試薬ガス（EIなどの何らかの手法でイオン化されたもの）との化学反応によってイオン化されます。分析対象ガスと試薬ガスが接触し、反応します。この反応により、プロトン移動、電子移動、付加体形成など、さまざまなメカニズムによってイオン化された分析対象物の断片が生成されます。その後、イオンはEIと同様に静電的に加速されます。CIイオン源はEIイオン源と類似しており、最新の質量分析計のほとんどは、数分でEIモードからCIモードに切り替えることができます。^{[ 11 ]： Ch.3.3}

効率を確保するため、試薬の量は分析対象物よりもはるかに多くなります。その結果、大量の試薬イオンが質量分析計に流入することになります。これは通常、試薬イオン流中の主要成分のm/z値よりも高いm/z値を持つスペクトル部分のみを測定することで対処されます。^{[ 11 ]： Ch.3.3}

CI-MSに用いられる一般的なイオン化試薬には、メタン、アンモニア、イソブタン、メタノールなどがある。効率的なイオン化を確保するためには、試薬ガスと試料のプロトン親和性を一致させる必要がある。試薬ガスのプロトン親和性が高すぎるとイオン化効率が低下し、低すぎるとフラグメンテーションが過剰になる。^{[ 11 ]： Ch.3.3}

例えば：^{[ 11 ]：第3.3章}

• 試薬がメタンの場合、主な反応はプロトン移動M + CH ₅ ⁺ → (MH) ⁺ + CH ₄です。
• 試薬がアンモニウムの場合、主な反応はプロトン移動M + NH ₄ ⁺ → (MH) ⁺ + NH ₃です。
• 試薬がイソブタンの場合、反応はプロトン移動M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (MH) ⁺ + (CH ₃ ) ₂ C=CH ₂または付加体形成M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (M · C(CH ₃ ) ₃ ) ^{+ と}なる可能性がある。
• CIは、プロトン引き抜きまたは付加体形成によって負電荷を持つ分析対象イオンを生成することもできる。例えば、イオン化されたNF ₃にはプロトンを引き抜くF ⁻が含まれている。

エレクトロスプレーイオン化（ESI）とサーモスプレーイオン化（TSI）は、高分子量生体分子やその他の不安定または非揮発性化合物、特にLC-MSシステムに適しています。どちらの場合も、分析対象物は溶液中に存在します。溶液は、エレクトロスプレーまたはサーモスプレーによってミスト状に噴霧され、その後蒸発してイオン流となります。TSIは、ほとんどの用途においてESIに取って代わられています。^{[ 11 ]： 3.3節}

TSIでは、溶液が加熱された毛細管に入り、液滴の噴霧を生成します。溶媒が蒸発すると、イオン化された分析対象物が残ります。イオン化は、次の3つのプロセスによって起こり得ます。

• 分析対象物質は溶液中で既にイオンの形で存在しており、溶媒が蒸発するにつれて脱着される。
• 酸塩基転移。溶媒が緩衝溶液の場合、分析対象物質は緩衝液とプロトンを交換することでイオン化します。このイオン化方法は、液体クロマトグラフィーで使用される液体が既に緩衝溶液であるため、LC-MSに適しています。
• プラズマスプレーイオン化、またはフィラメントオン方式。スプレー中の溶媒は、高エネルギー電子ビームによって電子イオン化される。イオン化された溶媒は、分析対象物を化学的にイオン化する。

ESIでは、溶液は高電圧（通常2～5kV）に保持されたキャピラリーに入り、乾燥ガス（通常窒素）の逆流に逆らって加熱チャンバー内にエレクトロスプレーされます。これにより溶媒分子が蒸発します。液滴が蒸発するにつれて電荷密度が増加し、静電エネルギーが表面張力エネルギーを上回って液滴が爆発します。このプロセスが繰り返され、溶媒を含まないイオンストリームで終了します。イオン化は次のように起こります。^{[ 11 ]：セクション3.3}

• 蒸発過程における液滴内の電荷濃度。
• 毛細管の静電ポテンシャルに起因する電気化学プロセス。

TSIとは異なり、ESIで生成される分析対象イオンは、溶液中の同じ分析対象物質が持つ電荷量とは異なる電荷を持つ可能性があります。つまり、溶液中でM ⁺として自然に存在する分析対象物質は、 M ⁺、M2 ⁺、M3 ⁺などの混合物を含むイオンの流れになる可能性があります。大きな分子は多くの電荷を持つことができます。典型的なタンパク質は、塩基性アミノ酸側鎖の存在により多くのプロトンを持つことができ、その結果、分子量約200,000 Daのタンパク質ではm/z = 600～2000にピークが現れます。これは、イオンが一般的な質量分析計のm/z制限を超えないことを意味するため、都合が良いです。 ^{[ 11 ]：セクション3.3}

脱離イオン化（DI）は、イオン化技術の一種です。主な例としては、二次イオン質量分析法（SIMS）、高速原子衝撃法（FAB）、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）が挙げられます。DIでは、試料はマトリックスに溶解または分散され、高エネルギー（1～10 keV）のイオン（SIMS）、中性原子（FAB）、または光子（MALDI）のビームによって照射されます。ビームは試料分子の一部をイオン化し、マトリックスから脱離させます。その後、イオンはEIと同様に静電的に加速されます。^{[ 11 ]： 3.3節}

マトリックスは不揮発性で比較的不活性である必要があり、分析対象物と反応しないようにする必要があります。また、イオン形成を可能にする優れた電解質である必要があります。マトリックス自体のイオン化断片は通常、${\displaystyle m/z\lesssim 600}$そのため、スペクトログラムは通常その部分をフィルタリングします。^{[ 11 ]：第3.3節}

SIMSとFABは非常によく似ています。SIMSは通常Ar ⁺またはCs ⁺イオンビームを使用し、FABは通常ArまたはXe中性原子ビームを使用します。SIMSとFABでは、マトリックス化合物が分析対象物よりも酸性が強い場合、主に(M + H) ⁺が形成され、逆に(M − H) ⁻が形成されます。また、マトリックスがナトリウム、カリウムなどで偶発的に（偶発的に）汚染されている場合は、(M + Na) ⁺、(M + K) ⁺などが形成される可能性もあります。代表的なマトリックス材料には、グリセロール、チオグリセロール、3-ニトロベンジルアルコール、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ジチオスレイトール-ジチオエリスリトール混合物などがあります。これらは通常、20 kDaまでのポリペプチドおよびオリゴヌクレオチドの分析に使用されます。 ^{[ 11 ]： 3.3節}

MALDEは光子ビーム、通常は337 nmの軟紫外窒素レーザーを使用します。また、ゲルや薄層クロマトグラフィー（TLC）プレートに含まれるサンプルを直接分析するために、赤外線（IR）レーザーを使用することもできます。MALDEは、約1 kDaの低分子ポリマーから、オリゴ糖、オリゴヌクレオチド、ポリペプチド、抗体、そして約300 kDaの低分子タンパク質まで分析できます。非常に高感度で、フェムトモル量のサンプルしか必要としません。^{[ 11 ]： 3.3節} 

シリコン上での脱着/イオン化（DIOS）はMALDEに似ていますが、マトリックスがありません。サンプルはナノ構造（多孔質シリコン）表面に直接堆積され、レーザー光エネルギーの吸収によってナノ構造表面から直接脱着されます。DIOSは、有機分子、代謝物、生体分子、ペプチドの分析、そして最終的には組織や細胞のイメージングに使用されています。^{[ 15 ]}

誘導結合プラズマ（ICP）源は、主に様々な種類の試料の陽イオン分析に用いられます。この源では、全体として電気的に中性でありながら、高温によって原子の大部分がイオン化されたプラズマを用いて、導入された試料分子を原子化し、さらにそれらの原子から外殻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。これは、アルゴン原子の第一イオン化エネルギーが、He、F、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く、最も電気陽性な金属を除くすべての元素の第二イオン化エネルギーよりも低いためです。加熱は、プラズマを囲むコイルに高周波電流を流すこと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的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用いる実験で使用できます。^{[ 16 ]}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な気体分子を解離します。シンクロトロン光源を使用する場合、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でき、これを電荷比m/zと組み合わせて分子種およびイオン種のフィンガープリントに使用できます。最近では、主にLC-MSシステムの流出物として分子をイオン化するために、大気圧光イオン化（APPI）が開発されました。

環境イオン化の応用例としては、環境分野への応用や臨床分野への応用が挙げられます。これらの技術では、質量分析計の外部にあるイオン源でイオンが生成されます。サンプルは事前に分離や前処理をする必要がないため、サンプリングが容易になります。環境イオン化技術の例としては、リアルタイム直接分析（DART）、DESI、SESI、LAESI、大気圧化学イオン化（APCI）、脱離大気圧化学イオン化（DAPCI）、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）、スパークイオン化、熱イオン化（TIMS）などがある。^{[ 17 ]}

真空中の電場および磁場における荷電粒子の運動は、以下の2つの法則によって支配される。

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

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$（非相対論的な場合におけるニュートンの運動第二法則、すなわちイオンの速度が光速よりはるかに低い場合にのみ有効である。）

ここで、Fはイオンに加わる力、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はイオンの速度と磁場のベクトル積である。

イオンに加わる力に関する上記の式を等しいとおくと、次のようになる。

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

この微分方程式は、荷電粒子の古典的な運動方程式です。粒子の初期条件と合わせて、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「質量電荷比分析計」と考えることができます。データを提示する際には、イオン上の素電荷( e )の数 (z = Q/e) である(公式には)無次元のm/zを使用するのが一般的です。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の比を表しています。

分析装置にはいくつかの重要な特性があります。

質量分解能${\displaystyle \Delta (m/z)}$は、特定のm / zにおけるm/zの最小検出可能差であり、通常はミリ質量単位（mDa）で測定されます。特に、分解能はm/zによって異なる場合があります。これは通常、そのm/zにおけるピークの半値全幅として定義されます。

解像度は比率です${\displaystyle {\tfrac {m/z}{\デルタ (m/z)}}}$単位はありません。「高分解能」質量分析計の分解能は通常100万以上です。具体的には、約1 kDaの2つのピークを、わずか約1 mDaの差で分離できることを意味します。

絶対精度は、 m/z測定誤差と真のm/zの比です。これは次のように定義されます。${\displaystyle |(m/z)_{\text{測定値}}-(m/z)_{\text{真値}}|}$相対精度は${\displaystyle {\tfrac {|(m/z)_{\text{measured}}-(m/z)_{\text{true}}|}{(m/z)_{\text{true}}}}}$単位はありません。

質量範囲とは、特定の分析装置が分析できるm/z値の範囲のことです。

速度とは、単位時間あたりに生成できるスペクトル線の数を指します。一般的に、分解能が高いほど速度は遅くなり、その逆もまた然りです。フーリエ変換質量分析計など、一部の質量分析計では、速度と分解能の間で連続的なトレードオフが可能です。

セクター型質量分析計は、静電気場および／または静磁場を用いてイオンビームの経路を制御する。最も一般的なタイプは磁場を用いる。

単純化された場合、場は定数場である。${\displaystyle B}$、そして質量が のイオンがあります${\displaystyle m}$そして料金を請求する${\displaystyle ze}$速度で垂​​直に場に進入する${\displaystyle v}$そして、電場内でイオンは半径の円運動をする。${\displaystyle R={\tfrac {v(m/z)}{Be}}}$イオン化装置が既知の電圧でイオンを加速した場合${\displaystyle V}$すると、イオンの運動エネルギーは${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$^{（ 11 ）第3.4}節$${\displaystyle m/z={\frac {eR^{2}B^{2}}{2V}}}$$このように、単一の入力イオンビームはイオンビームの扇状に分析され、m/z値の高いイオンほど大きな半径で回転します。その後、可動式の狭いスリットを使用することで、特定のm/z値を選択できます。固定式の狭いスリットを使用することもできますが、その場合、${\displaystyle V}$または${\displaystyle B}$。

検出器が1つしかない場合、分析器は一度に1つのスリットで質量スペクトルを走査できます。検出器が複数あると、分析速度が向上します。^{[ 18 ]}

純粋な磁場セクターアナライザーでは、分解能が約10,000に達する。磁場セクターの前または後に静電集束磁場を追加することで、アナライザーの分解能は約100,000に達する。^{[ 11 ]：第3.4節}

特に不安定なイオンは、分析装置を通過する際に崩壊する可能性がある。分析装置に入るときに反応M ^z+ → M' ^z+ + (その他の部分)を起こすと、半径の円運動を起こすことになる。${\displaystyle R'={\tfrac {v(m'/z)}{Be}}}$すると、結果として得られるスペクトログラムには、明らかにイオンによって生成されたピークとして現れるだろう。${\displaystyle (m^{*}/z)=({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$実際の質量を持つイオンは存在しないため${\displaystyle m^{*}}$これは異常ピーク、または準安定イオンピークと呼ばれます。一般に、準安定イオンピークは、非常に非整数値を中心とした幅広いピークです。${\displaystyle m^{*}/z}$準安定イオンピークの存在${\displaystyle ({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$質量が 2 つのイオンであるという強力な証拠があります${\displaystyle m/z,m'/z}$実際には、反応M ^z+ → M' ^z+ + (その他の部分)によって関連付けられています。^{[ 11 ]：セクション3.5}

飛行時間型（TOF）分析装置は、短いイオンパルスを入力として受け取り、それを長い真空管に通します。異なるm/z値を持つイオンは、管の終端に異なる時間で到達するため、分析が可能になります。イオンはパルスとして管に入射する必要があります。そうでなければ、TOFを測定できないからです。イオン化装置が連続的なイオンストリームを出力する場合は、高速機械式シャッター、振動電場と狭いスリットなどの方法を用いて、イオンパルスに分割する必要があります。MALDIイオン化装置は、MALDIで使用されるレーザーが通常高強度パルスレーザーであるため、TOF分析装置に特に適しています。MALDI-TOFは、わずか数アトモルの物質を用いて質量スペクトルを測定することを可能にしました。^{[ 11 ]：第3.4節}

具体的には、アナライザーの長さを${\displaystyle L}$すると、速度のイオンが${\displaystyle v}$分析装置を通過するには${\displaystyle t=L/v}$。 以来${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$^{[ 11 ]：第3.4}節$${\displaystyle m/z={\frac {2eV}{L^{2}}}t^{2}}$$多くの場合、入力イオンはすでにm/zに濃縮されています。つまり、入力中の各イオンは${\displaystyle m/z=\delta (m/z)+(m/z)_{0}}$、 どこ${\displaystyle (m/z)_{0}}$は定数であり、${\displaystyle \delta (m/z)\ll (m/z)_{0}}$その場合、$${\displaystyle m/z=(m/z)_{0}+{\frac {4eVt_{0}}{L^{2}}}\delta t}$$これは、トリガーモードのオシロスコープで信号を測定できることを意味します。実際、最初のGC-MSは1950年にオシロスコープを使用して行われました。実験者は、ガスクロマトグラフィー装置から出てくる各成分について、オシロスコープの画面を素早く撮影しました。^{[ 19 ]}

この速度分布はカウント対m/zプロットに表示されるピークを広げますが、イオンの開始速度は一般的にゼロを中心としているため、ピークの中心位置は一般的に変わりません。この問題を解決するために、時間遅延フォーカシング/遅延抽出がTOF-MSと組み合わされています。^{[ 20 ]}イオンが同じ運動エネルギーで開始しない場合、一部のイオンはより高い運動エネルギーのイオンに遅れて、分解能が低下する可能性があります。この問題を修正するために、リフレクトロンジオメトリが一般的に使用されます。^{[ 21 ]}

チューブが長いほど分解能は高くなります。リフレクターは有効チューブ長を2倍にします。リフレクターTOFは数千の分解能に達することができます。TOF質量分析計は分解能が低いものの、その分速度が速いという利点があります。特に化学反応速度論の研究に有用です。燃焼や爆発などの高速反応を研究することができます。^{[ 11 ]：第3.4節}

四重極質量分析計は、 4本の平行な金属棒を用いて無線周波数（RF）で振動する四重極電場を生成し、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させる。

各振動パターンにおいて、通過するイオンはらせん運動をします。イオンのm/zが一定の範囲内であれば、らせん運動は安定します。そうでなければ、イオンがロッドに衝突するまで、らせん運動の振幅は増大します。つまり、狭い範囲のm/zを持つイオンのみが通過できるということです。ロッドの電位を連続的に、または離散的なステップで変化させることにより、全スペクトルを走査することができます。

これらは通常、分解能が約1000と低いが、安価で小型であるため、「デスクトップ」質量分析計に適している。^{[ 11 ]：セクション3.4}

四重極質量フィルターは、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、捕捉されたイオンを収集するのではなく、捕捉されなかった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。四重極イオントラップ自体は、イオントラップアナライザーのように、アナライザーとして使用できます。

透過型四重極の一般的なバリエーションとして、三重四重極質量分析計があります。「三重四重極」は3つの連続した四重極ステージを備えており、最初の四重極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（衝突室）に送ります。衝突室では、そのイオンがフラグメントに分解されます。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送ります。これは一種のMS/MSであり、MS/MSに特徴的な様々なスキャンタイプを実行できます。

磁気強化型四重極質量分析器は、軸方向または横方向の追加磁場を備えている。^{[ 22 ] [ 23 ]}

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質量分析法（FT-ICR MS）は、磁場の存在下でらせん状に運動するイオン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（静電/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、時間とともにその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。イオンの周期はm/z比によって決まるため、この信号をフーリエ変換することでデコンボリューションできます。 ^{[ 29 ] [ 30 ]}

イオンサイクロトロン共鳴（ICR）は、古くからある質量分析法です。イオンがサイクロトロン共鳴を起こすという点ではFTMSと似ていますが、イオンは従来型の検出器で検出されます。ペニングトラップに捕捉されたイオンは、検出器が設置されているトラップの壁に衝突するまで、高周波電場によって励起されます。質量が異なるイオンは、衝突時間に応じて分離されます。

FTMSは一般的に市場で最も高感度な分析装置であり、分解能は約100万です。各イオンが分光計によって複数回「カウント」されるため、このような高分解能を実現できます。信号処理の不確定性原理の観点から見ると、時間的に高度に非局在化した振動信号は、周波数的にも高度に局在化しています。

オービトラップ

オービトラップ分析装置はFTMS分析装置と類似しています。イオンは、中心にある紡錘形の電極の周囲を軌道状に静電的に捕捉されます。電極はイオンを閉じ込め、イオンは中心電極の周囲を周回すると同時に、中心電極の長軸に沿って往復振動します。この振動によって検出器プレートにイメージ電流が発生し、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依存します。質量スペクトルは、記録されたイメージ電流をフーリエ変換することによって得られます。

オービトラップは、高い質量精度、高い感度、そして広いダイナミックレンジを備えています。また、非常に小型です。^{[ 31 ]}

化学組成は同じでも、同位体（同位異性体）が異なる化学種が存在する。これらは非常に基本的な分析装置で区別することができる。実際、同位体は質量分析法の歴史のごく初期にあたる1922年に発見された。

しかし、2つの化学種が同じ数の核子（中性子と陽子）を持つこともあります。例えば、C3とSH4_{はどちらも36個の核子を持っています。陽子と中性子の質量が1.4 mDa異なること、そして異なる原子核は}異なる結合エネルギーを持つことから、これらは区別できます。${\displaystyle E=mc^{2}}$結果として質量が異なります。最終的な結果として、C ₃とS ₁ H ₄は 3.4 mDa 異なります。同位体を注意深く一致させることで、さらに小さな差も達成できます。たとえば、 C ₄とS ₁ H ₃ ¹³ C _{1 は} 1.1 mDa 異なります。このような差は、100 万を超える分解能に達する高分解能質量分析法によって分解でき、m/z ~ 1000 で約 1 mDa の差を分解するのに十分です。電子質量は 0.5 mDa であることに注意してください。^{[ 32 ]}

高分解能MSには多くの技術がありますが^{[ 33 ]}、最高の分解能は高磁場FTMSによって達成されます。磁場強度が増加すると、分解能とスペクトル取得速度は直線的に増加し、質量精度とダイナミックレンジは2乗的に増加します^{[ 34 ]} 。したがって、最高の分解能は最大21テスラの高磁場FTMSによって達成されます。m/z ~ 400で270万を超える分解能と80 ppb未満の質量測定精度に達します^{[ 35 ] [ 32 ]。}

石油産業には多額の資金があり、石油の組成は非常に複雑であるため、これらは地球化学および石油化学の研究によく用いられる。 ^{[ 32 ]}もう一つの応用例は、大型タンパク質の同位体分析である。単一の同位体原子が異なる2つのタンパク質は、${\displaystyle \Delta m\approx 1}$解決を必要とする${\displaystyle m/\Delta m}$分解するには、m > 100 kDa、z ~ 50 の大きなタンパク質（モノクローナル抗体など）の場合、m/z ~ 2000 で 100,000 を超える分解能を達成するアナライザーが必要です。^{[ 35 ]}

高分解能FTMSは検出器としても非常に高感度です。これにより、約30ゼプトモル（つまり約20,000個の分子）のサンプル濃度で8～20 kDaの範囲のタンパク質を検出することが可能になりました。^{[ 36 ]}

単一イオン種の質量を測定する場合、達成可能な最高の精度はペニング型トラップによるものです。例えば、PENTATRAPは、長寿命で高電荷の重イオンの質量を、${\displaystyle m/\Delta m>10^{11}}$^{[ 37 ]}これは、質量エネルギー方程式を介して準安定電子状態のエネルギーを約1 eVの精度で直接測定するのに十分な感度を持っている。^{[ 38 ]}

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。この手法では、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。イオンはさらに断片化して、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アナライザーに送られ、最終的に検出されます。^{[ 50 ]}しかし、GC-MSの注入ポート（およびオーブン）で使用される高温（300 ℃）により、注入された分子が熱分解し、その結果、目的の実際の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。^{[ 51 ]} 

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）では、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。GC-MSとの違いは、移動相が気体ではなく液体（通常は水と有機溶媒の混合物）である点です。LC-MSでは、エレクトロスプレーイオン化源が最も一般的に使用されます。その他、市販されているLC-MSイオン源としては、大気圧化学イオン化と大気圧光イオン化があります。レーザースプレーイオン化など、新たに開発されたイオン化技術もいくつかあります。

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。^{[ 52 ]} CE-MSは通常、エレクトロスプレーイオン化と組み合わされます。^{[ 53 ]}

イオン移動度分光法質量分析法（IMS/MSまたはIMMS）は、イオンをまず印加された電位勾配の下で中性ガス中をドリフト時間によって分離してから質量分析計に導入する技術です。^{[ 54 ]}ドリフト時間は、イオンの電荷に対する衝突断面積の尺度です。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法よりも長いため、質量分析計はIMS分離の過程に沿ってサンプリングできます。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ます。^{[ 55 ]}

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による分離に比べて短いため、これらの技術と組み合わせることができ、LC/IMS/MSのようなトリプルモダリティを実現できる。^{[ 56 ]}

質量分析法は様々な種類のデータを生成する。最も一般的なデータ表現は質量スペクトルである。

質量分析データの中には、質量クロマトグラムとして表現するのが最適なものがあります。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など、数多くの種類があります。

その他の種類の質量分析データは、3次元等高線図としてよく表現されます。この形式では、質量電荷比（m/z）がx軸に、強度がy軸に、そして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、データが生成された実験の種類によって異なる。データの一般的な分類は、あらゆるデータを理解する上で基本となる。

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な場合が多いですが、分子の性質についても何らかの情報を提供します。

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種類は異なります。電子イオン化イオン源は多くのフラグメントと、主に単電荷（1-）ラジカル（奇数個の電子）を生成しますが、エレクトロスプレーイオン源は通常、非ラジカル準分子イオンを生成し、それらはしばしば多価イオンです。タンデム質量分析法は、イオン源の後にフラグメントイオンを意図的に生成するため、実験で得られるデータの種類を大きく変えることができます。

試料の由来を知ることで、試料を構成する分子とその断片化に関する知見が得られる。合成・製造工程由来の試料には、目的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高い。粗雑に調製された生物学的試料には、一定量の塩が含まれている可能性が高く、特定の分析において分析対象分子と付加物を形成する可能性がある。

結果は、試料の調製方法や試料の導入方法にも大きく左右される。重要な例として、MALDIスポットにどのマトリックスを使用するかという問題が挙げられる。脱離／イオン化反応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ある。場合によっては、プロトン化種ではなく付加物を生成するために、試料にナトリウムやその他のイオン運搬種を添加することもある。

質量分析法は、モル質量、分子構造、試料の純度を測定できる。これらの各項目にはそれぞれ異なる実験手順が必要となるため、適切なデータを収集し、正しく解釈するためには、実験目標を明確に定義することが不可欠である。

質量分析法は、試料中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、元素の存在量の少ない同位体は通常非常にまれであるため、非常に高感度の装置が必要です。軽元素（H、C、N、O、Sなど）の測定には、通常、同位体比質量分析計は、単一の磁石を使用してイオン化粒子のビームを一連のファラデーカップに曲げ、粒子の衝突を電流に変換します。フローイングアフターグロー質量分析法（FA-MS）を使用すると、水の重水素含有量を高速オンライン分析できます。この目的に最も高感度で正確な質量分析計はおそらく加速器質量分析法です。これは、加速器質量分析法が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。 [ 61 ]}同位体シグネチャは、さまざまなプロセスのマーカーとして使用できます。同位体比は、例えば炭素年代測定のように、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）。

いくつかの手法では、専用のイオン源で生成されたイオンをフローチューブまたはドリフトチューブに注入して使用します。選択イオンフローチューブ（SIFT-MS）およびプロトン移動反応（PTR-MS）は、化学イオン化の一種で、空気、呼気、または液体ヘッドスペースの微量ガス分析に特化しており、明確に定義された反応時間を使用して、内部標準や校正を必要とせずに、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。

微量ガス分析分野に応用されているもう 1 つの技術は、エレクトロスプレーイオン化の一種である二次エレクトロスプレーイオン化(SESI-MS) です。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ています。蒸気分子は、エレクトロスプレーで生成されたイオンから分子に電荷が移動すると、大気圧でイオン化されます。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。^{[ 63 ] [ 64 ]} 

原子プローブとは、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特定する装置である。

薬物動態学は、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見るための高感度の必要性から、質量分析法を用いて研究されることが多い。この用途で最も一般的に使用される機器は、トリプル四重極質量分析計を備えたLC-MSである。特異性を高めるために、通常はタンデム質量分析法が用いられる。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る。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除去される際の異なる時点を表す。投与前に採取されたブランクまたはt=0サンプルは、このような複雑なサンプルマトリックスでバックグラウンドを決定し、データの完全性を確保するために重要である。標準曲線の直線性には多くの注意が払われるが、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、二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も珍しくない。^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}

超高感度質量分析法を微量投与研究に利用することへの関心が現在非常に高まっており、これは動物実験に代わる有望な方法と見なされている。

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モニタリングに有効な手法であることが示されています。^{[ 68 ] [ 69 ]}呼気は自然に生成されるため、複数のデータポイントを容易に収集できます。これにより、収集できるデータポイントの数を大幅に増やすことができます。^{[ 70 ]}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。^{[ 69 ]}ヒトでは、SESI-MS による非侵襲的な呼気分析により、薬物の動態を個別レベルで研究することができます。^{[ 68 ] [ 71 ] [ 72 ]}

質量分析法は、タンパク質の特性解析および配列決定において重要な手法です。全タンパク質をイオン化する主な方法は、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）の2つです。利用可能な質量分析計の性能と質量範囲に応じて、タンパク質の特性解析には2つのアプローチが用いられます。1つ目は、無傷のタンパク質を上記の2つの手法のいずれかでイオン化し、質量分析計に導入する方法です。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ます。2つ目は、タンパク質をトリプシンやペプシンなどのプロテアーゼを用いて、溶液中または電気泳動分離後のゲル中で、より小さなペプチドに酵素的に消化する方法です。他のタンパク質分解剤も使用されます。ペプチド生成物の集合体は、質量分析計に導入する前に、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使用してタンパク質を同定する場合、その方法はペプチド質量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を行う場合は、 de novo ペプチドシーケンスと呼ばれます。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の分析にも使用されています。^{[ 73 ]} 3 番目のアプローチも使用され始めており、この中間的な「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。^{[ 74 ]}

質量分析計は分析の標準的な方法として、他の惑星や衛星にも導入されています。2台はバイキング計画によって火星に運ばれました。2005年初頭、カッシーニ・ホイヘンス計画では、土星最大の衛星タイタンの大気圏を通過するホイヘンス探査機に搭載された特殊なGC-MS装置が届けられました。この装置は降下軌道に沿って大気サンプルを分析し、探査機が着陸した後、タイタンの凍結した炭化水素で覆われた表面のサンプルを蒸発させて分析することができました。これらの測定値は、各粒子の同位体の存在量を地球の自然存在量と比較したものです。^{[ 75 ]}カッシーニ・ホイヘンス探査機には、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イオンおよび中性質量分析計も搭載されていました。2007年に打ち上げられた火星フェニックス着陸機には、熱発生ガス分析質量分析計が搭載されていました。 ^{[ 76 ]}

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。たとえば、カッシーニ探査機にはカッシーニプラズマ分光計（CAPS）^{[ 77 ]}が搭載されており、土星の磁気圏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。おそらく今でも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。^{[ 78 ]}

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、麻酔を受けている患者の呼吸ガスサンプルが、最大32室を質量分析計に順次接続するように設計されたバルブ機構を通して装置に吸い込まれる仕組みになっていた。システム全体の操作はコンピュータによって制御されていた。質量分析計から収集されたデータは、麻酔科医が使用するために各部屋に送られた。

この磁場セクター質量分析計の独自性は、サンプル中に存在す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という点にあったのかもしれません。質量範囲は120 uをわずかに超える程度に制限されていましたが、より重い分子の一部が断片化することで、より高い検出限界の必要性がなくなりました。^{[ 79 ]}

質量分析法の主な機能は、イオンの質量電荷比に基づいてイオンを検出および定量化する化学分析ツールとしてです。しかし、質量分析法は材料合成にも有望です。^{[ 61 ]}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堆積させることを特徴としています。^{[ 80 ]}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。^{[ 81 ]}

ほとんどの質量分析計は質量電荷比を測定します。実際の質量は、電荷がわかっている場合にのみ求められます。小さな分子の場合、電荷は同位体ピークの間隔から決定できますが、非常に大きな生体分子や粒子（メガダルトン範囲）の場合、同位体ピークを分離するのに十分な分解能が得られない場合があり、そのため質量を決定できません。電荷検出質量分析法（CDMS）では、個々のイオン/粒子の電荷が（質量電荷比とともに）直接測定されるため、真の質量がわかります。これは単一粒子技術ですが、より精密で正確な結果を得るために、個別に測定された多数のイオンからのデータを組み合わせることができます。^{[ 82 ] [ 83 ]}