質量分析：原理、歴史、手法、用途

基本工程と作動原理

大半の装置では、工程は相互に連結した一連の段階として進む。まず試料を導入し、必要に応じて気化させる。次にイオン化し、加速させ、電場や磁場への応答に応じて分離した後、最終的に検出する。質量スペクトルと呼ばれる信号パターンは、異なる質量電荷比におけるイオンの相対存在量を示す。分析者はこれを解釈し、成分の同定と量の推定を行う。

1. 導入と気化。固体または液体試料を、質量分析計の真空環境に適合する状態にする。この工程には、揮発化、熱脱離、または前段の分離工程からトランスファーラインを介した移送が含まれる。
2. イオン化。中性分子を荷電種へ変換する。イオン化は高エネルギーでフラグメンテーションを伴うこともあれば、ソフトな条件で分子イオンを保つこともある。
3. 加速と収束。電場によってイオンを加速し、イオンビームを収束させて、制御されたエネルギーで質量分析部へ導入する。
4. 質量分析（分離）。イオンがどの程度偏向されるか、または移動にどれだけ時間を要するかに基づいてイオンを分離する。これらの性質はm/zに依存する。
5. 検出。イオンが検出器に到達すると、存在量に比例した電気信号を生じる。コンピュータはこの信号を、解釈のためのスペクトルに変換する。

イオン化法と質量分析部

イオン源と質量分析部の選択肢が多様であるため、質量分析は幅広い分析対象に適用できる。代表的なイオン化法には、小さく揮発性の分子に適する電子イオン化、極性生体分子に広く用いられるエレクトロスプレーイオン化（ESI）、大型生体分子に有用なマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）がある。これらは、分子をどの程度フラグメント化するか、また一価イオンと多価イオンのいずれを生じるかという点で異なる。

• 質量分析部：飛行時間型（TOF）、四重極型、イオントラップ型のほか、Orbitrapやフーリエ変換装置などの高分解能分析部がある。それぞれ、分解能、質量範囲、速度、感度の間で異なるトレードオフを持つ。
• タンデム質量分析（MS/MS）：質量選択とフラグメンテーションを連続して行うことで、特定のイオンを単離し、これをフラグメント化して断片を記録し、構造の解明を可能にする。

歴史と発展

荷電粒子の分析に関する基礎的研究は、20世紀初頭にさかのぼる。最初の質量分析写真器は、イギリス出身の物理学者であるJ・J・トムソンによって開発された。彼は荷電粒子の偏向を測定し、同位体を同定した。その学生や後継者は装置と技術を改良し、たとえばフランシス・アストンは実用的な質量分析写真器と同位体同定を発展させた。それ以来、この分野は大型の真空装置から、日常的な実験室利用や現場利用が可能な、コンパクトで高感度の装置へと進化してきた。

用途と例

質量分析は現在、多くの科学的・産業的活動を支えている。生化学研究ではペプチドやタンパク質の同定および配列決定に、化学では有機・無機の化合物の特性評価に用いられる。応用分野では、微量成分、汚染物質、同位体比の検出を通じて、農業、醸造、食品加工、地質学、石油探査を支援する。質量分析計は、複雑な混合物を分析し、定量性と同定能を向上させるため、クロマトグラフィーなどの分離法と日常的に連結して用いられる。

長所、限界、重要な区別

質量分析の長所には、高感度、高い特異性、および分離技術と組み合わせた際に複雑な混合物を分析できる能力がある。限界としては、イオン化可能な試料を必要とすること、スペクトル解釈を複雑にする可能性があるフラグメンテーション、装置の費用と保守が挙げられる。ソフトイオン化とハードイオン化、単段型とタンデム型、低分解能と高分解能の分析部といった装置間の違いによって、特定の課題への適性が決まる。意味のある再現性の高い結果を得るには、イオン源、分析部の種類、試料前処理を慎重に選ぶことが不可欠である。

総じて、質量分析は、荷電粒子の物理的測定を化学的同一性および構造と結び付ける、汎用性の高い分析プラットフォームである。継続的な技術改良により、科学、医学、産業、宇宙研究にわたる応用は拡大し続けている。

関連資料：m/zの基本概念、荷電粒子の挙動、粒子の種類、分子質量、化学的同定、試料前処理、分子分析、ペプチドマスフィンガープリンティング、化合物の特性評価、歴史的背景、主要人物、初期の装置、産業利用：醸造、産業利用：食品、産業利用：地質学、産業利用：石油、クロマトグラフィーとの連結。