Technical Review

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Technical Review

ガスクロマトグラフィータンデム質量分析（GC/MS/MS）の基礎と環境分析での利用について
笠松隆志

The basics of gas chromatography tandem mass spectrometry (GC/MS/MS) andapplication for selective and quantitative analysis of environmental samples
Takashi Kasamatsu
Agilent Technologies Japan, Ltd., Application Center
4−16−36 Shibaura, Minato−ku, Tokyo 108−0023, Japan

Abstract
In the analysis by gas chromatography mass spectrometry (GC/MS), the demand of high selectivity and high sensitivity is becoming severe.
However, in analysis of polychlorinated biphenyl (PCB) and odorant in drinking water, interference by internal standard may occur, and inanalysis of pesticides, interference by other analytes and unwanted substances from sample may occur at low concentration. In such cases,analysis may be difficult by selected ion monitoring (SIM) of GC/MS, but analysis by gas chromatography tandem mass spectrometry (GC/MS/MS) is effective. In this paper, the basic theory, effect and its example of application of GC/MS/MS are explained.
Keywords: gas chromatography mass spectrometry (GC/MS), gas chromatography tandem mass spectrometry (GC/MS/MS), high selectivity,high sensitivity（SIM）モードだけでは検出が難しい可能性もある。試料中１．はじめにガスクロマトグラフィー質量分析法（GC/MS）はその感に夾雑成分がたくさん存在している場合には、試料中の夾雑度と質量選択による選択性、あるいはマススペクトルによる成分と目的成分を分ける手法としては、前処理技術の検討も定性が可能という利便性からいろいろな物質の分析に利用さ考えられるが、限界はある。また、前処理をある程度した後れている。しかしながら、環境分析などにおいては、分析機はクロマトグラフで分離を行うが、すべての試料に適用でき器の性能向上とともに同時に検出する目的成分も増え、さらるかどうかは分からず、ある試料では分析可能だが、他の試には検出しなくてはならない濃度も下がるなど、絶えず高感料では分析不可能であるということも考えられる。そこで、度に検出することが要求されている。また、より複雑な試料考えられる手法が検出器により選択性を持たせるという方法の中から目的成分を検出しなくてはならないこともあり、ガである。ガスクロマトグラフ（GC）の場合には、含有するスクロマトグラフ質量分析計（GC−MS）の選択イオン検出元素に選択的に応答する炎光光度検出器（flame photometric

アジレント・テクノロジー株式会社〒１０８―００２３ 東京都港区芝浦４―１６―３６
Tel:０１２０―４７７―１１１
Fax:０１２０―５６５―１５４
E−mail: takashi.kasamatsu@agilent.com―９７―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)detector, FPD）などの選択性がある検出器が存在するが、質４．MS/MS で使用される用語と動作量分析計にもアナライザーに工夫をしたタンデム質量分析計

四重極の MS/MS において、衝突誘起解離を行うために（MS/MS 装置）というものが存 在 す る。MS/MS 装 置にはQ１を通過させる特定のイオンをプリカーサイオンと呼ぶ。

様々なアナライザーの組み合わせがあるが、ここでは操作性

プリカーサイオンはコリジョンセルにおいて不活性ガスと衝がよく環境分析に最も適用しやすい四重極タイプの GC−MS/突を行い、別のイオンを生成する（CID）。これら生成した

MS 装置をメインに原理等を解説し、その適用例などを紹介

イオンをプロダクトイオンと呼ぶ。プロダクトイオンの一部する。

が Q３を通過して検出される。このとき、各四重極の動作と、Q１または Q３のどちらの四重極の動作に対応してプロダクトイオンの量をモニターしたかによっていろいろなデー

２．GC/MS/MS の構成
現在一般的に用いられている四重極タイプの MS/MS 装置

タを得ることができる。また、プロダクトイオンの生成量はは Figure１のような構成をしている。普通の四重極質量分析

CID において与えられるコリジョンエネルギーや不活性ガス計（シングル四重極 MS）と同様に試料をイオン化するイオの量によって変化する。

ン源、その次に四重極が配置されている。シングル四重極
MS ではこの後に検出器が配置されるが、MS/MS 装置では５．MS/MS の動作モード

その間にコリジョンセル（四重極、六重極等種々のタイプあ四重極アナライザーを持った質量分析計では、全イオン検り）と四重極が配置される。コリジョンセルは MS/MS 特有

出と選択イオン検出といったモードで動作させることが可能

dissocia-である。MS/MS 装置においてもそれぞれの四重極においてtion, CID）を起こす場所で、不活性ガスが導入できるように同様の動作をさせることが可能である。ここでは、その動作なっている。また、２つの四重極は通常のシングル四重極モードについて解説する。のプロセスである衝突誘起解離（collision−inducedMS と 同 様、全 イ オ ン 検 出（ス キ ャ ン）、選 択 イ オ ン 検 出（SIM）と同等の動作を独立して設定することができ、いろ（１） プロダクトイオンスキャン

いろな動作モードで分析をすることが可能である。ここでプロダクトイオンスキャンでは、Q１で特定のイオン（プは、便宜上四重極タイプの MS/MS 装置を QqQ（Q は四重極リカーサイオン）を選択してコリジョンセルに導入し、CIDアナライザー、q はコリジョンセル）として表すとすると、によって得られるイオン（プロダクトイオン）を、Q３をス１番目の質量分離を行う四重極を Q１、２番目の質量分離をキャンモードで動作させることによって検出する。このデー行う四重極を Q３として表現することができ、以降このようタからは、プリカーサイオンからの開裂によってできるイオに表記する。

ンを知ることができる。このモードはより高感度な分析をするための準備（マルチプルリアクションモニタリング分析の準備）に使用されたり、物質の構造を調べたりするのに使用

３．衝突誘起解離される。

イオンがその周辺に存在する気体分子と衝突をすると、イオンの運動エネルギーの一部が内部エネルギーに変換され、衝突活性化されたイオンは解離する[1]。MS/MS ではコリ（２） マルチプルリアクションモニタリング（MRM）

ジョンセルに衝突ガスである不活性ガスを導入し、コリジョMRM は選択反応モニタリング（SRM）とも呼ばれる。

ンエネルギーに関する電圧を調整しながら与えることによっ

MS/MS 装置における CID では、プリカーサイオンなどのてイオンの解離をコントロールすることができるような仕組

条件をそろえれば、同じ物質からは基本的に同じプロダクトみになっている。

イオンが生成する。測定したい物質と条件が決まっていれ

Figure 1. A structure of GC−MS/MS. (Quadrupole type)―９８―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Takashi Kasamatsu

ば、全範囲をモニターしてイオンを検出するよりも、出てくいう化合物の m/z＝１０９をモニターイオンとした時のプリると予想されるプロダクトイオンだけをモニターした方が選

カーサイオンスキャンの例を示す。

択性および感度の点で有利となる（シングル四重極 MS でのスキャンと SIM の関係）。このモードでは、Q１でプリカー（４） ニュートラルロススキャンサイオンを選択して、コリジョンセルにおいて CID を行っニュートラルロススキャンでは、Q１をスキャンモードでた後、Q３でも特定のプロダクトイオンをモニターする（こ動作させ、Q３は CID によってロスする質量の分だけ小さくのプリカーサイオン、コリジョンエネルギー、モニターイオ

した範囲（ただしスキャンする質量範囲の幅は同じ）でスンのセットをトランジションと呼ぶ）。両方の四重極で特定キャンをしながらモニターする。このことにより、特定の質のイオンをモニターするため選択性が高く、夾雑物質の影響量を CID によってロスするイオンをモニターすることが可が心配される試料中のターゲット物質の検出、定量などに用能になる。環境分析には適用例は少ないが、塩素、臭素、フッいられる。トランジションの切り替えは、SIM と同様高速素等のニュートラルロスを利用した有機ハロゲン物質の網羅に切り替えられるので、GC での分離と組み合わせることに的な分析などが発表されている[2,3]。

よって、数百という多成分分析にも対応できる。高選択性、（５） ニュートラルゲインスキャン

高感度が要求される環境分析においては、もっとも利用価値ニュートラルゲインスキャンでもニュートラルロススキャが高いモードである。

ン同様、Q１、Q３をスキャンモードで動作させる。ニュートラルロススキャンでは Q１のほうが高質量側をスキャンす（３） プリカーサイオンスキャン
プリカーサイオンスキャンでは、Q１をスキャンモードでるが、ニュートラルゲインスキャンではコリジョンセルでプ動作させ、Q３は特定のイオンをモニターする。このことにリカーサイオンに付加すると予想される中性分子の分だけより、CID によって得られたイオンがどのようなイオンからQ３のほうが高質量側をスキャンする。

由来したかを知ることができる。Figure２にジクロルボスとFigure 2. An example of precursor ion scan spectrum. (Compound: Dichlorvos)

Table 1. Analysis mode which is able to be performed by GC/MS/MS.
モード

Q１

コリジョンセル

Q３

プロダクトイオンスキャン
マルチプルリアクションモニタリング
プリカーサイオンスキャン

SIM
SIM
スキャン

ON
ON
ON

スキャン
SIM
SIM

ニュートラルロススキャン

スキャン

ON

ニュートラルゲインスキャン

スキャン

ON

全イオン検出（スキャン）
選択イオン検出（SIM）

スキャン
SIM

OFF
OFF―９
９―

Q１のほうが高質量側をスキャンする（例えば Q１で m/z＝１５０−５５０、Q３で m/z＝１００−５００をスキャンなど）
Q３のほうが高質量側をスキャンする（例えスキャン ば Q１で m/z＝１００−５００、Q３で m/z＝１５０−５５０をスキャンなど）
スキャン

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Figure３のようになってしまう。これは、ジェオスミンの濃四重極の MS/MS 装置で可能な測定方法と各四重極の動作度が低くなると、内部標準由来の m/z＝１１２のイオンの影響の関係をまとめると Table１のようになる。

を無視できなくなるからである。このような場合に MS/MS装置を使用すると、低濃度のジェオスミンにおいても内部標６．MS/MS 分析のメリット
環境分析において、MS/MS 法を採用するにあたっての一準の影響をほとんど受けることなく分析が可能となる。

番大きなメリットはその選択性にある。１回の分析で非常にFigure４はジェオスミンの MS/MS トランジションである１１２多くの成分を分析すると、GC オーブンの昇温条件の工夫だ→９７と、ジェオスミン―d３の MS/MS トランジションである

けでは分離が不十分な場合がある。さらに質量分析計におけ１１５→９７をプロットしたもの（MRM クロマトグラム）である特徴的なイオンの検出でも対応できない場合がある。このる。このように内部標準の影響はほとんど受けずに分析するような場合に MS/MS 装置が非常に有効となる。Figure３おことが可能となる。厳密な意味ではジェオスミン―d３も m/z＝よび４にかび臭原因物質での例を示す。Figure３ではイオン１１２をわずかながら持っているため、このイオンからの開裂トラップ MS によるスキャン分析の例を、Figure４では MS/で m/z＝９７を生成する可能性があるが、測定が要求される１MS 装置による分析例を示す。かび臭原因物質の分析では、ppt 濃度とブランクの比較をすると、影響はほとんどないと内部標準物質として対象物質となっているジェオスミンの重考えられる。

水素化体であるジェオスミン―d３を使用する場合がある。通また、ダイオキシン類の分析でも同様のことが起こる。ダ

常定量分析を行う際に使用するイオンは、ジェオスミンではイオキシン類の分析では１３C 等でラベルされた内部標準物質

m/z＝１１２、ジェオスミン―d３では m/z＝１１５である。ジェオスを使用して分析を行う必要がある。例えば、Figure５に示しミンの濃度がある程度高い場合には、ジェオスミンの定量にたペンタクロロジベンゾダイオキシン（PeCDDs）は内部標使用する m/z＝１１２のマスクロマトグラムはきれいに出現す準物質であるペンタクロロジベンゾフランの１３C 体（１３C−る。しかし、ジェオスミンの濃度が低くなり、内部標準の濃PeCDF）と保持時間が重なるが、高分解能測定ではモニター度が相対的に高くなると、m/z＝１１２のマスクロマトグラムはす る イ オ ン が PeCDDs は m/z＝３５３．
８５７６や３５５．
８５４６、１３C−

Figure 3. The interference of geosmin’s quantitative ion by ion of internal standard at low concentration (Ion Trap MS).

―１００―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Takashi Kasamatsu

Figure 4. MRM chromatogram of geosmin without interference by internal standard at low concentration.

Figure 5. Low resolution mass spectra (left) and MS/MS spectra (right) of PeCDD (upper) and 13C−PeCDF (lower).

―１０１―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

PeCDF の場合は m/z＝３５１．
９０００や３５３．
８９７０となるので、干渉（２） プロダクトイオンスキャン分析によるプロダクトイオなく分析ができるが、シングル四重極 MS のような低分解能ンからモニターイオンを選択での測定では対象成分と内部標準物質のモニターイオンが重選択したプリカーサイオンに対して CID を行い、生成すなってしまう。このような場合も MS/MS 装置を使用すれるプロダクトイオンから実際に分析に使用するイオン（モニば、それぞれのプロダクトイオン（Figure５の例では PeCDDターイオン）の候補を選択する作業を行う。この段階では各が m/z＝２９５と２９３、１３C−PeCDF で は m/z＝２８６と２８８）は 干 渉

イオンの生成に最適なコリジョンエネルギーは分からないのを起こさないので、測定が可能となる。現在、日本ではダイで、コリジョンエネルギーの値は大まかに設定して分析を行

オキシン類の簡易測定法として、磁場型、四重極と並んでイえばよい。Figure６にフェニトロチオンを例にプリカーサイオントラップ型の GC−MS/MS での測定が認められているオンの選択とモニターイオンの選択の様子を示す。

[4,5]。
これらの例では、分析対象成分同士の干渉の事例を示して（３） 最適なコリジョンエネルギーの検討いるが、同時に分析する成分が増えれば増えるほど、このよFigure６の通り、コリジョンエネルギーによってプロダクうなことが起こる可能性が増えると考えられる。また、標準

トイオン生成量がかなり変わることがわかる。そこで、細か品の測定では対象成分同士の影響を回避することができてくコリジョンエネルギーを設定した MRM 分析を行い、それも、これに試料からの夾雑成分が加われば、さらに状況は複ぞれのプロダクトイオンを最大限に得られるコリジョンエネ雑になり、分析が難しくなる可能性が増える。このような場

ルギーを検討する。Table２にその一例としてフェニトロチ合には MS/MS 装置の使用は非常に有効になると考えられオンのトランジションの検討を示す。それぞれのトランジる。

ションにおいて最大ピーク面積を与えるコリジョンエネル
ギーを実際の分析におけるコリジョンエネルギーとして採用する。

７．MRM 分析を行う際の手順とポイント
MS/MS 分析を行う場合には、各化合物に応じて MS/MS

現在市販の GC−MS/MS 装置では農薬等の化合物について測定条件（たいていの場合はトランジション）を設定する必はあらかじめトランジションが用意されていることが多く、要がある。とくに MRM 分析を行う場合は、ターゲットとなこのような場合には、保持時間の確認を行って分析メソッドる物質（目的成分）が決まっていることが多く、その物質をを設定すればよいだけとなるが、各試料において、そのトラいかに高感度に検出できるかということが重要な課題となンジションが目的成分の検出に有効かどうかの確認は必要とる。したがって、その物質が検出できるように適切な条件をなる。

設定しなくてはならない。一般的な MS/MS 分析条件の作成手順としては、（１）全イオン検出測定による目的成分の保持（４） 分析メソッド作成のポイント

時間の確認とプリカーサイオンの選択、（２）プロダクトイオMS/MS 分析は、その高選択性により、S/N 比としての感ンスキャン分析によるプロダクトイオンからモニターイオン度向上を見込むことができる。化合物によっても異なるが、を選択、（３）最適なコリジョンエネルギーの検討、（４）最終的シングル四重極 MS の SIM モードと比較して Figure７のよな MRM メソッドの作成、そして分析となる。

うにイオンの強度は１／１０程度に減少する。そのため、干渉が全くない場合やノイズが検出されない場合には、SIM モー（１） 全イオン検出測定による目的成分の保持時間の確認とドのほうが感度良く検出できることもある。また、CID にプリカーサイオンの選択よって質量の小さいイオンをモニターすることになるので、MS/MS の測定条件検討の際には一般に確実に検出できる

最初から低質量のイオンしか生成しない化合物の分析には向濃度の標準品を注入して行う。GC の条件は最終的な MS/MSかないことが多い。このような場合、化学イオン化（CI）や測定のメソッドを想定して設定を行うようにすると後で保持誘導体化等を使ってより高質量のイオンを得ることができれ時間の再確認をする必要がなくなる。また選択性が上がるた

ば、そのような方法と組み合わせて使用することにより MS/め、一般にはシングル四重極 MS で測定する場合よりも分離MS 装置を使用することができる可能性がある。ジメチルアは気にしなくてもよくなる場合が多い。プリカーサイオンはミンの分析などはその一例となる[6]。

スキャンによって検出されるすべてのイオンが候補になる

また、MRM モードで多成分一斉分析を行う際には、１が、MS/MS 測定では CID によって生成するイオンの質量はピークあたりのデータポイント数についても注意する必要が低質量側にシフトする。その生成量は元のイオンより減るこある。一つのトランジションのデータを取り込む時間は一般とになるので、なるべく高質量で強度の強いものを選択するに Dwell Time と呼ばれており、この値を小さくすることにとよい。あるいは、選択性をあげる観点から、なるべく試料

よって、多数のトランジションを切り替えて実行することが中の夾雑成分に含まれないイオンを選択する方法もある。

できる。しかし、Dwell Time を短くしすぎると、（見かけ上のピークトップの強度が変わるわけではないが）モニター時―１０２―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Takashi Kasamatsu

Figure 6. Selection of precursor ions for fenitrotion MRM analysis and product ion scan spectra of fenitrotion(precursor ion m/z＝277).

Table 2. Examination of searching the most comfortable collisionenergy for fenitrotion transitions. (A name means appliedcollision energy. For example, 4 volt collision energy isapplied at CE4.)に取り込むイオン量が少なくなり、ピーク形状に影響を与えTransition 277→109 Transition 277→260

る。通常の場合、GC 分析におけるピークは５、６秒である

Name

Date File

RTArea

CE0
CE2
CE4
CE6
CE8
CE10
CE12
CE14
CE16
CE18
CE20
CE22
CE24

CE0.D
CE2.D
CE4.D
CE6.D
CE8.D
CE10.D
CE12.D
CE14.D
CE16.D
CE18.D
CE20.D
CE22.D
CE24.D

10.50
10.50
10.50
10.50
10.50
10.50
10.50
10.50
10.50
10.5010.5010.5010.50

124333204175284161354962482180519208584377582104＊635650615331566714588284513843

たり、S/N 比が悪くなったりする。また、長すぎるとデータポイントの間隔が長くなり、ピークトップを外し、測定精度を下げる可能性などがあるため、適度な値にする必要があAreaことが多く、１ピークあたりのデータポイントは最低でも１０353455＊＊402721
362217274104220743128958
80249
42701
24199
11787
6091
4023
2322

〜１２程度（できれば２０程度）必要とされている。これと同時にモニターするトランジションの数を考慮して Dwell Timeの値を設定する。具体的には、ピークの出現時間が５秒としてデータポイントを仮に１２個とるとすると、０．
４秒程度に１ポイント必要となる。０．
４秒に１データポイントとした場合のトランジション数と Dwell Time の関係は Table３のようになる。
８．MS/MS 分析のアプリケーション
現在、MS/MS 分析はその高選択性から夾雑成分の多い試料とされる食品中の残留農薬分析で多く使用されており、ほ＊277→109 の最適なコリジョンエネルギー：16V
277→260 の最適なコリジョンエネルギー：2V

とんどの場合はこの目的で使用されている。同じ農薬分析と＊＊いうことで、環境水中等の農薬分析などにも応用が可能である。MS/MS の選択性から分離にもあまりこだわる必要な
く、多成分であっても高速分析が可能となる（Figure８）。
また、前章でダイオキシン類の分析について触れたが、そ―１０３―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Figure 7. SIM chromatogram (m/z＝201) and MRM chromatogram (m/z＝201→173) of simazine.

Table 3. A relation of dwell time and number of transitions. (In thecase of data point interval as 0.4 second.)
Number of transitions

Dwell time

1104080400400 msec
40 msec
10 msec
5 msec1 msecFigure 8. Fast analysis for pesticides in drinking water by GC/MS/MS.
(Upper) Analysis using common column.
(Lower) Analysis using shorter and narrower column for fast analysis.

―１０４―

CHROMATOGRAPHY, Vol.33 No.2 (2012)

Takashi Kasamatsu

p. 220．

れと似たような物質として、ポリ塩化ビフェニル（PCBs）[2] 橋 本 俊 次；高 澤 嘉 一；伊 藤 裕 康；田 邊の分析にも MS/MS 分析は応用でき、トランスオイル中のPCBs 分析の公定法にも採用されている[7]。

潔；柴 田 康行． 第１９回環境化学討論会要旨集 ，2010，p. 720．
[3] 橋 本 俊 次；頭 士 泰 之；高 澤 嘉 一；伏 見 暁 洋；田 邊
潔；柴田康行；家田曜世；神田広興． 第２０回環境化学９．まとめ
四重極タイプの MS/MS は多彩な分析モードを使用できる

討論会要旨集 ，2011，p. 128−129．
[4] 環境省水・大気環境局水環境課． 底質のダイオキシンが、その中でも環境分析に要求されるターゲットを決めた微量定量分析には MRM モードが有効であると考えられる。

類簡易測定法マニュアル ，2009．

MRM モードはその高選択性から、夾雑成分や干渉する成分[5] 環境省水・大気環境局水環境課． 土壌のダイオキシン

類簡易測定法マニュアル ，2009．の影響を減らして分析することが可能で、高感度かつ多成分[6] 杉立久仁代． 第２２回クロマトグラフィー科学会議（仙一斉分析が可能なので、環境分析の様々なところで活躍する台）ワークショップ B―やさしい環境分析の基礎―発可能性を秘めていると考えられる。

表要旨 ，2011，p. 21 – 30．
[7] 環境省大臣官房廃棄物・リサイクル対策部産業廃棄物

文献[1] J. R. CHAPMAN． 有機質量分析法 ；土屋正彦；田島進；平岡賢三；小林憲正

課． 絶縁油中の微量 PCB に関する簡易測定法マニュア

共訳．丸善＆ WILEY ，1995，

ル（第３版），2011．

―１０５―