分析の原理 36 質量分析④

飛行時間形質量分析計の原理と応用
八巻 聡（株式会社島津製作所）【概要】

出す必要がある。TOF-MS は原理上、一連のイ原子・分子の重さを調べるには体重計のようなオン群が検出器に到達した後に次のイオン化を行

ハカリは使えず、質量分析計では電場、磁場などうため、レーザーイオン化のようにパルス状にイの中でのイオンの運動を利用する。得られるデー

オン導入する手法が適している。

タはマススペクトルであり、目的成分の質量情報や含有量情報を読み取ることができる。本稿では、近年のライフサイエンスの発展に大きく貢献した質量分析計のうち、飛行時間形質量分析計（timeof ﬂight mass spectrometer: TOF-MS）について述べる。飛行時間形質量分析計は、特に分子量が数十万に及ぶタンパク質など生体物質の同定、定性

図１ 飛行時間形質量分析計の模式図に利用されたことから生化学の分野で広まり、今日では合成ポリマーなどの高分子や、医薬品、代謝物などの低分子の精密測定にも用いられている。

２．原理
TOF-MS ではイオン化部で生成したイオンは、１．はじめに一定の電圧 V によって加速される。イオンには
式１に示す電圧に応じた運動エネルギー E が与質量分析計はイオン化部、質量分離部、検出部えられ、フライトチューブ内を速度 v で等速飛に分かれ、質量分離部でイオンは m/z によって行する（q: イオンの電気量、V：加速電圧、m:分離されるが、イオンの質量分離には種々の機構

イオンの質量、v: イオンの速度）。

がある。TOF-MS は、イオンの速度を利用する

式１が、装置の基本構成は高真空容器内のイオン加速のための電極と検出器のみといえる（図１）。イ

単位：m（kg）、q（C）、V（volt）

オン化部において生じた試料分子のイオンは、グリッド電極と対向する電極の間に印加した電位差

飛行距離を L とし、q=ze（z: 電荷数、e: 電気により加速され、フライトチューブ内に導入され素量）を代入すると、フライトチューブを横切る。同時に加速された複数のイオンは無電場領域

り検出器に到達するイオンの飛行時間 t は式 2 にのフライトチューブを、質量に応じた一定の速度よって示される。

で直線状に飛行し検出器に到達する。この一定距
式２離のイオンの飛行時間からイオンの質量を算出する。質量分析では電気的に中性な分子を測定できないので、目的成分を気相中にイオンの形で取り

単位：t（秒）、L（m）

JAIMA Season 2016 Spring3

式２において距離 L、加速電圧 V、電気素量 eなどの混合物や Na-TFA などクラスターイオンはそれぞれ定数となるため、飛行時間 t は m/zが用いられる。近年ではフライトチューブの温調のルートに比例することが分かる。一定飛行距離により外部の温度変化が原因の飛行時間のバラツ

では質量が小さいイオンは早く、質量の大きいイキを抑えるなど、飛行時間の精度を高める機構

オンは遅く検出器に到達することになり、この時を組み入れることにより、外部標準法でも 5ppm間差は質量差に変換できる。

程度の質量誤差で測定できるようになった。

式２において各項目の単位を、t（μ秒）、L（cm）、m（u または Da）、z（イオンの価数）、V（volt）とすると以下の式が得られる。

３．応用
TOF-MS は 広 い 適 用 分 子 量 範 囲 を 持 ち、 また各種イオン化法と組み合わせることで広範な式３化 合 物 の 分 析 に 用 い ら れ る。TOF-MS は 特 に
MALDI と接続することで微量のタンパク質やペここで V=10 kV、L=100 cm とした場合、分プチドの分析に汎用的に用いられている。シナピ

子量約 150 kDa のタンパク質である IgG の飛行ン酸などのマトリックスと試料を試料ホルダに塗時間は 0.3 ミリ秒以下と算出される。TOF-MS

布・乾燥させ微細な結晶に調製したのち、イオンはイオンの到着時間を測るだけであり、データ取化部に設置し、レーザー光を当てる。エネルギーり込みの間隔を延ばせば延ばしただけ、高質量のはマトリックスを介して対象成分に移り、これらイオンの測定に対応できるという特徴がある。

をイオン化させる。MALDI は溶媒に可溶で不揮発性であれば様々な生体関連物質、高分子をイオ

TOF-MS にはリニア TOF と分解能を向上させン化でき、分離精製無しで混合試料の直接分析がたリフレクター TOF があり、図２のように切り可能なことから、未知試料を予備的に分析するの替えによって両モードが使える装置もある。レーにも役に立つ。

ザー照射から加速電圧印加の間に若干の時間差を持たせる遅延引き出し法の採用とあわせ、分解能20,000 を超える装置も市販されている。

a）TOF-MS による高分子の分析
図３に MALDI-TOF-MS による免疫グロブリン G（IgG）の測定結果を示す。IgG は分子量約150 kDa のタンパク質であるが pmol オーダーの試料量で分子量測定が可能である。図３ではイオン化の際に生じたと考えられる多量体のイオンが確認されるが、分子量 58 万 Da のイオンが測定できている。またタンパク質の酵素消化ペプチドの MS/MS スペクトルを測定し、データベース検索することによりタンパク質の同定を行うことも、プロテオーム解析での有効な手段である。こ図２ 市販の MALDI-T0F-MS の構成図のほかタンパク質の翻訳後修飾の解析や、各種誘導体化法と組み合わせタンパク質の量的変動の網

TOF-MS では理論上は、飛行時間を正確に測定することにより質量を算出できるが、実際は質量既知の標準試料を測定することにより質量校正を行う。質量校正用の標準試料には合成ペプチド

4

JAIMA Season 2016 Spring

羅的解析が行われている。

合度の違いが区別できている。

b）精密質量測定による組成推定
TOF-MS はその高い分解能、高い質量精度より、新規合成化合物や未知の天然物などの精密質量測定結果から組成式の推定が可能であり、構造
図３ MALDI-TOF-MS による免疫グロブリン G（150kDa）のマススペクトル解析に利用されている。図５に LC-IT-TOF-MSを用いた市販の葛根湯のメタノール抽出液の正図４に MALDI-TOF-MS によるポリスチレン

負極性切替 LC/MS 結果を示す。TOF-MS を LC製品の測定結果を示す。GPC と違い、MALDI-の検出器とする場合は、ESI のような連続イオンTOF-MS ではポリマー混合物中の個々の成分に化と接続することになり、信号をパルス状に変換ついての値が得られので、ポリマーを特徴づけるする機構が必要になる。LC-IT-TOF-MS ではイ

様々な情報を得ることができる。これらのマススオン輸送部とイオントラップを連動させ、イオンペクトルより、イオン化されたポリマーの、モノをパルス状にフライトチューブに送り込むことでマー単位の質量を算出することや、末端基同定のTOF-MS 測定を行っている。有効成分の一つでための情報を得る、得られたポリマー分布から分あるグリチルリチンが 9.7 分に溶出し、負イオン子量関連データを計算する、などが行える。図４モードで m/z 821.3971 に脱プロトン分子と同定

では、各イオンの質量差は 104.1 と同間隔でありされるイオンを検出した。組成式から算出した脱スチレン鎖の存在を示唆するが、試料によって分プロトン分子の理論値と比較し、質量誤差 5ppm

子量分布が 2,500 を中心とするもの、7,000 を中以内の測定結果が得られており、組成式推定に適心とするもの、13,000 を中心とするものなど、重用できる精度が得られている。

【おわりに】
近年 TOF-MS は MALDI によるオフライン測定のみならず、液体クロマトグラフのオンライン検出器としても用いられるようになっており、LC の汎用性に TOF の定性能力、高感度を付与した装置として利用できるようになった。今後もさまざまな分野で応用が期待される。
図４ MALDI-TOF-MS による合成樹脂の分子量分布確認

図５ LC-IT-TOF-MS による生薬成分の精密質量測定
JAIMA Season 2016 Spring5