－分析技術－●液体クロマトグラフ飛行時間型質量分析計（LC-TOFMS)を用いた分離分析
Separation Analysis by Liquid Chromatograph time of flight mass spectrometer───────────────────────────────────────────────────────────―窪田 耕三
Kouzou Kubota
Key Word : Liquid Chromatograph, time of flight mass spectrometer, exact mass, isotope

１ はじめに 1)

２ 分析の原理 1)~4)

LC/MS は、液体クロマトグラフィー質量分析の略号であり、

２．１ LC-MS 装置構成

LC により混合試料を分離して、カラム溶出液をオンライン

LC-MS の装置構成の概念図を図１に示す。液体クロマトで質量分析計に導き、各分離成分の定性、定量をおこなう手

グラフにより分離された試料の各成分は溶離液と共にイオン法である。LC/MS をおこなうための装置（液体クロマトグラ化部に導入される。イオン化部では導入された各成分がイオ

フと質量分析装置との複合システム）が LC-MS である。

ン化されて質量分離部へと導かれる。質量分離部ではイオン類似の分析手法に GC/MS がある。GC/MS では、EI-MSで得られるマススペクトルのフラグメントパターンを、膨大がその質量電荷比（m/z）によって分離され、各成分の質量情報が得られる。

なマススペクトルデータベースから検索することで成分を同定する。この成分同定の容易さから、汎用装置として広く普及することになった。しかしながら、GC/MS では試料を気化することが必須であり、高分子化合物など気化しない試料や、移動相送液部

検出部

熱的に不安定な試料には、そのままでは適用できない課題があった。
一方、LC 分析では、原理上、溶離液に溶解できれば分析対試料導入部

質量分離部

象となりうることから、被験試料の適用範囲が広い。LC/MSは 1980 年代に開発されてはいたが、検出感度等に課題があった。1988 年、Fenn らによりエレクトロスプレーイオン化

分離部イオン化部

液体クロマトグラフ

質量分析計法が開発されたことを契機に、装置の改良が進み、溶液状態の試料が高感度で連続的にイオン化できるようになった。このことにより LC-MS も汎用的な分析装置として広く使用されるようになり、弊社でも 2005 年に装置導入し、オリゴマ

図１ LC-MS 装置構成の概念図

ー等の組成解析等に活用している 2)。一般的な四重極型質量分析計を用いる LC/MS では、分離成分の分子量情報（整数質量）を得ることができるが、化学構造情報を得るのはGC/MS ほど簡単では無く、分光学的な分析データ等も併せて総合的に化合物を推定する。近年、精密質量測定可能な質量分析計を備えた LC-MS も普及している。このような装置を用いると、精密質量データから分離成分の組成式情報が得られ、化学構造解析に繋げることができる。弊社でも飛行時間型質量分析計を備えた装置（LC-TOFMS）を 2018 年に導入し、活用している。本報では、LC-TOFMS について、測定原理と特徴、および実際の測定事例を紹介する。

２．２ エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
ESI（electrospray ionization）は、現在の LC/MS 分析において最も汎用的に使用されているイオン化法である。ESIイオン源の模式図を図２に示す。LC カラムからの溶出液は、キャピラリーを通り窒素ガスと共に大気圧下に噴霧される。
その際、キャピラリーの先端に数 kV の電圧を印加すると、電荷分離が起こり、一方の極性に帯電した液滴が生成する。
この液滴は加熱されて溶媒が蒸発していき、それに従って液滴は小さくなる。液滴が小さくなると表面電荷による反発力は強くなっていき、溶媒の表面張力より反発力の方が大きくなると液滴は一気に微細化される。そして、液滴表面に存在するプロトンやナトリウムイオンと、測定分子とが接触する

東亞合成株式会社

Ｒ＆Ｄ総合センター

基盤技術研究所

Base Technology Laboratory, General Center of R&D, TOAGOSEI CO., LTD.
東亞合成グループ研究年報 3 TREND 2020 第 23 号

ようになり、気相状態のイオンが生成する。ESI 法は、フラ２．３ 精密質量測定による組成推定グメンテーションが起こりにくいソフトなイオン化法であり、適切に質量校正された高分解能質量分析計にて質量分析を

正イオンモードでは、プロトン付加イオン、ナトリウム付加おこなうと、精密質量データが得られる。精密質量がわかるイオンなどが分子関連イオンとして検出される。

ことのメリットとして、その成分の組成式を推定できることが挙げられる。例として、整数質量 28 の３つの化合物（窒素分子、一酸化炭素、エチレン）を比べてみる。精密質量値を表１に示す。これをみるとミリ質量単位レベルでは差異があることが確認でき、このレベルの正確性を保証できる質量分析をおこなえば、これらの化合物を区別することが可能となる。最新の精密質量測定可能な質量分析装置には、マススペクトルデータから組成式を推定する機能が付属しており、同位体ピークの精密質量や、同位体ピーク強度比も踏まえた推定結果を与えてくれる。
表１ 整数質量 28 の化合物の精密質量値
化合物
窒素分子
一酸化炭素
エチレン

図２ エレクトロスプレー法イオン源の模式図

２．２ 飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）

精密質量値
28.0061
27.9949
28.0123

３ 測定事例

飛行時間型質量分析計（time of flight mass spectrometer）
は、イオン化した試料を高電圧で加速させ、高真空無電場領

３．１ エラストマー成形材料の添加剤域（フライトチューブ）を一定距離飛行させ、飛行時間の違エラストマー成形材料について、それに含まれる添加剤のいによりイオンを分離する装置である（図３参照）。理想的に同定を検討した。被験試料を、イソプロパノールを用いて抽は qV=1/2mv2（q はイオンの電気量、V は加速電圧、m はイ

出操作をおこない、抽出液を LC/MS 分析に供した。トータ

オンの質量、v はイオンの速度）の式が成り立つことから、ルイオンクロマトグラムを図４に示す。複数の成分が検出さ各イオンが一定距離を飛行するのに要する時間を測定するこれていることが分かる。強く検出されている保持時間 3.94 分とで、そのイオンの質量を算出することができる。例えばのピーク１について、そのマススペクトルを図５に示す。アm/z=200 のイオンが、6kV で加速され、2m の距離のフラインモニウム付加イオンおよびナトリウム付加イオン、カリウトチューブを飛行するのに要する時間は 25μs となる。

ム付加イオンが検出されていると判断でき、整数質量 1176 のTOFMS 装置は、原理がシンプルで、歴史の古い装置ではあ化合物であることが分かる。

るが、初期のものは分解能が低く普及していなかった。しかしながら、近年、直交加速法、リフレクトロン、パルサー技術等の進歩により、分解能が飛躍的に向上しており、半値幅

BEH_C18

ピーク１分解能で 30000 を超えるものも市販されるようになった。

3.94

4.36

2.63%

5.43

4.58

1.40

1.92
3.09

100.50

図３ 飛行時間型質量分析計の模式図

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

図４ トータルイオンクロマトグラム（エラストマー抽出成分）

東亞合成グループ研究年報 4 TREND 2020 第 23 号

6.50

Time
7.00

BEH_C18?
1194.8190

100

できる。このように、精密質量測定値から組成式推定をおこアンモニウム付加イオン

なう場合には、測定値の正確性（誤差）の見積り、および構1195.8221

成元素条件の見積りが重要となってくる。今回のケースでは、汎用的な酸化防止剤であるイルガノックス 1010 相当品（図６参照）であると判断できた。ナトリウム付加イオンの理論

m/z 1199.7733

値は m/z1199.7738 であり、測定値との誤差は 0.0005 と極め%ナトリウム付加イオン

1196.8252て小さく、正確な質量分析値が得られていることが分かる。

1199.7733

カリウム付加イオン

1200.7772
1201.7809

1215.7473 1216.7506

0m/z
1196

1198

12001202

1204

1206

1208

1210

1212

1214

1216

1218図５ ピーク１のマススペクトル
ナトリウム付加イオンの精密質量データを用いて、組成式推定を試みた。構成元素条件は以下のように設定した。
①構成元素の種類として、C，H，N，Oを想定。

図６ イルガノックス 1010 化学構造

②同位体比から、Ｃの数を、60~85。それに伴い、Ｎの数は30 以下。

３．２ 防かび剤中の有効成分③質量数の「窒素ルール」から、N は含まないか、もしくは偶数個含む。

市販の空気清浄機の中にある防かび剤中の有効成分を同定することを試みた。ペレット状防かび剤を有機溶媒に浸漬

組成式推定結果を表２に示す。許容質量誤差±0.005 のときは、組成式候補が 16 個もあるのに対し、許容質量誤差±して、可溶分を LC/MS 分析に供した。トータルイオンクロ
マトグラムを図７に示す。

0.003 のときは、組成式候補が 7 個になり、さらに許容質量検出ピーク２のマススペクトルを図８に示す。同位体パタ

誤差±0.001 を保証できれば、組成式候補は２つに絞り込めーンをみると、［Ｍ＋２］の相対比が若干大きいことがわかる。

る。質量分析値の正確性が組成式推定に重要であることが分各元素の同位体存在度を考慮すると硫黄を含む成分であるとかる。また、構成元素条件をより限定できれば、組成式候補推察できた。これを踏まえて構成元素条件を以下のように設を更に絞り込むことができる。今回のケースでは、構成元素定し、プロトン付加イオンの組成推定を実施した。

を C，H，O のみと仮定すると、許容質量誤差±0.005 であっ①構成元素の種類として、C，H，N，O，Sても組成式候補は１つとなる。また、仮にエステル構造を含②同位体比および質量値から、C の数を 5~15。S の数をむと想定できれば、O が１つ以下の組成式を除外することがを想定。

1~2。
③質量数の「窒素ルール」から、N を奇数個含む。

表２ m/z 1199.7733 の組成推定結果±0.005±0.003±0.001

組成式推定結果を表３に示す。分子量が小さいため、許容質量誤差±0.005 としても、組成式候補が 2 個に絞られた。
世の中で知られる防かび物質を踏まえて考えると、当該成分はチアベンダゾール（図 9 参照）と判断できた。

C73H108O12Na
C71H96N14O2Na
C70H100N10O6Na
C74H104N4O8Na
C61H112N2O19Na
C67H92N20Na
C69H104N6O10Na
C75H100N8O4Na
C62H108N6O15Na
C60H96N20O5Na
C68H108N2O14Na
C66H96 N16O4Na
C76H96N12Na
C81H100 N4O3Na
C63H104 N10O11Na
C61H92 N24ONa

C73H108O12Na
C71H96N14O2Na
C70H100N10O6Na
C74H104N4O8Na
C61H112N2O19Na
C67H92N20Na
C69H104N6O10Na

C73H108O12Na
C71H96N14O2Na

BEH_C185.64%

許容
誤差
組成
候
補

ピーク３ピーク２2.82

4.91

4.14

52.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

Time6.50

図７ トータルイオンクロマトグラム（防かび剤抽出成分）

東亞合成グループ研究年報 5 TREND 2020 第 23 号

BEH_C18
BEH_C18100?
202.0447

100

プロトン付加イオン

422.8410

プロトン付加イオンm/z 422.8410%%

m/z 202.0447

3434

S の影響で相対強度大

S の影響で相対強度大203.0460

423.8440
424.8381
204.0398

202.1038

0202

2030m/zm/z
423

424425204

図 10 ピーク３のマススペクトル
図８ ピーク２のマススペクトル表４ m/z 422.8410 の組成推定結果
表３ m/z 202.0447 の組成推定結果
誤差組成候
補±0.010±0.005±0.002

C10H8N3S
C7H12N3S2C5H8N5O2S
C8H12NO3S
C8H12NOS2

C10H8N3S
C7H12N3S2

C10H8N3S誤差組成候
補±0.005±0.003±0.001

C8H9I2O2S
C9O8IN2SI
C13O3IN2S2C4H5I2N6S
C4H9I2O7
C4O10IN4S
C11H5I2O2
C5O13IN2
C5H13I2O2S2
C5H5I2O3N4C6H4IO8N2S2

C8H9I2O2S
C9O8IN2SI
C13O3IN2S2C4H5I2N6S
C4H9I2O7C4O10IN4S

C8H9I2O2S

図９ チアベンダゾール化学構造
次に、検出ピーク３のマススペクトルを図 10 に示す。精密質量値が整数質量値より、かなり小さくなっていることが特図 11 ジヨードメチルパラトリルスルホン化学構造徴として挙げられる。有機化合物に含まれる可能性のある元４ まとめ素を考慮すると、ヨウ素を含むことが示唆された（ヨウ素は、127I が天然存在度 100%であり、質量値126.904468 u）。またピーク２のマススペクトルと同様に［Ｍ＋２］イオンのｗ

LC-TOFMS の化学工業分野における有用性について、幾相対強度が高いことから硫黄を含むことも示唆された。以下

つかの測定事例を挙げて紹介した。LC-TOFMS では、質量分の構成元素条件にて、プロトン付加イオンの組成推定を実施

析データから各分離成分の組成式を推定することができ、定性能力が高い。今後も、さまざまな局面で活用していき、知した。
①構成元素の種類として、C，H，N，O，S，Iを想定。

見を深めていきたい。

②同位体比および質量値から、C の数を 4~15。S の数を引用文献

1~2。I の数を 1~2。
③質量数の「窒素ルール」から、N は含まないか、もしく

1) 日本分析化学会編, “LC/MS，LC/MS/MS の基礎と応は偶数個含む。
組成式推定結果を表 4 に示す。許容質量誤差±0.001 とす用”, 中村洋監修, オーム社 (2014).

ると、組成式候補は１個に絞られ、汎用的な防かび物質であ2) 高田じゆん, 東亞合成グループ研究年報, 9, 38 (2006).

るジヨードメチルパラトリルスルホン（図 11 参照）プロトン

3) 志田保夫, 笠間健嗣,付加イオンと組成式が合致した。

黒野定, 高山光男, 高橋利枝, “これならわかるマススペクトロメトリー”, 化学同人
(2001) .
4) 中田宗隆, “なっとくする機器分析”, 講談社 (2007).
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