2.2. 質量分離部

2.2.1. 質量分離の原点

通常、物質の重さをはかる際には天秤やはかりを用いますが、これらは地球の重力を利用しています。しかし、分子のように質量が極めて小さく、受ける重力が測定できないくらい小さい場合はどのように測定すればよいのでしょうか。

イギリスの物理学者 J.J. Thomson は、「高速で飛行する荷電粒子 (イオン) が電場や磁場の中を通過する際に、静電気力や磁力によって軌道を曲げられる現象」を利用し、同位体を分離する装置を開発しました。

陽極線管を用いたこの装置では、電荷 e と質量 m の比 (e/m) が等しい正イオンは同一の放物線を描きます。Thomsonがネオンガスをイオン化して測定したところ、²⁰Ne と ²²Ne (共に1価の正イオン) がわずかに異なる軌道を示しました。これにより、彼は1912年に同位体の存在を世界で初めて実証したのです。

この「電磁気的な相互作用を利用して、質量の異なるイオンを分離する」というThomsonの原理こそが、現代の質量分析の基礎となっています。今日では、この原理をさらに発展させることで、イオン化した化合物をm/zに基づいて精密に分離・測定することが可能になっています。

2.2.2. 質量分離部の種類

イオンを分離する質量分離部には、様々なタイプが存在します。歴史的には、扇形磁場型、四重極型、飛行時間型が広く用いられてきました。現在では、比較的安価で扱いやすい四重極型が主流となっています。

この他にも、特定の範囲のm/zのイオンを一旦蓄積してから質量分離するトラップ型MSや、複数の質量分離部を組み合わせたタンデムMS、ハイブリッドMSも開発されています (下表参照)。これらの多様な形式のMSは、各々の特長を活かし、目的に応じて使い分けられています。

当社のLC-MSは、主に「四重極型MS」と、ハイブリッド型である「四重極飛行時間型MS (Q-TOF)」に大別されます。ここでは、四重極型と飛行時間型の質量分離機構とその特徴について解説します。

2.2.3. 四重極型MSの特長

四重極型MSは、小型かつシンプルな構造により操作や保守が容易であり、比較的安価であることから汎用装置として広く普及しています。質量分析には一般に高真空が必要とされますが、四重極型は他の手法に比べて比較的低い真空度 (10⁻² ～ 10⁻³ Pa) でも十分に質量分離が可能です。そのため、GCやLCと接続した際に生じる真空度の低下がイオンの軌道に与える影響が小さく、クロマトグラフとのオンライン結合に最も適した質量分析計といえます。

性能面では、m/z 2000程度までの質量範囲をカバーしつつ、印加電圧を高速で切り替える制御技術により「高速スキャン測定」や「高速極性スイッチング（正負イオン測定の高速切り替え）」が可能です。これにより、複数の特定イオンを極めて短時間で安定して検出できるため、高感度な多成分一斉分析が可能です。

さらに、四重極を直列に配置したタンデム構成（MS/MS）にすることで、多彩な測定モード(詳細は3章) が選択可能となります。これにより、詳細な構造解析や特定グループの網羅的なスクリーニングなど、多角的な定性分析にも対応します。このように、定性・定量の両面でバランスの取れた高い汎用性を持つ四重極型MSは、質量分析におけるスタンダード機として位置づけられています。

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2.2.4. 四重極型MSの原理

四重極の構成

四重極 (Quadrupole) は、4本の平行なロッド (円柱状の電極) で構成されています。向かい合う電極同士を同極とし、それぞれに直流電圧 (DC電圧) U と高周波交流電圧 (RF電圧) V cos ωt を組み合わせた電圧 (±(U+V cos ωt)) を印加することで、ロッド間に四重極電場を形成します (V：高周波電圧の振幅、ω：高周波電圧の角周波数、t：時間)。

四重極による質量分離のプロセス

イオンを低い加速電圧でロッド電極に沿った方向（z軸方向）に入射させると、イオンは電場の影響を受け、上下（y軸）および左右（x軸）方向に振動しながら進みます。このとき、ロッドに印加する電圧UとVの条件によって、イオンは以下のように異なる挙動を示します。

• 特定イオンの透過 (安定軌道)　U と V の比を一定に保ちつつ、それぞれの電圧を変化させると、ある瞬間において、その電圧条件に適合する特定のm/zを持つイオンのみが安定な振動軌道を維持して四重極を通り抜け、検出器に到達します。
• それ以外のイオンの排除 (不安定軌道)　そのときの電圧条件に適合しないm/zを持つイオンは、振動が不安定になって振幅が増大し、ロッド電極に衝突するか電場外に放出されるため、検出器には到達できません。

この原理から、四重極は特定のイオンのみを選択的に通過させる「マスフィルター」とも呼ばれます。

Mathieu (マシュー) の方程式と安定領域

四重極内におけるイオンの挙動は、Mathieuの方程式と呼ばれる微分方程式に従います。イオンが安定な軌道を保ちつつロッドの間を通り抜けるための条件は、下記の関係式（1）で表されます。

 

下図は、この方程式の解 (安定領域) を図示したものです。イオンが安定に振動する条件は、イオンの質量 m と周波数 ω が決まると、図中の色塗りの領域として示されます。

この安定領域はm/z (m₁<m₂<m₃) ごとに異なります。ここで、各m/zの安定領域の頂点付近を通るようにU と V の比を一定に保って電圧を連続的に変化させると (直線走査ライン)、m₁、m₂、m₃のイオンを順番に通過させることができます。このようにして、指定した範囲の m/z における連続的なマススペクトルが得られます。

イオン軌道のシミュレーション

例として、m/z 180のイオンのみを通過させるように電圧UおよびVを設定した場合、四重極電場に入射したイオンがどのような動きをするかシミュレーションしてみましょう。

下のアニメーションは、左からm/z 179、180、181のイオン軌道を表したものです。

2.2.5. 飛行時間型MSの特長

飛行時間型（Time-of-Flight, TOF）MS は、まず生成したイオンを同じ運動エネルギーで一斉に真空領域へと射出します。同じのエネルギーで射出されたイオンは、m/z によって異なる飛行速度で進みます。この性質を利用し、検出器に到達するまでの時間（飛行時間）を精密に測定することでm/zを算出します。

その原理上、一度に加速されたイオン群がすべて検出器に到達してから次の測定サイクルに移行するため、MALDI のようなパルス的（断続的）なイオン化法と極めて高い親和性を持ちます。一方、LC-MS のようにイオンが連続的に導入されるシステムでは、イオンビームをパルス状に切り出す機構（直交加速など）が必要となります。

初期の飛行時間型は分解能の低さが課題とされていましたが、リフレクトロンや遅延引出し法（Delayed Extraction）といった、イオンの運動エネルギーの分散を補正する技術の登場により、現在では極めて高い分解能と質量精度を実現しています。

高精度な精密質量の取得が可能なため、新規合成化合物や未知の天然化合物、製造工程で混入した不純物などの構造解析において不可欠なツールです。また、ペプチド断片の精密質量をデータベースと照合してタンパク質を同定する手法は、プロテオミクス分野において極めて強力な分析手段となっています。さらに、原理的には測定質量範囲に制限がないため、飛行時間を長くすることでより大きなイオンを検出することが可能となり、生体高分子や合成高分子などの巨大なイオンの分析にも有効です。

2.2.6. 飛行時間型MSの原理

飛行時間型MSの構成

飛行時間型MSの基本構成は非常にシンプルで、イオン化部、フライトチューブ、および検出器から成り立っています（下図参照）。装置内部は高真空に保たれており、フライトチューブ内は電磁場が存在しない「ドリフト領域」となっています。

飛行時間型による質量分離のプロセス

イオン化部で生成されたイオンは、以下のステップを経てm/zごとに分離・検出されます。

• イオンの射出　イオンはパルス状に引き出され、一定の加速電圧 V（10〜30 kV）によってフライトチューブ内へと射出されます。このとき、すべてのイオンには電圧に応じた等しい運動エネルギー E が与えられます。この関係は次の式（2）で表されます。
  （E：運動エネルギー、z：電荷数、e：電気素量、V：加速電圧、m：イオンの質量、v：イオンの速度）
• イオンの飛行速度　式（2）を変形すると、イオンの飛行速度 v は次の式 (3) のように導かれます。この式が示す通り、イオンの飛行速度 v は質量mによって異なることがわかります。イオンは、質量に依存した一定の速度でフライトチューブ内を検出器に向かって飛行します。
  

   

• 検出とm/zの算出　イオン射出部から検出器までの距離（飛行距離）を L とすると、検出器に到達するまでの飛行時間 t は次の式 (4) で表されます。式 (4) より、飛行距離 L、加速電圧 V、電気素量 e は定数であるため、飛行時間 t は m/z の平方根に比例します。つまり、同じ飛行距離 L を飛行する場合、 m/z が小さいイオンは早く、m/z が大きいイオンは遅く検出器に到達します。この到達時間 (飛行時間 t ) を精密に測定することで、各イオンの m/z を算出できます。
  

   

また、この原理上、飛行時間 t を限りなく長く設定することが可能であれば、理論上、測定質量範囲の上限はなくなります。

リフレクトロンによる分解能の向上

飛行時間型MSでは、フライトチューブが長く飛行距離が伸びるほど、イオン同士の到達時間の差が広がるため、高い質量分解能が得られます。しかし、単純にフライトチューブを長くすると、装置の大型化や高真空維持の難しさといった物理的な限界が生じます。

そのため、イオンを直線的に飛行させる「リニアモード (Linear Mode)」に対し、リフレクトロンやイオンミラーと呼ばれる機構でイオンの飛行方向を反転させる仕組みを用いた「リフレクトロンモード (Reflectron Mode)」が広く採用されています。

リフレクトロンは複数の電極板を重ねた構造を持ち、電場によってイオンを反射・収束させます。リニアモードに比べて、リフレクトロンモードは装置のサイズを大きくすることなく、実効的な飛行距離を約2倍に伸ばすことができます。これにより、近接する m/z を持つイオン同士の時間差が拡大し、質量分解能が飛躍的に向上します。

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2.2.7. LCの検出器としてのMSの選択

近年の技術発展に伴い、質量分析計の用途は極めて多岐にわたります。それぞれの装置には固有の長所があるため、どの質量分析計を使用すべきかは、目的やサンプルに応じて多角的な視点から検討する必要があります。

現在、LC-MS市場では、コストパフォーマンスと操作性のバランスに優れた「四重極型」が主流となっています。しかし、高分解能測定やノンターゲット分析など、四重極型ではカバーしきれない高度なニーズに応えるため、「飛行時間型」の導入も進んでいます。

必要とする性能が、「高感度な定量分析」なのか、「高分解能な定性分析」なのか、あるいは「小型でお手軽」が良いのかなど、目的に応じた最適な選択をすることが重要です。これまで解説してきたイオン化法と質量分離部の特性を正しく理解し、それらを最適に組み合わせた装置を選定することこそが、分析を成功に導く最も重要な鍵となります。