質量分析部

質量分析部（マスアナライザー）は、イオンを質量電荷比に基づいて分離する装置であり、その設計によって質量分析計の分解能、質量範囲、および速度が決定されます。

Definition

質量分析部とは、質量分析計の構成要素の一つであり、気相イオンを質量電荷比に応じて分散または選択し、その存在量を測定できるようにする部分です。

Scope

このトピックでは、主要な質量分析部タイプである磁場セクター型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型、Orbitrap型、およびフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型分析部について扱います。それぞれのイオン分離原理、分解能、質量精度、質量範囲、デューティサイクルといった性能指標、および装置選択の指針となるトレードオフについて論じます。

Core questions

• 各分析部タイプは、質量電荷比によってイオンを物理的にどのように分離するのでしょうか？
• 特定の分析部における分解能と質量精度は何によって決定されるのでしょうか？
• スキャン型分析部とトラップ型および飛行時間型分析部では、デューティサイクルにどのような違いがあるのでしょうか？
• 標的定量分析と高分解能精密質量分析のどちらの用途に適した分析部はどれでしょうか？

Key theories

四重極質量フィルタリング

4本の平行なロッドに印加される高周波電圧と直流電圧の振動によって電場が生成され、狭い質量電荷比範囲内のイオンのみがロッド間を安定した軌道で通過できます。電圧をスキャンすることでこのウィンドウがスペクトル全体にわたって移動し、四重極は堅牢で高速な質量フィルターとして機能します。

軌道およびサイクロトロン周波数分析

Orbitrap型およびイオンサイクロトロン共鳴型分析部では、イオンは質量電荷比によって決定される周波数で振動または周回します。これらの周波数を測定し、信号をフーリエ変換することで、非常に高い分解能と質量精度が得られます。

Mechanisms

各分析部は、異なる質量電荷比を持つイオンが電場や磁場にどのように応答するかを利用しています。磁場セクター型はイオンの軌道を半径によって湾曲させます。四重極型は振動する電場によって選択された質量電荷比のイオンのみを透過させます。イオントラップ型はイオンを選択的に捕捉・放出します。飛行時間型分析部は、一定距離を飛行する時間によってイオンを分離します。Orbitrap型およびイオンサイクロトロン共鳴型分析部は、特徴的な振動周波数を測定します。検出器は、質量電荷比に対するイオンの存在量を記録し、スペクトルを構築します。

Clinical relevance

分析部の選択は分析能力に直接影響を与えます。トリプル四重極装置は、臨床および毒物学アッセイにおける高感度な標的定量分析を可能にします。一方、高分解能飛行時間型およびOrbitrap分析部は、プロテオミクス、メタボロミクス、スクリーニングにおける精密質量同定をサポートします。

History

初期の質量分析計には磁場セクターが使用されていました。1950年代から1960年代にかけて、ヴォルフガング・パウルによる四重極型およびイオントラップ型分析部の登場により、コンパクトな電気力学的分析部が導入されました。また、それ以前に構想されていた飛行時間型分析は、高速電子機器の発展とともに成熟しました。2000年に報告されたアレクサンダー・マカロフのOrbitrapは、コンパクトな静電トラップで非常に高い分解能と質量精度を実現しました。

Key figures

• Wolfgang Paul
• Alexander Makarov
• William Stephens

Seminal works

• makarov2000
• gross2017
• skoog2017

Frequently asked questions

質量分析部における分解能とは何ですか？

分解能とは、ほぼ等しい質量電荷比を持つイオンを区別する能力のことです。高分解能分析部は、質量単位のわずかな差しかないピークを分離でき、元素組成の確認に役立ちます。

高分解能分析部ではなく四重極を選択する理由は何ですか？

四重極は堅牢で高速かつ安価であり、トリプル四重極型では高感度な標的定量分析に優れています。一方、未知物質の同定に精密質量が必要な場合には、高分解能分析部が好まれます。