化 学 (無機化学)

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 ここでは,質量分析に関連して,【状態分析と質量分析】【質量分析計の構成】【MSのイオン化】【GC/MSのイオン化】【LC/MSのイオン化】【質量分析部】【関連用語】に項目を分けて紹介する。

 【状態分析と質量分析】

 状態分析( analysis of state )とは,試料の含有元素組成以外の化学情報(例えば,化合物の形態,分布,結晶系など)を得るための分析をいう。
 
 物質の立体構造(結晶構造)
 結晶の格子定数や面間隔を求められるX線回折法( XRD ),低速電子線回折( LEED ),高速電子線回折( HEED )が,結晶構造の温度変化(相変化)の追跡に温度制御ができる高温X線回折が,結晶の配向程度(結晶性)の評価に偏光ラマン分光法などが用いられる。
 
 化合物組成や官能基など
 別に紹介する表面分析以外について紹介する。
 質量分析の他には,化合物の熱分解との関連を示差熱分析( DTA )などから,化合物を特定できる官能基の種類と量をラマン分光法,フーリエ変換赤外分光光度法( FT - IR )などから評価できる。また,注目する原子の周辺の原子に関する情報は,化学シフトを利用した核磁気共鳴分光分析法(NMR),蛍光X線分析( XRD ),X線吸収端分析などを用いて知ることができる。
 化合物やイオンについては,例えば液体クロマトグラフィー( LC ),高速液体クロマトグラフィー( HPLC ),ガスクロマトグラフィー( GC ),イオンクロマトグラフィー( IC )を用いて,状態別に分離することで定性・定量分析ができる。
 
 質量分析( mass spectrometric analysis ; mass spectrometry ; MS )とは,高真空下で,複数の原子が結合した状態の分子をイオン化し,イオンを一定速度に加速して,電場及び磁場,又は 4 個の電極から構成した四重極場に導き,飛跡を曲げることによって質量スペクトルを求め,存在イオン種の定性・定量できる方法である。これにより,分析種の元素情報(同位体比など),分子量,成分量,分子構造,特定元素や成分の分布状態などを知ることができる。
 質量分析には,分析目的,物質の状態によりイオン化方法に多くの手法がある。次には,物質の状態別で主に用いられる方法の例を紹介する。
 固体の無機物質に対しては,グロー放電質量分析法( GDMS ),スパークソース質量分析法( SSMS ),誘導結合プラズマ質量分析法( ICPMS ),レーザ脱離質量分析法( LDMS ),二次イオン質量分析法( SIMS )などが用いられる。
 液体の無機物質に対しては,誘導結合プラズマ質量分析法( ICPMS )や表面電離質量分析法( TIMS )などが用いられる。
 固体の有機物質に対しては,電子イオン化法( EI ),化学イオン化法( CI ),マトリックス支援レーザ脱離イオン化法( MALDI ),レーザ脱離質量分析法( LDMS ),二次イオン質量分析法( SIMS )などが用いられる。
 気体の有機物質に対しては,電子イオン化法( EI ),化学イオン化法( CI ),これらとガスクロマトグラフと組み合わせたガスクロマトグラフ質量分析法( GC/MS )が用いられる。
 液体の有機物質に対しては,電子イオン化法( EI ),化学イオン化法( CI ),大気圧イオン化法( APCI ),エレクトロスプレーイオン化法( ESI ),マトリックス支援レーザ脱離イオン化法( MALDI ),EI や CI とガスクロマトグラフと組み合わせたガスクロマトグラフ質量分析法( GC/MS ),APCI ESI と液体クロマトグラフと組み合わせた液体クロマトグラフ質量分析( LC/MS )などが用いられる。

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 【質量分析計の構成】

 質量分析計の基本構成は,装置に試料を導入する試料導入部,導入された物質を適切なイオンにする装置(イオン源)でイオン化し,電場を用いてイオンを適切な速度まで加速し,イオンビームとして集束するための装置(加速器),一定速度のイオンに電場や磁場を与えて飛跡をまげる装置(質量分析部),イオンの量を計測する装置(検出器)で構成されている。加速器と質量分析部を合わせて質量分離部などともいう。
 
 質量分析方法には,誘導結合プラズマ質量分析など直接試料を導入する方法の他に,ガスクロマトグラフィー質量分析や高速液体クロマトグラフィー質量分析などの分離・分析方法と組み合わせて用いる方法がある。なお,クロマトグラフと質量分析計の接続部をインターフェース部という。
 インターフェース部・イオン源を通りイオン化後の試料は,何れの方法も概略で“加速器(イオンレンズ光学系)で収束された後,質量分析部へ導かれ,質量/電荷数( m /z )に応じて分離されて検出”と同様の過程を経るが,加速器に導入するまでの試料導入部・インターフェース部・イオン源に用いる方法に大きな違いがある。

質量分析計の基本構成

質量分析計の基本構成

 参考 JIS 規格
 JIS K 0133 「高周波プラズマ質量分析通則: General rules for high frequency plasma mass spectrometry 」
 JIS K 0123 「ガスクロマトグラフィー質量分析通則: General rules for gas chromatography / mass spectrometry 」
 JIS K 0136 「高速液体クロマトグラフィー質量分析通則: Liquid chromatography / mass spectrometry 」

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 【質量分析計でのイオン化】

 JIS K 0133 「高周波プラズマ質量分析通則」
 試料の導入方法は,試料の状態に応じて,次の方法が一般的である。
 気体試料
 直接キャリヤーガスに混合して導入する。
 液体試料
 試料導入部のネブライザーで霧状にした後,キャリヤーガスによってイオン源に導入する。
 ネブライザー( nebulizer )とは,いわゆる霧吹き様の器具で,液体試料を高圧高速のガス流(窒素やアルゴン)によって微粒の霧に変えるための装置である。
 固体試料
 酸分解などで溶液化した後,液体試料と同様に扱う。又はレーザーアブレーションなどで微粒子化しイオン源に導入する。
 レーザーアブレーション( Laser Ablation )とは,固体試料にレーザ光を照射しそのエネルギーで試料を蒸発・微粒子化するものである。
 
 イオン源
 イオン源では,導入された物質を次に示す方法でイオン化される。
 誘導結合プラズマ法( ICP :Inductively Coupled Plasma )
 発光分光分析で紹介した高温のプラズマとすることで試料をイオン化する。
 大気圧化学イオン化法( APCI :Atomospheric Pressure Cheimcal Ionization )
 400 ~ 500 ℃の高温加熱によって試料溶液を強制的に気化させ,コロナ放電を利用してイオンを生成させる。
 エレクトロスプレーイオン化法( ESI :ElectroSpray Ionization )
 試料を溶媒に溶かし,高電圧をかけたキャピラリーに導入・噴霧した帯電液滴から溶媒分子を蒸発させてイオンを生成する。
 電子イオン化法( EI :Electron Ionization )
 試料物質に熱したフィラメントから放出される熱電子を衝突させてイオン化する。
 化学イオン化法( CI :Chemical Ionization )
 メタンなどを予め EI 法でイオン化し,これと気体試料の衝突で,ガス分子の間での電荷交換反応によりイオン化する。
 電界脱離法( FD :Field Desorption )
 試料をひげ状電極(ウィスカー)に塗布し,電極先端近傍に高電場を生じさせトンネル効果を利用してイオン化する。
 高速原子衝撃法( FAB :Fast Atom Bombardment )
 試料をマトリックス(グリセリンなど)に混ぜ,ここに高速で中性原子( Ar , Xe など)を衝突させることでイオン化する。
 マトリックス( matrix )とは,試料化合物のイオン化に際し,プロトン及び電子の授受に関与しイオン化を促進する物質をいう。

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 【ガスクロマトグラフィー MS でのイオン化】

 JIS K 0123 「ガスクロマトグラフィー質量分析通則」
 ガスクロマトグラフと質量分析計との接続部(インターフェース部では,ガスクロマトグラフのカラム出口から少量の分析種を含むキャリヤーガス( He など)がほぼ大気圧で放出される。この中から分析種を効率よく高真空の質量分析計(イオン源に導入しなければならない。
 
 インターフェース部
 一般的には,接続部分で,ガスクロマトグラフで用いたカラムの種類と真空ポンプの排気速度によって,次のいずれかが用いられる。
 ● 内径が約 0.3 mm 以下のキャピラリーカラムでは,出口側の一端が質量分析計のイオン源のごく近くに位置するように接続する方法が適用できる。
 ● 口径の大きい充てんカラムや大口径キャピラリーカラムの場合は,キャリヤーガスの分離除去,分析種の濃縮のためのジェットセパレーターが用いられる。
 ジェットセパレーター( Jet Separator )とは,カラムと接続する先端を細くしたガラス製の管が接続され,加熱・温度制御・温度測定機構,及び排気系(差動排気)で構成される。
 分析種の分離には,キャリヤーガス(ヘリウム: He )と分析種との拡散係数の差が利用されている。
 すなわち,拡散係数の大きいヘリウムは,ガラス管先端からのジェット流から外れ拡散するため,その多くが真空ポンプに吸引されるが,拡散係数の小さい分析種はジェット流に乗り直進できるため効率よくイオン源に供給される。なお,分析種の質量が大きい分子ほど損失が少なくて済む。
 
 イオン源
 用いられるイオン化法には,ガスクロマトグラフ質量分析計で最も汎用される電子イオン化法( EI )の他に,化学イオン化法( CI )やその他の方法がある。
 電子イオン化法( EI :Electron Ionization )
 真空下でフィラメントから放出された数 10 eV 以上のエネルギーをもつ電子をイオン化室内の気体状の分析種に照射し,その運動エネルギーの一部を電子エネルギーの形で付与してイオン化する方法。
 最初に分子イオン( M+ )を生じるが,一般に過剰な内部エネルギーによって分子構造に依存したフラグメンテーションが起こり,フラグメントイオンを生じる。
 化学イオン化法( CI :Chemical Ionization )
 イオン化時に導入される試薬ガスの種類により,正イオン化学イオン化法( PCI )と負イオン化学イオン化法( NCI )に分けられる。
 正イオン化学イオン化法
 イオン化室を試薬ガス(高純度メタンなど)で 100 Pa 程度の圧力で満たし,電子線を照射して試薬ガス由来の反応イオン(例えば,メタンの場合,CH5+ ,C2H5+ など)を生成させ,これらと分析種との間のイオン−分子反応によって分析種をイオン化する。
 この方法は,フラグメンテーションの量が EI と比較して少なく,分子量の推定が容易な場合が多い。
 負イオン化学イオン化法
 PCI 法と同様に,イオン化室をメタンなどの試薬ガスで満たし,電子線を照射する。イオン化の機構は,反応イオン形と電子捕獲形との 2 種類に大別される。
 試薬ガス,又は系内に存在する水から生じた反応イオン( OH )と試料分子との間のイオン−分子反応によってイオン化し,( M−H )などのイオンを生じさせる。(反応イオン形
 イオン化室内で運動エネルギーを失った熱電子が試料分子と共鳴捕獲反応とを起こしてイオン化するもので,電子親和性の高い化合物に対して分子イオン( M )などを極めて効率よく生成する。(電子捕獲形
 
 GC /MS 装置で用いられるその他のイオン化法としては,フィールドイオン化( FI ) 法,レーザーイオン化法,誘導結合プラズマによるイオン化 ( ICP ) 法などがある。ICP-MS 法は本来,無機元素の分析に用いられるが,GC /MS 装置では有機化合物の測定などに用いられる。

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 【液体クロマトグラフィー MS でのイオン化】

 JIS K 0136 「高速液体クロマトグラフィー質量分析通則」
 液体クロマトグラフ( LC )で分離された試料は,多量の溶離液(水,揮発性の酸・塩基・塩の水溶液,有機溶媒など)に少量の分析種を含む溶液である。
 従って,質量分析では,インターフェース部・イオン化部において,前述の質量分析法とは異なり,基本構成図で示したように,大気圧下でイオン化し,脱溶媒しながら,スキマーを用いて,イオン化した分析種を高真空の質量分離部に導くなどの工夫が必要になる。
 スキマー( skimmer )とは,頂点に微細な孔をあけ,孔の周辺部が薄く作られた円すい状の部品で,低真空部と高真空部の隔壁として用いられ,電圧を印加して荷電粒子を効率的に質量分離部へ輸送する機能部品である。
 
 イオン源
 液体クロマトグラフィー質量分析計で実用される主なイオン化法を次に紹介する。
 大気圧下でのイオン化法
 大気圧下に噴霧したミストから差動排気,及び熱によって脱溶媒した後,イオン輸送部を経て真空の質量分離部にイオンを導く方法である。大気圧下でイオン化する方法には,エレクトロスプレーイオン化法と大気圧化学イオン化法がある。
 エレクトロスプレーイオン化法( ESI )法
 高電圧の印加状態で試料溶液を噴霧し,荷電した霧状の液滴とする。この時,溶出液の蒸発を促進するためネブライズガス(通常は,窒素)とともに噴霧される。
 低真空から高真空まで順次変化(差動排気)する空間を持つイオン化部を試料が通過することにより,溶出液の蒸発が進み液滴が小さくなる。液滴が小さくなることで分析種を含むイオンが生成する。
 この方法は,たん白質,糖質,核酸など高分子量化合物にも適用可能であり,緩和なイオン化法である。また,多価イオンを生成しやすい特徴をもっている。
 大気圧化学イオン化法( APCI )
 コロナ放電によって大気圧で行われるイオン化法であり,化学イオン化法の一種である。 溶出液を加熱し,気化された後,コロナ放電によって生じる溶媒イオンと分析種とのイオン-分子反応で生じたイオンを用いる方法である。
 真空下でのイオン化法
 フリット FAB イオン化法
 金属網(フリット)上で,グリセロールなどのマトリックス及び混合された試料分子が,高速中性粒子(アルゴン又はキセノン分子)と衝突することによってイオン化される。フリット FAB イオン化法の特徴は LC の分析種の大部分をイオン化できることである。
 サーモスプレーイオン化法
 カラムからの溶出液は,気化プローブによって加熱され脱溶媒される。噴射された液滴は帯電し,更に溶媒が蒸発して,プロトン付加分子,脱プロトン化分子などが検出される。必要に応じて,補助イオン化として,高電子エネルギーのフィラメント,コロナ放電を用いる。サーモスプレーイオン化法は,広範囲の化合物に対するイオン化法である。
 パーティクルビームイオン化法
 カラムからの溶出液をヘリウムとともに噴霧すると,霧状の液滴が通過する間に揮発性が高い溶媒は蒸発し,揮発しにくい成分は微粒子になり,更に真空ポンプで溶媒が除去され,イオン源に到達できる。
 その後は,ガスクロマトグラフィー質量分析と同様に電子イオン化法,化学イオン化法によってイオン化できる。パーティクルビームイオン化法の特徴は,ガスクロマトグラフィー質量分析では分析困難な難揮発性化合物の測定(採取)ができることである。

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 【質量分析部】

 質量分析部(質量分離部ともいう)とは,イオン化された分析種をイオンの質量( m )と電荷数( z )の質量電荷比( m /z )に応じて分離・測定する装置である。この計測による質量計測の原理は次の通りである。
 イオンが加速電圧( V )の加速器を通過し,速度( v )に達したとすると,電子の電荷( e ),イオンの電荷数( z ),質量( m )とすると,このイオンの運動エネルギーは次式で表せる。
      zeV = mv2 /2
 このイオンが,磁界(磁束密度 B )を通過すると,磁場によるローレンツ力が働き,イオンの軌道が遠心力とローレンツ力が釣り合うように,曲率半径( r )の弧を描く。この運動は,
      Bzev = mv2 /r  ∴ Bzer = mv
で表される。この式とイオンの運動エネルギーの式とから,次式の質量分析の基本式が得られる。
      m /z = B2r2e (2V)-1
 式から,加速電圧,磁場が同じであれば,質量が大きいほど曲率半径が大きく,電荷数が大きいほど曲率半径が小さくなることが分かす。すなわち,イオンの電荷数が分かれば,曲率半径から質量を求めることができる。
 ローレンツ力( Lorentz force )とは,電磁場中(磁束密度 B )で運動(速度 v )する荷電粒子(電荷 q )が受ける力( F )のことである。近似的に F = q ( v×B ) で表される。

質量分析(磁場偏向型)の原理図

質量分析(磁場偏向型)の原理図
元図出典:(般社)日本分析機器工業会二重収束質量分析計の原理と特徴

 質量分析部は, 質量電荷比( m /z )の分離原理の違いにより,磁場偏向型,四重極型,イオントラップ型,飛行時間型,イオンサイクロトロン共鳴型などに分けられる。
 磁場偏向型( Magnetic Sector )
 原理の解説で紹介したように,イオンを磁場中に通し,飛行経路の違いを計測する方式である。この形式には,磁場と電場の両方にイオンを通し,角度とエネルギーの拡がりを収束させる二重収束型もある。
 四重極型( Quadrupole ; Q )
 4 本の電極を用い,高周波電圧を印加し,飛行するイオンに摂動をかけ,目的のイオンのみを通過させる方式で,小型で比較的安価なため,クロマトグラフィーと組み合わせた一般的な装置( LC /MS ,GC /MS など)に利用されている。
 イオントラップ型( Ion Trap ; IT )
 ドーナツ型のリング電極の穴の上下に半球状のエンドキャップ電極を押し込めた内部にイオンをトラップ(保持)し,電圧変化にしたがってこぼれ出すイオンを検出する装置である。
 飛行時間型( Time – of – Flight ; TOF )
 電圧( V )で加速したイオンの速度( v )が質量電荷比( m /z )に応じて異なることを利用する方式である。すなわち,質量電荷比が大きいものほど速度が遅く検出器に到達する時間がかかるので,この時間差を検出し質量を求める。
 イオンサイクロトロン共鳴型( Ion Cyclotron Resonance ; FT – ICR )
 一様の高磁場中で回転運動するイオンに高周波電圧を印加し,イオンの周回周期を検出し,サイクロトロン条件から質量を算出するものである。極めて高分解能であるが,特定の原子のみを計測する加速器を利用した大掛かりな装置である。

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 【関連用語】

 JIS K 0133 「高周波プラズマ質量分析通則: General rules for high frequency plasma mass spectrometry 」
 スペクトル干渉 (spectral interference)
 測定対象元素の質量電荷比( m /z )に近い m /z の値をもつ原子又は多原子イオンによる質量スペクトルの重なりに起因する干渉。
 非スペクトル干渉 (non-spectral interference)
 高周波プラズマ質量分析計を用いて測定するときに生じる干渉のうち,スペクトル干渉を除くすべての干渉。
 メモリー効果 (memory effect)
 以前に分析した試料又は検量線用標準液に含まれていた元素が,高周波プラズマ質量分析計又はその附属装置内に残留し,その一部が現在分析中の試料の測定対象元素の信号に重なって現れる現象。
 分解能 (resolution)
 質量分析計が近接した 2 本のスペクトルを分離できる限界の能力。
 操作ブランク (laboratory reagent blank)
 測定対象元素又は干渉元素の分析室環境,試薬類及び器具類からの汚染の有無を調べるため,分析操作中に使用するガラスなどの器具類及び装置との接触,並びに溶媒,試薬及び内標準元素の添加を含めて,試料と全く同様に処理した水,又は測定対象元素を含まないマトリックスが与える信号。
 装置検出下限 (instrument limit of detection,ILOD)
 検量線用ブランク液を 10 回測定したときに得られる信号の標準偏差の 3 倍の信号を与える濃度。
 方法検出下限 (method limit of detection,MLOD)
 操作ブランクを連続 10 回測定したときに得られる信号の標準偏差の 3 倍の信号を与える濃度。
 定量下限 (limit of quantification,LOQ)
 操作ブランクを連続 10 回測定したときに得られる信号の標準偏差の 10 倍の信号を与える濃度。操作ブランクを差し引いて分析値を求めた場合には,標準偏差の 14.1 倍の信号を与える濃度。
 アバンダンス感度 (abundance sensitivity)
 質量スペクトルのピークのすそ(裾)が隣接する質量数の位置に重なる割合を,ピーク高さとの比で表した値。
 
 JIS K 0123 「ガスクロマトグラフィー質量分析通則: General rules for gas chromatography / mass spectrometry 」
 全イオンクロマトグラム (total ion chromatogram : TIC)
 ある範囲の質量電荷比 ( m /z ) のイオン電流の総和を連続的に検出・記録した図。
 マスクロマトグラム (mass chromatogram)
 一定の時間間隔で質量スペクトルを測定し,コンピュータに記憶させた後,特定の質量電荷比 ( m /z ) のイオン強度を取り出して表示した図。
 衝突誘起解離 (collision induced dissociation : CID)
 運動エネルギーをもったイオンがターゲットガスと衝突し,衝突エネルギーの一部が内部エネルギーに変換され励起されることでイオンの解離が起こる現象。
 フラグメンテーション (fragmentation)
 イオンを構成する一つ又は複数の結合が開裂することによって,そのイオンより小さい質量のイオンを生じる反応。
 試薬ガス (reagent gas)
 化学イオン化法において試料分子をイオン化するために用いるガス。通常,高純度のメタン,2-メチルプロパン(イソブタン),アンモニアなどが用いられる。
 反応イオン (reaction ion)
 試薬ガス自身のイオン−分子反応によって生じるイオンのうち,試料分子のイオン化に直接かかわるイオン。試料分子との間でプロトンの授受などを行う。
 擬分子イオン (quasi-molecular ion)
 分子にプロトン又はヒドリドが付加したイオン,及び分子からプロトン又はヒドリドが引き抜かれたイオン。(M±H) 及び (M±H) が相当する。
 
 JIS K 0136 「高速液体クロマトグラフィー質量分析通則: Liquid chromatography / mass spectrometry 」
 インフュージョン法 (infusion method)
 試料溶液を,シリンジポンプを用いてカラムを通さずに直接イオン源に導入する方法。
 キャリーオーバー (carry over)
 試料溶液の一部が装置内の配管内壁などに付着して残り,次の測定時に溶出して影響を与える現象。試料間の相互汚染につながる。
 スキマー (skimmer)
 頂点に微細な孔をあけ,孔の周辺部が薄く作られた円すい状の部品。低真空部と高真空部の隔壁として用いられ,電圧を印加して荷電粒子を効率的に質量分離部へ輸送する機能部品。
 選択イオン検出 (selected ion monitoring : SIM)
 特定の質量のイオンを連続的に検出する方法。
 選択反応検出 (selected reaction monitoring : SRM)
 プリカーサーイオンから生じる特定のプロダクトイオンの質量を連続的に検出する手法。定性・定量対象化合物と同一保持時間で,かつ,プリカーサーイオンと同一質量をもつ妨害物質が存在しても,妨害物質が定性・定量対象化合物と同一質量のフラグメントイオンを生じない限りその影響を排除できる。LC /MS /MS ,GC /MS /MS などによる定性・定量分析に用いられる。
 プリカーサーイオン (precursor ion)
 あるイオンから別のイオンが生じるときの元のイオン。前駆イオンともいう。
 プロダクトイオン (product ion)
 特定のイオンから生成したイオンのすべて。生成イオンともいう。
 脱プロトン化分子 (deprotonated molecule)
 分子からプロトンが引き抜かれて生成した負イオン。[M−H]で表記する。
 プロトン化分子 (protonated molecule)
 分子にプロトンが付加して生成したイオン。分子を M,プロトンを Hとしたとき,[M + H] で表記する。
 分子量関連イオン (molecular related ion)
 分子量情報の獲得に直接役立つイオン種。M・,M・,[M + H],[M−H],[M + Na],[M + Cl],[M + NH4],多価イオンの[M + nH]n+,[M−nH]n−など。なお,M・,M・は奇数電子イオンであり,その他は偶数電子イオンである。
 マトリックス (matrix)
 試料化合物のイオン化に際し,プロトン及び電子の授受に関与しイオン化を促進する物質。

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