JP2009014424A - クロマトグラフ質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造や特徴が類似した複数の化合物を包含する化合物系列について、構造解析に有益な情報を簡単な操作・作業で取得できるようにする。
【解決手段】まず通常のＬＣ／ＭＳ分析により収集されたデータに基づいて、保持時間と質量電荷比とを二軸にとり、信号強度を等高線として描いた２次元的な等強度線グラフを作成して表示する（Ｓ１、Ｓ２）。オペレータがそのグラフ上でマウスのドラッグ操作等により任意の範囲を指定すると（Ｓ３）、指定された範囲に含まれるピークを抽出し、該ピークに基づいてプリカーサイオンを選択する（Ｓ５、Ｓ６）。そして、目的試料に対するＬＣ／ＭＳ分析の過程において選択されたプリカーサイオンについてのＭＳ²分析が実行されるようにスケジュールを作成し（Ｓ７）、このスケジュールに則って適宜プリカーサイオンの選別・開裂操作を行いながら分析を実行してＭＳ²スペクトルデータを収集する（Ｓ８）。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）や液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）など、試料中に含まれる各種成分を時間方向に分離するクロマトグラフと、分離された成分を順次質量分析する質量分析計とを組み合わせたクロマトグラフ質量分析装置に関し、さらに詳しくは、ＭＳⁿ分析が可能な質量分析計を用いたクロマトグラフ質量分析装置に関する。

分子量が大きな物質の同定やその構造の解析を行うために、質量分析の１つの手法としてＭＳ／ＭＳ分析（タンデム分析）という手法が知られている。即ち、まず試料に由来して生成される各種のイオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンをプリカーサイオンとして選別し、そのプリカーサイオンを衝突誘起解離などにより開裂させて各種のプロダクトイオンを生成させる。そして、このプロダクトイオンを質量分析して例えばマススペクトル（ＭＳ／ＭＳスペクトル、又はＭＳ²スペクトル）を作成し、これを解析処理することで元の分子を同定したり構造を推定したりする。場合によっては、プロダクトイオンの中からさらにプリカーサイオンを選択して開裂させ、それにより生成されたプロダクトイオンを質量分析する、という操作・分析を繰り返すＭＳⁿ分析を行うこともある。

従来、こうしたＭＳⁿ分析が可能な質量分析計を液体クロマトグラフの検出器として利用した液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）が開発されている（非特許文献１参照）。こうしたＬＣ／ＭＳでは、リテンションタイム（保持時間）、質量電荷比、信号強度という３つのディメンジョンを持つデータが収集され、このデータから、特定の質量電荷比についての保持時間と信号強度との関係を示すマスクロマトグラム、特定の保持時間における質量電荷比と信号強度との関係を示すマススペクトル、質量電荷比を限定しない保持時間と信号強度との関係を示すトータルイオンクロマトグラムが作成される。また、分析により得られたデータに基づいて着目するイオンをプリカーサイオンとして定め、該プリカーサイオンを設定したＭＳ²分析を実行することもできる。

従来、ＭＳ¹分析により得られたデータに基づいてプリカーサイオンを選択するために、マススペクトルに現れたピークの中で所定の閾値以上の信号強度を持つ複数のピークについて、強度の大きい順、或いは質量電荷比の小さい順などといった選択基準が用いられている。しかしながら、こうした従来のプリカーサイオン選択手法では、例えば多数のピークが出現するような場合に、必ずしも着目している成分由来のイオンがプリカーサイオンとして選択されないことがある。

「液体クロマトグラフ質量分析計LCMS-IT-TOF」、[online]、株式会社島津製作所、[平成19年6月26日検索]、インターネット＜URL： http://www.an.shimadzu.co.jp/products/lcms/it-tof.htm＞

例えば医農薬品の開発・研究などの分野では、構造や特徴の類似した化合物の系列を調べたいようなことがよくある。こうした化合物系列は、保持時間と質量電荷比とが特定の関係となっている場合が多いが、化合物系列に包含される複数の化合物を網羅的に選択してＭＳⁿスペクトルを取得するといったことは、従来の装置では考慮されていない。そのため、こうした解析作業を行うには煩雑な操作が必要であり、作業効率を上げることが困難であった。

本発明はこうした点に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、特定の化合物系列などについての情報を簡単な操作で且つ的確に得ることができるクロマトグラフ質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料を成分分離するクロマトグラフと、該クロマトグラフで成分分離された試料を質量分析する質量分析計と、を組み合わせたクロマトグラフ質量分析装置であって、質量分析計として、特定の質量電荷比を持つイオンをプリカーサイオンとして選別し、その選別されたプリカーサイオンを開裂させ、それによって生成されたプロダクトイオンを質量分析するＭＳⁿ分析が可能な質量分析計を用いたクロマトグラフ質量分析装置において、
a)試料に対するＭＳ¹分析を実行して取得したデータに基づいて、保持時間と質量電荷比とを平面上の二軸とし、信号強度を等高線又はそれに相当する強度の相違が識別可能な表現で表したグラフを作成して表示画面上に表示するグラフ表示手段と、
b)前記グラフ表示手段により表示されたグラフ上でユーザが任意の範囲を指定するための指定手段と、
c)前記指定手段により指定された範囲内に存在するピーク又は該範囲内に存在するピークを除外した残りのピークについて、該ピークに対応したイオンをプリカーサイオンとして選択するプリカーサイオン選択手段と、
d)前記プリカーサイオン選択手段により選択されたプリカーサイオンを順次設定したＭＳ²分析を実行する分析制御手段と、
を備えることを特徴としている。

ここでいうクロマトグラフ質量分析装置とは、典型的には、液体クロマトグラフ質量分析装置又はガスクロマトグラフ質量分析装置である。また、質量分析装置は、ＭＳⁿ分析が可能なものであればよく、特定の質量電荷比を有するイオンを選別して開裂を生じさせるための手段としては、例えば三次元四重極型イオントラップ、リニアイオントラップなどが考えられ、通常のイオン又はプロダクトイオンを質量分離する手段としては、例えば、四重極質量フィルタ、飛行時間型質量分析器などが考えられるが、いずれもこれらに限定されるものではない。

また、本発明に係るクロマトグラフ質量分析装置において、ＭＳ¹分析の対象とする試料と分析制御手段による制御の下で実行されるＭＳ²分析の対象とする試料とは同一であってもよいが、必ずしも同一試料である必要はなく、例えば、ＭＳ¹分析では目的試料に含まれると予想される成分を含む標準試料（又は既知の試料）を分析対象とし、ＭＳ²分析では目的試料（又は既知の試料）を分析対象とするようにしてもよい。具体的には、或る１つの化合物系列に包含される構造の類似した複数の化合物についてのＭＳ²スペクトルを得たいような場合に、こうした複数の化合物が含まれるような試料をＭＳ¹分析に供すればよい。

さらに上記「保持時間と質量電荷比とを平面上の二軸とし」たグラフは、例えば、該二軸が直交し信号強度を真上から見た等高線として表した、いわゆる２次元等高線グラフ、或いは、信号強度の高さを斜め方向から見た、いわゆる３次元等高線グラフなど、保持時間、質量電荷比、及び信号強度の３つのディメンジョンが表現できるグラフであれば特にその形式は限定されない。

本発明に係るクロマトグラフ質量分析装置において、上記指定手段は、例えばマウス等のポインティングデバイスを利用したドラッグ操作などにより、表示されたグラフ上で適宜の形状、大きさの枠を設定することで、該枠で囲まれる領域を上記範囲として指定するものとすることができる。また、例えばグラフ上で観察したい範囲のおおよその関係が一次式などの式で表せることが分かっている場合には、例えばその式を入力するとともにその式からのずれを表すマージン値を入力し（これはデフォルト値でもよい）、それに基づいて上記範囲を設定するようにしてもよい。

指定手段により或る範囲が指定されると、プリカーサイオン選択手段は、例えば指定された範囲内に存在するピークに関する情報（質量電荷比や保持時間）を収集し、そのピークに対応するイオンをプリカーサイオンとして定める。この際、指定された範囲内に存在する全てのピークを選択せずに、例えば信号強度が所定の閾値以上であるものといった別の条件の適合性を調べることでピークを取捨選択した上でプリカーサイオンを定めてもよい。プリカーサイオンが選択されたならば、分析制御手段は、クロマトグラフで成分分離された試料に対し、選択されたプリカーサイオンについてのＭＳ²分析が実行されるように、所定のタイミングでイオンの質量選別と選別された特定質量電荷比のイオンの開裂操作、及び開裂操作により生成されたプロダクトイオンの質量分析を実行する。

本発明に係るクロマトグラフ質量分析装置によれば、例えば質量電荷比と保持時間とが特定の関係を示すような１つの化合物系列を含むようにグラフ上でユーザが適切な範囲を指定することにより、この化合物系列に含まれる複数の化合物由来のイオンをプリカーサイオンとしたＭＳⁿスペクトルデータを収集することができる。これにより、興味のない不要なピークに対応したイオンはプリカーサイオンとして選択されることがなく、着目する化合物系列に含まれる或る化合物由来のイオンの信号強度が比較的小さい場合であってもこのイオンをプリカーサイオンとしたＭＳⁿスペクトルを確実に得ることができる。従って、非常に簡単な操作や作業によって、化合物系列に属する複数の化合物に関する構造解析に有用な情報を得ることができる。

以下、本発明に係るクロマトグラフ質量分析装置の一実施例であるＬＣ／ＭＳについて図面を参照して説明する。図１は本実施例によるＬＣ／ＭＳの概略構成図である。

液体クロマトグラフ１では、移動相容器２に貯留された移動相が送液ポンプ３により略一定流量で吸引されてカラム５に送給される。所定のタイミングでインジェクタ４から移動相中に分析対象の試料が導入され、移動相に乗ってカラム５に送り込まれる。カラム５を通過する間に、試料に含まれる各種成分は時間方向に分離され、カラム５から順番に溶出する。この溶出した試料成分を含む試料液が質量分析計１０に導入される。

試料液はエレクトロスプレイノズル１２から略大気圧雰囲気であるイオン化室１１内に噴霧され、それによって試料液中の成分分子はイオン化され、生成されたイオンは加熱パイプ１３を通って低真空雰囲気である第１中間真空室１４へと送り込まれる。イオン化室１１内ではエレクトロスプレイイオン化のほかに、大気圧化学イオン化などの別の大気圧イオン化法を採用してもよく、それらを併用してもよい。いずれにしてもイオンは第１中間真空室１４内に配置された第１イオンレンズ１５により収束されつつ、スキマー１６の頂部に形成された小孔を通して中真空雰囲気である第２中間真空室１７に送り込まれ、第２中間真空室１７内に配置されたオクタポール型の第２イオンレンズ１８により収束されつつ高真空雰囲気である分析室１９に送り込まれる。

分析室１９において、イオンは一旦、三次元四重極型のイオントラップ２０内に蓄積され、場合によっては質量分離（質量選別）及び衝突誘起解離による開裂操作を受け、所定のタイミングで一斉にイオントラップ２０から排出されて飛行時間型質量分離器２１に導入される。なお、イオントラップ２０におけるイオンの操作はＩＴ電源部２８から各電極（エンドキャップ電極、リング電極）に印加される電圧により制御される。

飛行時間型質量分離器２１は静電場によりイオンを反射させるリフレクトロン２２を備えるリフレクトロン型であり、折返し飛行する間にイオンは質量（厳密には質量電荷比m/z）に応じて分離され、質量が小さなイオンほど早くイオン検出器２３に到達する。イオン検出器２３は例えばイオンを電子に変換するコンバージョンダイノードと二次電子増倍管との組み合わせから成り、到達したイオン量に応じたイオン強度信号を出力する。このイオン強度信号はＡ／Ｄ変換器２４によりデジタル値に変換されてデータ処理部２５へと入力され、データ処理部２５においてマススペクトル、マスクロマトグラム、トータルイオンクロマトグラムの作成、それら結果に基づく定性分析や定量分析などが実行される。また、データ処理部２５にはデータ記憶部２６が付設され、ＬＣ／ＭＳで収集されたデータはデータ記憶部２６に格納され保存される。

また、上記のような質量分析動作を実行するために各部を制御する制御部２７には、キーボードやマウスなどの操作部２９、ＬＣＤディスプレイなどの表示部３０が接続されている。なお、データ処理部２５や制御部２７の実体はパーソナルコンピュータであって、パーソナルコンピュータにインストールされた専用の制御・処理プログラムをコンピュータで実行することにより、データ処理部２５や制御部２７としての機能が発揮される。

上記質量分析計１０では、イオントラップ２０において単にイオンの蓄積及び出射を行うことで通常のＭＳ（＝ＭＳ¹）分析を行うことができるとともに、イオントラップ２０においてｎ−１回のイオンの質量選別及び衝突誘起解離によるイオンの開裂操作を行うことで、ＭＳⁿ分析を行うことができる。衝突誘起解離を行うために図示しないガス供給手段からイオントラップ２０内に例えばＡｒガスなどの衝突ガスが供給されるようになっている。なお、イオンの蓄積及び開裂操作を行うために三次元四重極型のイオントラップを設ける代わりにリニアイオントラップなどを用いてもよく、また開裂操作も衝突誘起解離でなく赤外多光子解離などの他の手法を利用してもよい。

次に、本実施例のＬＣ／ＭＳにおける特徴的な分析動作について、図２〜図４を参照して説明する。図２はこの特徴的な分析動作の処理手順を示すフローチャートである。

まず、制御部２７の制御の下に、所定の試料についてＬＣ／ＭＳ¹分析、つまり質量分析計１０で開裂操作を伴わない通常のＭＳ¹分析を実行するＬＣ／ＭＳ分析を行うことによりデータを収集する（ステップＳ１）。即ち、液体クロマトグラフ１において所定の試料をインジェクタ４により移動相中に注入した後、質量分析計１０において、所定期間中にイオントラップ２０に導入された各種イオンをイオントラップ２０内に蓄積し、これを或るタイミングで一斉に出射して飛行時間型質量分離器２１に導入して質量分析を行う、というサイクルを繰り返すことにより、所定の質量範囲のマススペクトルデータを時間経過に伴って繰り返し取得する。こうして、保持時間、質量電荷比、信号強度の３つのディメンジョンを持つデータを収集することができ、所定の試料に対して収集されたデータは１つのファイルとしてデータ記憶部２６に格納される。

上記ＬＣ／ＭＳ¹分析の対象とする試料は、分析目的の試料を用いてもよいが、その場合には２回のＬＣ／ＭＳ分析のための試料を用意する必要がある。そこで、一般的には、このＬＣ／ＭＳ¹分析の対象とする試料は、分析目的とする成分を含む試料（例えば標準試料でもよい）とすればよい。

データ処理部２５は、データ記憶部２６に格納されている上述したような３つのディメンジョンを持つデータに基づいて、保持時間を横軸に、質量電荷比を縦軸にとり、信号強度を等高線で表した、２次元的な等強度線グラフを作成し、これを制御部２７を介して表示部３０の画面上に表示する（ステップＳ２）。図３がこの等強度線グラフの一例である。オペレータはこの等強度線グラフを見て、操作部２９のマウス（又は他のポインティングデバイス）のドラッグ操作により、又はキーボードからの数値入力により、ＭＳ²分析を実行したい範囲を指定する（ステップＳ３）。

等強度線グラフ上では、類似した構造を持つ複数の化合物に対応したピークが、例えば図３中に右上がり傾斜の線Ｂに沿って出現する。いま、これら複数の化合物を包含する化合物系列に着目してＭＳ²分析を実行したい場合、線Ｂに沿ったピークを囲むようにドラッグ操作等により枠Ａを設定すればよい。また、そうしたグラフィカルな範囲指定操作でなく、保持時間と質量電荷比との関係を示す関数や、その関数で２次元グラフ上に表現される線（直線又は曲線）の幅を広げるためのマージン値などを操作部２９のキーボードからの数値入力、或いはマウスによる選択操作により行い、これによってＭＳ²分析対象の範囲を設定してもよい。

例えば、上記線Ｂで示される保持時間RTと質量電荷比m/zとの関係が、
m/z＝ａ・RT＋ｂ、但しａ、ｂは適宜の定数
の一次式であるとすると、こうした一次式を入力するとともに、m/zのマージン値Δを入力する。このような入力に対し、図３中に示すように等強度線グラフ上に帯状の枠Ａが設定される。

上記のようなＭＳ²分析対象の範囲が設定されると、データ処理部２５は指定された範囲に含まれるデータをデータ記憶部２６から収集する（ステップＳ４）。そして、上記範囲に含まれるピークを抽出し、各ピークの関連情報、つまり、質量電荷比及び保持時間を収集する。但し、保持時間はピークトップの出現する保持時間だけでなく、例えば所定の閾値以上の信号強度が得られるような保持時間の時間幅を情報として収集する（ステップＳ５）。こうして収集した情報に基づいてプリカーサイオンを選択し、選択したイオンを例えばプリカーサイオンリストとしてまとめる（ステップＳ６）。指定された範囲内に存在する全てのピークに対応するイオンをプリカーサイオンとしてもよいし、或いは、その中でもピークトップの信号強度が所定の閾値以上であるピークを選別して、選別されたピークに対応するイオンをプリカーサイオンとしてもよい。

次に、制御部２７は上記プリカーサイオンリストに基づいて、試料注入からの時間経過に伴って分析すべきプリカーサイオンの質量電荷比と保持時間との関係を示すＬＣ／ＭＳ²実行スケジュールを作成する（ステップＳ７）。ここで、「ＬＣ／ＭＳ²」とは特に液体クロマトグラフでの成分分離の後に、ＭＳ²分析を実行することを意味している。図４はＬＣ／ＭＳ²実行スケジュールの一例を示す図である。

次に、制御部２７は上記のように作成されたＬＣ／ＭＳ²実行スケジュールに従って、ＬＣ／ＭＳ²分析を実行する（ステップＳ８）。図４に示したスケジュールによれば、保持時間がｔ０〜ｔ１の期間ではＭＳ²分析を実行せず、これに引き続く保持時間ｔ１〜ｔ２の期間では、質量電荷比ｍ１、ｍ２の２つのイオンをプリカーサイオンとしたＭＳ²分析を実行する。

即ち、このＭＳ²分析においては、イオントラップ２０に各種イオンを導入した後、ＩＴ電源部２８から所定の電圧をリング電極等に印加することにより、質量電荷比ｍ１のイオンを除いた他のイオンをイオントラップ２０から排除する。そうしてプリカーサイオンの選別を行った後に、イオントラップ２０内に衝突ガスを導入してプリカーサイオンを開裂させ、各種のプロダクトイオンを発生させる。続いて、生成されたプロダクトイオンをイオントラップ２０から一斉に出射させて飛行時間型質量分離器２１に導入し、質量分析を行うことでデータ処理部２５においてＭＳ²スペクトルデータを収集する。次に、同様の手順で質量電荷比ｍ２のプリカーサイオンに対するＭＳ²スペクトルデータも収集する。このように２種のプリカーサイオンに対するＭＳ²スペクトルデータの収集を保持時間ｔ１〜ｔ２の期間中繰り返す。なお、一般に、プロダクトイオンの信号強度は低いため、ＭＳ²スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させるためには、複数回同一のプリカーサイオンに対するデータを収集してそれを積算するとよい。

次の保持時間ｔ２〜ｔ３の期間では質量ｍ４のイオンをプリカーサイオンとして、さらにその次の保持時間ｔ３〜ｔ４の期間では質量ｍ４、ｍ５、ｍ６の３種のイオンをプリカーサイオンとして上述したようにＭＳ²分析を実行してＭＳ²スペクトルデータを取得する。なお、保持時間０の時点以降、通常のＭＳ¹分析を繰り返し実行し、スケジュールにプリカーサイオンが設定されている期間だけ、ＭＳ¹分析に追加してＭＳ²分析も実行するとよい。

以上のようにして本実施例のＬＣ／ＭＳでは、図３に示した等強度線グラフ上でオペレータが任意に指定した範囲に含まれるピークに対応したイオンのＭＳ²スペクトルを簡便に得ることができる。例えば１つの化合物系列に属する複数の化合物に対応したピークが含まれ、それ以外の不要なピークができるだけ含まれないように上記範囲を適切に設定しさえすれば、目的とする化合物の構造情報を含むＭＳ²スペクトルを確実に得ることができ、これに基づいて構造解析などを容易に行うことができる。

また、上記実施例では等強度線グラフ上で指定した（例えば枠Ａで囲んだ）範囲に包含されるピークに基づいてプリカーサイオンの選択が行われていたが、これとは逆に、枠Ａで囲まれる範囲を除いたピークに基づいてプリカーサイオンの選択を行うようにしてもよい。これは、例えば比較的信号強度が大きな複数の化合物のピークが妨害になっているときに、これを排除して目的とする化合物由来のイオンを観察したいような場合に有用である。

もちろん、等強度線グラフ上で任意の位置及び任意の大きさの範囲を指定する方法は、上記記載の方法に限定されない。また、指定できる範囲は１つのみならず、任意の数だけ指定できるようにすることができる。

また、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜修正や変更、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例はＬＣ／ＭＳに本発明を適用していたが、ＧＣ／ＭＳでも同様に適用が可能である。また、質量分析装置は、四重極型に限るものではなく、飛行時間型、イオントラップ型など、いずれの質量分析装置でも構わない。

本発明の一実施例によるＬＣ／ＭＳの概略構成図。 本実施例のＬＣ／ＭＳにおける特徴的な分析動作の手順を示すフローチャート。 本実施例のＬＣ／ＭＳにおいて表示部の画面上に表示される等強度線グラフの一例を示す図。 本実施例のＬＣ／ＭＳにおいて作成されるＬＣ／ＭＳ²実行スケジュールの一例を示す図。

符号の説明

１…液体クロマトグラフ
２…移動相容器
３…送液ポンプ
４…インジェクタ
５…カラム
１０…質量分析計
１１…イオン化室
１２…エレクトロスプレイノズル
１３…加熱パイプ
１４…第１中間真空室
１５…第１イオンレンズ
１６…スキマー
１７…第２中間真空室
１８…第２イオンレンズ
１９…分析室
２０…イオントラップ
２１…飛行時間型質量分離器
２２…リフレクトロン
２３…イオン検出器
２４…Ａ／Ｄ変換器
２５…データ処理部
２６…データ記憶部
２７…制御部
２８…ＩＴ電源部
２９…操作部
３０…表示部

Claims (1)

1. 試料を成分分離するクロマトグラフと、該クロマトグラフで成分分離された試料を質量分析する質量分析計と、を組み合わせたクロマトグラフ質量分析装置であって、質量分析計として、特定の質量電荷比を持つイオンをプリカーサイオンとして選別し、その選別されたプリカーサイオンを開裂させ、それによって生成されたプロダクトイオンを質量分析するＭＳⁿ分析が可能な質量分析計を用いたクロマトグラフ質量分析装置において、
   a)ＭＳ¹分析を実行して取得したデータに基づいて、保持時間と質量電荷比とを平面上の二軸とし、信号強度を等高線又はそれに相当する強度の相違が識別可能な表現で表したグラフを作成して表示画面上に表示するグラフ表示手段と、
   b)前記グラフ表示手段により表示されたグラフ上でユーザが任意の範囲を指定するための指定手段と、
   c)前記指定手段により指定された範囲内に存在するピーク又は該範囲内に存在するピークを除外した残りのピークについて、該ピークに対応したイオンをプリカーサイオンとして選択するプリカーサイオン選択手段と、
   d)前記プリカーサイオン選択手段により選択されたプリカーサイオンを時間経過に伴い順次設定したＭＳ²分析を実行する分析制御手段と、
   を備えることを特徴とするクロマトグラフ質量分析装置。

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