JP2020085822A

JP2020085822A - 化学構造推定装置及び方法

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Publication number: JP2020085822A
Application number: JP2018224669A
Authority: JP
Inventors: 真一向坂; Shinichi Kosaka
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP7266997B2

Abstract

【課題】反応前の部分構造及び反応後の部分構造を推定する。【解決手段】化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報に基づいて、複数の部分構造（例えば官能基）が登録されたデータベースが検索される。これにより、反応前の部分構造及び反応後の部分構造を表す部分構造情報が得られる。部分構造情報がマススペクトルと共に表示されてもよい。【選択図】図５

Description

本発明は化学構造推定装置及び方法に関し、特に、マススペクトルに基づいて化学構造を推定する技術に関する。

化学的分析方法として様々な方法が知られている。その中で、質量分析法は、物質に対して質量分析を実行し、これによりマススペクトルを得るものである。反応前の物質のマススペクトルと反応後の物質のマススペクトルとを比較すれば、反応によって、物質を構成する各成分が量的にどの程度変化したのかを特定できる。しかし、従来の質量分析法では、化学構造の変化を特定することは困難である。

なお、質量分析においては、組成推定法が用いられることもある。組成推定法は、マススペクトル中のピークから組成を推定するものである（例えば特許文献１を参照）。その方法は、分子を構成する原子の種別と種別ごとの原子の個数とを推定するものに過ぎず、化学構造を推定するものではない。

特開２０１７−１２９５３４号公報

化合物等の物質に含まれる官能基は当該物質の化学的性質を決める主な要素であり、化学反応が起こりやすい部分でもある。よって、化学分析においては官能基を特定することが重要となる。官能基以外の様々な部分（他の基、繰り返し単位、等）についても、その構造を特定することが望まれる。特に、反応前後での部分構造の変化（反応前の部分構造と反応後の部分構造）を特定したいというニーズが存在する。

本発明の目的は、部分構造を推定できる装置及び方法を実現することにある。

実施形態に係る化学構造推定装置は、複数の部分構造が登録されたデータベースと、化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報に基づいて前記データベースを検索し、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を特定し、それを表す部分構造情報を出力する検索手段と、を含む。

上記構成によれば、複数の部分構造が登録されたデータベースを利用して、変化情報から反応前の部分構造及び反応後の部分構造の一方又は両方を特定することが可能となる。一般に、マススペクトル又はその変化から、化合物の全体構造又はその変化を推定することは困難である。これに対し、化学的な反応（例えば誘導体化）により化合物の一部分が変化する場合、マススペクトルから得られる質量変化等の情報から、その一部分に限って、部分構造の変化を推定することは可能である。上記構成はそのような考え方に基づくものである。

変化情報は、増加した原子及び減少した原子を推定し得る情報であればよく、その概念には、反応前後での質量差又はそれに相当する情報が含まれる。データベースに対して多数の部分構造を網羅的に登録してもよいが、反応の前後で存在する可能性のある複数の部分構造だけを登録するようにしてもよい。

実施形態において、前記変化情報は、前記増加した原子の種別及び個数を特定する増加原子情報、及び、前記減少した原子の種別及び個数を特定する減少原子情報を含む。それらの情報を利用することにより、部分構造の推定精度を高められる。なお、増加した原子が無いという情報も増加原子情報であり、減少した原子が無いという情報も減少原子情報である。

実施形態において、前記検索手段は、前記データベースに登録された複数の部分構造によって定義される複数の部分構造ペアの中から前記変化情報に適合する部分構造ペアを特定し、当該部分構造ペアを構成する反応前の部分構造及び反応後の部分構造を表す前記部分構造情報を出力する。化学的に見てあり得る変化か否かという観点から、部分構造ペアの成否を判断するのが望ましい。データベース上に、複数の部分構造と共に、又は、それに代えて、複数の部分構造ペアが登録されてもよい。望ましくは、データベース上において部分構造ペアごとに部分構造の差分が登録される。その差分は変化情報と対比される情報であり、差分を登録しておけば検索効率を高められる。

実施形態に係る化学構造推定装置は、同一の又は異なるマススペクトル上において特定された反応前ピーク及び反応後ピークに基づいて前記変化情報を演算する変化情報演算手段を含む。この構成によれば、変化情報を正確に求めることが可能となる。また、ユーザーが変化情報を計算及び入力する必要がなくなる。

実施形態において、前記変化情報演算手段は、前記反応前ピークの質量電荷比と前記反応後ピークの質量電荷比との間の差に基づいて、前記変化情報として、増加原子情報及び減少原子情報を演算する。例えば、有機化合物の場合、それを構成する原子の種別は概ね絞れるので、質量電荷比の差、つまり質量差から、原子の種別及び個数、つまり組成差を特定することは可能である。

実施形態に係る化学構造推定装置は、前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造の両者を表す前記部分構造情報をマススペクトルと共に表示する表示手段を含む。この構成によれば、分子量の変化と同時に構造の変化を視覚的に容易に把握できる。

実施形態において、前記部分構造情報は、前記マススペクトルに含まれる反応前ピーク及び反応後ピークを特定する情報と、前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造を特定する情報と、を含む。

実施形態に係る化学構造推定方法は、化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報を受け付ける工程と、前記変化情報に基づいて、複数の部分構造が登録されたデータベースを検索し、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を特定する工程と、前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造の内で少なくとも一方を表す部分構造情報を出力する工程と、を含む。

上記方法は、ハードウエアの機能により、又は、ソフトウエアの機能により実現され得る。後者の場合、上記方法を実行するためのプログラムが、可搬型記憶媒体又はネットワークを介して、情報処理装置にインストールされ得る。情報処理装置の概念には、質量分析システム、マススペクトル解析装置、パーソナルコンピュータ等が含まれる。

本発明によれば、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を推定できる。

実施形態に係る化学構造推定装置の構成例を示すブロック図である。変化情報演算部での処理例を示す図である。部分構造データベースを示す図である。複数の部分構造ペア及び複数の組成差を示す図である。部分構造推定の第１例を示す図である。部分構造推定の第２例を示す図である。第１表示例を示す図である。第２表示例を示す図である。第３表示例を示す図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、実施形態に係る化学構造推定装置が示されている。図示された化学構造推定装置１０は、後に詳述するように、反応前後での組成差から、反応前の部分構造及び反応後の部分構造を推定する装置である。部分構造の概念には、官能基、他の基、繰り返し単位、等が含まれる。実施形態において、化学構造推定装置１０は、図示されていないマススペクトル測定装置と組み合わせて使用され、あるいは、それ単独で使用される。

化学構造推定装置１０は、例えば、情報処理装置によって構成される。具体的には、化学構造推定装置１０は、演算部１２、部分構造データベース１４、登録部（編集部）１６、変化情報入力部１８、表示部２０等を有している。

部分構造データベース１４には、複数の部分構造が登録される。例えば、複数の官能基、複数の繰り返し単位、等が登録される。個々の部分構造ごとに、必要に応じて、名称が登録される。それ以外の属性が登録されてもよい。後述するように、反応前（化学変化前）の部分構造と反応後（化学変化後）の部分構造とからなる部分構造ペアごとに、差分（組成差）が登録されてもよい。

登録部１６は、部分構造データベース１４に対して部分構造を登録する際に機能する。通常、ユーザーによって、部分構造データベース１４に対して部分構造が登録される。部分構造データベース１４に登録される情報がネットワークを介して取得されてもよい。登録部１６を利用して部分構造データベース１４の内容を編集することが可能であり、その意味において登録部１６は編集部とも言い得る。編集の内容としては、部分構造の登録、修正及び削除、属性情報の登録、修正及び削除、等が挙げられる。

演算部１２は、ＣＰＵ及びプログラムによって構成される。それが複数のプロセッサによって構成されてもよい。演算部１２は複数の機能を発揮し、図１においては、それが複数のブロックによって表現されている。演算部１２は、検索部２２、変化情報演算部２４、組成差演算部２６等を有している。

検索部２２は、入力された変化情報に基づいて部分構造データベースを検索することにより、反応前の部分構造と反応後の部分構造とを特定するものである。変化情報は、増加した原子の種別及び種別ごとの原子の個数を特定する増加原子情報と、減少した原子の種別及び種別ごとの原子の個数を特定する減少原子情報と、からなるものである。変化情報は組成差を示す情報とも言える。増加した原子が無いという情報も増加原子情報であり、また、減少した原子が無いという情報も減少原子情報である。

ユーザーが変化情報を入力する場合、変化情報入力部１８が利用される。変化情報入力部１８は、キーボード、ポインティングデバイス等の入力器によって構成される。他の装置で特定された変化情報が演算部１２に入力されてもよい。なお、同じ入力器を利用して、部分構造データベース１４へ登録される部分構造が入力されてもよい。

変化情報演算部２４は、質量分析装置から入力されるマススペクトル２５に基づいて変化情報（増加原子情報、減少原子情報）を演算するモジュールである。後に詳述するように、同じ又は異なるマススペクトル上において反応前ピークと反応後ピークとが指定され、それらのピーク間のｍ／ｚ差から変化情報が演算される。広い意味において、ｍ／ｚ差それ自体も変化情報である。マススペクトル上において、反応前の複数のピーク及び反応後の複数のピークが指定されてもよい。なお、各ピークについて組成推定を行った上で、２つの組成の差として、変化情報が演算されてもよい。

組成差演算部２６は、反応前の部分構造と反応後の部分構造とからなる部分構造ペアごとに組成差を演算するモジュールである。検索の都度、複数の部分構造ペアについて複数の組成差を演算してもよいが、複数の組成差を事前に演算しておき、それらを部分構造データベース１４に登録しておくのが望ましい。

検索時には、検索部２２により、変化情報が個々の組成差と比較されつつ、変化情報に一致する組成差がサーチされる。変化情報に一致する組成差が見つかった場合、その組成差に対応する部分構造ペアが特定される。１回の検索で、複数の部分構造ペアが特定されることもある。検索結果つまり推定結果である部分構造情報は表示処理部に送られる。部分構造情報は、反応前の部分構造及び反応後の部分構造を表す情報である。反応前の部分構造が既知である場合、反応後の部分構造だけが特定されてもよい。あるいは、反応後の部分構造が既知である場合、反応前の部分構造だけが特定されてもよい。

表示処理部２８は、部分構造情報を含む画像を作成する。その画像が表示部２０に表示される。表示部２０は例えばＬＣＤによって構成される。その画像には、反応前の部分構造を表す情報としての組成式、構造式等が含まれ、反応後の部分構造を表す情報としての組成式、構造式等が含まれる。後述するように、マススペクトルと共に、部分構造情報が表示されてもよい。その場合、反応前ピーク及び反応後ピークを識別する情報が表示されてもよい。

検索部２２の検索結果つまり推定結果が他の装置に提供されてもよい（符号３０を参照）。例えば、他の解析装置に対して推定結果を提供し、より高度な物質解析が行われてもよい。

図２には、変化情報演算部２４の構成例及び処理例が示されている。変化情報演算部２４は、図示の例において、組成差推定部４４及び精密質量データベース４６を有している。反応前に取得されたマススペクトル３２において、ユーザーによって、注目するピークが反応前ピーク３６として指定される（符号３８を参照）。また、反応後に取得されたマススペクトル３４において、ユーザーによって、注目するピークが反応後ピーク４０として指定される（符号４２を参照）。ピーク指定に際してはポインティングデバイス等が利用される。反応前ピーク３６及び反応後ピーク４０が自動的に特定されてもよい。例えば、マススペクトル３２，３４の差分演算により、反応前ピーク３６及び反応後ピーク４０が特定されてもよい。なお、反応過程において取得された１つのマススペクトルにおいて反応前ピーク３６及び反応後ピーク４０の両方が特定されてもよい。

組成差推定部４４は、反応前ピーク３６のｍ／ｚと反応後ピーク４０のｍ／ｚとの間の差Δｍ／ｚを演算し、その差Δｍ／ｚに基づいて、変化情報４８として、増加原子情報５０及び減少原子情報５２を演算し、それらを出力する。既に説明したように、増加原子情報５０は、増加した原子の種別及び種別ごとの原子数を示す情報であり、減少原子情報５２は、減少した原子の種別及び種別ごとの原子数を示す情報である。組成差推定部４４は、増加原子情報５０及び減少原子情報５２の演算に際して、精密質量データベース４６を参照する。精密質量データベース４６には、各原子の精密質量が格納されており、また電子の精密質量が格納されている。なお、反応前ピーク３６のｍ／ｚと反応後ピーク４０のｍ／ｚのそれぞれについて組成推定を行って、推定された２つの組成の差として、変化情報を演算することも可能である。

例えば、以下の（１）式に基づいて、各原子の増加数及び減少数が特定され得る。
Δｍ＝ｋ１×ｍ１＋ｋ２×ｍ２＋・・・＋ｋｎ×ｍｎ・・・（１）

上記（１）式において、Δｍは精密質量差を示しており、それはΔｍ／ｚから特定される。電荷数が１であればΔｍはΔｍ／ｚに一致する。ｍ１，ｍ２，・・・，ｍｎは、各原子の精密質量を示しており、各係数ｋ１，ｋ２，・・・，ｋｎは、原子の個数を示しており、それらはマイナス値、ゼロ又はプラス値をとり得る。ｎは推定対象となる原子の種別数である。各係数がとり得る範囲は事前に設定される。誤差範囲等が事前に設定されてもよい。上記（１）式に基づいて、複数の変化情報が演算されてもよい。上記（１）式は例示に過ぎず、他の計算式が利用されてもよい。

図３には、部分構造データベース１４の内容が例示されている。図示の例では、個々の部分構造ごとに、組成式５６及び名称５８が登録されている。属性である名称５８は必要に応じて登録される。部分構造データベース１４に構造式等が登録されてよい。複数の部分構造データベースを用意しておいて、試料、反応の種類等に応じて、使用する部分構造データベースを選択してもよい。上記のように、部分構造データベース１４には、官能基等の部分構造の他、アルキル鎖やリン酸等の繰り返し単位も登録できる。官能基の組成式は様々な文献から容易に得られる。また、測定対象となる固有の官能基（例えば保護基など）が登録されてもよい。

図４には、複数の部分構造ペア及び複数の組成差を表したテーブル１４Ａが示されている。１つのセル６０が１つの部分構造ペアに対応しており、各セル６０の中には組成差が示されている。個々の部分構造ペアは、変化前つまり反応前の部分構造と、変化後つまり反応後の部分構造と、の組み合わせである。化学的に見てあり得ない変化については、部分構造ペアは構成されない。組成差は、反応前の部分構造と反応後の部分構造の差であり、原子の種別と種別ごとの原子の個数とを特定する情報である。組成差は上記変化情報の実体と同じである。図４において、「＋」は増加を意味しており、「−」は減少を意味している。図４に示されるテーブル１４Ａが検索の都度、作成されてもよいが、事前にテーブル１４Ａを演算し、それを部分構造データベースに登録しておけば検索時間を大幅に短縮できる。テーブル１４Ａが有する対称性を利用して、半分のサイズを有するテーブルを構成してもよいし、その対称性を利用してテーブル１４Ａの作成時の演算量を削減してもよい。

図５及び図６を用いて、化学構造推定装置が備えるユーザーインターフェイス（ＵＩ）及びその使用例を説明する。

図示されたＵＩ６２は、変化情報入力欄６４、部分構造参照欄６６、検索結果表示欄６８、等を有している。部分構造参照欄６６を利用して部分構造データベースに登録されている部分構造をリストとして参照することが可能である。変化情報入力欄６４には増加原子情報入力欄７０及び減少原子情報入力欄７２が含まれ、また、検索実行ボタン７３が含まれる。

図５に示す使用例においては、増加原子情報入力欄７０に「Ｃ４」が入力され、減少原子情報入力欄７２には何も入力されない（減少原子ゼロが指定される）。検索を実行すると、検索結果表示欄６８に図示のように検索結果が表示される。ここでは２つの部分構造ペア７４，７６が表示されている。すなわち、図示の例では、NHCH₃が減ってC₅H₄N(pyridyl)が増えたこと、及び、C₃H₇(isopropyl)が減ってC₆H₅CH₂(benzyl)が増えたこと、が表示される。ここでItem１は反応前の部分構造を示しており、Item２は反応後の部分構造を示している。

図６には別の使用例が示されている。図６において、図５に示した要素には同一符号を付し、その説明を省略する。増加原子情報入力欄７０に「ＯＨ」を入力し、また、減少原子情報入力欄７２に「Ｎ」を入力すると、検索結果表示欄６８に図示のような１つの部分構造ペア７８が表示される。すなわち、図示の例では、CN(cyano)が減ってCHO(aldehyde)が増えたこと、が表示される。

以上のように、増加原子情報及び減少原子情報を入力すれば、それに相当する組成差を有する１又は複数の部分構造ペアを特定できる。検索結果を表示する際に、組成式に代えて構造式を表示してもよい。また該当可能性を示す割合等を表示してもよい。

次に、部分構造情報についての幾つかの表示例（アノテーション表示例）を説明する。図７に示す第１表示例においては、マススペクトル８０と共に部分構造情報８２が表示されている。部分構造情報８２は、図形８８、矢印９０、第１組成式９２及び第２組成式９４を有する。図形８８は、反応前ピーク８４を識別する垂直ライン、反応後ピーク８６を識別する垂直ライン、及び、それらのラインを繋ぐ水平ラインによって構成されている。矢印９０によって反応方向が示されている。

第１組成式９２は、反応前の部分構造を示しており、その先頭には「−」が付されている。それは減少を意味している。第２組成式９４は、反応後の部分構造を示しており、その先頭には「＋」が付されている。それは増加を意味している。ユーザーは、このような部分構造情報８２を参照することにより、マススペクトル８０の内容を考慮しながら、部分構造の変化を認識することが可能である。

図８に示す第２表示例においては、部分構造情報９６が図形９８及び吹き出し１００を有している。図形９８は反応前ピーク及び反応後ピークを識別する情報であり、矢印によって反応方向が表現されている。もっとも、そのような表示は必須ではなく、２つのピークの対応関係が分かるだけでもよい。吹き出し１００には幾つかの情報が含まれている。情報１０２は、差Δｍ／ｚ及びそれに対応する組成差である。例えば、上記（１）式を用いて、差Δｍ／ｚから組成差が求められる。そこに含まれる「＋」は増加を意味している。第１組成式１０４は反応前の部分構造の組成式である。第２組成式１０６は反応後の部分構造の組成式である。第２組成式１０６の直前に付された矢印は反応方向を示している。

図９に示す第３表示例においては、部分構造情報１０８は、図形１１０、第１組成式１１２及び第２組成式１１４を含む。図形１１０は反応前ピーク、反応後ピークを識別するものであり、またそれによって反応方向が示されている。但し、図示されたマススペクトルは反応後のものであり、反応前ピークがグラフィック要素としてのライン１１６によって模擬的に表現されている。第１組成式１１２は引出線によって反応前ピークに関連付けられており、また、第２組成式１１４は別の引出線によって反応後ピークに関連付けられている。

実施形態によれば、化学分析において重要な情報である部分構造、特に、反応前後での部分構造の違いを推定することが可能である。上記第１表示例乃至第３表示例において、測定条件によって反応方向（右から左、又は、左から右）を自動的に特定してもよい。例えば、ＭＳ／ＭＳシステム及びＧＣ−ＭＳシステムにおいて電子イオン化法（ＥＩ法）が採用された場合には、左から右への反応方向を特定し、ＬＣ−ＭＳシステムにおいては、右から左への反応方向を特定してもよい。なお、部分構造の検索を行うことなく第１表示例、第２表示例又は第３表示例のような表示を行う装置を構成する変形例も考えられる。

１０化学構造推定装置、１２演算部、１４部分構造データベース、１８変化情報入力部、２２検索部、２４変化情報演算部、２６組成差演算部、２８表示処理部。

Claims

複数の部分構造が登録されたデータベースと、
化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報に基づいて前記データベースを検索し、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を特定し、それを示す部分構造情報を出力する検索手段と、
を含むことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項１記載の化学構造推定装置において、
前記変化情報は、前記増加した原子の種別及び個数を特定する増加原子情報、及び、前記減少した原子の種別及び個数を特定する減少原子情報を含む、
ことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項１記載の化学構造推定装置において、
前記検索手段は、前記データベースに登録された複数の部分構造によって定義される複数の部分構造ペアの中から前記変化情報に適合する部分構造ペアを特定し、当該部分構造ペアを構成する反応前の部分構造及び反応後の部分構造を表す前記部分構造情報を出力する、
ことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項１記載の化学構造推定装置において、
同一の又は異なるマススペクトル上において特定された反応前ピーク及び反応後ピークに基づいて前記変化情報を演算する変化情報演算手段を含む、
ことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項４記載の化学構造推定装置において、
前記変化情報演算手段は、前記反応前ピークの質量電荷比と前記反応後ピークの質量電荷比との間の差に基づいて、前記変化情報として、増加原子情報及び減少原子情報を演算する、
ことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項１記載の化学構造推定装置において、
前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造の両者を表す前記部分構造情報をマススペクトルと共に表示する表示手段を含む、
ことを特徴とする化学構造推定装置。
請求項６記載の化学構造推定装置において、
前記部分構造情報は、
前記マススペクトルに含まれる反応前ピーク及び反応後ピークを特定する情報と、
前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造を特定する情報と、
を含むことを特徴とする化学構造推定装置。
化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報を受け付ける工程と、
前記変化情報に基づいて、複数の部分構造が登録されたデータベースを検索し、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を特定する工程と、
前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造の内で少なくとも一方を表す部分構造情報を出力する工程と、
を含むことを特徴とする化学構造推定方法。
情報処理装置において化学構造推定方法を実行するためのプログラムであって、
化学的な反応の前後で増加した原子及び減少した原子を特定する変化情報を受け付ける機能と、
前記変化情報に基づいて、複数の部分構造が登録されたデータベースを検索し、反応前の部分構造及び反応後の部分構造の内で少なくとも一方を特定する機能と、
前記反応前の部分構造及び前記反応後の部分構造の内で少なくとも一方を表す部分構造情報を出力する機能と、
を含むことを特徴とするプログラム。