JP3774770B2 - 質量分析法、及び質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析法、及び質量分析装置に関する。

従来の質量分析法では、分析対象である分子などの微粒子を所定の空間内に飛翔させるとともに、前記微粒子に対して電場又は電磁場を印加し、この電場又は電磁場からの静電力又はローレンツ力による前記微粒子の運動の変化から前記微粒子の質量を計測していた。しかしながら、このような従来の質量分析法では、前記微粒子に対して前記静電力又は前記ローレンツ力を作用せしめるために、前記微粒子を常にイオン化しなければならなかった。このため、従来より様々な工夫がなされ、例えばＭＡＬＤＩの技術などが開発されている。

しかしながら、ＭＡＬＤＩを含む従来の技術においては、前記微粒子のイオン化効率は１％以下であり、その結果、著しく感度が低く、特に前記微粒子の質量が大きい場合は、感度の低下が顕著となっていた。その結果、質量分析に供することのできる前記微粒子は、例えば分子量が１０^４以下の分子に限定されていた。したがって、分子生物学や臨床検査分野などで要求されている、分子量１０^５以上のタンパク質分子や酵素、さらにはウイルスなどの質量測定を実施することができないでいた。

本発明は、極めて大きな分子量を有する分子などの微粒子の質量を計測することが可能な新規な質量分析法及び質量分析法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
空間中に磁場勾配を生成する工程と、
前記空間中に微粒子を飛翔させ、前記微粒子に対して前記磁場勾配に起因した磁気力を前記微粒子の飛翔方向に沿って作用させる工程と、
前記微粒子の前記飛翔方向における前記磁気力による速度及び加速度を計測し、その速度及び加速度から前記微粒子の質量を計測する工程と、
を具えることを特徴とする、質量分析法に関する。

また、本発明は、
空間中に配置されるとともに、前記空間内を飛翔する微粒子に対して磁場勾配に起因した磁気力を前記微粒子の飛翔方向に沿って作用させるための磁場勾配生成手段と、
前記微粒子の前記飛翔方向における前記磁気力による速度及び加速度を計測する速度／加速度計測手段と、
を具えることを特徴とする、質量分析装置に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、分析対象の微粒子を大気中又は真空中などの低粘性空間に飛翔させるとともに、前記空間内において、前記微粒子の飛翔方向において磁気勾配を生じさせると、前記微粒子には前記磁気勾配からの磁気力が作用し、前記微粒子の飛翔速度が変化する。したがって、この際の前記飛翔速度の変位すなわち加速度を計測することによって、前記微粒子の質量を計測することができる。

具体的には、前記磁気力をＦｍ、前記空間内における前記微粒子の粘性抵抗力をＦｖ、及び重力加速度をｇとすると、前記微粒子が前記空間中を落下している際には、
Ｆｍ＋ｍｇ−Ｆｖ＝ｍα （１）
なる運動方程式が成立する。ここで、αは前記微粒子の加速度である。

一方、磁気力Ｆｍは、前記微粒子の体積磁化率をχ、真空の透磁率をμ_０、前記微粒子の体積をＶ、前記空間中の磁束密度をＢとすると、磁場勾配はＢ（ｄＢ／ｄｘ）で表されるので、
Ｆｍ＝（χ／μ_０）ＶＢ（ｄＢ／ｄｘ） （２）
なる関係式で表されることになる。

また、粘性抵抗力Ｆｖは、前記空間の粘度をη、前記微粒子の半径をｒ、前記微粒子の速度をｖとすると、
Ｆｖ＝６πηｒｖ （３）
なる関係式で表されることになる。

（２）式において、前記微粒子の体積磁化率χ、前記微粒子の体積Ｖ、及び前記磁束密度Ｂ、及び前記磁気勾配ｄＢ／ｄｘは既知とすることができるので、これらの値より、磁気力Ｆｍを予め導出することができる。また、（３）式において、前記空間の粘度η、前記微粒子の半径ｒは既知とすることができ、前記微粒子の速度ｖを計測することによって、粘性抵抗力を導出することができる。したがって、これら磁気力Ｆｍ及び粘性抵抗力Ｆｖに加えて、加速度αを計測することができれば、（１）式より、前記微粒子の質量ｍを計測することができる。

なお、前記微粒子の体積磁化率χが既知でない場合においても、少なくとも２つの異なる時刻における速度及び加速度が計測されれば、（１）式より、前記微粒子の体積磁化率χ及び質量ｍをパラメータとした連立方程式が得られるので、前記微粒子の質量ｍ及び体積磁化率を同時に計測できるようになる。

さらに、前記微粒子が落下している際の終端速度をｖ^０とすると、その初期条件として終端速度ｖ^０を採用し、（２）及び（３）式を用いて、時刻ｔにおける前記微粒子の速度ｖ（ｔ）は、
ｖ（ｔ）＝Ｖ^０＋（２χｒ^２／９ημ_０）（ＢｄＢ／ｄｘ）（ｔ）−（ｍ／６πｒη）α（ｔ）
（４）
なる式で表すことができる。なお、（４）式の導出に際しては、前記微粒子は完全な球であると仮定し、Ｖ＝（４／３）πｒ^３なる関係式を用いた。

したがって、（４）式において、前記微粒子の終端速度を計測するとともに、時刻ｔにおける前記微粒子の速度ｖ（ｔ）を計測し、そのときの加速度α（ｔ）を導出すれば、目的とする前記微粒子の質量ｍを計測することができる。

（４）式においても、前記微粒子の体積磁化率χが既知でない場合、少なくとも２つの異なる時刻における速度及び加速度が計測されれば、前記微粒子の体積磁化率χ及び質量ｍをパラメータとした連立方程式が得られるので、前記微粒子の質量ｍ及び体積磁化率を同時に計測できるようになる。

なお、本発明の質量分析を、例えば２×１０^−４Ｐａ以下の圧力下の真空中で行う場合、前記空間の粘度ηを無視することができ、この場合、（３）式における粘性抵抗力Ｆｖ≒０と表すことができるので、（１）式は、
Ｆｍ＋ｍｇ＝ｍα （５）
のようにより簡単な式で書き表すことができる。したがって、（５）式より、前記微粒子に対する磁気力と加速度とを計測するのみで、前記微粒子の質量ｍを計測できるようになる。

前記微粒子の質量ｍを計測するに際して、（３）式を用いるか、（４）式を用いるかは適宜選択することができる。具体的には、前記微粒子の終端速度ｖ^０が既知である（計測できる）場合は、（４）式を用い、既知でない場合は（３）式を用いることができる。また、質量分析を真空中で行う場合は、（５）式を用いる。

このように、本発明によれば、目的とする前記微粒子の質量ｍを導出する際に、前記微粒子をイオン化する必要がない。したがって、イオン化効率の低さに起因した測定感度の低下を抑制して、前記微粒子の質量を高感度に計測することができる。その結果、巨大な分子量、例えば、分子生物学や臨床検査分野などで要求されている、分子量１０^５以上のタンパク質分子や酵素、さらにはウイルスなどの質量をも正確に計測することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の質量分析器の一例を示す構成図である。図１に示す質量分析器１０は、超伝導磁石１１と、その内部空間Ｓ内に配置された一対のポールピース１２とを具えている。超伝導磁石１１によって、内部空間Ｓ内には磁束密度Ｂの磁場が形成され、ポールピース１２間にはＢ（ｄＢ／ｄｘ）で表される磁場勾配が例えば図中の矢印で示す方向に形成される。

さらに、図１に示す質量分析器１０では、一対のポールピース１２間のほぼ中央において、その上方に液滴発生器１３が設けられ、ポールピース１２を挟むようにしてＣＣＤカメラ１４及びストロボフラッシュ１５が対向するようにして配置されている。また、ＣＣＤカメラ１４にはビデオレコーダー１６及びＰＣ１７が接続され、液滴発生器１３及びストロボフラッシュ１５には波形発生器１８及びＰＣ１７が接続されている。

超伝導磁石１１によって、ポールピース１２の上方で、下方に向けてＢ（ｄＢ／ｄｘ）の磁場勾配が生成されている状態で、液滴発生器１３から波形発生器１８で生成される電圧の周期と同期させて所定の液滴が発射され、下方に向けて落下すると、ストロボフラッシュ１５から前記液滴に向けて所定の光が照射されるとともに、前記液滴の落下の状態がＣＣＤカメラ１４によって撮像される。撮像した画像はビデオレコーダー１６内に記録される。

本例においては、波形発生器１８から発生される電圧の周期と同期させて、ストロボフラッシュ１５からの、前記液滴への光照射を経時的に複数回行うとともに、ＰＣ１７を介してＣＣＤカメラ１４の前記液滴の撮像を、ストロボフラッシュ１５による光照射と同期させるようにしている。したがって、前記液滴の落下状態を経時的に連続的に撮像することができるようになる。このとき、撮像の時間間隔（ストロボフラッシュ１５の光照射間隔）と、この間の前記移動距離とから、各位置（時間間隔）での前記液滴の速度を導出することができ、前記撮像の時間間隔に対する前記液滴の速度変化から各位置（時間間隔）での前記液滴の加速度を導出することができる。

例えば、撮像時刻ｔ_１及ｔ_２間における前記液滴の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ_１）及びｘ（ｔ_２）間の距離）がＬ１であり、撮像時刻ｔ_２及びｔ_３間における前記液滴の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ_２）及びｘ（ｔ_３）間の距離）がＬ_２であるとすると、撮像位置ｘ（ｔ_１）及びｘ（ｔ_２）の中点における前記液滴の速度ｖ_１２はＬ１／（ｔ_２−ｔ_１）で表すことができ、撮像位置ｘ（ｔ_２）及びｘ（ｔ_３）の中点における前記液滴の速度ｖ_２３はＬ２／（ｔ_３−ｔ_２）で表すことができる。したがって、前記液滴の撮像位置ｘ（ｔ_２）における加速度α（ｔ_２）は、（ｖ２３−ｖ１２）／（前記両中点位置の時間差）で表すことができる。したがって、前記液滴の、所定の撮像位置における速度及び加速度を導出することができ、上述した（１）式から前記液滴の質量を計測することができる。

なお、上述した操作を撮像位置の総てに対して行い、撮像位置毎に得た前記液滴の質量を平均化させることによって、前記液滴の質量をより正確に計測することができるようになる。

超伝導磁石１１の内部空間Ｓは、大気空間とする。これによって、内部空間Ｓの粘性抵抗を低下させることができ、前記磁気勾配に起因した磁気力によって前記液滴を十分に加速することができ、十分な大きさの速度及び加速度を得て、前記液滴の質量の計測精度を増大させることができる。また、内部空間Ｓを２×１０^−４Ｐａ以下にまで真空排気された真空空間とすれば、前述した作用効果に加えて、その粘性抵抗をほとんど無視することができ、粘性抵抗力を考慮することなく、より簡易に前記液滴の質量を計測することができるようになる。

また、前記磁気勾配の強度は例えば１００Ｔ^２／ｍ以上とすることができる。この場合、前記液滴の大きさが十分に大きい場合においても、前記液滴の質量を十分高精度に計測するに足る大きさの速度及び加速度を得ることができる。

図１に示す質量分析器を用いて、塩化マンガン水溶液（濃度０．３Ｍ）の液滴（半径約２９μｍ）の質量分析を試みた。超伝導磁石１１から生成される磁場の磁束密度を１０Ｔとし、鉄片からなるポールピース１２間の距離を３００μｍとした。なお、前記液滴が落下する際に、ストロボフラッシュ１５による光照射を６００Ｈｚの周期で実施した。

図２は、上述のようにして前記液滴の落下状態を前記６００Ｈｚの周期で連続的に撮像した際の前記液滴の落下の奇跡を示す写真である。図２から明らかなように、前記液滴は鉄片に近づくにつれて、その速度（液滴の撮像間隔）が増大していることが分かる。

図３は、前記液滴の質量を上述した本発明の質量分析法によって実際に計測した際の計測値（実験値）と、前記液滴の大きさから推測される前記液滴の質量との関係を示すグラフである。図３から、明らかなように、本発明の質量分析法及び質量分析器を用いて計測した前記液滴の質量は予想値と良く一致していることが分かる。すなわち、本発明の質量分析法及び質量分析器を用いることによって、前記液滴の質量を十分高精度に計測できることが判明した。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、上記例においては、質量分析に供する微粒子として、液滴について説明しているが、このような液滴に限らずその他の固体状の物質などについても、その質量を十分に計測することができる。

本発明は、環境及び保健分野における、浮遊微粒子の磁性成分測定と、肺疾患との関連の測定に利用することができる。また、分子生物学及び臨床検査分野における、細胞の病理診断、染色体異常、タンパク質の分子診断などに利用することができる。さらに、分子量１０^５以上の、タンパク質分子や酵素、ウイルスの質量計測などに利用することができる。

本発明の質量分析器の一例を示す構成図である。 液滴の落下状態を示すストロボ連続写真である。 本発明の質量分析法及び質量分析装置によって得た液滴の質量と、その予想値との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 質量分析器
１１ 超伝導磁石
１２ ポールピース
１３ 液滴発生器
１４ ＣＣＤカメラ
１５ ストロボフラッシュ
１６ ビデオレコーダー
１７ ＰＣ
１８ 波形発生器

Claims (27)

1. 空間中に磁場勾配を生成する工程と、
   前記空間中に微粒子を飛翔させ、前記微粒子に対して前記磁場勾配に起因した磁気力を前記微粒子の飛翔方向に沿って作用させる工程と、
   前記微粒子の前記飛翔方向における前記磁気力による速度及び加速度を計測し、その速度及び加速度から前記微粒子の質量を計測する工程と、
   を具えることを特徴とする、質量分析法。
2. 前記微粒子の前記質量は、下記式
   Ｆｍ−Ｆｖ＝ｍ（α−ｇ）
   （Ｆｍ：微粒子に負荷される磁気力、Ｆｖ：粘性抵抗力、ｍ：微粒子の質量、α：微粒子の加速度、ｇ：重力加速度）
   から導出されることを特徴とする、請求項１に記載の質量分析法。
3. 前記微粒子の前記質量は、下記式
   ｖ（ｔ）＝Ｖ^０＋（２χｒ^２／９ημ_０）（ＢｄＢ／ｄｘ）（ｔ）−（ｍ／６πｒη）α（ｔ）
   （ｖ（ｔ）：時刻ｔにおける微粒子の速度、Ｖ^０：終端速度、χ：微粒子の体積磁化率、ｒ：微粒子の半径、η：空間内の粘度、μ_０：真空の透磁率、Ｂ：空間内の磁束密度、Ｂ（ｄＢ／ｄｘ）：磁場勾配強度、ｍ：微粒子の質量、α（ｔ）：時刻ｔにおける微粒子の加速度）
   から導出されることを特徴とする、請求項１に記載の質量分析法。
4. 前記空間は、大気空間であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の質量分析法。
5. 前記空間は、真空空間であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の質量分析法。
6. 前記真空空間内の圧力が２×１０^−４Ｐａ以下であることを特徴とする、請求項５に記載の質量分析法。
7. 前記磁場勾配の強度が１００Ｔ^２／ｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の質量分析法。
8. 前記微粒子は液滴であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の質量分析法。
9. 前記微粒子は、分子量が１０^５以上の分子であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の質量分析法。
10. 前記微粒子の飛翔過程を経時的及び連続的に撮像して、撮像の時間間隔と、この間の移動距離とから各撮像位置での速度を導出して前記速度とし、前記撮像の時間間隔における前記微粒子の速度変化から各撮像位置での加速度を導出して、前記加速度とすることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の質量分析法。
11. 前記微粒子に対する前記撮像は、前記微粒子に対するストロボ照射と同期させて行うことを特徴とする、請求項１０に記載の質量分析法。
12. 前記微粒子は重力方向に沿って落下させるとともに、前記磁気力は、前記微粒子に対し、前記重力方向に沿って作用させることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一に記載の質量分析法。
13. 撮像時刻ｔ _１ 及ｔ _２ 間における前記微粒子の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ _１ ）及びｘ（ｔ _２ ）間の距離）がＬ１であり、撮像時刻ｔ _２ 及びｔ _３ 間における前記微粒子の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ _２ ）及びｘ（ｔ _３ ）間の距離）がＬ _２ である場合において、撮像位置ｘ（ｔ _１ ）及びｘ（ｔ _２ ）の中点における前記微粒子の速度ｖ _１２ はＬ１／（ｔ _２ −ｔ _１ ）で表すことができ、撮像位置ｘ（ｔ _２ ）及びｘ（ｔ _３ ）の中点における前記微粒子の速度ｖ _２３ はＬ２／（ｔ _３ −ｔ _２ ）で表すことができることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の質量分析法。
14. 前記微粒子の撮像位置ｘ（ｔ _２ ）における加速度α（ｔ _２ ）は、（ｖ２３−ｖ１２）／（前記両中点位置の時間差）で表すことができることを特徴とする、請求項１３に記載の質量分析法。
15. 空間中に配置されるとともに、前記空間内を飛翔する微粒子に対して磁場勾配に起因した磁気力を前記微粒子の飛翔方向に沿って作用させるための磁場勾配生成手段と、
    前記微粒子の前記飛翔方向における前記磁気力による速度及び加速度を計測する速度／加速度計測手段と、
    を具えることを特徴とする、質量分析装置。
16. 前記磁場勾配生成手段は、所定の磁石と、前記磁石によって生成される磁場内に配置された一対のポールピースとを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の質量分析装置。
17. 前記速度／加速度計測手段は、前記微粒子の飛翔状態を経時的に撮像する撮像手段を含むことを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の質量分析装置。
18. 前記撮像手段は、前記微粒子に対する撮像と同時に前記微粒子に対するストロボ照射を行うためのストロボ照射手段を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の質量分析装置。
19. 前記空間は、大気空間であることを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一に記載の質量分析装置。
20. 前記空間は、真空空間であることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか一に記載の質量分析装置。
21. 前記真空空間内の圧力が２×１０^−４Ｐａ以下であることを特徴とする、請求項２０に記載の質量分析装置。
22. 前記磁場勾配の強度が１００Ｔ^２／ｍ以上であることを特徴とする、請求項１５〜２１のいずれか一に記載の質量分析装置。
23. 前記微粒子は液滴であることを特徴とする、請求項１５〜２２のいずれか一に記載の質量分析装置。
24. 前記微粒子は、分子量が１０ ^５ 以上の分子であることを特徴とする、請求項１５〜２３のいずれか一に記載の質量分析装置。
25. 前記微粒子は重力方向に沿って落下させるとともに、前記磁気力は、前記微粒子に対し、前記重力方向に沿って作用させるように構成したことを特徴とする、請求項１５〜２４のいずれか一に記載の質量分析装置。
26. 前記速度／加速度計測手段において、撮像時刻ｔ _１ 及ｔ _２ 間における前記微粒子の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ _１ ）及びｘ（ｔ _２ ）間の距離）がＬ１であり、撮像時刻ｔ _２ 及びｔ _３ 間における前記微粒子の移動距離（撮像位置ｘ（ｔ _２ ）及びｘ（ｔ _３ ）間の距離）がＬ _２ である場合において、撮像位置ｘ（ｔ _１ ）及びｘ（ｔ _２ ）の中点における前記微粒子の速度ｖ _１２ はＬ１／（ｔ _２ −ｔ _１ ）で表すことができ、撮像位置ｘ（ｔ _２ ）及びｘ（ｔ _３ ）の中点における前記微粒子の速度ｖ _２３ はＬ２／（ｔ _３ −ｔ _２ ）で表すことを特徴とする、請求項１５〜２５のいずれか一に記載の質量分析装置。
27. 前記速度／加速度計測手段において、前記微粒子の撮像位置ｘ（ｔ _２ ）における加速度α（ｔ _２ ）は、（ｖ２３−ｖ１２）／（前記両中点位置の時間差）で表すことを特徴とする、請求項２６に記載の質量分析装置。

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