JP4393206B2

JP4393206B2 - 質量分析装置用データ処理装置

Info

Publication number: JP4393206B2
Application number: JP2004009977A
Authority: JP
Inventors: いずみ緒方; 伸也伊藤; 泰啓武川; 喜三郎出口; 裕章中川; 紳一郎西村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: JP2005201835A; US20050159902A1

Description

本発明は、ＭＳⁿ が可能な質量分析装置を用いて得られた未知化合物のマススペクトルを、既知化合物のマススペクトルデータベースで検索し、未知化合物の構造情報を得ることのできるデータ処理装置に関する。

未知の化合物を質量分析装置で測定し、その構造を明らかにするために、測定で得られた未知化合物のマススペクトルを、既知化合物のマススペクトルデータベースで検索することが広く行われている。マススペクトルのデータベース検索法は、特開平１１−64285号公報（特許文献１），特開２００１−５０９４５号公報（特許文献２）などに開示されている。

質量分析装置は、イオン源でイオン化された試料を質量対電荷の比（ｍ／ｚ）を基に分離し、検出する装置である。この際、最初にイオン源でイオン化された試料をそのまま検出する通常の質量分析方法をＭＳ¹ とする。ＭＳ¹ で得られたマススペクトル内の特定質量のイオン（前駆イオン）にエネルギーを与えて解離させ、生成した複数の生成物イオンを質量分離して第二のマススペクトルを得る方法をＭＳ² と呼ぶ。

試料分子内の各結合は、分子の構造に応じて開裂しやすさが異なるため、ＭＳ² で得られるマススペクトル内のフラグメントイオンはそれぞれ強度が異なり、分子特有のマススペクトルパターンを示す。つまり、異なる化合物同士がＭＳ¹ スペクトルで同一のマススペクトルパターンを示す場合でも、ＭＳ² スペクトルでは異なるマススペクトルパターンを示す。従って、ＭＳ² スペクトルをＭＳ¹ スペクトルと併せてデータベース検索すると、より正確な同定が可能である。ＭＳ² スペクトルを用いたデータベース検索方法の例として、特開平８−１２４５１９号公報（特許文献３），特開２００１−２４９１１４号公報（特許文献４）や米国特許６６２４４０８（特許文献５）がある。

従来、未知化合物のデータベース検索の目的は、未知化合物の同定であった。この目的の下では、未知化合物と、データベースで検索された既知化合物は分子量が等しいことが必須であるため、ＭＳⁿ スペクトルを検索する際に世代の異なる（ｎが異なる）マススペクトル同士を検索することは無意味である。そのため、従来のデータベース検索では、未知化合物と既知化合物のＭＳⁿ スペクトルのうち、ＭＳ¹ はＭＳ¹、ＭＳ²はＭＳ²・・・と世代の等しいマススペクトル同士を比較していた。

特開平１１−６４２８５号公報特開２００１−５０９４５号公報特開平８−１２４５１９号公報特開２００１−２４９１１４号公報米国特許６６２４４０８

糖鎖化合物やペプチドのような生体高分子は一般に、同一の主鎖に種々の異なる側鎖を擁した一連の関連化合物が多数存在する。それらの構造解析においては、全体構造が判らなくても、主鎖が開裂したＭＳⁿ スペクトルにより主鎖の構造が判れば、それに基づき側鎖を推測し、全体構造の解析が可能である。しかし、これら一連の関連化合物は、結合している側鎖の数や種類によって、主鎖の構造を示す主鎖内の結合が開裂したマススペクトルパターンを得るために必要なＭＳⁿ の世代数（ｎ）は化合物により異なる（図１）。そのため、各化合物のＭＳⁿ スペクトルのうち世代が等しいマススペクトル同士を比較していた従来の検索方法では、主鎖に着目した構造比較は不可能であった。

また、糖鎖化合物のように同一の質量を持つ構造単位が複数結合した構造異性体を多数持つ化合物は、互いに分子量が等しい異性体が多数存在する。そのため、ＭＳ¹ 同士が同じマススペクトルパターンを示しても異なる化合物である場合が多い。その結果、従来のデータベース検索方法では正確な構造決定や同定が困難であった。

本発明は、ＭＳⁿ スペクトルのデータベース検索において、データベース内の既知化合物と測定した未知化合物の全構造が一致しなくとも、主鎖が一致する既知化合物を検索することを可能にし、全構造の解析を容易にすることを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本発明は、イオン化された試料のＭＳⁿ 分析を行うことが可能であり、既知化合物のＭＳⁿ 分析の結果得られるマススペクトルデータを化合物ごとに格納し、未知試料のＭＳ^m 分析の結果得られたＭＳ^m スペクトル（ｍ≧１）と比較して検索するためのデータベースを備えた質量分析装置用のデータ処理装置において、
データベース検索の際に世代の異なるＭＳⁿデータ同士の検索を可能とする機能を有することを特徴とする。

また本発明で比較対象となる未知化合物のＭＳ^m スペクトルは、マススペクトルのベースイオンと他のイオンとの強度比が閾値より大きいマススペクトルのうち、最もｍが小さいものであることを特徴とする。

また本発明は、未知化合物のＭＳ^m 測定は、ＭＳ^m スペクトルのベースイオンと他のイオンとの強度比が閾値を超えた場合に終了することを特徴とする。

また本発明は、データベースの構造によっては、未知化合物のＭＳ^m 分析の結果得られたｍ個のマススペクトルをｍ＝１から順に、データベース内の全てのマススペクトルと比較することを特徴とする。

本発明により、生体高分子のように同一の主鎖に種々の異なる側鎖を擁した一連の関連化合物のＭＳⁿ 測定において、全体構造が判らなくてもデータベース検索により主鎖の構造を明らかにすることが可能になる。更に、この主鎖構造に基づいた全体構造の推測が可能になる。また、主鎖の構造を明らかにする目的のデータベース検索であれば、データベース内に登録する既知化合物数より多数の関連化合物の構造を明らかにすることが可能である。

また、同一質量の構造単位が複数結合した構造を持ち、異性体同士の分子量が等しい化合物のＭＳⁿ 測定において、ＭＳ¹ 結果が同じマススペクトルパターンであっても、データベース検索による異性体の識別が可能になる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図２に、本発明の実施例で用いる質量分析装置の構成を示す。本実施例の質量分析装置は、試料をイオン化するためのイオン源１と、生成したイオンを質量分離し、かつＭＳⁿが可能なイオントラップ形質量分離部２と、質量分離されたイオンを検出する検出器３と、これらを制御するコントローラ４と、データ処理部５と、それらをつなぐ信号線６と、測定データや検索結果を表示する表示部７を備える。イオン源１には、エレクトロスプレイイオン源の他、ソニックスプレイイオン源及びイオンスプレイ，マトリックス支援レーザー脱離イオン源が使用可能である。

イオン源１でイオン化された試料イオンは、質量分離部２へ導入される。質量分離部２では、試料イオンを質量分離する。また、測定者の設定に従ってＭＳⁿ （ｎ＝２，３，４・・・）を順次行う。質量分離されたイオンは検出器３へ送られ、マススペクトルとして検出される。マススペクトルは信号線６を経てデータ処理部５へ送られて処理され、表示部７に表示される。

図３に、本実施例で用いる２種類の糖鎖の構造を示す。アナリティカル・バイオケミストリー,１９８８年,１７１号，７３ページ(Anal. Biochem.１９８８，１７１,pp７３) に掲載されている高橋らによる命名法に基づき、これらは２００.２(図３ａ)及び２１０.２（図３ｂ）と呼ばれる。これらは共に、同じ主鎖を持つが、糖鎖２１０.２には末端のグルコース（Ｇｌｃ）にフコース（Ｆｕｃ）が結合している。

この２種類の糖鎖をＭＳⁿ分析した結果を図４に示す。

糖鎖は、糖が複数結合した主鎖が、様々な側鎖によって誘導化された構造を持つ。これをＭＳⁿ 測定すると、主鎖−側鎖間の結合から順に開裂していくため、化合物によって主鎖内の結合が開裂に至るまでに要するＭＳⁿ の世代数（ｎ）は異なる。また、糖鎖の主鎖を構成する糖は、それぞれ互いに質量の等しい異性体同士であるため、ＭＳ^n-1 において側鎖が脱離して得られる主鎖に相当する娘イオンに基づいて主鎖の構造を特定することは困難であり、主鎖が開裂するまでＭＳⁿを行う必要がある。

図４ａ及び図４ｂは２００.２のＭＳ¹及びＭＳ²のマススペクトル、図４ｃから図４ｅは２１０.２のＭＳ¹からＭＳ³のマススペクトルである。ＭＳ¹では分子イオンのみが生成し、２００.２，２１０.２共に分子イオン（ｍ／ｚ７９０，８６３）のみが検出された
（図４ａ及び図４ｃ）。ＭＳ²を行うと、２００.２では主鎖内の各結合が開裂して複数のフラグメントイオンが生成した（図４ｂ）。このフラグメントイオンの生成パターンが
２００.２の主鎖の構造情報を示す。一方、２１０.２のＭＳ²では、主鎖と側鎖(Fuc)間の結合のみが開裂したため、主鎖に相当する娘イオン（ｍ／ｚ７９０）のみが検出され、主鎖の構造情報を得るには至らなかった（図４ｄ）。そこで、２１０.２について更に
ＭＳ³ を行うと、主鎖内の各結合が開裂し、複数のフラグメントイオンが生成した（図
４ｅ）。この２１０.２の主鎖の構造情報を示すＭＳ³ スペクトルのパターンと、200.2のＭＳ²スペクトルとのパターンが類似していたことから、２００.２と２１０.２の主鎖が同一であるということが明らかとなった。

ここで、未知化合物のＭＳⁿ 測定を行う場合、ＭＳⁿ の世代数（ｎ）については、予め測定者が化合物の主鎖が開裂するのに十分なｎを予想し、測定条件としてｎを指定して測定を行う方法がある。

また、予め、マススペクトル内の最強ピークであるベースイオンと、他のイオンの強度比に閾値を設定しておくと、この強度比が閾値を超えたマススペクトルを主鎖の構造情報を示すマススペクトルと判別することが可能である。これにより、主鎖の構造情報を示すマススペクトルが得られるまでベースイオンに対するＭＳⁿ を自動的に繰り返すことが可能である。例えば上記の場合、マススペクトル内のベースイオンの強度に対して、他のイオンの強度が４０％を超えた場合に主鎖が開裂したと判別するように設定をしておけば、２００.２ではＭＳ²、２１０.２ではＭＳ³測定までを自動で行うことが可能である。この閾値としては、１０〜５０％が適当である。

以上で得られたデータのうち、２００.２のＭＳ²スペクトルをデータベースへ登録し、２１０.２のＭＳ³分析結果をこのデータベースで検索する場合を考える（図５）。

本発明は、始めに２１０.２のＭＳ³分析結果におけるＭＳ¹，ＭＳ²，ＭＳ³の３個のマススペクトルのうち最も主鎖の構造情報を示すマススペクトルを選択する。

この選択方法には、２１０.２のＭＳⁿ分析方法に対応した２通りの方法がある。

まず、マススペクトルパターンに関わらずＭＳⁿ の世代数（ｎ）を指定して測定した場合は、得られたｎ個のマススペクトルの中から主鎖の構造を示すマススペクトルを選択する。これは、マススペクトル内のベースイオンに対する他のイオンの強度比が、ある閾値以上であったマススペクトルのうち、最もｎが小さいマススペクトルを主鎖が開裂したマススペクトルと判断する。２１０.２の場合、閾値を４０％としておくと、ベースイオン強度に対して他のイオン強度が４０％を超えたＭＳ³ スペクトルを選択する。この閾値としては、１０〜５０％が適当である。

一方、主鎖が開裂したマススペクトルを自動判別させて２１０.２のＭＳⁿ測定を行った場合には、主鎖の構造を示すマススペクトルはＭＳⁿ 測定の最後に得られたマススペクトル、つまりＭＳ³スペクトルであるため、これを選択する。

選択されたＭＳ³ スペクトルについてデータベース内に登録されている全てのマススペクトルと比較する。その結果、類似のマススペクトルパターンを示す２００.２のＭＳ²スペクトルを検索結果として表示し、２１０.２の主鎖が２００.２と同一であることが明らかとなる。測定者は、明らかとなった主鎖情報を手がかりとして、ＭＳ²，ＭＳ¹のそれぞれのマススペクトルを解析し、全体構造を明らかにすることができる（図６）。

第二の実施例は、図１に示した第一の実施例の構成と、図４で得られた２００.２と
２１０.２のデータにおいて、ＭＳⁿスペクトルを格納するデータベースがｎ＝１，２，３・・・と階層構造を持ち、２００.２のＭＳ²測定結果として、ＭＳ¹及びＭＳ²の２つのマススペクトルをデータベースへ登録し、２１０.２のＭＳ³分析結果をこのデータベースで検索する例である（図７）。

本発明では、始めに２１０.２のＭＳⁿ スペクトル（ｎ≧１）についてｎ＝１から順に、データベース内に登録されている全てのマススペクトルと比較して、類似したマススペクトルを全てピックアップする。本実施例では、２１０.２のＭＳ²スペクトルに類似の
２００.２のＭＳ¹スペクトルをピックアップする。この比較で、主鎖に相当する娘イオンを示すマススペクトルが明らかとなる。

続いて、ピックアップされた未知化合物のＭＳ^m スペクトルとデータベース内のＭＳ^l スペクトル双方の、ＭＳ^m+1 スペクトルとＭＳ^l+1スペクトルとを互いに比較する。本実施例では、２１０.２のＭＳ³ スペクトルと、データベース内の２００.２のＭＳ² スペクトルとを比較する。この比較は、ＭＳ^m スペクトルとＭＳⁿ スペクトルのベースイオンが開裂したマススペクトル同士の比較である。この結果、類似度の高い順に検索結果として表示し、２１０.２の主鎖が２００.２と同一であることが明らかとなる（図８）。

明らかとなった主鎖情報を手がかりとして、ＭＳ²，ＭＳ¹のそれぞれのマススペクトルを解析し、測定者は全体構造を明らかにすることができる。

本発明のデータベース検索方法の概念図を示した図である。本発明の実施例である質量分析装置の概略構成図である。本発明の実施例に用いた二種類の糖鎖の構造を示した図である。本発明の実施例に用いた二種類の糖鎖のＭＳ²及びＭＳ³分析で得られたマススペクトルである。本発明の第一の実施例であるデータベース検索方法を示した模式図である。本発明の第一の実施例であるデータ処理方法を説明した図である。本発明の第二の実施例であるデータベース検索方法を示した模式図である。本発明の第二の実施例であるデータ処理方法を説明した図である。

符号の説明

１…イオン源、２…イオントラップ形質量分離部、３…検出器、４…コントローラ、５…データ処理部、６…信号線、７…表示部。

Claims

イオン化された試料のＭＳⁿ分析を行うことが可能であり、既知化合物のＭＳⁿ分析の結果得られたマススペクトルデータを化合物ごとに格納し、未知化合物のＭＳ^m分析の結果得られたＭＳ^mスペクトル（ｍ≧１）と比較して検索するためのデータベースを備えた質量分析装置用データ処理装置において、
データベース検索の際に世代の異なるＭＳⁿデータの検索を可能とする機能を有することを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。
請求項１において、
質量分析装置は、エレクトロスプレイイオン源、ソニックスプレイイオン源、イオンスプレイイオン源、又はマトリックス支援レーザー脱離イオン源を有することを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。
請求項１において、
比較対象となる未知化合物のＭＳ^mスペクトルは、マススペクトルのベースイオンと他のイオンとの強度比が閾値より大きいマススペクトルのうち、最もｍが小さいものであることを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。
請求項３において、
比較対象となる未知化合物のＭＳ^mスペクトルを選択するための閾値が、１０〜５０％であることを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。
請求項１において、
未知化合物のＭＳ^m測定は、ＭＳ^mスペクトルのベースイオンと他のイオンとの強度比が閾値を超えた場合に終了することを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。
請求項５において、
ＭＳ^m測定を終了するための閾値が、１０〜５０％であることを特徴とする質量分析装
置用データ処理装置。
請求項１において、
未知化合物のＭＳ^m分析の結果得られたｍ個のマススペクトルをｍ＝１から順に、データベース内の全てのマススペクトルと比較することを特徴とする質量分析装置用データ処理装置。