JP4811466B2 - 質量分析方法及び質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析対象であるイオンを開裂させて発生したプロダクトイオンを分析することが可能なＭＳ^ｎ型質量分析装置を用いて未知の物質の組成を推定するための質量分析方法及びそのための質量分析装置に関する。

質量分析装置は、試料に含まれる各種物質をイオン化し、そのイオンを質量（厳密には質量電荷比ｍ／ｚ）毎に分離して検出する装置であり、各イオン種の質量を高い精度で求めることができる。試料に含まれる物質を同定する場合、組成や構造が既知である各種物質についてその質量を登録したデータベースを予め作成しておき、質量分析により取得されたマススペクトルに現れているピークの質量をデータベースと照合することで物質を同定することができる。また、データベースに登録されていない物質であっても、その物質を構成する元素の或る程度の種類や元素個数が既知であれば、同定対象の未知物質の質量と各種元素の組み合わせで得られる質量との一致を判断することにより、未知物質の組成を推定することができる。

しかしながら、例えば上述のようなデータベースを利用したサーチによって或る未知物質が同定されたとしても、必ずしもその信頼性が高くない場合がある。即ち、通常、測定の質量誤差や同位体元素の質量のばらつきなどを考慮して、質量には或る程度の許容範囲が設定され、その質量範囲内で一致するとみなされるとその物質であると判断される。ところが、データベースに登録されていないような組成式を持つ物質でもその質量範囲内に入るような場合はよくあるため、実際はこのような物質が正しい物質であって誤った同定を行うこともある。

一方、ＭＳ／ＭＳ型（又はＭＳ^ｎ型）質量分析装置では、特定の質量を有するイオンを選択的に開裂させ、それによって生じた各種のプロダクトイオン（フラグメントイオン）を質量分析に供することでＭＳ^ｎマススペクトルを作成することができる。この場合、多数の化合物についてプロダクトイオンの質量及び強度（フラグメントパターン）を登録したデータベースを作成しておき、ＭＳ^ｎマススペクトルに現れている各ピークの質量や強度を上記データベースと照合することにより、化合物の同定を行うことができる（例えば特許文献１など参照）。

しかしながら、開裂の態様は１つではなく、全てのフラグメントパターンをデータベースに登録しておくことは実質的に不可能であるため、こうした方法によっても同定が行えない場合がある。

特開平８−１２４５１９号公報（段落０００２−０００４）

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ＭＳ^ｎ型質量分析装置を利用して未知物質の組成式の推定を簡便に且つ高い信頼性で以て行うことができる質量分析方法及びそのための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第１発明は、目的物質に由来するプリカーサイオンを開裂させ、該開裂によって発生したプロダクトイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析が可能な質量分析装置を用い、該質量分析装置で収集されるデータに基づいて前記目的物質の組成の解析を行う質量分析方法であって、
a)質量分析の結果を用いて組成が推定された未知物質をプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行する分析実行ステップと、
b)前記未知物質について推定された組成から、該推定された組成を構成する元素の種類と個数の範囲で、組み合わせを変えて質量を計算することにより、開裂により生じ得る断片の質量を理論的に求める理論質量算出ステップと、
c)前記分析実行ステップによるＭＳ／ＭＳ分析で得られたマススペクトルに現れている１乃至複数のプロダクトイオンの質量と、前記理論質量算出ステップにより得られた質量との整合性を検証し、整合性がとれる場合に前記未知物質について推定された組成の信頼性が高いと判断する検証ステップと、
を有することを特徴としている。

上記課題を解決するために成された第２発明は上記第１発明による質量分析方法を具現化するための装置であって、目的物質に由来するプリカーサイオンを開裂させ、該開裂によって発生したプロダクトイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析が可能であって、質量分析により収集されるデータに基づいて前記目的物質の組成の解析を行う質量分析装置であって、
a)質量分析の結果を用いて組成が推定された未知物質をプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行する分析実行制御手段と、
b)前記未知物質について推定された組成から、該推定された組成を構成する元素の種類と個数の範囲で、組み合わせを変えて質量を計算することにより、開裂により生じ得る断片の質量を理論的に求める理論質量算出手段と、
c)前記分析実行制御手段による制御の下でＭＳ／ＭＳ分析で得られたマススペクトルに現れている１乃至複数のプロダクトイオンの質量と、前記理論質量算出手段により得られた質量との整合性を検証し、整合性がとれる場合に前記未知物質について推定された組成の信頼性が高いと判断する検証手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る質量分析方法及び装置においては、質量分析により得られるマススペクトルに基づいて、例えば未知物質の質量を所定のデータベースと照合することにより、或いは、予め与えられた構成元素の種類及び個数の範囲の条件の下で未知物質の質量に一致するような元素種類と個数との組み合わせを探索することにより、未知物質の組成を推定する。もちろん、こうした推定に際して複数の組成の候補が挙げられる場合もある。それから、分析実行ステップにおいて、組成が推定されたこの未知物質をプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行し、未知物質由来の各種プロダクトイオンに対応するピークが現れているＭＳ／ＭＳマススペクトルを取得する。但し、マススペクトルに現れている全てのピークについて、各ピークをプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を順次自動的に実行するような構成を採る場合には、上記分析実行ステップは未知物質の組成を推定する前に実行されることになる。

一方、理論質量算出ステップでは、未知物質について推定された組成から開裂により生じ得る断片の質量を理論的に求める。これは、未知物質の推定組成の構成元素の種類と各元素の個数を条件として、考え得る組成の組み合わせを求めてそれぞれの質量を計算すればよい。そして、検証ステップでは、ＭＳ／ＭＳマススペクトルに現れているピーク（つまりはプロダクトイオンのピーク）の質量と、未知物質の推定組成を基に得られた断片（プロダクトイオン）の理論上の質量との整合性を検証する。即ち、実測で得られたプロダクトイオンの質量に相当する理論上の質量が存在すれば元の未知物質の組成の推定の信頼性が高いものと判断できるが、そうでなければ未知物質の組成の推定の信頼性が低い、つまりは推定が正しくないものと判断できる。このような検証結果に基づいて、例えば未知物質の推定をやり直したり、或いは予め複数の組成の候補が挙げられている中から信頼性の高い候補を選択したりして未知物質の組成を決定する。

本発明に係る質量分析方法及び質量分析装置によれば、質量分析の結果に基づいて未知物質の組成を推定したときに、例えば偶然の一致等による誤った推定を排除して、組成推定の信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施例による質量分析システムの全体構成図。 本実施例における特徴的な解析処理動作の手順の一例を示すフローチャート。 図２の解析処理動作の説明図。

符号の説明

１０…分離／検出部
１１…試料導入部
１２…イオン化部
１３…三次元四重極型イオントラップ
１４…飛行時間型質量分析部
１５…イオン検出器
２０…制御／処理部
２１…制御部
２２…データ処理部
２３…データベース
２５…入力部
２６…表示部

以下、本発明に係る質量分析データ解析方法及び装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は本発明の一実施例である質量分析システムの全体構成図である。本実施例による質量分析システムは、大別して分離／検出部１０と制御／処理部２０とから成る。分離／検出部１０は、試料導入部１１より導入された分析対象の試料をイオン化するイオン化部１２と、イオンを一時的に捕捉して所定のタイミングでほぼ一斉に吐き出すことが可能な三次元四重極型イオントラップ１３と、導入されたイオンを質量（厳密には質量電荷比）に応じて時間的に分離する飛行時間型質量分析部１４と、分離されたイオンを順次検出するイオン検出器１５と、を備えている。イオントラップ１３は、特定の質量を有するイオンをプリカーサイオンとして選択するとともに該プリカーサイオンを外部から導入されたＣＩＤガスに衝突させることで開裂させ、その開裂により生じた各種のプロダクトイオンを蓄積して所定のタイミングでほぼ一斉に吐き出す、というＣＩＤ機能も併せ持つ。

制御／処理部２０は、分離／検出部１０の各部を制御する制御部２１と、イオン検出器１５からの検出信号をデジタルデータに変換した後にデータ処理を行うことで所定の解析を行うためのデータ処理部２２と、未知物質の組成を推定する際に利用されるデータベース２３と、を備え、これに分析者が各種の入力設定や指示を行うための入力部２５と、分析条件や分析結果等を表示するための表示部２６とが接続されている。通常、この制御／処理部２０は市販のパーソナルコンピュータにより具現化され、このコンピュータにインストールされた専用の制御／処理ソフトウエアを実行することにより後述するような特徴的な動作が達成される。その場合、入力部２５はキーボードやマウス等のポインティングデバイスなどである。もちろん、汎用のパーソナルコンピュータでなく、これに特化したコンピュータを組み込む構成としてもよい。

次に、本実施例の質量分析システムを用いた典型的な分析の手順について、図２、図３を参照しながら説明する。図２は本実施例の質量分析システムにおける特徴的な未知物質の推定処理のフローチャート、図３はその動作の説明図である。

まず、分析対象の試料について開裂を行わない質量分析（所定質量範囲のスキャン測定）を実行しマススペクトルデータを収集する（ステップＳ１）。即ち、制御部２１による制御の下に、試料導入部１１から導入された試料をイオン化部１２でイオン化してイオントラップ１３に導入し、イオントラップ１３内で一時的にイオンを保持して例えばクーリングなどを行った後に一斉に吐き出して飛行時間型質量分析部１４に送り込む。飛行時間型質量分析部１４を飛行する間に各種イオンは質量に応じて分離され、質量の小さなイオンほど早くイオン検出器１５に到達して検出される。データ処理部２２は検出信号を受けて、飛行時間を質量に換算し、横軸に質量、縦軸にイオン強度をとったマススペクトルを作成する。その結果、例えば図３（ａ）に示すようなマススペクトルが作成されたものとする。

試料に含まれる全ての物質について自動的に同定を行う場合には、マススペクトルに現れているピークを順番に検出し、そのピークに対応した質量を求め、この質量をデータベース２３に格納されているデータと照合することにより、質量が一致する物質を探索して組成を推定する（ステップＳ２）。測定には質量誤差があるし、また同じ元素でも同位体組成比によって微妙に質量が相違するため、所定の質量の許容範囲を定め、それに一致するものがあるか否かを探索する。なお、試料に含まれる全ての物質の組成推定ではなく、マススペクトル上の特定のピークに対応した物質の組成を推定するようにすることもできる。

いま、図３（ａ）中の質量がＭ１であるピークを持つ未知物質について推定組成Ａが求まったものとすると、次に、制御部２１はこの質量Ｍ１を持つ未知物質のイオンをプリカーサイオンとして設定して、試料に対するＭＳ／ＭＳ分析を実行してマススペクトルデータを収集する（ステップＳ３）。即ち、制御部２１による制御の下に、イオントラップ１３ではまずイオン化部１２から導入された各種イオンを一旦捕捉した後に、プリカーサイオンのみを残して他のイオンをイオントラップ１３から排出する。そして、イオントラップ１３内にＣＩＤガスを導入してプリカーサイオンを該ガスに衝突させることで開裂を促進させ、開裂により生成されたプロダクトイオンを捕捉する。その後に、プロダクトイオンを一斉にイオントラップ１３から吐き出して飛行時間型質量分析部１４に導入し、質量毎に分離して検出する。その結果、データ処理部２２では例えば図３（ｂ）に示すようなＭＳ／ＭＳマススペクトルが作成されたものとする。

次に、ＭＳ／ＭＳマススペクトルに現れているピーク、つまりはプロダクトイオンに対応するピークを検出し、それぞれの質量を取得する（ステップＳ４）。図３（ｂ）の例では、Ｍ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃの３つの質量が得られる。

一方、データ処理部２２では、推定した組成Ａが開裂したときに生じるプロダクトイオンや断片の組成を予測してそれぞれの質量を求める。いま、例えば組成ＡがＸ_LＹ_mＺ_n（但し、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ適宜の元素）である場合には、プロダクトイオンや断片はＬ個の元素Ｘ、ｍ個の元素Ｙ、ｎ個の元素Ｚの範囲内で表されることが明らかであるから、元素の種類の組み合わせと元素個数の組み合わせを変えながら質量（理論質量）を計算する。そして、そうして求めた質量Ｍａ、Ｍｂなどが、上記ステップＳ４で得られたＭ１ａ、Ｍ１ｂ、Ｍ１ｃの３つの質量に整合するか否かを検証する（ステップＳ５）。

具体的には、実測による質量には精度誤差などがあるから、例えば実測で得られたプロダクトイオンの質量Ｍ１ａに対しＭ１ａ±ΔＭの質量範囲を設定し、この質量範囲に入るような理論質量が存在するか否かを調べる。もし、対応する理論質量が存在しない場合には、元の未知物質の組成Ａの推定自体が誤っていると判断できる。一方、実測で得られた全てのプロダクトイオンについて対応する理論質量が存在するのであれば、元の未知物質の組成Ａの推定の信頼性は高いものと判断できる。

そこで、例えば上記整合性の評価結果を表示部２６に出力することでオペレータに対し組成Ａの推定の信頼性の高低を知らせる。これにより、必要に応じてオペレータは同定処理をやり直す等の適宜の対処を採ることができる。また、上記ステップＳ２で１つの未知物質に対して複数の組成の候補が挙げられる場合には、整合性の評価結果をフィードバックすることで候補の絞り込みを行い、最も信頼性の高い推定組成を最終的な同定結果として出力するようにしてもよい（ステップＳ６）。

具体例を挙げて説明する。いま或る未知物質について質量分析の結果をデータベースと照合して、推定組成がＣ₆Ｈ₁₂Ｏ₆（質量：180.0634）であったとする。従来であれば、この組成が未知物質の組成であると判断する。これに対し、この発明に係る質量分析方法では、この未知物質をプリカーサイオンとするようにＭＳ／ＭＳ分析を実行し、ＭＳ／ＭＳマススペクトルを作成する。このスペクトルで質量80.0380にプロダクトイオンによるピークが出現したものとする。一方、組成がＣ₆Ｈ₁₂Ｏ₆である物質が開裂したものとすると、開裂により発生したプロダクトイオンの組成はこの組成Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆の範囲、つまり６個のＣ（炭素）、１２個のＨ（水素）、６個のＯ（酸素）を最大条件として得られる筈である。質量80.0380に近い値を持つ組成を計算すると、次の表のようになる。

測定誤差ΔＭが５mDaであるとすると、上記２つの組成の質量はいずれも実測のプロダクトイオンの質量に当てはまらない。したがって、プロダクトイオンの実測の質量と組成がＣ₆Ｈ₁₂Ｏ₆であるとした場合のプロダクトイオンの理論質量とは整合性がとれず、その組成の推定自体が正しくないと結論付けられる。

以上のように、本発明に係る質量分析方法及びこれを具現化する装置によれば、質量分析結果に基づいて推定された未知物質の組成が信頼に足るものであるか否かを検証することができ、例えば質量の偶然の一致等による誤った同定を回避することができる。

なお、上記実施例では、質量分析により得たマススペクトルに現れているピークの質量をデータベースと照合することで未知物質の組成を推定していたが、この未知物質の組成の推定方法はこれに限定されるものではない。

また、一般的にＭＳ／ＭＳ分析を高速で行うことが可能な質量分析装置では、オペレータ等により設定されたプリカーサイオンをターゲットとしてＭＳ／ＭＳ分析を行うほかに、質量分析で得られたマススペクトルに現れているピークの全て又はその一部を自動的にプリカーサイオンとして設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行させることも可能である。そうした場合には、自動的にＭＳ／ ＭＳ分析まで終了した後に、マススペクトル上に現れているピークの組成を推定し、組成を推定したピークに対応するＭＳ／ＭＳマススペクトルをすぐに読み出してプロダクトイオンの質量を取得する、といった手順をとることが可能である。

また、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願請求の範囲に包含されることは明らかである。

Claims (2)

1. 目的物質に由来するプリカーサイオンを開裂させ、該開裂によって発生したプロダクトイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析が可能な質量分析装置を用い、該質量分析装置で収集されるデータに基づいて前記目的物質の組成の解析を行う質量分析方法であって、
   a)質量分析の結果を用いて組成が推定された未知物質をプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行する分析実行ステップと、
   b)前記未知物質について推定された組成から、該推定された組成を構成する元素の種類と個数の範囲で、組み合わせを変えて質量を計算することにより、開裂により生じ得る断片の質量を理論的に求める理論質量算出ステップと、
   c)前記分析実行ステップによるＭＳ／ＭＳ分析で得られたマススペクトルに現れている１乃至複数のプロダクトイオンの質量と、前記理論質量算出ステップにより得られた質量との整合性を検証し、整合性がとれる場合に前記未知物質について推定された組成の信頼性が高いと判断する検証ステップと、
   を有することを特徴とする質量分析方法。
2. 目的物質に由来するプリカーサイオンを開裂させ、該開裂によって発生したプロダクトイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析が可能であって、質量分析により収集されるデータに基づいて前記目的物質の組成の解析を行う質量分析装置であって、
   a)質量分析の結果を用いて組成が推定された未知物質をプリカーサイオンに設定してＭＳ／ＭＳ分析を実行する分析実行制御手段と、
   b)前記未知物質について推定された組成から、該推定された組成を構成する元素の種類と個数の範囲で、組み合わせを変えて質量を計算することにより、開裂により生じ得る断片の質量を理論的に求める理論質量算出手段と、
   c)前記分析実行制御手段による制御の下でＭＳ／ＭＳ分析で得られたマススペクトルに現れている１乃至複数のプロダクトイオンの質量と、前記理論質量算出手段により得られた質量との整合性を検証し、整合性がとれる場合に前記未知物質について推定された組成の信頼性が高いと判断する検証手段と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。

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