JP6557737B2 - 質量スペクトルの検出及び解析方法 - Google Patents

Description

本発明は化学分析分野に関し、具体的には、質量スペクトルの検出及び解析方法に関する。

質量分析計（ＭＳ）は幅広く応用される化学分析装置であり、各分野に応用されている。ある質量分析計において、物質は、イオン源部分で、各種の手段により電荷を取得し又は失い（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、荷電イオンになり、次に質量電荷比（ｍ／ｚ）の異なる荷電イオンが異なる原理で分離し（Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）、次に検出器（Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）に到着して、質量スペクトルを得る。質量スペクトルにおいて、物質を帯電させる方法が多く、ガスクロマトグラフィー質量スペクトル用の方法は電子イオン化（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ、ＥＩ）、化学イオン化（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ、ＣＩ）が挙げられ、液体クロマトグラフィー質量用の方法はエレクトロスプレーイオン化（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ、ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ、ＡＰＣＩ）等が挙げられる。

質量スペクトルの解析、特に未知物質スペクトルへの解析が非常に重要である。従来の各種の質量スペクトルデータは、各種の経験を利用してスペクトルの解析を行う必要がある。例えば、主に揮発性物質を検出することに用いられるＥＩ−ＭＳは、いくつかのルール（例えば窒素ルール）を利用して、まず分子イオンピークを探し、次に同位体及びエネルギールールに基づいて各フラグメントの質量スペクトルピークの帰属を推定し、最終的に各質量スペクトルグラフが代表する物質の構造を得る。天然物、漢方薬において多くの未知成分がある。一方では、ＥＩ−ＭＳスペクトルグラフにおいて、既知物に対して、従来技術は、主に質量スペクトルグラフ及びＮＩＳＴデータベースのような質量スペクトルのデータベースを利用して照合し、次に成分構造情報を得る。しかし、漢方薬等の複雑な成分に対して、それに多くの異性体成分が含有されるため、それらの質量スペクトルフラグメントの位置の大部分が同じであり、いくつかの位置での存在度が異なるだけである。このような場合、純粋な物質の質量スペクトル及びＮＩＳＴデータベースを照合して、そのような異性体を確定することは難しい。

液体クロマトグラフィー質量スペクトル（ＥＳＩ−ＭＳ、ＡＰＣＩ−ＭＳ等）及び固体クロマトグラフィー質量スペクトルにおいて、一般的な場合、物質が起電する過程に、割れることがなく、いくつかのイオン（Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｈ^＋）と錯体を形成し、ひいてはポリマーを形成し、且つ複数の電荷を持つようになる。従って、液体クロマトグラフィー質量スペクトルにおいて、一段質量スペクトル（ＭＳ^１）の質量スペクトルピークによりどんな化合物であるかを確定しにくく、定性を必要とすれば、多段質量スペクトル（ＭＳ^ｎ）で多段破砕を行ってから、質量スペクトルピークが代表する化合物の情報を定性できる。

従来の質量スペクトル分析では、質量スペクトルグラフの解析は非常に専門的な学科であり、スペクトルの解析のルールが多いが、必要な学科知識の基礎が高く、関連する専門分野が広いため、堪能な人が少ない。従来の質量スペクトルの解析も、これらの原因により、コストが高く、質量スペクトルの解析の応用を制限する。

質量スペクトルにおいて、分子が質量分析計のイオン源に発生するイオン化及び分解は非常に複雑な過程であり、様々なイオンを生成する。質量スペクトルのイオン分解の過程は単分子反応であり、複雑な反応過程である。質量スペクトルのイオン分解ルールは、自体と環境の影響を受け、それが生じた分子イオン及びフラグメントイオンが自体構造と内部エネルギーの影響を受け、電荷が発生する過程と環境の影響をも受ける。例えばＥＩ電圧、真空度、イオン加速電圧の大きさは、いずれもイオン分解の動力学過程に影響を与える。質量スペクトルにおいてイオン発生過程が非常に短く、ほぼ１０ミリ秒ほどであり、従って実験の観点からその分解過程を取得することが非常に困難であり、通常の方法は、量子力学方法で解析することである。他の方法で質量スペクトルイオン分解の動力学過程を研究することは報道されていない。

分析機器及び各種の分析方法において、各種の数学的方法を応用して、分析における基線問題のような各種の問題を解決することを助ける。これらの数学的方法はケモメトリックス法と総称される。ケモメトリックス法を利用してこれらの質量スペクトルイオンの断片化過程（動力学過程）を解析することを助けることが、研究価値がある課題である。

質量スペクトルイオンの断片化過程を順調に把握することは、非常に重要な意味を有し、研究者が新しい化合物をより迅速で、簡単に発見することに寄与し、各種の化合物の構造情報を多く把握できるとともに、得られた各種の動力学情報により、各種の類似する化合物構造（例えば異性体）を区別でき、定性に寄与する。

［独立成分］
独立成分とは混合物におけるある成分、基又はフラグメントであり、その行動モードが他の成分、基又はフラグメントに干渉されていない。その行動モードは一貫し、その濃度変化によって被検出の幅（例えば存在度）が変化するだけであり、その特徴（例えば純粋なスペクトル）は変化しない。例えば、１つの混合物質量スペクトルにおいて、独立成分はその中の各純粋な成分であってもよく、その純粋なスペクトルが異なるサンプリング時間にいずれも一致し、他の成分の影響を受けない。１つの純粋な物質の質量スペクトルイオン分解過程において、独立成分はある独立した荷電した基又はフラグメントであってもよく、その質量と成分が固定であるため、それらの質量スペクトル（同位体ピークを含む）も固定である。数学の面から解釈すると、多くの独立成分を含む統合体は、その統合表象が各独立システムの線形加算であり、すなわち線形システムである。実際の線形システムは、電子サンプリング、データ処理等の過程に関連し、かつ各種のノイズの原因により、線形システムと多少異なる。

［エントロピー最小化アルゴリズム（Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）］
ケモメトリックス法及び化学反応速度論は２つの学科であり、そのうちケモメトリックス法−エントロピー最小化アルゴリズムは、化学反応における中間産物の発見及び混合スペクトルの解析に用いられる。エントロピー最小化アルゴリズム（Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ、ＥＭと略称）はＳｈａｎｎｏｎ Ｅｎｔｒｏｐｙ（シャノンエントロピー）から発展されてなる。Ｓｈａｎｎｏｎ Ｅｎｔｒｏｐｙ原理は１９４８年非特許文献１に最初に発行され、それは情報分野の専門用語であり、ランダムパラメータの不確実性を測定することに用いられる。

非特許文献２はＳｈａｎｎｏｎ Ｅｎｔｒｏｐｙを化学分析に最も早く適用し、２００２年にＢＴＥＭ （Ｂａｎｄ−Ｔａｒｇｅｔ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ）［非特許文献３］、すなわちバンド標的エントロピー最小化方法エントロピー最小化方法を発表した。該方法は赤外光スペクトルを利用し、ある密閉反応体系を研究することにより、異なる反応時間に赤外データサンプリングを行い、次にエントロピー最小化アルゴリズムを利用し、反応体系における各反応物と生成物の赤外スペクトルグラフを再構成する。

エントロピー最小化アルゴリズムは反応の動力学を研究できるが、該方法は主に混合スペクトルからその各成分の純粋なスペクトルを再構成することに用いられる。２００３年に張華俊らはｔＢＴＥＭ方法（Ｗｅｉｇｈｔｅｄ Ｔｗｏ−Ｂａｎｄ Ｔａｒｇｅｔ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ［非特許文献４］）を発表し、すなわち加重多重バンドターゲットエントロピー最小化方法であり、該方法は初めに質量スペクトルの解析に応用される。２００６年に張華俊らはＭＲＥＭ（Ｍｕｌｔｉ−Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｔｒｏｐｙ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ）方法［非特許文献５］、すなわち多重再構成エントロピー最小化方法を発表した。該方法はグローバル最適化方法の代わりに局所最適化方法を使用し、且つ検索範囲を手動に指定することを必要とせずに、純粋なスペクトルを自動的に検索する機能を真に実現する。

２００９年にエントロピー最小化方法が紫外線スペクトルグラフ解析［非特許文献６］に順調に応用された。

Ｃ．Ｅ． Ｓｈａｎｎｏｎ、 Ｔｈｅ Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、 ２７ （１９４８） ３７９−４２３． Ｙ．Ｚ．Ｚｅｎｇ、Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ、３５９（１９９８）３０３−３１０． Ｗ．Ｃｈｅｗ、Ｅ．Ｗｉｄｊａｊａ、Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃｓ、２１（２００２） １９８２−１９９０． Ｈ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ｙ．Ｚ．Ｚｅｎｇ、Ｐ．Ｗｕ、Ｊ Ａｍ Ｓｏｃ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ、１４（２００３）１２９５−１３０５． Ｈ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ｗ．Ｃｈｅｗ、Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、６１（２００７）１３６６−１３７２． Ｆ．Ｇａｏ、Ｈ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ｌ．Ｆ．Ｇｕｏ、Ｍ． Ｇａｒｌａｎｄ、Ｃｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ、９５ （２００９）９４−１００． Ｗ．Ｃｈｅｗ、Ｅ．Ｗｉｄｊａｊａ、Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃｓ、 ２１（２００２）１９８２−１９９０． Ｈ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ、 Ｍ．Ｇａｒｌａｎｄ、Ｙ．Ｚ．Ｚｅｎｇ、Ｐ．Ｗｕ、Ｊ Ａｍ Ｓｏｃ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ、１４（２００３）１２９５−１３０５． Ｈ．Ｊ．Ｚｈａｎｇ、Ｗ．Ｃｈｅｗ、Ｍ． Ｇａｒｌａｎｄ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、６１（２００７）１３６６−１３７２.

従来の質量スペクトルの検出及び解析分野に存在している欠陥を克服するために、本発明は新たな質量スペクトルの検出及び解析方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するために、本発明に係る質量スペクトルの検出及び解析方法は、
質量分析計で検出する時の１つ又は複数のパラメータを摂動条件として用いて、前記摂動条件における１組の異なる数値を設定し、前記摂動条件の異なる数値条件下で検出対象の物質を前記質量分析計で検出し、１組の質量スペクトルデータを取得するステップ１）と、
ステップ１）で得られた１組の質量スペクトルデータをエントロピー最小化アルゴリズムにより計算して、前記質量スペクトルグラフにおける独立したイオン及びその動力学過程を得るステップ２）と、
ステップ２）で得られた独立したイオン及びその動力学過程に応じて質量スペクトル解析を行うステップ３）と、を含む。

前記摂動条件は電界強度、磁場強度、放射強度、真空度、衝突分子の大きさや種類、励起光源の波長又は強度等を含むが、それらに限定されるものではない。

前記ステップ２）の前に、ステップ１）で得られた１組の質量スペクトルデータをさらに前処理することをさらに含み、前記前処理は１組の質量スペクトルデータにおける単一質量スペクトルデータを線形変換する処理（例えば単位化処理等）である。前記前処理はノイズと背景の処理を行ってもよい。

本発明に記載された質量分析計はガスクロマトグラフィー−質量分析計又は液体クロマトグラフィー−質量分析計を含むが、それらに限定されるものではない。

前記質量分析計のイオン化方式は化学イオン化、電子イオン化、エレクトロスプレーイオン化又は大気圧化学イオン化等の通常のイオン化方法を含むが、それらに限定されるものではない。

従来の質量スペクトル分析において、通常、ある帯電モード（例えばＥＩ、ＣＩ、ＡＰＣＩ、ＥＳＩ）で、固定のパラメータで検出対象の物質を検出して、質量スペクトルグラフ（本発明では「１次元質量スペクトル」と呼ばれる）を得る。しかしながら、同一帯電モードで、異なるパラメータ設定で、各物質は化学結合エネルギー及び空間構造が異なるため、その帯電、割れの方式も異なる。例えばベンゼン環構造は長鎖構造アルカンより破砕しにくく、同一パラメータ設定で、１次元スペクトルグラフにおいてベンゼン環と長鎖アルカンを区別できない。しかし、一連の異なるパラメータ設定で分析すると、ベンゼン環と長鎖アルカンが異なる摂動条件下で破砕されるため、ベンゼン環であるか、又は長鎖アルカンであるかを容易に知ることができる。異なる摂動条件下で、同一物質の破砕過程に対する研究は、質量スペクトル破砕動力学研究と呼ばれる。

ＥＩ−ＭＳ分析において、ＥＶ電圧が高すぎて（例えば１００Ｖ）、分子が破砕されやすく、その分子イオンピークを基本的に検出できず、同時にＥＶ電圧が高すぎるため、フラグメントが低ｍ／ｚ領域に集中し、照合と定性に不利である。ＥＶ電圧が低すぎる場合（例えば１０Ｖ）で、分子イオンを取得しやすく、しかし、フラグメントが少なく、且つ応答が低いため、照合と定性に不利である。従って、通常にＥＶ電圧を最適化された７０Ｖほどに設定する。

ＥＩ−ＭＳを例として、１次元質量スペクトルは１）〜３）の問題を有する。１）不安定で、極性が強く、分子量が大きいという分子に対して、デフォルトＥＶで、分子イオンピークを取得しにくい。２）１次元質量スペクトルにより質量スペクトルにおけるあるイオンピークの変化過程を取得できない。３）多くの場合、特に物質の分子量が大きい場合で、それらの多くのイオンフラグメントの親分子量の差が非常に小さく、さらに各フラグメントの同位体ピークにより、これらのイオンの質量スペクトルピークが相互に重なり、これらのピークがどんなフラグメントにより引き起こされたかを判断しにくい。３）１次元質量スペクトルにより、物質が異なるパラメータで破砕する動力学過程を取得しにくい。

同様に、ＭＳ^ｎの１次元質量スペクトルにおいて、類似する現象もある。通常に、重なりピークの干渉により、多段階質量スペクトルを行って、深く破砕して分析することを必要とする。

本発明の方法により、あるモードで異なるパラメータ設定での１組の質量スペクトルグラフ（本発明では「２次元質量スペクトル」と呼ばれる）を得て、それにより、各イオンの変化過程を取得できる。あるフラグメントイオンに対して、それらの親イオン及び同位体イオンが必ず所定の比例を維持するため、同一フラグメントイオンの１つのクラスタピークは、異なる条件でのスペクトルグラフにおいて、独立成分である。分子量の近いアルカン又はアルケンフラグメントに対して、その行動が独立であるため、それらのいくつかの同位体ピークが重なっても、２次元質量スペクトルにおいて、識別できる。ある独立したイオン（その同位体ピークを含む）が確定されると、その同位体ピークの存在度と質量電荷比を迅速に利用して、該独立したイオンのイオン式（分子式と類似する）を取得できる。ある物質の各独立したイオンはいずれもイオン式を得ると、該物質の分子式を早くまとめることができる。

さらに、分子における各基、その結合エネルギー及び空間構造が異なるため、異なるパラメータで、その表現行動が異なる。２次元質量スペクトルにより、各独立基の破砕動力学過程が異なることにより、各独立基を識別できる。質量スペクトル分析において、多くの異性体、又は同族体は、その分子の多くの基が同じであり、それらの一次元質量スペクトルグラフの相違が顕著ではなく、異性体と同族体を識別しにくい。しかし異性体の空間構造が異なるため、それらの動力学過程も異なり、それらの一次元質量スペクトルの細かい差別と合わせると、これらの異性体と同族体を定性できる。

本発明に係る検出及び解析方法は、質量スペクトル分析において、あるパラメータを変更することにより１種又は複数種の摂動を増加させ、２次元質量スペクトルを得て、次にエントロピー最小化アルゴリズムにより２次元質量スペクトルを解析して、各独立成分（イオン）及び対応する濃度変化（動力学過程）を発見する。発見した各種の独立成分及びそれらの動力学過程を利用し、使用者はこれらの独立したイオンの質量スペクトルピーク（ベースピークと同位体ピーク）に基づいてこれらの独立したイオンの化学構造式を推定し、さらに検出対象の物質全体の構造式を推定することができる。さらに、使用者はこれらの独立したイオンの動力学過程に基づいて異性体を区別して、該分子における結合の結合エネルギーの大きさ及び可能な空間構造を判断することができる。

従来技術と比べて、本発明に係る検出及び解析方法は、検出対象の物質に対して、それらは既知であるか、又は未知であるかに関わらず、定性分析を迅速で、正確に行うことができ、特に、いくつかの従来の質量スペクトル技術により区別しにくい異性体、同族体等に対して、本発明に係る方法は動力学過程の相違によりそれを分離して、さらにこれらの物質を定性することができる。本発明に係る検出及び解析方法は操作しやすく、分析結果が正確であり、非常に高い応用将来性を有する。

本発明の実施例１によるＥＶ＝３０Ｖでのジクロロメタンの全イオン電流を示す図である。 図１における異なる保持時間に得られた質量スペクトルデータを簡単に加算した後の質量スペクトルデータを示す図である。 本発明の実施例１による１３個の異なるＥＶ電圧で得られた質量スペクトルを示す３次元図である。 図３の最高ピークを単位化した後の１３個の質量スペクトルを示す３次元図である。 本発明の実施例１における基準ピークＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋のイオン質量スペクトルピークを示す図である。 本発明の実施例１における基準ピークＣＨ_２Ｃｌ^＋のイオン質量スペクトルピークを示す図である。 本発明の実施例１における最高ピークを単位化した後の、２次元質量スペクトルグラフを示す図である。 本発明の実施例１における最高ピークを単位化した後の、独立したイオンの反応動力学過程を示す図である。 本発明の実施例１における別の方式でフルスペクトルグラフの最高ピークを単位化した後の、２次元質量スペクトルグラフを示す図である。 本発明の実施例１における別の方式でフルスペクトルグラフの最高ピークを単位化した後の、独立したイオンの反応動力学過程を示す図である。 本発明の実施例３における異なるＣＩＤ電圧で得られたＭＳ^２スペクトルグラフを示す図である。 本発明の実施例３における再構成により得られた独立したイオンＡ、Ｂ、Ｃに対応する各再構成濃度、総再構成濃度及び実際濃度を示す図である。 本発明の実施例３における再構成により得られた独立したイオンＡの質量スペクトルグラフを示す図である。 本発明の実施例３における再構成により得られた独立したイオンＢの質量スペクトルグラフを示す図である。 本発明の実施例３における再構成により得られた独立したイオンＣの質量スペクトルグラフを示す図である。 発明の実施例３におけるスルファドキシンの分子式及びＭＳ^２分析において同時に分解した各イオンの化学式を示す図である。 本発明の質量スペクトル検出及び解析の過程を示す概略図である。

以下、実施例を参照しながら本発明を詳細に説明し、それにより本発明の特徴と利点がより明らかになる。ただし、実施例は本発明の発想を理解するためのものに過ぎず、本発明の範囲は本明細書に示される実施例に限定されるものではない。

特に明記しない限り、本発明に用いる用語はいずれも当業者が通常に理解する意味である。

図１２に示されるように、検出対象の物質（未知物又は既知物を含む）を検出して解析する時、まず質量分析計に１つ又は複数の摂動パラメータ条件（すなわち上述の摂動条件）を設定し、且つ該摂動条件に対応する１組の異なる数値を設定し、該異なる数値条件下で質量分析計を用いて検出対象の物質に対して質量スペクトル分析を行い、１組の質量スペクトルデータを取得するステップと、
次に取得された１組の質量スペクトルデータ（２次元質量スペクトルデータ）をエントロピー最小化方法により計算し、前記質量スペクトルグラフにおける独立したイオン及びその動力学過程を得るステップと、
その後、得られた独立したイオン及びその動力学過程に対して質量スペクトル分析を行い、検出対象の物質の分子構造を取得するステップと、を用いる。

同時に、いくつかの応答値の小さい質量スペクトルデータに対して、エントロピー最小化方法により良好に解析するために、簡単で、通常のデータ前処理を行って、１組の質量スペクトルデータにおける単一質量スペクトルデータに対して線形変換処理（例えば単位化処理等）、又はノイズと背景の処理を行う必要がある。

本発明に係る検出及び解析方法は、質量スペクトル分析において、あるパラメータを変更することにより１種又は複数種の摂動を増加させ、２次元質量スペクトルを得て、次にエントロピー最小化アルゴリズムにより２次元質量スペクトルを解析して、各独立成分（イオン）及び対応する濃度変化（動力学過程）を発見する。発見した各種の独立成分及びそれらの動力学過程を利用し、使用者はこれらの独立したイオンの質量スペクトルピーク（ベースピークと同位体ピーク）に基づいてこれらの独立したイオンの化学構造式を推定し、さらに検出対象の物質全体の構造式を推定することができる。さらに、使用者はこれらの独立したイオンの動力学過程に基づいて異性体を区別して、該分子における結合の結合エネルギーの大きさ及び可能な空間構造を判断することができる。

（実施例１）
機器及び化学品：ガスクロマトグラフ質量分析計（ＧＣ−ＥＩ−ＭＳ）、ジクロロメタン及び他の成分の混合物。

実験条件：同じ実験条件下で、ＥＶ電圧（ＥＶ＝１０〜７０Ｖ、間隔が５Ｖであり、総計で１３回実験する）で、等量の混合物に対してＧＣ−ＥＩ−ＭＳ分析を行い、総計で１３個の実験データを得る。図１、２に示されるように、それはＥＶ＝３０Ｖの実験データを示し、すなわち通常検出に記載された「一次元質量スペクトル」である。

データ処理：それぞれの実験データにおいて、ジクロロメタンの保持時間に基づき、同じ保持時間範囲内に、実験で得られた各異なる保持時間での質量スペクトルデータを簡単に加算し、最終的に１つの質量スペクトルデータを得る。１３個のＧＣ−ＭＳデータにおいて、最終的に得る１３個の質量スペクトルデータを得る。この１３個のデータを統合し、エントロピー最小化アルゴリズムを利用して解析する。

図３から分かるように、ＧＣ−ＭＳはＥＶが小さい場合、そのフラグメントイオンの存在度が非常に小さく、ＥＶイオンが大きい場合、そのフラグメントイオンの存在度が大きい。発明者は、ＥＶ＝１０Ｖでの総存在度が９．８７２Ｅ５であり、ＥＶ＝５０Ｖの場合、その存在度が５．２６５Ｅ７であり、ＥＶ＝１０Ｖでの存在度の５３倍であることを発見した。このようなデータに基づき、エントロピー最小化アルゴリズムは各独立したイオンを確実に解析できない。その原因として、ＥＶが小さい場合、そのイオンの存在度が非常に小さく、その変化が高ＥＶにおけるイオン変化に比べて、無視でき、すなわちマスキングされる。すなわち、イオンはＥＶが小さい場合でどのように変化しても、その変化がイオンの高ＥＶ場合での変化に対して、無視できる。

このような問題を解決するために、異なるＥＶ条件下での各質量スペクトルに対して、その存在度の最も高い値を利用して、それ自体を単位化し、すなわち単位化後の質量スペクトルは、そのイオンの最高ピークがいずれも数値１又はある固定の数値であり、他のイオンピークの高さがそれに従って変化し、図４に示される。

エントロピー最小化アルゴリズム（例えば、非特許文献７、非特許文献８及び非特許文献９）を利用して、その中の独立成分の純粋なスペクトルを発見でき、計算により、２つの独立基イオンを発見し、次に同位体ピークの強度比演算方法を利用して、それらの同位体ピークの存在度分布及びｍ／ｚの値に基づき、最終的にそれらがＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋及びＣＨ_２Ｃｌ^＋であると判定し、図５Ａ、図５Ｂに示される。

独立したイオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋又はＣＨ_２Ｃｌ^＋の１つのクラスタ質量スペクトルピークは、一次元質量スペクトルにおいて、多くのピークを有するため、分析される化合物が未知であると、１種のイオンで形成される１つのクラスタピークであるか、異なるイオンで形成される１つのクラスタピークであるかを判断できない。使用者は２つの異なるイオンで形成される１つのクラスタピーク、例えば同一炭素原子数を含有する飽和アルカンのフラグメントイオンピーク及び１つの二重結合を含有するアルケンフラグメントイオンピークであると考えることができる。一次元質量スペクトルにおいて、独立したイオンを判断できないため、その可能なイオン分子量を利用してどのイオン（例えば基準ピークが２８の質量スペクトルピークは、ＣＯ^＋又はＮ_２ ^＋のピークである可能性がある）であるかを判断できない。

しかし、エントロピー最小化アルゴリズムの解析により、独立したイオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋又はＣＨ_２Ｃｌ^＋の１つのクラスタピークで、１種のイオンの質量スペクトルピークであると確定でき、その同位体ピークの分布及びｍ／ｚの値に基づき、経験が豊富な使用者はすぐ元素塩素（Ｃｌ）を含有するイオンであると知ることができ、さらにイオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋又はＣＨ_２Ｃｌ^＋であることを知る。経験のない使用者もサードパーティソフトウェア（例えばＮＩＳＴ１４）を利用して、ｍ／ｚの値及びピークの分布を照合することにより、イオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋又はＣＨ_２Ｃｌ^＋であるかを判断できる。これらの独立したイオンの構造情報、及び得られた分子イオンピークに基づき、該化合物がＣＨ_２Ｃｌ_２であることを知ることができる。

しかし、最高ピークを簡単に利用して各一次元スペクトルグラフを単位化する場合、その動力学結果の物理的意味が顕著ではない。図６Ａ、図６Ｂは各独立フラグメントのＥＶ変化での動力学過程を示す。最高ピークをいずれも１に単位化したため、ＣＨ_２Ｃｌ^＋の再構成「濃度」が基本的に直線である。いくつかの問題を説明できるが、実際の物理的意味が明らかではない。

別の単位化方法を用い、すなわち各異なるＥＶでの一次元質量スペクトルグラフに対して、そのすべてのデータチャネルの値を加算し、次に加算した値をすべて１又はある特定の数値に変更し、該数値を利用して各データチャネルの値を単位化する。このような単位化方法で、いずれかの独立したイオンの濃度はそのすべての独立したイオンに占める百分率とみなしてもよい。このような単位化方法により、それらの２次元質量スペクトルデータは図７Ａ、図７Ｂに示される。エントロピー最小化アルゴリズムを応用して得られた独立したイオンの動力学過程は図７Ａ、図７Ｂに示される。

確認できるように、ジクロロメタンは質量スペクトルにおいて、その分子イオン（ＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋）の百分率濃度がＥＶの増加に伴って、減少し始め、ＥＶ＝３０ほどになると、増加し始める。逆に、子イオンＣＨ_２Ｃｌ^＋の濃度がまず増加し、その後に減少する。このような動力学過程は、原因としてＥＶが低い場合で、衝突エネルギーが低いため、分子を帯電させることができるが、分子が破砕できない。しかしエネルギーの増加に伴って、分子が破砕でき、従ってイオンＣＨ_２Ｃｌ^＋の濃度が増加し始め、分子イオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋が減少し始める。ＥＶの継続増加に伴って、ＣＨ_２Ｃｌ^＋イオンがより高いエネルギーの電子により破砕され、その濃度が小さくなる。従って異なるＥＶ条件での独立したイオン反応動力学に基づき、分子の質量スペクトルにおける破砕過程を取得できる。異性体に対して、その空間構造が異なり、結合ビットが異なり、結合エネルギーが異なるため、その破砕動力学も相違を有し、それらを区別できる。

さらに、通常のＥＶ＝７０Ｖの条件下で、多くの分子量の大きい物質は、質量スペクトルにおいて破砕されやすく、従って完全な分子イオンピークを取得しにくく、低ＥＶの場合で、分子イオンピークを取得しやすい。さらに、一次元質量スペクトルにおいて、ある時、背景の干渉により、分子イオンピークの質量電荷比より大きいピークが発生する場合があり、従って判断しにくい。ＥＶを変更する方法をＥＭと合わせて使用すると、独立したイオン及びその動力学を知ることができるだけでなく、分離イオンピークを容易に取得し、且つ背景干渉を除去し、分子イオンピークを早めに判断することができる。

同様に、液体クロマトグラフィー質量スペクトルにおいて、一次元質量スペクトルにおけるいくつかの未知物の質量スペクトルピークは、破砕された後（例えばタンデム質量スペクトル分析又はイオントラップ質量スペクトル分析を使用し）、多くのフラグメントイオンの質量スペクトルが発生し、その加速電圧等を変更すると、２次元質量スペクトルを形成できる。数学の面から、液体クロマトグラフィーの２次元質量スペクトル及びＧＣ−ＥＩ−ＭＳの２次元質量スペクトルは、ＥＭ方法に対して、同じであり、同様な動力学解析として、独立したイオン及び動力学等の情報を取得でき、次に各独立したイオンの情報を統合し、親イオンの情報にまとめる。

（実施例２）
一台のＥＩ−ＭＳ機器において、純粋なジクロロメタンをマイクロインジェクションポンプで質量分析計にゆっくりと直接インジェクションし、同時にＥＶの電圧を変更し、他の実験条件は実施例１の実験条件と一致である。複数回のサンプリング分析を行った。次に異なるＥＶ条件でのデータを収集した後、ＥＭの計算により、その独立したイオン及びそれらの反応動力学を得た。

今回の実験は、結果が実施例１における結果と一致している。独立したイオンＣＨ_２Ｃｌ_２ ^＋及びＣＨ_２Ｃｌ^＋、及びそれらの動力学過程を発見した。

（実施例３）
一台の液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）のタンデム質量スペクトル分析において、スルファドキシン溶液をインジェクションポンプで質量スペクトルに直接注入して分析した。試料注入レートが１００μＬ／ｍｉｎである。スルファドキシン溶液の溶媒が５０％のメタノール−水溶液であり、スルファドキシンの濃度が１．０μｇ／ｍＬである。質量スペクトル検出モードがＥＳＩ＋である。

異なる衝突誘起解離（ＣＩＤ）の衝突エネルギー下（１０−８０ｅＶ、間隔が５ｅＶである）で、スルファドキシンの親イオンを解離して、その子イオンのＭＳ^２質量スペクトルを走査して記録し、最終的に１５個のＭＳ^２スペクトルグラフが収集され、それらのスペクトルグラフは図８に示される。

本実施例におけるＭＳ^２スペクトルグラフは、インジェクションポンプで等速に注入されるので、親イオンの濃度が変わらず、後続に親イオンが解離されるため、その非帯電粒子及び負帯電粒子が記録できず、従って存在度全体が解離エネルギーの増加に伴って減少する。この過程はガスクロマトグラフィー質量スペクトル分析におけるＥＶの大きさを変更することにより２次元質量スペクトルを得る過程と異なり、それが生じたデータを単位化する必要がない。

図９に示されるように、単位化されてない２次元ＭＳ^２データにおいて、ＥＭアルゴリズムを応用して、その独立したイオンＡ、Ｂ、Ｃ及びそれらの動力学変化過程を得た。そのうち総再構成濃度は各再構成濃度Ａ、Ｂ、Ｃの総和である。各再構成濃度に対応する再構成された独立したイオンのスペクトルグラフは図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示される。

図９から分かるように、この解離過程は明らかに３つのステップを有し、その動力学が非常に明らかになり、ＡがＢを生成し、次にＢがＣを生成する。

（１）親イオンＡの分解
親イオンが解離電圧の増加に伴って、４つの主な二次イオンＢに分解され、２５ｅＶになる時、ほぼ完全に分解された。

（２）二次イオンＢの発生及び分解
親イオンＡの分解に伴って、Ａは４種の二次イオンに同時に分離され、この４つのイオンはいずれも親イオンから分離され、且つ一致する割合を維持し、従って独立したクラスタとして再構成され、解離電圧の継続増加に伴って、Ａの減少及びＢの分解により、Ｂが２０ｅＶほどに最も多くなり、次に減少し始め、４５ｅＶになる時、完全に分解された。

（３）三次イオンＣの発生及び分解
確認できるように、Ｃの発生がＢの分解により引き起こされ、Ｂの分解に伴って、Ｃが後（２０ｅＶ）に増加し始め、Ｂの分解の増加に伴って、Ｃも増加し始め、同時にＢにおける各イオンが同時に分解して、多くの異なるフラグメントイオンが発生するため、三次イオンの種類が多い。

該結果によれば、親イオンＡは４つの子イオンに同時に分解されることを明らかに示す。これは、一次元ＭＳ^２質量スペクトルにおいて発見できない。この４つの子イオンの質量電荷比がそれぞれ１０８、１５６、２１８及び２４５である。スルファドキシンの分子式及び各イオンの化学式は図１１に示される。

二次イオンＢの各成分のピークの高さの割合に基づき、Ｂにおける各イオンの割合百分率は、以下である。
ｍ／ｚ＝１０８、１２．７％。ｍ／ｚ＝１５６、７３．１％。ｍ／ｚ＝２１８、５．１％。ｍ／ｚ＝２４５、９．１％。

これらの割合はＡが生成したＢにおける各イオンの割合である。使用者はこれらの割合情報及び動力学結果に基づき、通常の技術に応じてさらに分析して、より多くの情報を取得し、それにより検出対象の物質の構造等を得ることができる。

三次イオンＣにおいて、その最大のイオンピークがｍ／ｚ＝１０８であり、二次イオンＢにおける最小ピークと同じであり、この結果によれば、アルゴリズムが重なりピークを処理できることを示す。該結果は、二次イオンにおけるｍ／ｚ＝２１８及び２４５の構造式が正確であることをも示し、なぜかというと、それらはいずれもｍ／ｚ＝１０８の断片を含有するからである。

本発明に説明された実施形態は例示するためのものに過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではなく、当業者は本発明の範囲内に各種の他の置換、変更及び改良を行うことができ、例えば、本分野の他の研究者は本発明の構想を参考にして又は利用し、多次元質量スペクトル及び他のアルゴリズムを利用して、その独立したイオンに対して動力学分析を行い、且つ同じ効果を達成することができる。従って、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲のみにより限定される。

（付記１）
質量分析計で検出する時の１つ又は複数のパラメータを外乱条件として用いて、前記外乱条件における１組の異なる数値を設定し、前記外乱条件の異なる数値条件下で検出対象の物質を前記質量分析計で検出し、１組の質量スペクトルデータを取得するステップ１）と、
ステップ１）で得られた１組の質量スペクトルデータをエントロピー最小化アルゴリズムにより計算して、前記質量スペクトルデータにおける独立したイオン及びその動力学過程を得るステップ２）と、
ステップ２）で得られた独立したイオン及びその動力学過程に応じて質量スペクトル解析を行うステップ３）と、を含む質量スペクトルの検出及び解析方法。

（付記２）
前記外乱条件は電界強度、磁場強度、放射強度、真空度、衝突分子の大きさや種類、励起光源の波長又は強度のうちの１種又は複数種を含むことを特徴とする付記１に記載の方法。

（付記３）
前記ステップ１）は前記質量スペクトルデータに対してデータ前処理を行うことをさらに含むことを特徴とする付記１に記載の方法。

（付記４）
前記データ前処理は単一の質量スペクトルデータを線形変換することを含むことを特徴とする付記３に記載の方法。

（付記５）
前記データ前処理はノイズ除去及び背景処理を含むことを特徴とする付記３に記載の方法。

（付記６）
前記ステップ２）及びステップ３）に記載の各独立したイオンの動力学過程が各独立したイオンの濃度に対応して変化することを特徴とする付記１に記載の方法。

（付記７）
前記ステップ３）は、解析して前記独立したイオンの構造を得て、さらに前記検出対象の物質の構造を得ることを含むことを特徴とする付記１に記載の方法。

（付記８）
前記ステップ３）は、各独立したイオンの質量スペクトルピークに基づいて各独立したイオンの化学構造式を推定し、さらに検出対象の物質の構造式を推定することをさらに含み、前記質量スペクトルピークはベースピーク及び／又は同位体ピークを含むことを特徴とする付記７に記載の方法。

（付記９）
前記ステップ３）は、各独立したイオンの動力学過程に基づいて異性体を区別し、さらに検出対象の物質の分子における結合の結合エネルギーの大きさと空間構造を判断することをさらに含むことを特徴とする付記３に記載の方法。

（付記１０）
前記質量分析計はガスクロマトグラフィー−質量分析計又は液体クロマトグラフィー−質量分析計を含むことを特徴とする付記１に記載の方法。

（付記１１）
前記質量分析計のイオン化方式は化学イオン化、電子イオン化、エレクトロスプレーイオン化又は大気圧化学イオン化方式を含むことを特徴とする付記７に記載の方法。

Claims (13)

1. 検出対象として独立成分を質量分析計で検出する時の１つ又は複数のパラメータを摂動条件として用いて、前記摂動条件における１組の異なる数値を設定し、前記摂動条件の異なる数値条件下で検出対象の物質を前記質量分析計で検出し、前記独立成分の、前記摂動条件の異なる数値条件下での１組の異なる質量スペクトルデータを取得するステップ１）と、
   ステップ１）で得られた１組の異なる質量スペクトルデータをエントロピー最小化アルゴリズムにより計算して、前記質量スペクトルデータにおける検出対象のフラグメントから構成される、独立したイオン及びその破砕動力学変化過程を得るステップ２）と、
   ステップ２）で得られた独立したイオン及びその破砕動力学変化過程に応じて質量スペクトル解析を行うステップ３）と、を含む質量スペクトルの検出及び解析方法。
2. 前記摂動条件は電界強度、磁場強度、放射強度、真空度、衝突分子の大きさや種類、励起光源の波長又は強度のうちの１種又は複数種を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ステップ１）は前記質量スペクトルデータに対してデータ前処理を行うことをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記データ前処理は単一の質量スペクトルデータを線形変換することを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記データ前処理はノイズ除去及び背景処理を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記ステップ２）及びステップ３）に記載の各独立したイオンの破砕動力学変化過程が各独立したイオンの濃度に対応して変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ステップ３）は、解析して前記独立したイオンの構造を得て、さらに前記検出対象の物質の構造を得ることを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記ステップ３）は、各独立したイオンの質量スペクトルピークに基づいて各独立したイオンの化学構造式を推定し、さらに検出対象の物質の構造式を推定することをさらに含み、前記質量スペクトルピークはベースピーク及び／又は同位体ピークを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記ステップ３）は、各独立したイオンの破砕動力学変化過程に基づいて異性体を区別し、さらに検出対象の物質の分子における結合の結合エネルギーの大きさと空間構造を判断することをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
10. 前記質量分析計はガスクロマトグラフィー−質量分析計又は液体クロマトグラフィー−質量分析計を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記質量分析計のイオン化方式は化学イオン化、電子イオン化、エレクトロスプレーイオン化又は大気圧化学イオン化方式を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
12. 前記独立成分は、混合物中の独立成分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記独立成分の、前記摂動条件の異なる数値条件下での１組の異なる質量スペクトルデータを取得するステップ１）において、ｍ／ｚ、摂動条件及び強度をそれぞれ軸とする３次元質量スペクトルグラフを得ることを特徴とする請求項１に記載の方法。