質量分析（MS）｜分子の質量と構造を高精度に解析

2025.08.24

質量分析(MS)

質量分析（MS）は、試料中の原子・分子をイオン化し、その質量電荷比（m/z）を測定して化学種の同定や定量を行う分析法である。高い選択性と感度、広いダイナミックレンジ、構造情報（フラグメント情報）の取得が可能であり、環境分析、医薬品、食品安全、材料・半導体、生命科学など幅広い分野で利用される。近年は高分解能装置と質量分析（MS）をクロマトグラフィーと直結したLC-MS/MS、GC-MSが主流であり、マトリクスの複雑な試料に対しても高精度な結果が得られる。

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原理と基本概念

質量分析(MS)の基本は、(1)イオン化、(2)質量分離、(3)検出の三段階である。試料分子がイオン源で電荷を持つ粒子に変換され、質量分析部でm/zに応じて軌道や飛行時間が変化し、検出器で電流やカウントとして信号化される。得られるマススペクトルは横軸がm/z、縦軸が相対強度で、モノアイソトピックピーク、同位体ピーク、フラグメントピークを含む。分解能R、質量精度（ppm）、感度、スキャン速度、定量範囲は装置性能を示す主要指標である。

イオン化法の種類

イオン化は試料の性質と測定目的で選択する。ソフト/ハードの指向性に注意し、アダクト形成やプロトン化/脱プロトン化を考慮することが重要である。

  • EI（電子イオン化）：気体・揮発性化合物向け。フラグメントが豊富で構造推定に有用。
  • CI（化学イオン化）：EIよりソフトで分子イオン情報を得やすい。
  • ESI（エレクトロスプレー）：溶液中の極性化合物に適し、LCと好相性。多価イオンを生成。
  • APCI/APPI：中極性〜疎水性化合物をLCと組み合わせて測定。
  • MALDI：パルスレーザーで固体試料をソフトイオン化。高分子・バイオ分野に適用。

質量分離と検出

質量分離部はm/zに応じてイオンを選別し、検出器が信号化する。装置の選定は分解能、質量精度、スキャン速度、測定レンジで決まる。

  • 四重極（QMS）：堅牢・高速スキャン。トリプル四重極はMRMによる高選択定量に最適。
  • TOF（飛行時間型）：高速・広レンジ。MALDIやLCと組み合わせやすい。
  • Orbitrap：高分解能・高質量精度。非標的スクリーニングに強い。
  • FT-ICR：最上位の分解能と精度。超高分解能が求められる研究用途に適する。
  • 検出器：電子倍増管、MCP、ファラデーカップなどを用途に応じて使用。

装置構成と真空系

装置はイオン源、インターフェース、質量分離部、検出器、真空ポンプ、制御・解析ソフトで構成される。高真空（10-3〜10-7 Pa級）がイオンの散乱抑制に不可欠で、リークやコンタミネーションは感度低下と質量ドリフトの主因である。定期的なベーキング、イオン源・コーンのクリーニング、チューニングが安定運用の鍵となる。

データとスペクトル解析

マススペクトルはピークのm/zと強度から構成され、同位体パターンやアダクト（[M+H]+、[M−H]−、[M+Na]+等）を解釈する。高分解能では質量欠損を活かして元素組成推定が可能で、ppm単位の誤差管理が重要である。MS/MSではプリカーサー選択後にCID/HCD等でフラグメントを生成し、プロダクトイオンから部分構造を推定する。ライブラリ検索（例：NIST）や理論スペクトル照合も有効である。

定量分析とバリデーション

定量は内部標準法（IS）や同位体希釈（IDMS）を用いてマトリクス効果とイオン抑制を補正する。検量線の線形性、LOD/LOQ、精度・正確さ、再現性、キャリーオーバーの確認はバリデーションに必須である。トリプル四重極のMRMは高選択・高感度で、規制分析に広く採用されている。

前処理と分離の連結

複雑マトリクスでは前処理が結果を左右する。固相抽出（SPE）、液液抽出、誘導体化、希釈—注入などを使い分ける。分離はLC（逆相、HILIC）やGCを用い、LC-MSやGC-MSとして連結する。保持係数、移動相pH、イオンペア試薬はイオン化効率に影響するため最適化が必要である。

アプリケーション

質量分析(MS)は環境汚染物質のトレース分析、医薬品の不純物・代謝物プロファイリング、ドーピング検査、食品中残留農薬の多成分同時分析、ポリマーの分子量分布評価、半導体プロセス中の微量不純物監視などに用いられる。プロテオミクスやメタボロミクスではデータ依存/非依存取得（DDA/DIA）を駆使し、非標的スクリーニングでは高分解能データベースとワークフローが重要となる。

トラブルシューティングの要点

感度低下はイオン源汚れ、リーク、ネブライザー条件不適合、移動相中の塩・界面活性剤に起因しやすい。ピークテーリングや分裂はカラム劣化や注入溶媒不整合、スペクトルの質量ドリフトは校正不足や温度変化が疑われる。対策として、ソース洗浄、ガス純度の確認、LC条件の整合、外部標準・ロックマスによる校正を実施する。

安全・保守と運用の勘所

高電圧部や真空系の取り扱い、溶媒・廃液の管理は安全基準に従う。日常点検（真空度、バックグラウンド、質量精度）、定期保守（ポンプオイル交換、シール交換）、ソース・コーンの清掃、キャピラリーの詰まり点検を計画的に行う。メソッド移管ではイオン化条件、ソース温度、ガス流量、レゾリューション設定、MRMトランジションや衝突エネルギーを標準化し、相互再現性を確保する。

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