Mass spectrometry
イオンの質量電荷比を測定して化学分析を行う技術。
質量分析（MS）は、イオンの質量電荷比を測定する分析技術であり、結果は質量スペクトル（信号強度を質量電荷比に対してプロットしたもの）として示される。このスペクトルは、試料の元素または同位体シグネチャ、粒子や分子の質量を決定し、化学的同一性や構造を解明するために用いられる。この技術は、純粋な試料から複雑な混合物まで、多くの分野で応用されている。
典型的な手順では、固体、液体、または気体の試料がイオン化され、多くの場合電子ビームの衝撃によって行われる。これにより、分子が正に帯電した断片に分解したり、分解せずに正に帯電したりする。これらのイオンは、質量電荷比によって分離され、一般的には電場や磁場を通して加速されることで、同じ比のイオンは等しく偏向される。電子増倍管などの検出器が荷電粒子を捉え、得られたデータはスペクトルとして表示される。原子や分子の同定は、既知の質量や特徴的なフラグメンテーションパターンを照合することで達成される。
MSの歴史は1886年、オイゲン・ゴルトシュタインが気体放電において陽極から遠ざかる正に帯電した「カナル線」を観察したことに始まる。ヴィルヘルム・ヴィーンは後に、直交する電場と磁場を用いてこれらの線を電荷質量比で分離し、J.J.トムソンは圧力を下げて装置を改良し、質量分析器を創り出した。初期の装置は写真乾板にスペクトルを記録するか、蛍光スクリーンを使用した。現代的な技術は、1918年と1919年にアーサー・ジェフリー・デンプスターとF.W.アストンによって考案された。カリュトロンと呼ばれるセクター型質量分析計は、アーネスト・O・ローレンスによって開発され、マンハッタン計画中にウラン濃縮に使用された。その後の革新には、1989年にノーベル物理学賞を受賞したイオントラップ技術や、2002年に生体高分子への応用でノーベル化学賞を受賞したエレクトロスプレーイオン化法やソフトレーザー脱離法が含まれる。
質量分析計は、試料導入口、イオン源、質量分析器、検出器、データシステムの5つの構成要素からなる。導入口は試料を準備し、イオン源は試料の一部をイオンの流れに変換し、質量分析器はイオンを質量電荷比で分離し、検出器は存在量を測定し、場合によっては空間情報も提供する。このモジュール設計により、
Quick Facts
- Field
- Analytical chemistry, physics
- Known for
- Measuring mass-to-charge ratio of ions; identifying chemical composition and isotopic ratios
- Key inventors
- Eugen Goldstein
- Wilhelm Wien
- J. J. Thomson
- Arthur Jeffrey Dempster
- F.W. Aston
- Ernest O. Lawrence
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背景と経緯
質量分析は、イオンの質量電荷比を決定するために用いられる分析技術である。結果は質量スペクトル（強度対質量電荷比のプロット）として示され、試料の元素または同位体組成、粒子や分子の質量、化合物の化学構造を特定するために使用される。典型的な手順では、固体、液体、または気体の試料がイオン化され、多くの場合電子ビームの衝撃によって行われ、これにより分子が正に帯電した断片に分解したり、分解せずに正に帯電したりする。これらのイオンは、質量電荷比によって分離され、例えば電場や磁場を通して加速されることで、同じ比のイオンは同じ偏向を受ける。電子増倍管などの機構で検出されたイオンは、信号強度対質量電荷比のスペクトルを生成する。原子や分子は、既知の質量や特徴的なフラグメンテーションパターンを照合することで同定される。装置は、試料導入口、イオン源、質量分析器、検出器、データシステムの5つの構成要素からなる。イオン源は試料の一部をイオンの流れに変換し、その後質量分析器によって質量電荷比に従って分離される。検出器は各イオンの存在量を測定し、一部の検出器は空間情報も提供する。
読者ガイド
質量分析は、広範な重要性を持つ基礎的な分析技術である。イオンの質量電荷比を測定することで、元素、同位体、分子構造の同定を可能にする。その発展は1世紀以上にわたり、ゴルトシュタインのカナル線から、タンパク質などの大きな生体分子の分析を可能にする現代のイオン化法にまで及ぶ。この技術の柔軟性は、試料導入口、イオン源、質量分析器、検出器、データシステムの5つの構成要素に表れており、それぞれ独立して変更可能である。応用範囲は純粋な試料から複雑な混合物まで多岐にわたり、ガスクロマトグラフィー（GC-MS）や液体クロマトグラフィー（HPLC-MS）との結合も含まれる。マンハッタン計画におけるウラン濃縮でのカリュトロンの役割は、その歴史的影響を際立たせている。イオントラップ技術やソフトイオン化法に授与されたノーベル賞は、その継続的な進化を強調している。質量分析は、精密な組成および構造分析のために、化学、物理学、生物学、医学において不可欠であり続けている。