質量分析とは？マススペクトルの読み方も解説！（英語表記）

質量分析とは？マススペクトルの読み方も解説！（英語表記）

質量分析は、化学物質が何でできているかを調べるために広く使われる分析法です。

医薬品、食品、環境試料、半導体材料など、目に見えない成分を確かめる場面で役立ちます。

結果として得られるマススペクトルは棒グラフのように見えますが、横軸と縦軸の意味を知ると分子量や成分の手がかりを読み取れます。

この記事では、質量分析の原理、マススペクトルの見方、英語表記、実務で注意したい点を順に解説します。

 

質量分析の意味と基本原理

それではまず質量分析の意味と基本原理について解説していきます。

 

質量分析法と質量電荷比

質量分析とは、イオンの質量電荷比を測定して物質を同定または定量する分析法です。

質量分析は英語でMass Spectrometryと表記され、略してMSと呼ばれます。

測定対象の分子は、そのままでは装置内で分けにくいため、最初に電荷を持つイオンへ変換されます。

イオン化された粒子は質量と電荷の違いによって分離され、検出器で信号として記録されます。

横軸に用いるm zは質量電荷比を表し、mはイオンの質量、zは電荷数です。通常は正イオンを扱うため、zが正の整数として示されます。

たとえば電荷数が1のイオンでは、m zの数値はほぼそのイオンの質量に対応します。

一方で2価イオンなら、同じ質量でもm zはおおむね半分になります。

質量分析では分子そのものの重さだけでなく、壊れて生じた断片イオンも観察できます。

断片の組み合わせは物質の骨格を推定する手がかりとなるため、単純な分子量測定より多くの情報を得られるでしょう。

 

イオン化から検出までの流れ

質量分析では、試料のイオン化、分離、検出という流れで信号を得ます。

試料をイオンにする方法は多く、試料の性質や装置に合わせて選ばれます。

気体になりやすい低分子化合物には電子イオン化法がよく用いられ、英語ではElectron Ionization、略称はEIです。

液体クロマトグラフィーと組み合わせる測定では、エレクトロスプレーイオン化法であるElectrospray Ionization、ESIが代表的でしょう。

ESIでは分子に水素イオンやナトリウムイオンなどが付加したイオンが生じます。

そのため、観測されたピークが分子量そのものだと早合点しない注意が必要です。

質量分離部には四重極、飛行時間型、イオントラップなどがあり、目的に応じて分解能や測定速度が異なります。

検出器は到達したイオン数に応じた信号を出し、その強さがスペクトルのピークとして表示されます。

試料濃度が高すぎると信号が飽和し、低すぎるとノイズに埋もれることがあります。前処理や希釈条件も測定品質を左右します。

装置名やイオン化法の略語だけを覚えるより、どの段階でイオンの形が決まるかを理解すると結果を読みやすくなります。

 

分子量測定と成分同定の違い

質量分析は分子量の推定だけでなく、ピークパターンから成分の候補を絞り込む方法です。

分子量は物質を識別する大切な情報ですが、同じ分子量を持つ別の化合物も存在します。

たとえば分子式が異なっても、合計質量が同じになる異性体や別物質があり得ます。

このため、単一のピークだけで物質名を断定することはできません。

EI法では特徴的なフラグメントイオンが得られやすく、標準スペクトルとの照合が同定に役立ちます。

LC MSでは保持時間、精密質量、MS MSスペクトルを組み合わせると、候補の信頼性を高められます。

定量分析では、目的成分のピーク面積やピーク強度を標準液と比較します。

内部標準物質を加えて測定する方法では、注入量やイオン化効率の変動を補正しやすくなります。

物質の存在確認と濃度の決定は似た作業に見えても、必要な検証が異なります。

 

マススペクトルの構成とピークの意味

続いてはマススペクトルの構成とピークの意味を確認していきます。

 

横軸と縦軸の基本情報

マススペクトルの横軸はm z、縦軸は検出されたイオンの相対的な量を示します。

横軸を左から右へ見ると、一般には小さい質量電荷比から大きい質量電荷比へ進みます。

縦軸はIntensity、Abundance、Relative Intensityなどと表記されます。

相対強度では、最も強いピークを100として他のピークの強さを割合で示します。

したがって、縦軸が100のピークが必ず試料中で最も濃度が高い成分とは限りません。

イオン化しやすさ、断片化のしやすさ、装置条件によって信号強度は変化するからです。

スペクトルに細かい棒が多数ある場合、微量成分、同位体、フラグメント、バックグラウンドノイズが混在している可能性があります。

まず主要ピークのm z値を確認し、その周囲にある規則的なピーク群を見ると整理しやすいでしょう。

表示項目	意味	読み取る際の注意
m z	質量電荷比	電荷数と付加イオンを確認する
Intensity	検出信号の強さ	濃度と単純には一致しない
Relative Intensity	最大ピークを100とした比率	測定ごとの比較条件をそろえる
Retention Time	クロマトグラフィーでの溶出時間	LCやGCと組み合わせて判断する

グラフの軸名と単位を最初に確認する習慣をつけると、異なるメーカーの解析画面でも迷いにくくなります。

 

ベースピークと分子イオンピーク

ベースピークはスペクトル中で最も強いピークであり、分子イオンピークとは限りません。

ベースピークはBase Peakと呼ばれ、相対強度100の基準になります。

EI法では分子イオンが壊れやすい物質も多く、分子イオンピークよりフラグメントイオンがベースピークになることがあります。

分子イオンは、原則として電子が1個抜けた分子由来のイオンを指し、M＋・のように表されます。

一方、ソフトなイオン化法であるESIでは［M＋H］＋のような擬分子イオンを観察することが一般的です。

この違いを無視すると、分子量を1だけ、あるいは付加イオンの分だけ誤って計算してしまいます。

分子由来と思われる高m z側のピークを見つけたら、低m z側の断片との関係も確認しましょう。

高分解能測定では小数点以下の精密なm z値から分子式候補を検討できます。

ただし精密質量が一致しても構造まで一意に決まるわけではないため、追加の情報を組み合わせる必要があります。

 

フラグメントピークと構造情報

フラグメントピークは分子が分解して生じた断片イオンで、構造推定の重要な手がかりです。

とくにEI法では、電子によるイオン化の際に分子内の結合が切れ、多様な断片イオンができます。

切れやすい位置には一定の傾向があり、官能基や炭素骨格の違いがピークパターンに反映されます。

たとえば分子イオンピークが弱くても、特徴的な断片の組み合わせから化合物群を推定できる場合があります。

ただし、見慣れたm z値だけで官能基を決めつけるのは危険です。

複数の構造が同じ質量の断片を生むことがあるため、スペクトル全体の整合性を確認します。

MS MSでは、選択した前駆イオンをさらに分解して生成イオンを測定します。

前駆イオンと生成イオンの関係を追うことで、複雑な試料でも目的成分を絞り込みやすくなります。

 

同位体ピークと電荷数の判定

続いては同位体ピークと電荷数の判定を確認していきます。

 

同位体パターンの見分け方

同位体ピークは同じ化合物に含まれる原子の自然同位体によって生じる規則的なピーク群です。

炭素には主に炭素12と炭素13があり、炭素13を含む分子由来のピークは、通常Mの近くに現れます。

1価イオンでは、MとM＋1のピーク間隔は約1になります。

炭素数が増えるほど炭素13を含む確率も増えるため、M＋1ピークの相対強度は大きくなる傾向があります。

塩素や臭素を含む化合物では、より特徴的な同位体パターンが観察されます。

塩素ではMとM＋2、臭素でもMとM＋2に目立つ関係が出るため、元素組成を考える手がかりになります。

しかし、同位体パターンだけで元素組成を確定することはできません。

共溶出した別成分やノイズが重なると、ピーク比が本来の値からずれることがあります。

観察される特徴	考えられる要因	確認方法
M付近に約1間隔のピーク群	炭素13などの自然同位体	電荷数と分子式候補を確認する
MとM＋2が目立つ	塩素、臭素を含む可能性	ピーク比と繰り返しパターンを見る
不規則な細かいピーク	混入物、ノイズ、共溶出	ブランク試料と比較する
予想外の大きい隣接ピーク	付加イオンまたは別成分	クロマトグラム上の位置を調べる

同位体ピークは邪魔な信号ではなく、正しいピーク割り当てを支える情報として活用できます。

 

ピーク間隔による多価イオンの確認

同位体ピークの間隔は、イオンの電荷数が大きいほど狭くなります。

1価イオンの同位体ピーク間隔は約1ですが、2価イオンでは約0.5になります。

3価イオンでは約0.33となるため、高分子やペプチドの解析で電荷数を見積もる際に有用です。

ESIでは複数のプロトンが付加した多価イオンが生じやすく、同じ分子が複数のm z位置に現れます。

たとえば分子量の大きいタンパク質でも、多価イオン化によって装置の測定範囲内に観測できます。

ピーク間隔を見る前に、スペクトルを十分に拡大して近接ピークを分けて確認しましょう。

分解能が不足していると、同位体ピークが1本の太いピークのように見え、電荷数を判定できません。

多価イオンを中性分子のピークと誤認すると、分子量の推定が大きくずれます。

複数の電荷状態のピークが同じ化合物に由来するか、デコンボリューション機能や計算で確認すると安心です。

 

付加イオンと溶媒由来ピーク

ESIのスペクトルでは、プロトン付加以外にナトリウム付加や溶媒由来のピークが現れることがあります。

測定溶媒、移動相添加剤、試料容器からの微量成分は、イオンの形に影響します。

正イオンモードでは［M＋H］＋のほか、［M＋Na］＋、［M＋K］＋などが代表例です。

負イオンモードでは脱プロトン化した［M－H］－がよく観測されます。

酢酸アンモニウムやギ酸などの添加剤を使う場合には、それらに関係する付加体も検討対象になります。

同じ保持時間に複数のピークが出ているなら、まず付加イオンの関係を計算してみるとよいでしょう。

一方で、ポリエチレングリコール類や可塑剤などの汚染は、規則的なピーク列として現れることがあります。

目的物らしく見えるピークでも、ブランク試料で同じ信号が出るなら試料由来とは判断できません。

分析前に溶媒ブランク、手順ブランク、標準品を測定することが、誤認を防ぐ基本になります。

 

測定法の比較と英語表記

続いては測定法の比較と英語表記を確認していきます。

 

代表的なイオン化法の比較

イオン化法は試料の性質によって選び、得られるスペクトルの特徴も変わります。

EIは揮発性のある低分子化合物に適しており、GC MSで広く利用されます。

EIはフラグメント情報が豊富な反面、分子イオンピークが弱くなる場合があります。

ESIは溶液中の比較的極性の高い化合物を測定しやすく、LC MSの代表的なイオン化法です。

MALDIはMatrix Assisted Laser Desorption Ionizationの略で、マトリックスを用いて高分子をイオン化します。

タンパク質やペプチドなどの生体関連分子では、目的や分子量に応じてESIとMALDIが使い分けられます。

方法	英語表記	適した試料	主な特徴
EI	Electron Ionization	揮発性低分子	フラグメント情報が豊富
ESI	Electrospray Ionization	溶液中の極性化合物	多価イオンが生じやすい
MALDI	Matrix Assisted Laser Desorption Ionization	ペプチド、タンパク質	比較的大きい分子に対応しやすい
APCI	Atmospheric Pressure Chemical Ionization	中程度の極性化合物	LC MSで利用される

分析法を選ぶ際は、分子量だけでなく、揮発性、極性、熱への弱さ、必要な検出感度を整理します。

装置の名称と測定原理を混同しないことも、報告書を書く際の大切なポイントです。

 

質量分析で使われる英語表現

Mass Spectrometryは分析手法全体を指し、Mass Spectrumは得られたスペクトルそのものを指します。

Mass Spectrometerは質量分析計という装置名です。

Mass SpectrometryとMass Spectrometerを同じ意味で使うと、英語の技術文書では不自然になることがあります。

Spectrumは単数形、Spectraは複数形であり、複数の測定結果を指す場合に使い分けます。

molecular ionは分子イオン、fragment ionはフラグメントイオン、base peakはベースピークです。

accurate massは精密質量、high resolution mass spectrometryは高分解能質量分析を意味します。

LC MSはLiquid Chromatography Mass Spectrometry、GC MSはGas Chromatography Mass Spectrometryの略称です。

日本語の報告書でも、初出時に日本語名称と英語名称または略語を併記すると、読者が測定条件を追いやすくなります。

 

分解能と質量精度の考え方

分解能は近いm zのピークを分ける能力であり、質量精度は測定値が真値にどれだけ近いかを示す指標です。

分解能が高い装置では、低分解能では重なって見えるピークを別々に観測できます。

質量精度が高いと、理論値との差から分子式候補をより狭く絞り込めます。

この二つは関連しますが、同じ意味ではありません。

高分解能の装置でも校正状態が悪ければ、質量精度は低下します。

反対に、質量精度だけが良く見えても、近接ピークを分離できなければ混合物の解析は難しくなります。

測定前後に標準物質を用いて質量校正を行うと、長時間測定によるずれを確認しやすくなります。

精密質量の報告では、理論値、実測値、誤差の単位をそろえて記載します。

試料濃度、ピーク強度、マトリックス効果も結果に影響するため、数値だけで品質を判断しない姿勢が必要です。

 

質量分析とマススペクトルのまとめ

質量分析とは、試料をイオン化し、質量電荷比を測定して物質の情報を得る分析法です。

Mass Spectrometryは手法、Mass Spectrometerは装置、Mass Spectrumは測定結果の図を指します。

マススペクトルでは、横軸のm zと縦軸の相対強度を確認することが読み取りの出発点です。

ベースピークが分子イオンピークとは限らず、イオン化法に応じた付加イオンやフラグメントを考慮する必要があります。

同位体ピークの間隔は電荷数の判断に役立ち、規則的なパターンは元素組成を考える手がかりにもなります。

物質の同定では、単一ピークだけで結論を急がず、保持時間、MS MS、標準品、ブランク測定など複数の証拠を組み合わせましょう。

まずは身近なスペクトルでm z、ピーク強度、付加イオンの3点を確認する練習から始めてみてください。