研究会「ミューオンによる非破壊分析の可能性」 2018年11月13日
Ion Source
DetectorDetector
質量分析の最前線
質量分析とは質量分析(mass spectrometry)とは，質量分析装置(mass spectroscope)を用いてイオンの質量電荷比(mass-to-charge ratio)と強度(intensity)を測定する．
質量分解能： mΔ m = T
2 Δ T
質量分析とは質量分析(mass spectrometry)とは，質量分析装置(mass spectroscope)を用いてイオンの質量電荷比(mass-to-charge ratio)と強度(intensity)を測定する．
分子の構造解析 定量分析・元素の組成比
・化合物の構造解析
・タンパク質・ペプチドのアミノ酸配列
・タンパク質などの立体構造
・自然界や生体内に存在する化
合物の定量
・医薬品や代謝物の体内での分
布状況解析
化合物の同定
高感度ピコモル，フェムトモルで測定できる
統一原子質量単位 （Unified atomic mass unit)
質量数１２の炭素原子の重さ
12C = 12
1(u) = 1.6605402(10) ×10-27 kg
-+66
6C126
+67
6C136
同位体（isotope）
陽子 中性子 電子
同一元素の原子で，原子核内の中性子の数が異なる（質量数が異なる）
-
-
原子分子をイオン化
電磁場中を飛行
質量による運動の違いにより イオンの質量を測定する
質 量 分 析 装 置 と は
イオン源
真空排気
分 析 部
検 出 器
電子イオン化，化学イオン化， 高速原子衝撃イオン化，マトリックス支援レーザー脱離イオン化，エレクトロスプレーイオン化など
磁場型，四重極型，イオントラップ型，飛行時間型，フーリエ変換イオンサイクロトロン，オービトラップなど
mΔm
10%5%
m+Δm
質量分析装置の基本性能❏ 質量分解能 ❏ 感度
レスポンス，検出限界
❏ 質量範囲
R ＝ m / Δ m
飛行時間型の場合，半値幅で定義する（FWHM)
10%谷分解能の約2倍になる
10%谷分解能
Bainbridge-Jordan型
国内初の質量分析装置（1939年） 分解能8000
大阪大学大分散質量分析器
H. Matsuda, S. Fukumoto, Y. Kuroda, Z. Naturforschg.,
21a (1966), 25-33.
S. Fukumoto, T. Matsuo and H. Matsuda, J. Phys. Soc.
Japan, 25 (1968), 946-950.
����
物 理装置開発，原子・分子，クラスター，半導体
宇宙地球惑星探査，同位体比
化 学化合物同定，化学反応
生 物タンパク質・ペプチド解析，天然物分析
プロテオーム，糖鎖，医学臨床，法医学
医 学
薬物動態，創薬，ゲノム創薬
薬 学
農薬，環境分析
農学・環境
毒ガス，爆発物，覚せい剤
テロ・犯罪捜査
年代測定
考古学
質量分析
文化財
イオン化について
様々なイオン化法1950年以前 放電イオン化，電子イオン化(EI)，
表面イオン化 原子の精密質量測定が中心
1960年代光イオン化 ，電界イオン化(FI)，
化学イオン化（CI)， 電界脱離イオン化（FD)
フラグメントがでにくい「ソフト」イオン化が開発．GC-MSが利用されるようになる．
1970年代二次イオン質量分析(SIMS)， 高速原子衝撃（FAB)，
大気圧化学イオン化（APCI)
固体表面分析の開拓， 液相からの直接イオン化
1980年代 エレクトロスプレー(ESI)ペプチドやタンパク質などの生体試料の効率のよいイオン化
1990年代 マトリックス支援レーザー脱離 イオン化（MALDI)
2000年代表面支援レーザー脱離イオン（SALDI），
DESI，DART， 大気圧MALDI（AP-MALDI)など
ノーベル化学賞(Fenn，田中，2002年)
電子イオン化 (EI : Electron Ionization)加速された電子線で気体分子を衝撃してイオン化する方法
通常の有機物分子のイオン化エネルギーは7～14eV程度であり，イオン化にはこれ以上のエネルギーを必要とする．通常はイオン化効率が最も高く安定した解離を与える70～100eVの電子エネルギーでイオン化が行われる．このエネルギーの電子衝撃では、分子イオンだけでなくフラグメントイオンが生成する． 非常に安定なイオン化法でありフラグメントイオンも生成するため，ライブラリーサーチなどにより分子構造が決定できる．
フィラメント
試料ガス
e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e-
MM+. F+
M
M
M M M
M M +. M +.
M +.
M +.
M +.
F + F +
F +
F +
M +.
F +
F +
e- 試料分子熱電子
M M
分子イオン フラグメントイオン
質量分離部へ
偏向電極
イオン化室
固体マトリックスとサンプルの混合物にパルスレーザを照射するとサンプルを含むマトリックスが爆発的に気化する．その際に，サンプルとマトリックスの間でプロトンの授受がおき，それによりサンプルがイオン化すると考えられている．
試料分子とマトリックス分子との混晶
試料ターゲットの拡大図
試料分子 マトリックス分子 プロトン
質量分離部へ
可動試料ターゲット
レーザーパワー調節機構
レーザー
CCDカメラ
マトリックス支援レーザー脱離イオン化 (MALDI : Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization)
固体マトリックスとサンプルの混合物にパルスレーザを照射するとサンプルを含むマトリックスが爆発的に気化する．その際に，サンプルとマトリックスの間でプロトンの授受がおき，それによりサンプルがイオン化すると考えられている．
mm
m
mm
mm
mm
m
m
m
mmm
m
m
mM
mm
mMm
m
mMmmm
mm
mm
mm
m
mm
m
m
mmm
m
m
mM
mm
mM
m
m
mMm
mm
mm
m
+
+
-
-m
mm
mm
mm
m
mm
m
m
mmm
m
m
mM
mm
m Mm
m
mMm
mm
mm
m
+
+
-
-レーザ光
マトリックス支援レーザー脱離イオン化 (MALDI : Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization)
質量分離部について
質量分析計の種類と特徴磁場型 (magnetic sector)
1911年のJ.J. Thomsonの放物線型質量分析器からの長い歴史を有する． 高分解能．ダイナミックレンジが広い. 装置が大きく，重い．
四重極型 (quadrupole) 1953年にPaulにより発明． 卓上サイズ．ダイナミックレンジが広い 分解能が悪い．質量範囲が数千程度
イオントラップ型 (ion trap) 1953年にPaulにより発明． 卓上サイズ．高感度．MSnが可能． 分解能が悪い． 質量範囲が数千程度まで．
FT-ICR型 1974年にMarshallらにより発明． 超高分解能．MSnが可能． 質量精度が非常に高い． 超伝導マグネットが必要
オービトラップ (orbitrap) 1999年にMakarovにより発明． 超高分解能．静電場のみ． 質量精度が高い． 超伝導マグネットが不要．
飛行時間型 (time-of-flight) 1946年にStephensにより発明． 高分解能．質量精度が高い． ダイナミックレンジが狭い．
r
磁場型質量分析装置ローレンツ力と向心力のつりあい
エネルギー保存則
q v B = m v2
r
12 m v2 = q V
∴m
q = B2 r 2
2 Vr = 2 m V
q B2
飛行時間型質量分析計イオンの質量：m イオンの速度： v 価数：z 素電荷：e
飛行時間 Time of Flight (TOF)エネルギー保存則より
12 m v 2 = z e V∴ v = 2 z e Vm
12 m v 2 = z e V∴ v = 2 z e Vm
12 m v 2 = z e V
∴ v = 2 z e Vm
T = L
v = L m2 z e V
検出器
Field Free Region
イオン源
VL加速電圧
質量分解能：
分解能を向上させる
飛行時間をのばす
飛行距離をのばす
飛行時間型質量分析計の分解能
時間幅ΔTを狭くする
静電界ミラー，扇形電場を用いる
�
mΔm
= T2ΔT
マルチターン飛行時間型 質量分析計
Multi-turn TOF mass spectrometer
小型・高分解能質量分析計の開発❏ 彗星・惑星探査に適した質量分析計の開発 ✰ 探査機に搭載 小型・軽量 ✰ 彗星・惑星表面での分析 十分な前処理が出来ない 高感度・高分解能
★ 本体：1.1kg, 350mm × 300mm × 80mm ★ 電源：0.75kg，5W ★ 質量分解能：3000以上 ★ GCとの接続（EIイオン源），同位体比の測定が可能
ロゼッタミッションの場合
マルチターン飛行時間型質量分析計の設計思想❏ 決められたサイズで，出来るだけ飛行距離をのばす．
❏ 同一飛行空間を複数回，周回させる． (多重周回・マルチターン型)
❏ 周回ごとに収差で広がっていかないようなイオン 光学系を探す．
❏ 周回後に，周回前と同じ状態で戻ってくる． （完全空間・時間収束）
50 cmx max = 0 .0 0 5 0 m , α max = 0 .0 5 0 0γ max = 0 .0 0 0 0 , δ max = 0 .1 0 0 0
静電四重極レンズ
BX1 + QY3 type円筒電場
Deflection radius : 0.050 mDeflection angle : 156.87˚
Ion Trajectory (x-direction)
x max = 0 .0 0 3 0 m , α max = 0 .0 2 0 0 , γ max = 0 .0 0 0 0 , δ max = 0 .0 7 0 0
0.000 m
0.005 m
-0.005 m1.284 m
Ion Trajectory (y-direction)
y max = 0 .0 0 2 0 m , β max = 0 .0 2 5 0
0.000 m
0.005 m
-0.005 m1.284 m
EQ Q Q E Q Q E Q Q E Q
EQ Q Q E Q Q E Q Q E Q
BX1 type
QY3 type
‘MULTUM’ のイオン軌道
Photo of ‘MULTUM Linear plus’ in Vacuum Chamber
イオン源
Q-Triplet扇形電場
Q-Triplet
検出器400 mm
Operation of MULTUM Linear plus
TOF spectra of N2+ - CO+ doublet
0
0.25
0.5
0.75
1277.00 1277.50 1278.00 1278.50 1279.00
0
0.25
0.5
0.75
649.90 650.40 650.90 651.40 651.90
00.25
0.50.75
1
22.75 23.25 23.75 24.25 24.75
0
0.25
0.5
0.75
323.75 324.25 324.75 325.25 325.75
2
Time-of-Flight (μs)
)tinu .bra( ytisnetnI)tinu .bra( ytisnetnI
)tinu .bra( ytisnetnI)tinu .bra( ytisnetnI
1.5 周 (2.354 m)質量分解能: 460
14N2+
(28.0056)12C16O+
(m/z 27.9944)
25.5 周 (33.161 m)分解能: 23000
51.5 周 (66.535 m)分解能: 46500
101.5 周 (130.715 m)分解能: 91300
8 ns
7 ns
7 ns
0
0.1
0.2
3785.40 3785.90 3786.40 3786.90 3787.40
0
0.05
0.1
5044.60 5045.10 5045.60 5046.10 5046.60
0
0.025
0.05
6299.00 6299.50 6300.00 6300.50 6301.00
0
0.2
0.4
2531.25 2531.75 2532.25 2532.75 2533.25
Time-of-Flight (μs)
)tinu .bra( ytisnetnI)tinu .bra( ytisnetnI
)tinu .bra( ytisnetnI)tinu .bra( ytisnetnI
201.5 周 (259.075 m)分解能: 181000
14N2+
(28.0056)12C16O+
(m/z 27.9944)
301.5 周 (387.435 m)分解能: 237000
401.5 周 (515.795 m)分解能: 252000
501.5 周 (644.155 m)分解能: 350000
7 ns
8 ns
11 ns
9 ns
分解能と強度の周回数依存性
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
400000
0 100 200 300 400 500
Mas
s R
esol
utio
n (F
WH
M)
Number of Cycles
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 100 200 300 400 500
Ion
Inte
nsity
Number of Cycles
高次収差の影響大きな初期条件をもったイオンが電極などに衝突
中性分子との衝突
“MULTUM Linear plus”40 cm
First laboratory model for ROSETTA Second laboratory model for ROSETTA
“MULTUM II”
Tandem TOF mass Spectrometer
“MULTUM TOF/TOF”
Imaging mass spectrometer
“MULTUM-IMG”
“MULTUM-SIMS”
Smaller instrument
20 cm“MULTUM-S”
J. Mass Spectrom., 38 (2003), 1125-1142. J. Mass Spectrom., 38 (2003), 1125-1142.
Rev. Sci. Instrum.,78 (2007), 074101
J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., 55 (2007), 363-368.
J. Biomed. Opt., 16 (2011), 046007.
1996 - 2001 Grant in Aid for Scientific Research (B) 1999 - 2002 Grant in Aid for Scientific Research (B) 2004 - 2006 Grant in Aid for Young Scientists (A)
2005～ CREST
2003 - 2005 constructed in workshop of Osaka Univ.
2005 - 2008 Grant-in-Aid for Creative Scientific Research
Simplify MS/MS
Imaging MSMiniaturize
40 cm
2007 - 2008 JST Supporting Program for Creating University Ventures
“MULTUM-S II”
Compact instrument
Improvement of manufacturing precision. Compact system
Development History of MULTUM at Osaka University
Anal. Chem., 82 (2010), 8456.On-site Mass Spectrometry
Photograph of MULTUM-S II (infiTOF)
50 (H) cm × 30 (W) cm × 60 (D) cm，35kgResolution : > 30,000
20 cm
Electric sector for injection
Electric sector for ejection
Detector
IonSource
50. 4 cm
58. 4 cm27.3 cm
Photograph of MULTUM-S II (infiTOF)
50 (H) cm × 30 (W) cm × 60 (D) cm，35kgResolution : > 30,000
20 cm
Electric sector for injection
Electric sector for ejection
Detector
IonSource
5 10 15 20 25 30 35 40 45m/z
2.015415.9963
39.9632
43.99181.99 2 2.01 2.02 2.03 2.04
2.0154
14.8 14.9 15 15.1 15.2 15.3
15.0241
15.9 15.95 16 16.05 16.1 16.15
15.9968
27.92 27.96 28 28.04 28.08 28.12
31.8 31.85 31.9 31.95 32 32.05 32.1 32.15
39.4 39.6 39.8 40 40.2 40.4 40.6 40.8
39.9632
43 43.2 43.4 43.6 43.8 44 44.2 44.4 44.6 44.8 45
43.9918
44.9968
44.95 45 45.05
44.9968
Calibrant 1 of 2N2 (m/z 28.00615)
Calibrant 2 of 2O2 (m/z 31.98983)
H2 (m/z 2.01565)
CH3 (m/z 15.02348)
HN (m/z 15.0109)
O (m/z 15.99492)H2N (m/z 16.01872)
15.99 16 16.01 16.02 16.03 16.04
15.9968
CH4 (m/z 16.0313)
N2 (m/z 28.00615)
CO(m/z 27.99492)
O2 (m/z 31.98983)
? (m/z 31.8987)? (m/z 31.8589)
C3H4 (m/z 16.0313)
40.0326
39.5191
++? (m/z 79.0382)
? (m/z 43.89827) CHO N (m/z 44.00285)15
44.00319
CO2 (m/z 43.98983)
CO O(m/z 44.99405)17
H4 C2 N(m/z 45.03812)13 15
45.0374
Vacuum BackgroundResolving power: 6000(FWHM)
❏ 「現場（オンサイト）」で質量分析を行なう．オンサイトで測定を行なえる装置開発とアプリケーション開拓．さらにはそこから切り拓かれる新しいサイエンス．
❏ 質量分析装置を「現場（オンサイト）」に持ちこむことは様々な分野で切望されている． ✰ 医療現場（医学，歯学，法医学．．．） ✰ 食品（食品加工現場，残留農薬．．．） ✰ 環境（温暖化ガスモニター，環境モニター．．．） ✰ 安全・安心（危険物質検知，違法薬物検知．．．）
On-site Mass Spectrometry
…
質量分析装置を「現場（オンサイト）」に持ちこむことにより，これまでにない新しい知見を得ることが可能になる
✰ 惑星探査
