質量分析データ集

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しおりかんけ
4 years ago
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1 質量分析データ集

2 目次はじめに 1 1.HS/GC/MS による揮発性有機化合物の分析 2 2.Py/GC/MS による高分子材料の分析 5 3.LC/MS 測定 8 4.FD 法による脂肪酸やポリマーの分析構造解析精密質量測定 MS/MS 測定 18

3 はじめに最近の質量分析法の発展は目覚しいものがあります環境や薬物裁判化学工業材料天然物生体高分子など様々な分野で使用されていたりITやゲノムなどの新技術の分野でも注目されています現在話題のダイオキシンやPCBのGC/MS 分析ではフェムトグラム (10-15 g) オーダーの超高感度で検出されていますまた松本サリン事件を例に挙げると池の水や周辺大気から微量の成分をGC/MSにより検出し猛毒のサリンの存在を証明しました裁判化学では1 本の髪の毛から服用した覚醒剤や麻薬成分を検出し服用した履歴を予測し鑑定材料として評価されていますこのように質量分析法が多くの分野で使用され注目されるのは高感度であることと物質の分子量から確実に成分が評価できるからですまたガスクロマトグラフィー (GC) や液体クロマトグラフィー (LC) が接続でき GC/MS や LC/MS として分析法が確立されたこともあります更にイオン化法として FAB ESI MALDI が導入され分子量 1 万を超える物質が分析されています現在の質量分析はすべての物質に対応できると言っても過言でないでしょう弊社ではこのような分析に対応するために高性能の装置とスタッフを揃えていますまた日本電子で培われた経験と多くのデータを蓄積していますここではその中から興味深い分析例を紹介いたします 1

4 1.HS/GC/MS による揮発性有機化合物の分析ヘッドスペース (HS) とは揮発性有機化合物 (VOC: トリハロメタンなど ) 分析用の濃縮前処理装置と言えます試料を入れた HS 用のバイアルびんを適度な温度で加熱保存しヘッドスペース部に移相した VOC 成分を GC カラムに直接導入して測定します HS/GC/MS 水道法 ( 厚生労働省 ) 環境基準 ( 環境省 ) などに規制されている水質基準に適合しているかどうかの検査方法のうち VOC の検査方法として指定されている手法です試料は液体固形物粉末でもバイアルびんに入れば前処理なしで分析できます例えば水道水 10ml と多く採取することにより希薄濃度試料 (0.1ppb 以下 ) でも分析が可能になります [ 水道水中 VOC の分析 ] 水道法で規制されている VOC 23 成分について都市水道水を用いて分析しその基準値との評価を行いました水道水中の VOC 23 成分を定量するためにその標準混合溶液を HS/GC/MS にて測定しました図 1は VOC 23 成分の標準混合溶液 (10ppb) のトータルイオンクロマトグラムです表 1にピーク No. と成分名を示します水道水を10ml 採り VOC を評価したところトリハロメタンが顕著に出現しましたその結果を図 2 に示します総トリハロメタン量は 24ppb と算出されました内訳はクロロホルム (20ppb) ブロモジクロロメタン(3.5ppb) ジブロモクロロメタン(0.6ppb) ブロモホルム (0.1ppb) が検出されました定量は標準混合溶液のクロマトグラム強度の比較から評価しました

5 GC 条件 HS 条件試料量 :10ml 加熱温度 :60 カラム :AQUATIC 60m 0.25mmid Film0.25um オーブン :40-10 /min-200 (3min) 加熱時間 :20min ミキサー :10min サンプルループ :1ml サンプルループ加熱温度 :150 MS 条件イオン化電圧 :70eV イオン化電流 :300uA イオン源温度 :210 測定質量範囲 :m/z42~m/z210/300msec 図 1VOC 23 成分の標準混合溶液 (10ppb) のトータルイオンクロマトグラム

6 表 1 ピーク No. と成分名 No. 成分名 No. 成分名 ,1-ジクロロエチレンジクロロメタントランス-1,2 ジクロロエチレンシス-1,2 ジクロロエチレンクロロホルム 1,1,1-トリクロロエタン四塩化炭素 1,2-ジクロロエタンベンゼントリクロロエチレン 1,2-ジクロロプロパンブロモジクロロメタン IS シス-1,3 ジクロロプロペントルエントランス-1,3 ジクロロプロペン 1,1,2-トリクロロエタンテトラクロロエチレンジブロモクロロメタン m-キシレン p-キシレン o-キシレンブロモホルム 1,4-ジクロロベンゼンフルオロベンゼン ( 内部標準 ) 図 2 水道水から検出されたトリハロメタンのマスクロマトグラム

7 2.Py/GC/MS による高分子材料の分析熱分解 (Py)/GC/MS とはポリマー不溶性材料混合材料などの物質を前処理なしに測定でき得られたクロマトグラムやマススペクトルからその成分の同定ができます特にポリマーのキャラクタリゼーションの有効な手法として用いられていますダブルショット法ダブルショットパイロライザー ( フロンティアラボ社 ) を用いて分析しました初めに 100 ~300 程度の温度でポリマー中の揮発性成分を熱脱着法により分析しますその後残りの基質ポリマーを 500 ~700 程度の高温の炉中で瞬時に熱分解しますこりにより同一試料から異なった2 種類の情報が得られるので迅速かつ容易に解析ができポリマーのキャラクタリゼーションとしていっそう有効な分析手法です更にポリマー全体の熱特性をみる発生ガス分析法 (EGA Direct MS および EGA/GC/MS) も出来ます発生したガスをダイレクトに MS に導入して測定する手法です [ ポリスチレンの分析 ] 図 3はダブルショット法によるポリスチレンのパイログラムですポリスチレンにパルミチン酸メチルとステアリン酸メチルを添加した混合物 ( 約 2ug) を試料カップに入れ分析しました (a) の熱脱着分析では添加物のパルミチン酸メチルとステアリン酸メチルの他に添加剤のフタル酸エステルが検出されていることがわかります (b) の熱脱着後の熱分解分析ではスチレンのモノマーダイマートリマーが検出されています

8 Py( ダブルショットモード ) 条件試料量 : 約 2ug 加熱炉温度 :1 熱脱着分析 ; /min 200 (3min) 2 熱脱着後の熱分解分析 ;550 GC 条件カラム :UA-5 30m 0.25mmid, Film 0.25um カラム温度 : 70 (1min)-20 /min 320 (1min) MS 条件イオン化電圧 :70eV イオン化電流 :300uA イオン源温度 :230 測定質量範囲 :m/z25~m/z500/400msec 注入口温度 :300 キャリヤー流量 :1ml/min スプリット比 :1/100 図 3ポリスチレンのパイログラム (a) 熱脱着 (b) 熱分解

9 [ ポリスチレンの発生ガス分析 ] ダブルショット法と同様にポリスチレンを用いてその発生ガス分析を行いました図 4はポリスチレンの発生ガス曲線ですこの曲線から 90 ~200 の加熱範囲で添加物のパルミチン酸メチルステアリン酸メチルおよび添加剤のフタル酸エステル類が観測されますまた 380 付近からポリスチレンの分解が始まり 500 付近でその分解が終了していることがわかります図 4 ポリスチレンの発生ガス曲線

10 3.LC/MS 測定 ESI と APCI ESI(Electrospray ionization) APCI(Atmospheric pressure chemical ionization) は LC/MS の代表的なインターフェースです図 5にそれぞれのイオン源の概要を示します大気圧の条件下で高電界の場に試料ガスとともに噴霧することによりイオン化します生成したイオンを効率よく高真空の質量分析計に導くためにロータリーポンプ (RP) とターボモレキュラーポンプ (TMP) で排気していますまたイオンガイドを通すことによりいっそうイオンの透過効率を上げています図 5ESI と APCI のイオン源の概要

11 [ お茶の分析 ] お茶の中にはカテキンが多く含まれていますカテキンはポリフェノールの構造を持ち殺菌作用とガンの予防の観点から注目されている物質です日本茶紅茶ウーロン茶の分析を行いました FAB ESI APCI のイオン化を検討した結果 APCI を用いた場合に良好なスペクトルが得られました一例として日本茶の分析結果を示します図 6はその APCI によるマスクロマトグラムですスプーン一杯のお茶にお湯を注ぎ飲める程度にしてからフィルターで濾した後 20μL を APCI の LC/MS に導入しましたそれぞれの成分を検討すると Val Arg などのアミノ酸カテキン類カフェインルチンの存在を示す成分が確認できましました m/z139 はカテキンに特有なフラグメントイオンですマスクロマトグラムからカテキン成分の存在がモニターできます図 7に日本茶中から検出されたカテキン類の APCI スペクトルを示しますそれぞれのお茶のマスクロマトグラムを比較するとアミノ酸は紅茶に多くカテキンはウーロン茶に多く存在していることがわかりました図 6 日本茶の APCI によるマスクロマトグラム

12 図 7 日本茶中から検出されたカテキンの APCI スペクトル

13 4.FD 法による脂肪酸やポリマーの分析 FD 法とは? FD(Field desorption) は電界脱離イオン化法ですタングステン線 ( 約 10 μmφ) にカーボンのウィスカーを成長させたエミッター上に光学顕微鏡を用いて試料を塗布し電流プログラムを設定して測定しますエミッター表面やウィスカー先端近傍に数 kv の高電界を印加することによりイオン化します FAB ESI 法の普及により FD 法は検討されなくなりましたが無極性物質や工業材料の分析にまだまだ使用されています図 8に FD 測定の手順を示します光学顕微鏡を使用しマイクロシリンジで試料をエミッターに塗布します M + (M+H) + V イオン源に導入し高電界をかけイオン化します図 8FD 測定の手順トリグリセリド脂肪酸などの分子量関連イオンが強く現れる

14 [ ヤシ油の分析 ] 図 9にヤシ油の FD スペクトルを示しますヤシ油の主成分はトリグリセリドです無極性のため FAB や ESI 法ではイオン化されにくく分子量の情報が得られませんこのような分析は加水分解後メチル化して GC/MS で測定すると脂肪酸組成が評価できます FD 法ではトリグリセリド (TG) の分子イオンが出現しますそのため成分評価に使用できますヤシ油の場合 C22~C54 まで飽和の脂肪酸から成る TG が出現していますまた二重結合の異なる脂肪酸から成る TG も存在していることがわかります測定条件試料濃度 : アセトン1% 溶液加速電圧 :5kV カソード電圧 :3kV エミッター電流 :10mA~50mA 4mA/min 図 9 ヤシ油の FD スペクトル

15 重合度の異なるポリマーに有効 [ ポリエチレングリコールの分析 ] 図 10にポリエチレングリコール (PEG) の FD スペクトルを示します (a) は PEG600 (b) は PEG1000 の FD スペクトルです (a) は質量数 600 前後に分子量分布を示すスペクトルパターンが明確に現れています PEG のような比較的低質量の場合は FAB イオン化法でも良好なスペクトルが得られますが鎖が長くなり重合度が大きくなるにつれ高質量側のスペクトルは相対的に弱くなり良好な分子量分布が得られません FD 法を用いると (a) (b) のスペクトルのように高質量側の分子量分布を示すきれいなスペクトルが得られますスペクトル強度を計算することによりこのようなオリゴマーの平均分子量を求めることができます

16 測定条件試料濃度 : メタノール1% 溶液加速電圧 :5kV カソード電圧 :3kV エミッター電流 :10mA~50mA 4mA/min 図 10 ポリエチレングリコール (PEG) の FD スペクトル (a)peg600(b)peg1000

17 5. 構造解析 5-1 精密質量測定小数点 3 桁以下の正確な質量を求める標準試料を導入しながらを測定を行います標準試料と目的試料の混合スペクルを得てスキャン時間に対応する磁場あるいは電場強度のうねりを直線近似補正します既知の標準試料の質量から試料の精密質量が正確に求められます構成元素の確認ができる精密質量の値から試料の組成式を割り出し構成元素を評価あるいは確認することができます元素分析の代わりとして利用できます高分子量化合物の質量決定に利用精密質量測定は構造解析や構成元素の評価以外に分子量数千を超える高分子量化合物の正確な質量決定にも利用できます低分子量化合物の場合質量を整数値で取り扱っても問題は生じません一方高分子量化合物の場合質量を整数値で表わすと分子量決定を誤ってしまう恐れがあります水素の質量はです水素数が多くなると質量が大きくシフトします元素組成整数質量精密質量質量差 C 246 H 377 O 76 N 65 S 6 m/z5863 m/z ( インシュリン ) C 153 H 226 O 43 N 49 S m/z3480 m/z ( グルカゴン [M+H] + )

18 [ インシュリン B 鎖の測定 ] 図 11はインシュリン B 鎖の低分解能 FAB スペクトルですフラグメントイオンが多く MH + イオンが弱く出現していますが分子量を十分に判定できるスペクトルです分子量を正確に求めるために目的スペクトルの精密質量を求めた結果を図 12に示します図 11 インシュリン B 鎖の低分解能スペクトル図 12 インシュリン B 鎖の高分解能測定結果 (a)csi(b) インシュリン B 鎖

19 標準試料に CsI を用いて最も強い 13 C に由来するピーク MH + の精密質量演算を行った結果図 12に示すように実測値はそれぞれ m/z m/z となりました測定精度は分子量の大きさから目安として 10ppm すなわち 35mmu 程度の誤差を考えていましたが 1.6/ /-14.2(mmu/ppm) という結果が得られましたこの結果から元素組成式が確定できますまた高分子量の正確な質量決定にも十分に活用できます

20 5-2MS/MS 測定プロダクトイオン検出構造情報を得る手法として MS/MS 法が用いられます MS/MS 法は装置を2 台接続したタンデムやハイブリッド型などの装置を使用しますまた一台の二重収束型質量分析計で MS/MS 法を可能にした手法をリンクドスキャンと呼んでいます (1) はイオン分解の過程を示した式です通常試料はイオン源でイオン化され安定なイオンは分子イオンとして過剰な内部エネルギーを持つ分子イオンは分解しフラグメントイオンとして加速され電場磁場を飛行し質量分離されます + + イオン源で生成されるm 1 や m 2 のイオンのほかに飛行中に分解するイオンもありますイオン源と電場あるいは磁場との間の空間に生成するm1のイオンをプリカーサイオン m2のイオンをプロダクトイオンと呼んでいますプロダクトイオンは低エネルギーに分配されるため通常のスキャン法では電場磁場を通過することができません MS/MS 法を用いると指定したプリカーサイオンから分解したプロダクトイオンのみを検出することができます m 1 + m 2 + +(m 1 -m 2 ) (1) MS/MS 法 +α MS/MS 法を用いてプロダクトイオンを検出すると構造解析に有用な情報が得られますしかし期待に反して構造を反映するようなプロダクトイオンが検出されなかったり重要なプロダクトイオンが検出されていてもイオン強度が弱いために断定するには不安感が残る場合もあります構造を解析するには信頼度を高めるために MS/MS 測定に加えて精密質量測定を行なったり場合によっては負イオン測定を行なうことも構造解析の重要な手掛かりにつながります

21 [ サイコサポニンー C の分析 ] 925 O OH 162 RO R= Glc \ 6 Rha / 4 Glc 図 13 サイコサポニン-C の分析結果 (a) 負イオン FAB スペクトル (b) リンクドスキャンスペクトルサイコサポニン-C は漢方薬に処方される柴胡 ( サイコ ) に含まれる成分のひとつですラムノースとグルコースが結合した構造を有しています図 13は市販のサイコサポニン-C 分析結果です (a) は負イオン FAB スペクトルですサイコサポニン-C の分子イオンを示す (M-H) が得られています (M-H) からのリンクドスキャンを行いましたそのスペクトルを (b) に示します (a) のスペクトルと比べバックグラウンドが少ないきれいなスペクトルです m/z 779 と m/z 763 は m/z 925 からそれぞれ差であることからラムノースとグルコースの存在を示していますまた (a) のスペクトルからは見られなかった m/z が得られていますそれぞれ m/z 925 からの質量差があるためグルコース2 個とラムノースが脱離したことが確認できます 3 個の糖鎖を持っていることがわかります通常のスキャンでは確認できなかった情報が得られます

22 [ 観葉植物ポトス ] 観葉植物として代表的なポトスの葉を分析しました図 14はポトス葉の FAB スペクトルです予想した通り緑色色素であるクロロフィル-a の分子イオンを示す (M+H) が得られました m/z 893 と14 差で同族体を示す m/z 907 も検出されていますフラグメントイオンを確認するために m/z のリンクドスキャンを行いました図 15はクロロフィルのリンクドスキャンスペクトルです (a) は m/z 893 から (b) は 907 からスキャンを行なった結果です (a) はC 20 H 39 の側鎖の脱離を示す m/z 614 が得られています (b) は (a) と同等なスペクトルが得られていますほかに構造を反映するようなプロダクトイオンは検出されませんでした m/z 907 は m/z 893 と14 差であることからメチル側鎖の異なる成分と考えられます確認のためミリマス測定を行いましたその結果を図 16に示します標準試料に PEG1000 を使用し精密質量を演算した結果それぞれ 4.4 mmu の精度で (M+H) mmu の精度で (M+H) の値が得られました (M+H) と (M+H) の差がのため m/z 907 のピークはメチレン側鎖の付加体ではないことがわかりました組成演算を行った結果クロロフィルbに相当する C 55 H 71 O 6 N 4 Mg が得られました末端基の R が CH 3 から CHO に置換したものです図 14 観葉植物ポトスの FAB スペクトル

23 図 15 クロロフィルのリンクドスキャンスペクトル (a)m/z 893 の B/E スキャンスペクトル (b)m/z 907 の B/E スキャンスペクトル

24 測定条件標準試料 :PEG1000 スキャン法 : 加速電圧スキャン標準試料導入法 : 交互導入法設定分解能 :R=3000 精密質量計算結果実測値誤差 (mmu/ppm) 組成式 m/z /-4.9 C 55 H 73 O 5 N 4 Mg m/z /-3.8 C 55 H 71 O 6 N 4 Mg 図 16 ミリマス測定結果 (a)peg1000(na + 添加 ) (b) クロロフィル

25 図 14のポトス葉の FAB スペクトルに強く出現している m/z のピークについて吟味しました m/z 893 と 907 のリンクドスキャンスペクトルから m/z はそれらのフラグメントイオンであるとわかりました m/z はマトリックスとして使用した 3-ニトロベンジルアルコールの3 4 量体イオンです残りの m/z は何を示しているピークなのかよくわかりませんそこでそれぞれについてリンクドスキャン法を用いて検討しました図 17 はm/z 430 からの B/E スキャンスペクトルです (M+H) とプロダクトイオン m/z 165 が得られていることからビタミン E ではないかと判断しました確認のためビタミン E(α-トコフェロール ) の標準品を用いて測定しました図 18 はα-トコフェロールの B/E スキャンスペクトルですプロダクトイオン m/z 165 が顕著に得られています標準品と同等なスペクトルが得られていることからポトス中にビタミン E が存在していることが確認できましたビタミン E には動物性食品に少なく植物性食品油脂に多く存在し胚芽油トウモロコシレタスなどに含まれることで知られています観葉植物中にも含まれていると考えられます図 17m/z 430 からの B/E スキャンスペクトル 165 HO CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 O CH 3 CH 3 図 18α- トコフェロールの B/E スキャンスペクトル

26 次に m/z 758 についてリンクドスキャン測定を試みた結果を図 19に示します m/z 758 から B/E スキャンを行いました m/z 184 が得られています m/z 184 はレシチンやスフィンゴミエリンなどに特有に現れるフラグメントイオンです m/z 184 はコリン部の質量数に相当することからレシチンの関連物質であると判断しましたさらに脂肪酸基を調べるために脂肪酸脱離のプロダクトイオンを検索しましたがスペクトル強度が弱く確認できませんそこで負イオン FAB 測定を行いました図 20 はポトスの負イオン FAB スペクトルです m/z にそれぞれパルミチン酸リノレン酸リノール酸オレイン酸を示すピークが検出されましたその結果分子量とこれらの側鎖の組み合わせから (M+H) はパルミチン酸とリノール酸を有するレシチンと推測しました図 19 m/z 758 からの B/E スキャンスペクトル図 20 ポトスの負イオン FAB スペクトル

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JASIS 2016 新技術説明会ヘッドスペースパージトラップ法を用いた GC 法による排水中 1,4- ジオキサン測定 2016 年 9 月 8 日株式会社ジェイサイエンスラボ中山愛望水中 1,4- ジオキサン測定システム特徴親水性であり比較的揮発性も低い排水中 1,4- ジオキサンをオンラインで自動測定するシステムである従来のヘッドスペース法とパージ & トラップ法