質量分析法のイオン化法

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質量分析法のイオン化法

分子量10万以上のタンパク質の分子量の決定、ペプチドや多糖類の配列決定に質量分析法が用いられています。今回は、質量分析法のイオン化法について見ていきたいと思います。

質量分析法とは

質量分析法(Mass spectrometry；MS)とは、分子をイオン化させて分離や検出を行う方法で、冒頭のようにタンパク質などの物質の確認や純度の試験などに用いられます。

質量分析法は、試料導入部、イオン化部、質量分離部、検出部、データ処理部などからなり、特徴でもあるイオン化する方法には以下のようなものがあります。

電子イオン化(Electron Ionization；EI)法
化学イオン化(Chemical Ionization；CI)法
高速原子衝撃(Fast Atom Bombardment；FAB)法
エレクトロンスプレーイオン化(Electrospray Ionization；ESI)法
マトリックス支援レーザー脱離イオン化(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization；MALDI)法

電子イオン化(Electron Ionization；EI)法

電子イオン化法は、高真空下で高速の熱電子を気化した試料にぶつけることで、試料からe-が出てカチオンラジカルを作ることでイオン化する方法です。

カチオンラジカルは高エネルギー状態であるため、その後分子内で結合開裂を起こしてフラグメントイオンを作ることもあり分子イオンが得られず、スペクトルが複雑になる可能性があります。またイオン化をする時に気化する必要があるため、タンパク質などの高極性で熱に不安定な物質には適応が困難です。

化学イオン化(Chemical Ionization；CI)法

化学イオン化法は、電子イオン化法の改良版のようなイメージです。反応ガスをあらかじめ電子イオン化法でイオン化しておき、これに気化した試料を導入することでイオン化します。

化学イオン化法は電子イオン化法に比べて、フラグメントイオンが作られにくいですが、相変わらず気化する必要はあるので熱に不安定な物質などには適応は困難です。

高速原子衝撃(Fast Atom Bombardment；FAB)法

高速原子衝撃法は、試料をグリセリンなどの粘性が大きいマトリックスに溶かして、これに大きなエネルギーを持つキセノンやアルゴンなどの中性高速原子による粒子ビームを照射してイオン化する方法です。

高速原子衝撃法は、先ほどのように高温加熱の必要がないため、難揮発性で熱に不安定な高極性物質や高分子化合物に使われます。

エレクトロンスプレーイオン化(Electrospray Ionization；ESI)法

エレクトロンスプレーイオン化法は、液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)に関わり、高電圧のかかったキャピラリーの先端から試料を噴霧することで霧状の液滴とします。これを加熱して溶媒を減らしていくと電荷密度が上がり、やがて破裂しイオン化することができます。

エレクトロンスプレーイオン化法はタンパク質やペプチドなどの生体高分子に広く使われます。

マトリックス支援レーザー脱離イオン化(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization；MALDI)法

マトリックス支援レーザー脱離イオン化法は、試料をマトリックスに溶かして固め、そこにレーザー光を当てることでマトリックスの励起エネルギーが試料に移ります。励起エネルギーが試料に移ることで、試料をイオン化することができます。

マトリックス支援レーザー脱離イオン化法は、タンパク質などの生体高分子をイオン化するのに使われます。

まとめ

質量分析法においてイオン化するには、電子イオン化(EI)法、化学イオン化(CI)法、高速原子衝撃(FAB)法、エレクトロンスプレーイオン化(ESI)法、マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)法などがある。

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反応速度、概論: 反応速度では、0次反応は、一定速度で分解していく反応です。1次反応は、一定割合で分解していく反応、2次反応は、半減期は初濃度に反比例します。
0次反応の式とグラフ、例題編: 0次反応の式では縦軸の切片はC0、傾きは－kの直線的なグラフとなります。また0次反応の式では、2半減期以降だと濃度は0となります。
1次反応の式とグラフ、例題編: 1次反応の式とグラフはlnの時は切片はlnC0、傾きは－kの直線的となります。logの時は縦軸の切片はlogC0、傾きは－k/2.303となるので注意が必要です。
2次反応の式とグラフ、例題編: 2次反応は縦軸の切片は1/C0、傾きはkの直線的なグラフとなります。。0次反応や1次反応と異なり、傾きがプラスであるのがグラフとしては特徴的です。
擬0次反応の式とグラフ、例題編: 擬0次反応とは懸濁剤(サスペンション)などにおいて、溶液中の分解速度が、固体の溶解速度よりも遅いために、本当は1次反応なのに、0次反応のマネをするような式やグラフとなります。
擬1次反応、特殊酸触媒と特殊塩基触媒: 擬1次反応には、エステルの特殊酸触媒と特殊塩基触媒の反応などがあります。特殊酸触媒と特殊塩基触媒の影響を受ける医薬品では、kH[H+]=kOH[－OH]の時が最も安定となります。
活性化エネルギーと反応エンタルピー: 活性化エネルギーが大きいほど反応が進みにくく、小さいほど反応が進みやすいです。触媒は活性化エネルギーに影響を与えて、反応エンタルピーには影響を与えないということができます。
Arrhenius式(アレニウス式)とグラフ: Arrhenius式(アレニウス式)は、反応速度と温度の関係を表した式です。アレニウスプロットではそのグラフから薬の安定性などがわかります。
酸と塩基の基本: 酸と塩基のには、Arrhenius(アレニウス)の定義、Lewis(ルイス)の定義、BronstedーLowry(ブレンステッド・ローリー)の定義などがあります。弱酸においてはKa=[A－]・[H+]/[HA]が成り立ち、Kaを酸解離定数と言います。
弱酸のpHの計算: pH=－log[H+]で表されます。強酸の場合は、全て解離するためpHの計算はやりやすいですが、弱酸の場合は[H+]=√(Ka・C)で計算する必要があります。
Henderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式と計算: あるpHのおける弱電解質の分子形やイオン形の割合を求めるのがHenderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式です。Henderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式を使って計算できるようになりましょう。
真度と精度の違い: 真度は真の値からのかたよりの程度です。精度は均質な検体から採取した複数の試料を繰り返し分析して得られる一連の測定値が互いに一致する程度です。真度と精度の違いを間違えないようにしましょう。
容量分析法、標定と滴定: 容量分析法には中和滴定、非水滴定、キレート滴定、沈殿滴定、酸化還元滴定などがあり標準液、標準試薬、指示薬が決まっています。
直接滴定と逆滴定、対応量の計算: 直接滴定と逆滴定によって、対応量を計算します。対応量とは用いた標準液1mLに対応する資料の量(mg)のことで、おちついて計算できるようにしましょう。
中和滴定のグラフ: 中和滴定は酸性医薬品や塩基性医薬品を中和反応を利用して滴定する方法で、指示電極にはガラス電極が使われます。中和滴定の指示薬には、メチルレッド、メチルオレンジ、フェノールフタレインなどがあります。
非水滴定、キレート滴定: 非水滴定は、きわめて弱い酸や塩基を滴定します。キレート滴定はエチレンジアミン四酢酸二水素ナトリウム(EDTAナトリウム)と金属イオンは1:1で反応します。
沈殿滴定、Fajans法(ファヤンス法)、Volhard法(フォルハルト法): 沈殿滴定は銀を利用して、Fajans法(ファヤンス法)やVolhard法(フォルハルト法)などがあります。沈殿滴定では銀イオンがハロゲン化物(フッ素以外)、シアン化物イオン(CN-)、チオシアン酸イオン(SCN-)などと反応します。
酸化還元滴定、ジアゾ滴定: 酸化還元滴定では、デンプン試薬が指示薬として使われるが、過マンガン酸カリウムについてはそれ自体が指示薬として働きます。ジアゾ滴定は酸化還元滴定の1つです。
クロマトグラフィーの原理と種類: クロマトグラフィーの原理は、試料の固定相への親和性の違いによって分離します。クロマトグラフィーの移動相固定相による分類では、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィーなどがあります。
保持時間(tR)、分離度(Rs)、分離係数(α)、シンメトリー係数(S)、カラム効率: クロマトグラムの指標には、保持時間(tR)、分離度(Rs)、分離係数(α)、シンメトリー係数(S)、カラム効率などがあります。分離度(Rs)と分離係数(α)の違いは、ピーク幅があるかどうかです。
クロマトグラフィーの定性と定量: クロマトグラフィーの定性には保持時間が使われます。クロマトグラフィーの定量は、ピーク高さやピーク面積を用いる。方法には内標準法、絶対検量線法、標準添加法などがあります。
ガスクロマトグラフィーと検出器: ガスクロマトグラフィーの検出器には、熱伝導度検出器、水素炎イオン化検出器、電子捕獲検出器、炎光光度検出器、アルカリ熱イオン化検出器などがあります。
液体クロマトグラフィーと種類: 液体クロマトグラフィーの種類は固定相により吸着クロマトグラフィー、分配クロマトグラフィー、イオン交換クロマトグラフィー、ゲルクロマトグラフィーなどにわけられる。
溶媒抽出法、固相抽出法、除タンパク法: 溶媒抽出法は、水と有機溶媒の中に試料を入れることで、目的物質を片方の層に移すことで、邪魔者と分離する方法です。固定抽出法は固相を用いて、目的物と邪魔者を分離する方法です。
イムノアッセイとは？: 標識するイムノアッセイには、ラジオイムノアッセイ(RIA)、エンザイムイムノアッセイ(EIA)、蛍光イムノアッセイ(FIA)、発光イムノアッセイ(LIA)などがあります。
電気泳動法の原理: 電気泳動法の原理は、電荷のある物質を電極の間に入れて電圧をかけることで分離を行います。イオンの電荷により分離する電気泳動法には、等電点電気泳動法、等速電気泳動法などがあります。
SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動法(SDS-PAGE)とは: SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動法(SDS-PAGE)では、還元剤でバラしたタンパク質に対して、陰イオン界面活性剤を加えて負に帯電させて電気泳動することで、小さいタンパク質ほど陽極へ速く移動します。
キャピラリー電気泳動法とは: キャピラリー電気泳動法は、キャピラリーを用いることで電気二重層がつくられ、陰極側に強い流れが起こります。キャピラリーゾーン電気泳動法、ミセル動電クロマトグラフィーなどの種類があります。
X線検査(レントゲン)とCT検査: X線検査(レントゲン)とCT検査はX線の吸収率を利用して画像を撮影します。X線造影撮影法は、硫酸バリウムやヨード造影剤などの造影剤を用いて吸収率を変えて撮影をしやすくしています。
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超音波検査(エコー)の原理: 超音波検査(エコー)は超音波の反射波を利用して画像撮影する検査です。超音波検査(エコー)は絶食状態で行うことが多いため糖尿病治療薬などは中止になる可能性があります。
質量分析法の質量分析計と質量スペクトル: 質量分析法の質量分析計には磁場型、飛行時間型、四重極型などがあります。質量スペクトルでは臭素(Br)や塩素(Cl)、そして窒素を含む場合のルールを知っておく必要があります。
質量スペクトルの読み方、例題編: 質量スペクトルの読み方や解き方について解説しています。特に臭素や塩素を含む場合はスペクトルが特徴的なものとなるので見逃さないようにしましょう。

質量分析法のイオン化法