質量分析とは？質量分析計の仕組みや原理を解説！（質量分析法・分析学会・スペクトルなど）

「質量分析」という言葉を聞いたことがあるでしょうか。

化学・生化学・製薬・食品分析・環境分析など、現代の科学において質量分析は非常に重要な分析手法として広く活用されています。

質量分析はノーベル賞にも関わる技術であり、タンパク質の同定・新薬開発・環境汚染物質の検出など、最先端の科学研究を支える不可欠な技術です。

本記事では、質量分析の定義・原理・質量分析計の仕組みから、質量スペクトルの読み方、質量分析法の種類と応用まで、わかりやすく丁寧に解説します。

初めて質量分析を学ぶ方から知識を整理したい方まで、役立てていただける内容ですのでぜひ最後までお読みください。

質量分析とは？定義と基本的な原理

それではまず、質量分析の定義と基本的な原理について解説していきます。

質量分析の定義

質量分析とは、物質をイオン化し、そのイオンの質量と電荷の比（m/z）を測定することで、物質の質量・構造・組成を調べる分析手法です。

英語では「Mass Spectrometry（MS）」と呼ばれ、使用する装置を「質量分析計（Mass Spectrometer）」といいます。

質量分析では原子・分子レベルの非常に微量な試料でも高精度な分析が可能であり、現代の分析科学において最も強力な手法のひとつとして位置づけられています。

分子量の決定・構造解析・定量分析・同位体比の測定など、幅広い目的に対応できる汎用性の高さも大きな特徴です。

質量分析計の基本構成

質量分析計は基本的に以下の3つのパーツから構成されています。

試料はまずイオン源でイオン化され、次に質量分析部で電磁場によりm/zに応じて分離され、最後に検出器でその量が記録されます。

得られたデータをグラフ化したものが「質量スペクトル（マススペクトル）」です。

m/z（質量電荷比）とは

m/zとは、イオンの質量（m）を電荷（z）で割った値であり、質量分析において最も重要な指標です。

多くの場合z＝1（1価イオン）であるため、m/zの値はほぼ分子量と一致します。

多価イオンでは質量を電荷数で割った値がm/zとなるため、実際の分子量はm/z×電荷数で計算します。

この概念の理解が、質量スペクトルを正しく読み解くための基礎となります。

質量分析計の仕組みと各部の役割

続いては、質量分析計の具体的な仕組みと各部の役割を確認していきます。

イオン源の種類

イオン源は試料をイオン化する方法によっていくつかの種類があります。

イオン化法	略称	特徴	主な用途
電子衝撃イオン化	EI	硬いイオン化、フラグメント多い	低分子量有機化合物
エレクトロスプレーイオン化	ESI	ソフトイオン化、多価イオン生成	タンパク質・生体分子
マトリックス支援レーザー脱離イオン化	MALDI	ソフトイオン化、大分子に対応	ポリマー・タンパク質
化学イオン化	CI	穏やかなイオン化	揮発性有機化合物

ESIとMALDIは田中耕一氏がノーベル化学賞（2002年）を受賞した技術に関連しており、特にタンパク質など大分子の分析を可能にした革新的な手法です。

質量分析部（アナライザー）の種類

イオンをm/zによって分離する質量分析部にも複数の方式があります。

方式	略称	原理	特徴
四重極型	Q	4本のロッドに高周波電圧を印加して分離	小型・安価・高速スキャン
飛行時間型	TOF	イオンの飛行時間でm/zを測定	高分解能・広質量範囲
イオントラップ型	IT	電場でイオンを捕捉して分離	MSⁿ分析（多段階フラグメント）
フーリエ変換型	FTMS	磁場中でのイオン回転周波数を測定	超高分解能・超高質量精度

検出器の役割

検出器は分離されたイオンを電気信号に変換して記録する装置です。

電子増倍管（MCP）やファラデーカップなどが使われ、それぞれm/zの値に対応したイオンの量を計測します。

この信号をm/zに対してプロットしたものが質量スペクトルとなり、分子の同定・定量・構造解析に利用されます。

質量スペクトルの読み方と解析

続いては、質量スペクトルの読み方と基本的な解析方法を確認していきます。

質量スペクトルの基本

質量スペクトルは横軸にm/z、縦軸にイオンの相対的な強度（存在量）をとったグラフです。

最も高いピークを「基準ピーク（base peak）」といい、その他のピークは基準ピークに対する相対強度（%）で表されます。

分子イオンピーク（M⁺ピーク）が分子量に対応するm/zに現れ、これが分子量決定の基準となります。

フラグメンテーションパターン

EIなどの硬いイオン化法では、分子イオンが分解（フラグメンテーション）して多くのフラグメントイオンが生じます。

このフラグメンテーションパターンは分子の構造に依存するため、スペクトルのパターンから分子構造を推定することができます。

たとえば、カルボニル基を持つ化合物ではm/z＝28（CO）付近にピークが現れやすいなど、官能基ごとに特徴的な切断パターンがあります。

同位体パターンの利用

塩素（Cl）や臭素（Br）を含む化合物では、同位体の存在により特徴的な同位体パターンが現れます。

たとえば塩素を含む化合物では³⁵Clと³⁷Clの存在比（約3：1）により、分子イオンピークとM＋2ピークが約3：1の強度比で現れます。

この同位体パターンを利用することで、分子中に塩素・臭素・硫黄などの元素が含まれるかどうかを判定することができます。

質量分析法の種類と応用分野

続いては、質量分析法の主な種類と幅広い応用分野を確認していきます。

タンデム質量分析（MS/MS）

タンデム質量分析（MS/MS）とは、2段階の質量分析を組み合わせた手法です。

1段階目で特定のイオンを選択し、フラグメント化させた後、2段階目でそのフラグメントを分析します。

これにより、混合物中の特定成分の高感度・高選択的な定量が可能となり、製薬・臨床・環境分析で広く活用されています。

LC-MSとGC-MS

質量分析計は単独で使われるだけでなく、他の分析機器と組み合わせて使われることも多いです。

LC-MS（液体クロマトグラフ質量分析計）は液体クロマトグラフと質量分析計を組み合わせたもので、医薬品・食品・生体分子の分析に使われます。

GC-MS（ガスクロマトグラフ質量分析計）はガスクロマトグラフと組み合わせたもので、揮発性化合物・環境汚染物質・香気成分の分析に活用されています。

質量分析の応用分野一覧

分野	主な用途
製薬・創薬	新薬の構造確認・純度試験・代謝物分析
プロテオミクス	タンパク質の同定・定量・翻訳後修飾解析
環境分析	残留農薬・環境汚染物質・ダイオキシン類の検出
食品分析	食品添加物・残留農薬・異物の同定
法医学・ドーピング検査	薬物・毒物の検出・スポーツドーピング検査
地質学・考古学	同位体比による年代測定（放射性炭素法など）

質量分析は現代の科学・医療・産業のあらゆる場面で活躍する非常に重要な分析技術です。

まとめ

本記事では、質量分析の定義・原理・質量分析計の仕組みから、質量スペクトルの読み方、応用分野まで幅広く解説しました。

質量分析とは試料をイオン化してm/zを測定し、物質の質量・構造・組成を調べる分析手法であり、イオン源・質量分析部・検出器の3つから構成されます。

ESIやMALDIなどソフトイオン化法の登場により、タンパク質などの大分子分析が可能となり、生命科学の発展に大きく貢献しています。

製薬・環境・食品・法医学など応用範囲も非常に広く、現代科学の最前線を支える技術として今後もさらなる発展が期待されます。

ぜひ本記事を参考に、質量分析の理解を深めてみてください。