質量分析とは
質量分析は、化学物質の構造を同定し、サンプル中の単一分子の質量を定量的に定義するための重要な分析技術です。質量分析計を用いて化合物をイオン化し、荷電分子または分子の断片を生成します。その結果、そのような分子イオンの質量電荷比が測定されます。要約すると、この綿密な手順により、試料に含まれる物質の分子構造、化学的性質、存在量に関する詳細な情報が得られます。
「マススペクトロメトリー」と「マススペクトロスコピー」という用語の違いについて興味がある方は、一般的に両者は同じ意味で使われています。技術的に言えば、「質量分析」は粒子や分子の質量を分析・測定する技術を表す用語として正しく、広く受け入れられています。物質と電磁放射線の相互作用を研究する分光学とは異なります。
適切なサンプル前処理を行うことで、目的の分子が十分に濃縮され、イオン化プロセスを妨害したり、偽陽性の結果をもたらすような汚染物質が含まれていないことが保証されます。
サンプル前処理の重要性は、いくつかの重要な分野で強調することができます。
感度の向上
効率的なサンプル前処理技術は、対象物質を濃縮し、複雑な混合物中の低存在量の分子を検出するために極めて重要です。
バックグラウンドノイズの低減
不純物を除去することで、分析対象分子のピークを不明瞭にしたりオーバーラップしたりするバックグラウンドシグナルを最小限に抑えます。
精度と再現性の向上
一貫したサンプル前処理手順により、異なるランや実験でも再現性のある信頼性の高い結果が得られます。
異なるサンプルタイプへの適応
生体組織、環境サンプル、合成化学物質など、さまざまな種類のサンプルには、質量分析に適した特定の前処理方法が必要です。
一般的に、適切なサンプル前処理を行うことで、質量分析計は科学者が調査する必要のある分子組成を高い精度で概説することが可能になり、薬理学、環境科学、生物医学研究などの分野で不可欠なものとなります。
質量分析のテクニックとサンプル前処理のアプローチ
質量分析(MS)は、分析化学における汎用性の高い技術であり、さまざまな分析に対応するために、いくつかの構成と方法論があります。質量分析の種類が異なれば、異なる化合物やマトリックスを最適に分析するために、異なるサンプル前処理技術が必要になる場合があります。最も一般的な質量分析の種類と、そのサンプル前処理に関する詳細は以下の通りです。
1. ガスクロマトグラフィー質量分析計（GC-MS）
説明：GC-MSは、ガスクロマトグラフィーと質量分析計を組み合わせ、揮発性および半揮発性化合物を分析します。GCコンポーネントは化合物を熱的に分離し、MSは分子の同定と定量を行います。
サンプルの前処理
- 揮発： サンプルは揮発性であるか、化学的誘導体化によって揮発性にする必要があります。
- 精製： 不揮発性の汚染物質を除去するために、抽出と精製が必要な場合が多いです。
- 濃縮： 低濃度の化合物を検出するためには、サンプルの濃縮が必要な場合があります。
2. 液体クロマトグラフィー質量分析計（LC-MS）
説明： LC-MSは、不揮発性化合物、極性化合物、熱に不安定な化合物の分析に使用されます。液体クロマトグラフィー（LC）と質量分析を組み合わせ、液相中の化合物を分離します。
サンプルの前処理
- 可溶化： 化合物は溶液中にある必要があるため、固体サンプルは適切な溶媒への溶解または抽出が必要です。
- クリーンアップ： 固相抽出（SPE）のような技術は、イオン化を妨害したり、MSを損傷する可能性のあるマトリックス成分を除去するために使用されます。
- 濃縮： 低濃度の化合物を検出するためには、サンプルの濃縮が必要な場合があります。
- pH調整： 特定の分析対象物のイオン化効率を高めるために、サンプルのpHを調整します。
3. マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)
説明：マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)は、タンパク質、ペプチド、ポリマーのような大きな生体分子の分析に理想的なソフトイオン化技術です。
サンプルの前処理
- マトリックスアプリケーション： サンプルはマトリックス化合物と共結晶化され、サンプルを断片化することなくイオン化を助けます。
- スポットと乾燥：少量の混合物をMALDIプレートにスポットし、乾燥させます。
- ホモジナイゼーション： 一貫した結果を得るために、サンプルとマトリックスが均一に混合されていることを確認します。
4. 誘導結合プラズマ質量分析計（ICP-MS）
説明： ICP-MSは、主に元素分析に使用され、非常に低濃度の金属およびいくつかの非金属を検出することができます。
サンプルの前処理
- 消化： 固体試料を液状にするには、酸分解（硝酸、塩酸などの酸を使用）が必要です。
- 希釈： 試料を装置の最適範囲に収め、マトリックスの影響を軽減するため、試料を希釈することが多いです。
5. タンデム質量分析 (MS/MS)
説明：MS/MSは、通常2台以上の質量分析計を用いて、多段階の質量分析を行います。複雑な混合物中の化合物の構造解明や定量に非常に有効です。
サンプルの前処理
- 前処理： MS分析の前にクロマトグラフィーまたは電気泳動による分離が必要な場合があります。
- フラグメンテーション：サンプル前処理には、特徴的なフラグメントの生成を促進するために、ソース内でのフラグメンテーションや誘導体化が含まれる場合があります。
6. 飛行時間型(TOF-MS)
説明：TOF-MSは、真空管を通過するイオンの飛行時間に基づいて、イオンの質量電荷比を測定します。高分解能で分析スピードが速いことで知られています。
サンプル前処理
- 最小限の前処理： TOF-MSは、特にMALDI-TOFのようなアプリケーションでは、最小限の前処理でサンプルを分析できることが多いです。
- 直接分析： レーザーアブレーションTOF-MSのように、一部の構成では表面からサンプルを直接分析できます。
一般的な試料調製に関する考察
清浄度： MS技術にかかわらず、シグナル抑制や装置の損傷につながる汚染を避けるため、いずれも高い清浄度が必要です。
濃度： サンプル濃度の調整は、特定のMS技術の感度と検出限界に適合させるために非常に重要です。
適合性： イオン化の抑制やMSシステムの損傷を避けるため、すべての溶媒と添加剤がイオン化法に適合していることを確認します。
各タイプの質量分析には固有の要件と課題があるため、サンプルの適切な前処理は信頼性の高い正確な結果を得るために非常に重要です。
質量分析で分析するサンプルの種類
質量分析は、さまざまな科学分野で使用される汎用性の高い分析手法であり、それぞれがサンプルの性質や求める情報に合わせた特定のサンプル前処理技術を必要とします。ここでは、一般的なサンプルの種類と、質量分析に必要な特有の前処理について説明します。
1. 生物学的サンプル
a. タンパク質とペプチド
前処理の必要性：タンパク質は多くの場合、酵素分解（一般的にはトリプシンを使用）して、分析に扱いやすい小さなペプチドに分解する必要があります。プロテオライシスとして知られるこのプロセスは、ペプチドマスフィンガープリントやタンデム質量分析（MS/MS）のような技術に不可欠です。
サンプルの洗浄：イオン化を抑制する塩類を除去するためには、透析またはカラムを用いた方法による脱塩が重要です。
b. 組織と細胞
ホモジナイゼーション： タンパク質、脂質、代謝物を抽出するためには、組織をホモジナイズする必要があります。これには、液体窒素中での粉砕や超音波処理などの物理的方法が用いられます。
抽出： 溶媒抽出法は、特定の種類の分子を単離するために用いられます（例えば、脂質にはメタノールやクロロホルム）。
2. 環境サンプル
a. 大気および水試料
濃縮： 低濃度の汚染物質は濃縮する必要がある。空気試料はフィルターや吸収体に通すことができ、水試料は蒸発または固相抽出（SPE）を用いて濃縮することができます。
精製： SPEはサンプルのクリーンアップにも使用され、質量分析に影響を及ぼす可能性のある妨害物質の存在を低減します。
b. 土壌および堆積物サンプル
抽出： 有機汚染物質は、ヘキサンやアセトンなどの溶媒を用いて抽出されます。このプロセスには、化合物の効率的な可溶化を確実にするために、超音波処理またはソックスレー抽出が含まれる場合があります。
クリーンアップ： ゲル浸透クロマトグラフィーのような技術を使用して、複雑な有機マトリックスから目的の分析物を分離します。
3. 化学試料
a. 純物質
直接分析： 純粋な化学サンプルは、最小限の前処理で済むことがよくあります。イオン化の前にさらに分離が必要な場合は、直接注入やガスクロマトグラフ（GC）または液体クロマトグラフ（LC）のような手法で直接質量分析計に導入することができます。
b. 複雑な混合物
分離： GCやLCのようなクロマトグラフィー技術は、混合物の成分を分離するために使用されます。この分離は、スペクトルの複雑さを軽減し、個々の成分の検出を向上させるために極めて重要です。
誘導体化： 化学基によっては、イオン化を促進したり、分析中に特定の反応性基を安定化させるために修飾が必要な場合があります。
4. 医薬品サンプル
a. 医薬品と代謝物
抽出： 溶媒抽出は通常、血漿や尿のような生物学的マトリックスから薬物およびその代謝物を単離するために使用されます。
濃縮： 分析物を濃縮し、サンプル量を減らして感度を向上させるために、SPEまたは液体-液体抽出が採用される場合があります。
すべてのサンプルタイプに対する一般的な考慮事項
イオン化法の適合性： 調製方法は、使用するイオン化技術（エレクトロスプレーイオン化（ESI）またはマトリックス支援レーザー脱離イオン化（MALDI）など）に依存する場合があります。
汚染物質の回避： 質量分析の結果に重大な影響を及ぼす可能性のある、溶媒、容器、またはサンプル処理ツールからの汚染物質の混入を避けるように注意する必要があります。
これらのサンプルの種類や調製技術はそれぞれ、質量分析データの質や解釈のしやすさに大きく影響する可能性があるため、分析の具体的なニーズに合わせて適切なメソッドを選択することが重要です。
一般的なサンプル前処理の課題とその回避方法
質量分析用のさまざまな種類のサンプルの取り扱いには、特有の課題が伴います。ここでは、各サンプルタイプに関連する一般的な課題と、それを回避するためのヒントを紹介します。
1. 生物学的サンプル
a. タンパク質とペプチド
課題
タンパク質の消化が不完全な場合、ペプチドマッピングがうまくいかず、結果が曖昧になることがある。
皮膚や毛髪のケラチンが混入すると、分析に支障をきたすことがある。
回避のヒント
最適な消化条件（温度、pH、酵素/基質比）と十分な消化時間を確保する。
ケラチンを含まない清潔な実験器具を使用し、清潔な白衣と手袋を着用する。
b. 組織と細胞
課題
分子の不完全な抽出につながる非効率的なホモジナイズ。
酵素活性による分子、特に代謝物やタンパク質の分解。
回避のヒント
適切なホモジナイズ技術（例えば、硬い組織にはビーズミル）を利用する。
敏感な分子の完全性を保つため、酵素阻害剤を含み、低温で手順を行う。
2. 環境サンプル
a. 空気および水試料
課題
濃縮段階での揮発性化合物の損失。
採取装置からの汚染。
回避のヒント
揮発性分析物には、窒素ブローダウンのような穏やかな濃縮技術を使用する。
汚染を避けるため、収集器具は不活性材料で作られ、事前に洗浄されていることを確認する。
b. 土壌および堆積物サンプル
課題
複雑なマトリックスによる分析対象物の不完全抽出。
イオンシグナルを抑制するマトリックス成分の共抽出。
回避のヒント
溶媒の選択と抽出条件（時間、温度、溶媒とサンプルの比率）を最適化する。
SPEやゲルパーミエーションクロマトグラフィーなどのクリーンアップメソッドを使用して、マトリックス干渉を除去する。
3. 化学試料
a. 純物質
課題
不純物の直接混入。
揮発性の場合は熱劣化。
回避のヒント
MS分析の前に適切な方法（NMR、HPLCなど）で純度を確認する。
化合物の揮発性と安定性に適した穏やかな導入技術を使用する。
b. 複雑な混合物
課題
クロマトグラフィーシステムに過負荷をかけ、分離不良を引き起こす。
サンプル成分とカラムまたはシステムの他の部分との相互作用。
回避のヒント
システムの最適な負荷容量の範囲内でサンプルを希釈する。
分離する分析物の種類に適したカラムと移動相を使用する。
4. 医薬品サンプル
a. 医薬品と代謝物
課題
抽出効率の低下による分析物の不完全回収。
生物学的マトリックス中の内因性物質による干渉。
回避のヒント
高い回収率を確保するために抽出方法を検証する。
選択性の高いSPEカートリッジやその他の高度な抽出技術を使用し、マトリックスの影響を軽減する。
全てのサンプルタイプに対する一般的なヒント
品質管理： サンプル調製プロセスの効率性と再現性をモニターするために、定期的にコントロールサンプルを含める。
メソッドのバリデーション： ルーチン使用の前に、新しい前処理メソッドを徹底的に検証して、サンプルおよび分析のニーズに特有の潜在的な落とし穴を特定し、緩和します。
これらの戦略により、質量分析のサンプル前処理における一般的なエラーを低減し、最終的に信頼性の高い正確な結果を得ることができます。
Organomation - 窒素エバポレーター
オレンジサイエンスでは世界的に有名なOrganomation社の窒素エバポレーターを取り扱っています。Organomation社は、窒素ブローダウン技術を中心とした窒素エバポレーター・窒素ブローダウン蒸発装置を専門としている機器開発メーカーです。1959年に設立され、60年以上にわたり、世界中の研究・試験機関向けに窒素エバポレーター・窒素蒸発装置を提供してきました。Organomation社の高品質な窒素エバポレーター装置は、世界中で信頼性が高く、メンテナンスの手間がかからない実験装置であると高く評価されています。また、耐用年数が長いため、今日の多忙な研究室にとって、非常に費用対効果の高いソリューションとなっています。
窒素エバポレーターとは、分析用サンプルの前処理によく使用される実験装置です。環境試験、農業、食品・飲料、医薬、品質保証、科学捜査、オイル・グリースなど、様々な業界で使用されており、質量分析を行う前にサンプルを乾燥・濃縮するために使用されます。試料は窒素エバポレーターに充填され、窒素ブローダウンが、時には熱と併用されながら、試料の水分を除去するために使用されます。
Organomationの卓上型窒素エバポレーターは、窒素ガスの穏やかな流れをサンプルに直接供給します。一定のガス流は、蒸気が飽和した空気層を押し流し、蒸気が液体に戻るのを防ぎます。これにより、過剰な溶媒蒸気の量が減少し、圧力が下がり、サンプルがより速く蒸発することが可能になります。これは、少量、揮発性、半揮発性のサンプルには特に重要です。
窒素ブローダウンは消耗品を必要としない方法であり、サンプルに非常に優しく、代替オプションと比較して非常に手頃な価格です。
Organomationは、N-EVAPライン、MULTIVAPライン、MICROVAPラインの3つの主要製品ラインを通じて、少量サンプル用の窒素ブローダウン蒸発器の多くのバリエーションを提供しています。
N-EVAP
N-EVAPは調整可能な窒素ブローダウン技術を利用しており、窒素ガスを無駄にすることなく、サンプルへの窒素フローを完全にコントロールできます。柔軟性がN-EVAPの特徴です。他の少量サンプルエバポレーターと異なり、N-EVAPは、別々のヒートブロックを必要とせず、一度に数種類のバイアルやチューブを保持することができます。非加熱モデルだけでなく、ウォーターバスまたはドライビーズ付きの加熱モデルもあります。
MULTIVAP
MULTIVAPは、一度に多数のサンプルのバッチ濃縮に一貫性を提供します。チューブは、加熱された特注アルミブロックまたはウォーターバスに設置されます。窒素分配マニホールドはユニットとして昇降し、1回の動作で全サンプルへの蒸発を開始または停止します。
MICROVAP
MICROVAPは、96ウェルマイクロプレートや小ロット用に設計されたコンパクトな装置で、ライフサイエンスや製薬業界のお客様によく使用されています。サンプルは、サンプルチューブに合うように特注加工された加熱アルミニウムブロックに収まります。常温での蒸発用に、加熱なしのモデルもあります。
窒素ブローダウン蒸発器は、少量のサンプルや大量のサンプルの蒸発、複数のサンプル前処理方法の同時実行を可能にすることで、ラボに利益をもたらします。
動画
時間計算・溶媒除去方法判別ツール
Organomation社の日本語Webサイトでは溶媒除去に関する時間計算ツール・溶媒除去方法判別ツールを用意しています。手作業で処理していた濃縮除去の時間を濃縮器を使うことでどれだけ時間短縮できるか、ラボに必要な溶媒除去方法、濃縮器が必要か、など、いくつかの質問に答えるだけですぐに回答が得られます。ぜひご活用ください。
Organomationの窒素エバポレーターの違い
Organomation社は、窒素ブローダウン技術を中心としたラボ用窒素エバポレーターのメーカーです。N-EVAP、MICROVAP、MULTIVAPの3つの主要なブローダウン製品ラインがあります。各製品ラインは、容量、制御、機能が異なるため、さまざまな用途に対応できるように設計されています。ここでは、各エバポレーターの主な違いを説明し、どのエバポレーターがお客様のラボに最適かを判断できるようにします。
加熱媒体
全てのエバポレーターには加熱機能が標準装備されていますが、小さなサンプルや熱に敏感なサンプルを扱う場合は、非加熱タイプも選択できます。加熱オプションが必要な場合は、各ユニットで使用される加熱媒体を知ることが重要です。
N-EVAP
全ユニットにウォーターバスが標準装備されています。6、12、24ポジションのN-EVAPには、アルミビーズまたはガラスビーズを使用したドライバスのオプションがあります。ウォーターバスとドライバスの違いと、それぞれの利点を生かすアプリケーションについてご覧ください。
MICROVAP
すべてのユニットがアルミニウム製ヒートブロックを使用しています。15ポジションと24ポジションのMICROVAPには、チューブやバイアル用の特注ドリル付きアルミインサートも付属しています。
MULTIVAP
64ポジションと100ポジションのMULTIVAPを除き、カスタムドリルアルミヒートブロックを使用しています。
サンプルサイズと容量
各ユニットには、対応可能なサンプルサイズの範囲があります。この範囲内で複数のチューブサイズを保持できるように設計されているエバポレーターもあれば、1つのチューブサイズしか保持できないように設計されているエバポレーターもあります。エバポレーターを選択する前に、ご希望のチューブサイズと容量を把握しておくことが重要です。
N-EVAP
すべてのN-EVAPエバポレーターは、外径10～30mmのチューブに対応します。これらの装置には、一度に複数のサイズのチューブを保持できるユニークなスプリングアシストサンプルホルダーがあります。6～45のサンプルポジションのオプションがあり、小規模から中規模のバッチを扱う場合に最適です。
MICROVAP
マイクロプレートと小バッチの試験管の両方に対応します。マイクロプレート用には、96ウェルプレート1枚または3枚を収納できるシングルプレートユニットとトリプルプレートユニットがあります。試験管用には、小～中サイズの試験管用に設計された15ポジションまたは24ポジションのモデルがあります。試験管用MICROVAPは、1～2本の試験管サイズに最適です。試験管MICROVAPには、1本の試験管サイズに適合するよう特注で穴あけされたインサートが1セット標準装備されています。2本目のチューブサイズを使用する場合は、2セット目のカスタムインサートを購入できます。
MULTIVAP
MULTIVAPユニットは、1-2サイズのチューブのみを扱う場合に理想的ですが、装置モデルにより幅広いチューブサイズ（外径10-30 mm）に対応できます。ドライブロックモデルには1本のチューブサイズに適合する特注の穴あきヒートブロックが付属し、ウォーターバスモデルには1本のチューブサイズに適合する特注の穴あきラックが付属します。2本目のチューブサイズを使用する場合は、2本目のヒートブロックまたはラックを購入することができます。
ガス流量制御
窒素エバポレーターにとって、ガス制御は非常に重要な機能です。エンドユーザーによっては、各サンプル位置でのガス流量制御が便利な場合もあれば、全サンプル位置のガス流量を一度に調整したい場合もあります。
N-EVAP
各サンプルポジションには個別のバルブがあり、サンプルのサイズや量に応じてガスの流量を調整できます。また、異なるチューブの高さに対応できるよう、各ニードルの位置を調整できます。
MICROVAP・MULTIVAP
これらのブローダウンユニットはどちらも、すべてのニードルが1つのマニホールドに接続されている同じ設計です。これにより、1つのスイッチですべてのサンプル位置へのガスフローを開始および停止できます。エバポレーションセッション中にすべてのサンプルポジションを使用しない場合、MULTIVAPにはマニホールドにトグルスイッチがあり、各列へのガスフローを停止して窒素ガスを節約することができます。
デジタル制御
タイマーや温度制御システムなどのデジタル制御を搭載することで、エンドユーザーはより柔軟で高度な設定を行うことができますが、エンドユーザーの中には、必要な機能と設定だけが搭載された、よりシンプルな機器を好む方もいます。
N-EVAP
6、12、24ポジションのN-EVAPにはデジタル制御装置は付属していませんが、34および45ポジションのN-EVAPには、温度制御装置とガスおよびヒート用のタイマーが付いたサイドコントロールボックスが付属しています。
MICROVAP
すべてのMICROVAPユニットには、LEDディスプレイ付きデジタル温度コントローラーがバスケースに直接組み込まれています。
MULTIVAP
すべてのMULTIVAPユニットには、デジタル温度コントローラーとガスおよびヒート用タイマーがバスケースに直接組み込まれています。
Organomation社の窒素エバポレーターはすべて、エンドユーザーを念頭に置いてシンプルに設計されています。各製品ラインは、ブローダウン技術という基本的な要素は同じですが、わずかに異なるニーズや用途に対応するためのものです。
PFASサンプル前処理におけるOrganomationエバポレーターの活用
サンプル濃縮の役割
PFASサンプル前処理における極めて重要な段階の一つは、サンプルの濃縮です。濃縮は、しばしば微量レベルで存在するPFASの検出を強化するために不可欠です。特に、水、土壌、生物学的サンプルのような複雑なマトリクスを扱う場合、効果的な濃縮方法は極めて重要です。
Organomationエバポレーター： EPAメソッド533、537.1、および1633のソリューション
Organomationエバポレーターは、EPAメソッド533、537.1、および1633に合わせてPFASサンプルを濃縮するための効率的で信頼性の高いソリューションを提供します。これらのメソッドは、さまざまなマトリックス中のPFAS分析の規制枠組みに不可欠であり、効果的なサンプル濃縮は重要な要件です。
EPAメソッド533
EPAメソッド533は、飲料水中の短鎖PFASの分析に重点を置いています。このメソッドでは、低レベルのPFASを検出するために水サンプルを濃縮する必要があります。Organomationのエバポレーター、特にN-EVAP窒素エバポレーターは、水性サンプルの一貫した迅速な蒸発を提供するように設計されています。穏やかな窒素の流れと制御された加熱を利用することで、これらの蒸発器は、揮発性PFAS化合物の損失を引き起こすことなく、サンプル量を効率的に減少させます。
EPAメソッド537.1
EPAメソッド537.1は、メソッド533と比較して、より広範な化合物を含む飲料水中のPFASを測定することを目的としています。このメソッドでは、その感度要件を満たすための正確な濃縮技術の必要性も強調されています。Organomationのエバポレーターは、調製プロセス全体を通してPFASの完全性と濃度を維持するために重要な、均一なサンプル減少を保証します。調整可能な窒素流量と温度制御機能は、さまざまなサンプルサイズと種類を扱うのに特に有益です。
EPAメソッド1633
EPAメソッド1633は、廃水、地表水、バイオソリッド、魚組織など、水以外のマトリックスにおけるPFAS分析に対応しています。これらのサンプルの複雑さを考えると、効果的な濃縮がさらに重要になります。OrganomationのMULTIVAPエバポレーターは、大量のサンプルや複数のサンプルを同時に取り扱うのに理想的です。これらのエバポレーターは、メソッド1633に規定された必要な検出下限を達成するために不可欠な、制御された効率的な蒸発を提供することにより、複雑な環境サンプルの濃縮を容易にします。
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