質量分析(CryLas社アプリケーションノート）

CryLaS社小型＆低ノイズレーザーシステムによる質量分析の例をご紹介します。

概要

質量分析（MS）は、化学種をイオン化し、その質量電荷比に基づいてイオンを選別する分析技術です。つまり、サンプル内の質量を測定するものです。質量分析は、薬理学やタンパク質の特性評価など、さまざまな分野で使用されており、純粋なサンプルだけでなく複雑な混合物にも適用されます。従来、イオンを生成するためのアシストはエキシマレーザーが主流でしたが、DPSSレーザーはそれに代わるものとして期待されています。

紫外光解離質量分析の方法

選択されたプリカーサイオンによるUVPDフラグメンテーションで、UVPDフラグメントイオンを得る方法が記載されています。その後、オプションのイオンパーキングを用いてUVPDフラグメントイオンに対してPTRを実行し、電荷状態が低減されたUVPDフラグメントイオンを得ることができます。UVPD-PTRのステップは、n=1～50の範囲でn回以上の繰り返しも可能です。イオンパーキングは、選択された低いフラグメントイオンの電荷状態の強度や、選択されたm/z範囲のピーク強度を高めます。PTR-UVPDを何度も繰り返した後、フラグメントイオンを質量分析します。この方法は、UVPDフラグメンテーションのみを使用した場合と比較して、フラグメントイオンの電荷状態を下げ、結果として生じるプロダクトイオンをm/z質量スペクトル空間に広げることで、UVPD質量スペクトルのプロダクトイオンを単純化します。

Methods of Ultraviolet Photodissociation for Mass Spectrometry, 2018

炭素-硫黄結合：特異的UVPDによる有向バックボーンの解離@213nm

紫外光解離（UVPD）は，タンデム質量分析法の実験でますます人気が高まっています。UVPDは多くの波長で実施することができますが，選択により結果がどのように影響を受けるかを理解することが重要です。ここでは、選択的結合のフラグメンテーションを開始するため、213nmの光子の有用性について検討しました。その結果、炭素-ヨウ素結合、硫黄-硫黄結合など、これまで266nmで不安定とされてきた結合が、213nmでも高い選択性で切断されることがわかりました。さらに、266nmでは直接解離しない多くの炭素-硫黄結合も、213nmでは選択的に解離することが可能です。この性能により、部位特異的にアラニンラジカルを生成し、ラジカルでバックボーンの解離を誘導し、診断用のdイオンを生成できます。さらに、炭素-硫黄結合のフラグメンテーション機能を追加することで、ジスルフィド結合のフラグメンテーションのためのトリプレットのシグネチャを取得できます。アミド結合の吸収は、近くにある不安定な炭素-硫黄結合の解離を促進し、短波長のUVPD実験によく見られる確率的なバックボーンの断片化に利用できます。213nmで観測された選択的結合の断片化のいくつかの可能性について議論します。

Directed-Backbone Dissociation Following Bond-Specific Carbon-Sulfur UVPD at 213 nm, 2018

MALDI/MSイメージング質量分析(100ピクセル/秒以上の取り込み速度)

生体組織の分子イメージングに適用される、マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法(MALDI-TOFMS)の実用性は、分析速度によって制限されます。一般的には、XYステージの低速な微動が、レーザースポットに試料を供給する速度を大幅に低下させる要因と考えられています。私たちの研究室で開発したハイスループットなTOF質量分析計では、ガルバノ光学スキャナーを用いてターゲットプレート上のレーザースポットを高速で再配置することで、サンプルのスキャン速度を大幅に向上させました。MALDI-TOF質量分析計のイオン源に組み込まれた光学システムは、改良されたグリッドを介してビームを10μmの円形スポットに集光します。これにより、高解像度のMS画像を、100ピクセル/秒を超える取り込み速度で取得しました。ここでは，選択したパラメータがMSの撮像時間に及ぼす影響について議論します。新しいスキャン技術を用いて，大腸腺がん細胞の3次元凝集体における抗腫瘍剤の分布を表示したところ，100×100ピクセル，10μmの横方向の解像度を持つ1枚のMS画像を約70秒で記録しました。

MALDI MS Imaging at Acquisition Rates Exceeding 100 Pixels per Second, 2018

リグノミクスの高分解能質量分析装置付きエレクトロスプレーイオン化法(ESI)：デコンボリューションを用いたリグニンの質量分析

新しい再生可能な原料の開発には、リグニンやリグノセルロース、およびそれらの分解物の特性を明らかにすることが不可欠です。本研究では，リグノミクスの可能性を広げるために，エレクトロスプレーイオン化高分解能飛行時間型質量分析法（ESI-HR TOF-MS）を開発し，低分子量と高分子量のリグニンを同時に検出することに成功しました。リグニンのモデル化合物であるモノ、ジ、トリアレン、およびクラフトアルカリリグニンを用いて、イオン形成とイオン化効果に及ぼす広範囲の電解質と様々なイオン化条件の影響を調べました。これまでの研究とは異なり，メトキシ置換されたアレーンやポリフェノール，すなわちネイティブリグニンと構造的に類似した幅広い変化を持つMWの種に対して，正イオン化モードがより効果的であることがわかりました。また，100 mmol L-1のギ酸存在下，ポジティブESIモードでデコンボリューションを用いた質量分析を行うと，リグニンの多価種が効果的に生成されることを初めて報告しました。開発した方法では，質量分析計に応じて，MWが150～9000 Da以上のリグニン種を検出しました。また，得られたM nおよびMwはそれぞれ1500 Daおよび2500 Daであり，ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定した値と一致しました。さらに，デコンボリュートしたESIの質量分析は，MALDI-HR TOF-MSで得られたものと類似しており，より高いS/N比を示しました。また、ESI-HR Q-TOF-MSを用いて、多価の電荷を帯びた種の生成を確認しました。

Electrospray Ionization with High-Resolution Mass Spectrometry as a Tool for Lignomics: Lignin Mass Spectrum Deconvolution, 2018

トップダウンプロテオミクスにおける繰り返しの切断と内部断片化の起伏

質量分析によるタンパク質全体の分析（トップダウンプロテオミクス）は、タンパク質分解に頼る方法に比較して、プロテオフォムを明確に同定して調べることができまるなどのいくつかの利点をもちます。しかし、気相イオン化学の観点から、タンパク質は巨大な分子であり、ペプチド分析に比べて新たな課題があります。ここでは、ペプチドのバックボーンを複数回切断したときの統計を調べ、内部イオンと末端イオンの生成傾向を評価しました。その結果、タンパク質のサイズに関わらず、末端イオンの生成に有利なバイアスがあることがわかりました。重要なのは、統計的解離によって内部イオンがすべて生成されてもバックボーンの解離が3回以下であれば、タンパク質の大きさに関わらず、末端イオンがイオン電流全体の少なくとも50%を占めることが予測されることです。したがって、トップダウン解析は、かなりの大きさのタンパク質を調べるための有効なアプローチとなります。純粋な統計解析と、紫外光解離（UVPD）および高エネルギー衝突誘起解離（HCD）から得られた実際のトップダウンデータを比較すると、どちらの実験でも末端イオンが全イオン電流の多くを占めていることが明らかになりました。UVPDではHCDに比べて末端イオンの生成が多く、これはフラグメンテーションを制御するメカニズムの違いによるものと考えらます。理論的にも実験的にも内部イオンが支配的であるとは認められません。

The Ups and Downs of Repeated Cleavage and Internal Fragment Production in Top-Down Proteomics, 2017

大気圧レーザーイオン化質量分析法(APLI-MS)の新たな光源としての小型DPSS Nd:YAGレーザーの性能評価

大気圧レーザーイオン化質量分析法(APLI-MS)における光イオン化源として、KrF*ベンチトップ型エキシマレーザーと小型DPSS Nd:YAGレーザーの性能を比較しました。波長248nmの一般的なベンチトップ型エキシマレーザーは，0.5cm2の照射面積で数MW/cm2の出力密度を実現しています（8mJ/パルス，5nsのパルス幅，0.5cm2のビームウエスト領域，3MW/cm2）。一方，波長266nmのDPSSレーザーでは，2桁小さい照射面積で高い出力密度を取得します（60μJ/パルス，1nsパルス時間，ビームウエスト領域2×10-3cm2，30MW/cm2）。10nMのピレン溶液を直接注入するLC-APL/MSのセットアップでは，エキシマレーザーと比較して，イオンシグナル（0.9%）とS/N比（1.4%）が大幅に小さくなった。エキシマレーザーを用いたPAHの低検出限界（LOD）が0.1fmolであることから、DPSSレーザーLC-APLI MSのLODは低ピコモル領域であると予想されます。DPSSレーザーの利点（サイズ、コスト、シンプルさ）は、高感度にこだわらないAPLIアプリケーションに適した光源であると考えられます。さらに、調整可能なイオン源パラメータが両レーザーシステムの性能に与える影響を、イオンアクセプタンス分布（DIA）測定によって記述される空間感度分布の観点から議論しました。将来のAPLI-MSアプリケーションへの影響に関する展望がみられます。

Evaluation of the Performance of Small Diode Pumped UV Solid State (DPSS) Nd:YAG Lasers as New Radiation Sources for APLI-MS, 2011