M - H - 横浜市立大学

Masspecs
TMS研究会 (神奈川大 24Apr09)
質量分析イオン化法の一般式
Ji = I Jv
横浜市立大学生命ナノシステム科学研究科
高山光男
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
Masspecs
１．イオン化の式が無いのはなぜか？
２．難揮発性物質（EI, CI から FD, FAB へ）
３．FABにおける気化とイオン化の分離
４．一般式の実験的検証 (since 2002)
５．まとめ
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
１．イオン化の式が無いのはなぜか？
Condensed
analyte
Gaseous
analyte ion
質量分離の式 m/z = f(x,y,z)
for magnetic sector, quadrupole, time-of-flight,
FT ICR, etc
イオン化（イオン収量）の式 yi = ？
電子イオン化法
気化
イオン化反応
イオン収量 yi
気化とイオン化は独立
・気化は試料物性に依存
・イオン化は試料物性に依存
電子イオン化の式
Wi = Ng C(8e/πme)1/2 Ei3/2(kT/eEi)1/2
×[1+(2kT/eEi)] exp(-eEi/kT)
Wi: イオン化確率 [ions/cm3 sec]
Wi = Ng I
気化に関する項
Ng (molecules/cm3) 気体分子密度
イオン化に関する項
I (ions/molecules sec) イオン化効率
気化、イオン化反応、試料物性の関係
イオン収量 yi を、試料物性の関数としての気化関数とイオン化関数で
記述することは困難
Mass analyzer
Gaseous ions
気化
yi
イオン化
試料物性
イオン収量は
気化とイオン化に依存
気化とイオン化は独立
気化とイオン化は
どちらも試料物性に依存
２．難揮発性物質（EI, CI から FD, FAB へ）
EI/CI法では測定できない化合物の出現
・ 1950年代以降、天然物化学および生物有機化学
分野で難揮発物質への応用
・気化に関連する試料物性が重要
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
試料物性熱化学量と物理物性
熱化学量
•
•
•
•
•
•
分子量関連イオン
イオン化エネルギー (IE)
M+., Mn+
電子親和力 (EA)
M-. , Mnプロトン親和力 (PA)
[M+H]+, [M+nH]n+
塩基性度 (GB)
[M+H]+, [M+nH]n+
酸性度 (GA)
[M - H]-, [M - nH]nアルカリ金属イオン付加能 [M+Na]+, [M+K]+
物理物性
・表面活性
・親水性、疎水性
・分子間力（難揮発性）
・吸光係数
試料形態、他
溶液、液体
溶液、液体
凝縮相
光イオン化
EI/CI法とその限界、難揮発性物質
1947: 揮発性化合物用EIイオン源 (Nier) for 揮発性
1953: 電界脱離 (Mueller)
1963: レーザー脱離 (Honig, Woolston)
1965: 化学イオン化 (Filed, Munson) for 揮発性
“難揮発性”が意識され始めた
1969: 電界脱離 (field desorption) for 難揮発性
難揮発性物質とFDの有用性
1975
Mass spectra of a thermally unstable amino acid “creatine”
＊
＊
＊熱分解物の分子イオン
およびプロトン化分子
＊
FDの有用性
H.M. Fales et al., Anal. Chem., 1975
熱分解指標
1985
Glutamine の熱分解と各種イオン化法の熱分解 index
EI
>100
CI
25.0
Thermospray
2.9 (LCMS)
FAB
0.17
252Cf-PD
0.02
Ion evaporation <0.01 (LCMS)
ハードイオン化法
ソフトイオン化法
Glutamine の熱分解
＊
＊熱分解物
＊
＊
＊
３．FABにおける気化とイオン化の分離
• MSイオン法の一般式 1996, 1998, 2006, 2007
• FABモデル
• 一般式の図式化
• 一般式の実験的検証 since 2002
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
初期の一般式 1996
気化とイオン化の分離
FABの式
初期の一般式 1998
一般式
気化とイオン化の分離
イオン化の一般式 2006
試料分子の脱離とイオン化を独立の過程として扱う
イオン化の一般式 2007
気化とイオン化の
構成式
一般式
EI eq. Wi = I Ng
一般式から個々のイオン化の式へ
• 一般式 Ji = I×Jv
↓
• 各イオン法のモデル提出
↓
• 各イオン化の式
I の式
Jv の式
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
FABモデル
1983: Benninghoven (SIMS)
1983: Vestal (FAB, SIMS)
1983: Cooks (FAB, SIMS)
1988: Sunner (SIMS) “Phase explosion model”
1996: Takayama (FAB) “Cavity model”
2003: Kosevich (FAB) “Bubble chamber model”
from M.V.Kosevich et al., RCM., 17 (2003) 1981.
キャビティモデルからFABの式 1998
４．一般式の実験的検証 (since 2002)
イオン収量 Ji を支配する試料物性の探索
・FAB の場合
・MALDI の場合
・ESI の場合
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
一般式の実験的検証
[M+H]+ と [M-H]- のイオン収量 yi
イオン化法の選択
ソフトイオン化法
MALDI
FAB
ESI
試料の物性の選択
アミノ酸とペプチド
amino acid
peptide
アミノ酸：側鎖の構造に応じた多様な物性
H
Gly
H 2N
Sulphurcontaining
COOH
H 2N
Ala
H 2N
COOH
Val
H 2N
COOH
Pro
N
H
SH
Cys
S
Met
COOH H2N
COOH
H2N
Aromatic H
N
COOH
H
N
COOH
HO
H 2N
N
NH
Basic
H 2N
COOH
H2N
Trp
H 2N
COOH
His
H 2N
COOH
Amidic
CONH2
OH
H 2N
COOH
Tyr
H 2N
COOH
Aliphatic
H 2N
COOH
H 2N
Phe
COOH
Gln
H 2N
COOH
Asp
H 2N
CONH2
COOH
COOH
Acidic
Asn
Leu
NH2
COOH
Thr
Ile
NH
Arg
Ser
COOH
H 2N
OH
Hydroxylic
NH2
Lys
COOH
Glu
H 2N
COOH
COOH
アミノ酸のピーク強度と物性との関連づけ
R
H
(+) MALDI mass spectrum of a mixture of 20 amino acids (100pmol/L each)
Angiotensin 及び bradykinin 関連ペプチド
Sequence
Angiotensin1:
[Val5]-Angiotensin1:
Angiotensin2:
[Val5]-Angiotensin2:
[Asn1,Val5]-Angiotensin2:
Angiotensin (Human1-7):
Des-Asp1-[Ile8]-Angiotensin2:
Angiotensin3:
Angiotensin4:
Phosphorylated-Angiotensin3:
Bradykinin:
[Tyr8]-Bradykinin:
Des-Pro2-Bradykinin:
Des-Arg9-Bradykinin:
Des-Arg9-[Leu8]-Bradykinin:
Lysyl-Bradykinin (Kallidin):
Tyrosyl-Bradykinin:
Des-Arg10-Kallidin:
Methionyl-Lysyl-Bradykinin:
Isoleucyl-Seryl-Bradykinin:
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
B10
D-R-V-Y-I-H-P-F-H-L
D-R-V-Y-V-H-P-F-H-L
D-R-V-Y-I-H-P-F
D-R-V-Y-V-H-P-F
N-R-V-Y-V-H-P-F
D-R-V-Y-I-H-P
R-V-Y-I-H-P-I
R-V-Y-I-H-P-F
V-Y-I-H-P-F
R-V-pY-I-H-P-F
R-P-P-G-F-S-P-F-R
R-P-P-G-F-S-P-Y-R
R- -P-G-F-S-P-F-R
R-P-P-G-F-S-P-F
R-P-P-G-F-S-P-L
K-R-P-P-G-F-S-P-F-R
Y-R-P-P-G-F-S-P-F-R
K-R-P-P-G-F-S-P-F
M-K-R-P-P-G-F-S-P-F-R
I-S-R-P-P-G-F-S-P-F-R
ピーク強度を構成アミノ酸の物性と関連づける
(+) MALDI mass spectrum of a mixture of 10 angiotensins (50 fmol each)
using unpurified tap water used CHCA matrix with added 10mM serine
アミノ酸の物性値
プロトン親和力 (PA)
M + H+ → [M+H]+
気相酸性度 (GA)
M → H+ + [M - H]-
疎水性度 (B&B index)
Masspecs
FAB の場合
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
Correlations between ion yields and PA or GA of
amino acid in FAB with DTT/NBA
Positive
Negative
1.0
12
脂肪族/疎水性
10
0.8
molecular ion yield (%)
molecular ion yield (%)
8
6
4
2
0.6
脂肪族/疎水性
0.4
0.2
酸性
アミノ酸
0.0
0
200
210
220
230
240
250
proton affinity (kcal/mol)
正イオン収量と PA の相関
350
340
330
320
310
gas-phase acidity (kcal/mol)
負イオン収量と GA の相関
T.Nishikaze, M.Takayama: Rapid Commun. Mass Spectrom., 20 (2006)376-382.
T.Nishikaze, M.Takayama: Int. J. Mass Spectrom., 268 (2007) 47-59.
Correlations
ion yields
and hydrophobicity
(+)(-)FABbetween
of amino
acid with
DTT/NBA
of amino acid in FAB
Positive
Negative
12
1.0
酸性
10
0.8
塩基性
6
4
芳香族
2
0
molecular ion yield (%)
molecular ion yield (%)
8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
…B&B index による
hydrophobicity (kcal/mol)
正イオン収量と B&B
1
0
hydrophobicity (kcal/mol)
-1
-2
芳香族
負イオン収量と B&B
T.Nishikaze, M.Takayama: Rapid Commun. Mass Spectrom., 20 (2006)376-382.
T.Nishikaze, M.Takayama: Int. J. Mass Spectrom., 268 (2007) 47-59.
(+)(-) FAB of Peptides
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
R-V-Y-I-H-P-F
A9
V-Y-I-H-P-F
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
Positive
B9
B10
Negative
T.Nishikaze, M.Takayama: Rapid Commun. Mass Spectrom., 20 (2006)376-382.
T.Nishikaze, M.Takayama: Int. J. Mass Spectrom., 268 (2007) 47-59.
FABのイオン化を支配する物性
熱化学量
プロトン親和力 (PA)： [M+H]+ 生成量と正の相関
気相酸性度 (GA)：
[M - H]- 生成量と正の相関
Jion = I × Jv
物理物性
疎水性度 (B&B index)：
[M+H]+ および [M-H]- の両方と生成量と正の相関
芳香族アミノ酸の存在：
[M+H]+ および [M-H]- の両方と生成量と負の相関
Masspecs
MALDI の場合
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
Correlations between ion yields and PA or GA of
amino acid in MALDI with CHCA
Positive
120
molecular ion yield (%)
molecular ion yield (%)
200
150
100
Lys
50
0
200
210
220
230
240
proton affinity (kcal/mol)
[M+H]+ と PA の相関
250
Negative
100
80
60
40
20
0
345
Arg
340 335 330 325 320
Gas-phase acidity (kcal/mol)
315
[M-H]- と GA の相関
T.Nishikaze, M.Takayama: Rapid Commun. Mass Spectrom., 20 (2006)376-382.
T.Nishikaze, M.Takayama: Int. J. Mass Spectrom., 268 (2007) 47-59.
Correlations between ion yields and B&B index of
amino acids in MALDI with CHCA
Positive
Negative
MALDI のイオン収量は疎水性度とは無関係
T.Nishikaze, M.Takayama: Rapid Commun. Mass Spectrom., 20 (2006)376-382.
T.Nishikaze, M.Takayama: Int. J. Mass Spectrom., 268 (2007) 47-59.
(+)(-) MALDI ion yields of Peptides
Positive
D-R-V-Y-I-H-P-F-H-L
D-R-V-Y-V-H-P-F-H-L
D-R-V-Y-I-H-P-F
D-R-V-Y-V-H-P-F
Negative
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
D-R-V-Y-I-H-P
R-V-Y-I-H-P-I
R-V-Y-I-H-P-F
V-Y-I-H-P-F
Rの存在
B1
B2
B3
B4
B5
R-P-P-G-F-S-P-F
R-P-P-G-F-S-P-L
Fの存在
B6
B7
Y-R-P-P-G-F-S-P-F-R
B8
K-R-P-P-G-F-S-P-F
B9
M-K-R-P-P-G-F-S-P-F-R
B10
MALDI のイオン化を支配する物性
プロトン親和力 (PA)： [M+H]+ 生成量と正の相関
気相酸性度 (GA)：
[M - H]- 生成量と正の相関
Jion = I × Jv
芳香族アミノ酸の存在：
[M+H]+ および [M-H]- の両方と生成量と正の相関
アルギニンの存在：
[M+H]+ および [M-H]- の両方と生成量と正の相関
Masspecs
ESI の場合
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University
(+)(-) ESI ion yields of peptides
Positive
Ion yield of peptides (reviced ver.)
Ion yield of peptides (reviced ver.)
Negative
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
B1
B2
B3
B4
B5
B6
[M+4H]4+
[M+3H]3+
[M+2H]2+
[M+H]+
B7
B8
B9
B10
[M-H][M-2H]2[M+CH3COO]-
Correlations between ion yields and B&B index of
peptides in ESI
正イオン収量とペプチドの疎水性度*
負イオン収量とペプチドの疎水性度*
5.E+08
3.E+08
2.E+08
4.E+08
A7, A8, A9
3.E+08
3.E+08
corrected total ion yield
corrected total ion yield
4.E+08
2.E+08
A7, A8, A9
1.E+08
9.E+07
2.E+08
angiotensin-related peptides
bradykinin-related peptides
angiotensin-related peptides
bradykinin-related peptides
2.E+08
5.E+07
0
-200
-400
-600
B&B hydrophobicity index
-800
0
-200
-400
-600
B&B hydrophobicity index
*ペプチドの疎水性度…構成アミノ酸の B&B index の平均
A7～A9：電荷数が小さい
-800
ESI のイオン化を支配する因子
多価イオン [M+nH]n+， [M - H]n- の平均電荷数（電荷状
態）が低いとイオン生成量も低い
Jion = I × Jv
疎水性度（B&B）：
[M+nH]n+ および [M-nH]n- 両方とも正の相関
イオン化の式 Ji = I×Jv と試料物性
熱化学量 PA と GA はイオン化反応 I の特性
プロトン親和力 (PA)： [M+H]+ 生成量と正の相関
気相酸性度 (GA)：
[M - H]- 生成量と正の相関
疎水性度と芳香族性は気化 Jv の特性
疎水性度 (B&B index)：
[M+H]+ および [M-H]- の両方と生成量と正の相関
芳香族性（分子間相互作用、紫外レーザー光吸収）は
イオン収量と正負の相関
Masspecs
５．まとめ
MSの全イオン化過程 Jion は，
イオン
気相
I
イオン化
Jv
気化
１．イオン化反応 I （プロトン化，
脱プロトン化，他）
２．気化 Jv（蒸発，脱溶媒，
脱離）
Jv
気化＆
イオン化
（脱離）
イオン化
I
中性試料
凝縮相
気化
Jion = I × Jv
Jion : イオン収量
I
: イオン化効率
Jv
: 気化しやすさ
Masspecs
今後の展開
• イオン化の支配物性の探索
• イオン収量の増加戦略への応用
• 新規イオン化法の開発戦略への応用
• 個別イオン化法への適用と検証
Mass Spectrometry Laboratory, Yokohama City University

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