JMS-S3000 SpiralTOF™-plus 3.0
ポリマー解析システム

特長

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ポリマーの解析に最適な MALDI-TOFMS

JMS-S3000 SpiralTOF™-plus 3.0 はJEOL独自のSpiralTOFイオン光学系を採用した超高質量分解能・高感度なマトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間質量分析計(MALDI-TOFMS)です。その高い質量分解能・高い質量精度・広いダイナミックレンジは合成ポリマーの解析に最適です。
ポリマーは、モノマーの重合度の違いにより分布をもちます。末端基が異なるポリマーの混合物や、共重合ポリマーの解析では、多様な組成の化合物が含まれることになります。そのため幅広い質量域において超高質量分解能を達成することが重要です。また、多様な成分を含む試料の分析では、特に微量成分の質量分離が重要ですが、SpiralTOF™-plus 3.0 は扇形電場によりポストソース分解由来のイオンを排除できるので、微量成分の質量分離も容易に達成することができます。このようにポリマーを解析するためには、マススペクトルの縦軸・横軸ともに幅広いレンジでの分析が必要になり、SpiralTOF™-plus 3.0 はその要望に応える装置です。
SpiralTOF™-plus 3.0 で得られるポリマーのマススペクトルは極めて複雑で情報量が多いものとなり、それを手動で解析することは現実的ではありません。この問題は最先端のポリマー解析ソフトウェア、msRepeatFinder が解決します。

常識の限界に挑戦したSpiralTOFイオン光学系

飛行時間質量分析計の質量分解能・質量精度を向上させるためには、同じ質量をもつイオン群 (イオンパケット) を広げることなく、「限られた空間内」で「飛行距離を延長」することが必要です。
マルチターン型TOFMSの基本原理である"Perfect focusing"と"Multi-turn"の原理を、JEOL独自の技術で発展させたSpiralTOFイオン光学系により、限られた空間内に17 mのらせん状のイオン軌道を実現しました。イオンパケットは、らせん軌道の1階層毎に収束されるため、高い質量分解能・質量精度と同時に高いイオン透過率も実現しています。

ペプチド標準品混合物の質量分解能 (10回の実測値の平均)

マトリックス結晶の凹凸の影響を低減

マトリックス結晶の凹凸は、飛行開始位置の違いとなり、結果として飛行時間差となります。SpiralTOF™-plus 3.0では、飛行距離の延長により、この影響を最小限に抑え、質量分解能が安定するとともに、外部標準法による高い質量精度を実現しました。また生体切片試料のマスイメージングのように、面積が広く、かつ不均一な試料表面の測定においても、高い質量分解能と質量精度が維持されます。

広いダイナミックレンジの実現

SpiralTOF™-plus 3.0では、信号処理に14-bit ADC (アナログ-デジタル変換器) を採用し、広いダイナミックレンジを実現しました。これにより、4桁程度のイオン強度差があるピークも同時に検出することが可能となりました。また、通常の溶液測定のみならずマスイメージング測定においても微量成分の分析が容易となりました。下記は、ポリエチレンオキシドとプロピレンオキシドを1,000:1で混合した試料の測定例です。ポリマー分析の場合はケンドリックマスディフェクト (KMD) 解析と組み合わせることで、発見が困難な微量成分の分析も可能となります。

ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシド 1,000:1 の混合物のマススペクトル

SpiralTOF™-plus 3.0は広いダイナミックレンジを実現し、微量成分の分子量分布を算出することができます。

Spiral モードの測定質量範囲拡大

SpiralTOF^™-plus 3.0 では Spiral モードの測定質量範囲が m/z 50,000 までに拡大されました。高分子量ポリマーなどの、より高精度な分析が可能となりました。

Poly(styrene) (PS) 10 kDa, 20 kDa, 40 kDa 混合物の Spiral モード・正イオンマススペクトル

TOF/TOF オプションとリニアTOFオプションの特長と用途

TOF/TOF オプション

特長

• 第一MSにSpiralTOFイオン光学系を採用することで高いプリカーサーイオン選択能を実現し、プリカーサーイオンのモノアイソトピックピークを適切に選択可能です。

• 高エネルギー衝突誘起解離 (HE-CID) により構造情報を豊富に含んだプロダクトイオンマススペクトルを得ることが可能です。

• JEOLの独自技術であるオフセットパラボリックリフレクトロンにより、m/z 5からプリカーサーイオンまで、すべてのプロダクトイオン情報を取得し、信頼性の高い構造情報を得ることが可能です。

用途

• 有機化合物の構造解析において、HE-CIDによる構造情報に加え、イオン種 (付加イオン) を決定することで Spiralモードの精密質量による組成推定の確度向上が可能です。

• ペプチドのアミノ酸配列解析では、HE-CIDの特長としてロイシン・イソロイシンなど構造異性体の識別が可能です。またインモニウムイオンの確認によりペプチドを構成するアミノ酸の確認も可能です。

• 添加剤、界面活性剤、脂質などの分析では、構成要素であるアルキル鎖の構造解析が重要です。HE-CIDではアルキル鎖長および二重結合の位置が推定可能です。

• ポリマーの構造解析では、プロダクトイオンマススペクトルからイオン種 (付加イオン) や末端基の質量を確認できます。Spiralモードの組成推定結果と総合して構造推定の確度向上が可能です。

Poly(oxypropylene) のプロダクトイオンマススペクトル

SpiralTOF™-plus 3.0ではモノアイソトピックイオンのみが選択可能なため、2 u差の2つのプロダクトイオンが同位体イオンでは無く、異なった構造を持ったものであることが明白となります。

リニアTOFオプション

特長

• リニアTOF オプションでは、イオンはイオン源から直線的に飛行・検出されます。

• イオンが飛行中にポストソース分解 (PSD) を起こした場合、生成したイオンや中性粒子は開裂前と同じ速度で飛行・検出されるため、 Linearモードのマススペクトル上ではPSDイオンは開裂前のイオンと同じ信号として検出されます。そのため、LinearモードのマススペクトルはPSD を起こし易い高質量なサンプルを高感度で測定可能です。

• Spiral モードとLinear モードにより、測定できるターゲットの幅がさらに広がります。

用途

• ポリマーの分子量分布のスクリーニングに威力を発揮します。

• 質量が数千から数万と広い分布を持つポリマー試料の分子量分布・多分散度などの計算が可能です。

• インタクトなタンパク質など、分子量1万以上の高質量サンプルの高感度測定が可能です。

• タンパク質、糖鎖などのPSDを起こしやすいサンプルの高感度測定が可能です。

Poly (styrene) 40 K, 100 K, および 200 Kのマススペクトル

ポリマー解析を得意とするSpiralTOF™-plus 3.0

末端基が異なるポリマーの混合物や共重合ポリマーには多様な化合物が含まれ、キャラクターの把握にはそれぞれの化合物の検出が必要ですが、それには幅広い質量範囲における超高質量分解能が求められます。また高機能化のために複数種のポリマーや微量添加剤のブレンドが行われるために、基材のみならず微量成分の検出も重要となります。
広範囲での超高質量分解能、広いダイナミックレンジを有するSpiralTOF™-plus 3.0はこれらの要件を満たすソリューションとなります。SpiralTOF光学系の大きな特長であるポストソース由来イオン排除も明瞭なマススペクトル解析に大きく寄与しています。
高機能化やリサイクルによって近年ますます複雑化するポリマー分析に最も有効かつ唯一のソリューションを提供します。

ポリメタクリル酸メチル (PMMA) のマススペクトル (m/z 2,000-9,000)

SpiralTOF™-plus 3.0 はポリマー分析に必要な広い質量範囲での高質量分解能を達成します。

ポリマーの末端基分析

JMS-S3000 SpiralTOF™-plus3.0で測定されたマススペクトルに、msRepeatFinderによる解析を適用することで、末端基が異なる複数のホモポリマーの混合物を視覚化しグループ化することができます。下記の例ではKMDプロットによって少なくとも4つの末端基が異なるシリーズが存在することが分かりますが、更にKMR (Kendrick Mass Remainder) プロットを用いることで実際には5つのシリーズが存在することが確認されました。また末端基の組成を指定することでKMDプロット上を探索しグループ化することが可能です。グループ化されたシリーズについては表のような相対イオン強度やポリマー指標値が計算されます。

末端基の異なるポリエチレンオキシドの混合物MALDIマススペクトル・KMDプロット・KMRプロット

精密質量測定とMS/MS測定 (プロダクトイオンマススペクトル) からの末端基構造の推定

msRepeatFinderでは測定精密質量からイオンの元素組成を推定することができます。グループ④の末端基の組成推定結果を示します。4つの候補はすべて同じ元素組成で重合度が異なるものです。プロダクトイオンマススペクトルから得られる情報から更に候補を絞り込みました。プロダクトイオンマススペクトルにm/z 23のピークが観測されているので、プリカーサーイオンはナトリウム付加イオンであることがわかります。プロダクトイオンマススペクトルのRKM (Remainder of Kendrick Mass) プロットを作成すると、特徴的なニュートラルロスから1つの末端基の大きさが254 u程度、もう一方は小さいことがわかります。その結果、末端基C₁₈H₃₇ / OH をもつポリエチレンオキシドであると推定することができました。

グループ④のプロダクトイオンマススペクトルとRKMプロット

コポリマー (共重合ポリマー) の解析

2つ以上のモノマーで構成されるコポリマーには、高質量分解能による分析が必要です。JMS-S3000 SpiralTOF™-plus 3.0を用いれば、マススペクトルに現れる多くの同重体ピーク (整数質量は同じで精密質量が異なる) を分離することができます。コポリマーのマススペクトルは複雑なため、1つ1つのピークをアサインしていくことは現実的ではありません。msRepeatFinderを用いてKMD解析により分布の様子を可視化することができます。下図はEO-POのブロックコポリマーの分析例です。マススペクトルを拡大していくと高い分解能により0.03 u以下の分離を実現できていることが分かります。このスペクトルをKMDプロットで可視化すると (base unit: PO)、水平方向にPOの分布、斜め方向にEOの分布を反映した格子が見えます。更にFraction Base KMDプロットを使用することで、従来のKMDプロットよりも明確にポリマーのシリーズを可視化することができます。

EO-POブロック共重合体のマススペクトル

KMDプロット(左) / Fraction baseKMDプロット(右)

KMDプロット上でのパターンから二元系コポリマーに含まれる2種類のモノマーの比率、あるいは合成プロセスの差異を知ることができます。下記に、平均分子量はほぼ等しい2種類のEO-POコポリマーのマススペクトルとKMDプロット (base unit: PO) を示します。
PO-EO-POブロックコポリマーのマススペクトル・KMDプロット上には、微量ですがPOホモポリマーが検出されました。ランダム重合された EO-POコポリマーにEOあるいはPOのホモポリマーが残留することは合成プロセス上考えにくいので、この試料がブロックコポリマーである傍証の一つと考えられます。

一方EO-POランダムコポリマーに関しては、EOモノマーの個数分布の範囲が広いことがKMDプロットからわかります。また末端基を指定することで構成するEO/POの重合度をプロットでき、そこからモル比と重量比の算出が可能です。PO-EO-POブロックコポリマーの重量比は、カタログ値とよく一致しています。このことからEO/PO比率は非公開のランダムコポリマーのEO/POの構成比も推定することが可能です。

EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのマススペクトル

EO-POランダムコポリマーとPO-EO-POブロックコポリマーのKMDプロットの重ね書き

EO-POランダムコポリマーの重合度プロット

モル比 %		重量比 %
EO	PO	EO	PO
79.8	20.2	75.0	25.0

EO-POブロックコポリマーの重合度プロット

モル比 %		重量比 %
EO	PO	EO	PO
46.8	53.2	40.1	59.9

ポリマーの差異分析

試料の劣化、ロット間差、合成過程の違いなど、ポリマーの末端基や分子量分布の差異分析は非常に重要です。msRepeatFinderでは2検体間の差異分析を行うことができます。以下は、ポリエチレンテレフタレートの劣化解析に応用した事例です。下段左に劣化前後のマススペクトルを示します。劣化前は環状オリゴマーが、劣化後にはCOOH/COOH末端をもつシリーズが主成分として観測されました。それぞれのマススペクトルを3回取得し差異分析を実施しました。下段右は差異分析結果をKMDプロットにしたものです。赤は劣化前に優位、緑は劣化後に優位なピークです。またボルケーノプロットも作成でき、統計的に有意差がある成分を確認することができます。

劣化前後のマススペクトル

差異分析結果のKMDプロット

差異分析結果のKMDプロット

msRepeatFinder ポリマー解析用ソフトウェア (オプション)

複雑なスペクトルについてKendrick Mass Defect (KMD) プロットとKendrick Mass Remainder (KMR) プロットを駆使して含まれるポリマー種や末端基を推定し、ポリマーの正体を明らかにします。さらに2検体間の差異解析も可能であるため、試料の劣化、ロット間差、合成過程の違いの検証に威力を発揮します。

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進化したマスイメージング解析

マスイメージングは、当初タンパク質、ペプチドなど高分子量の化合物を対象に技術開発が進みました。しかしアプリケーションが拡大するにつれ、脂質、薬剤、代謝物など低分子化合物の分析が主流となっています。従来のリフレクトロンMALDI-TOFMSは、マトリックス由来のピークが観測されてしまう低分子量域の測定は不得意とされてきました。マスイメージングではそれに加えて、試料表面の夾雑物成分も観測されるため、目的化合物の観測を妨げる要因が増えます。そのため、低分子領域であっても高い質量分解能で、選択性の高い局在情報を取得することが大変重要です。また、試料の面積が広く、かつ不均一な試料表面の測定においても、高い質量分解能と質量精度を長時間維持することが重要です。
超高質量分解能を有し、また長い飛行距離によって試料表面の不均一さによる質量分解能低下を最小に抑えるSpiralTOF™-plus 3.0は、イメージングの要件を満たす高性能のMALDI-TOFMSです。さらに、高速マスイメージング解析にも対応しています。

AI (機械学習) によるノイズフィルター FINE-AI Filter

マスイメージングデータ処理ソフトウェア msMicroImager™ version 3 (オプション) には、AI (機械学習) を用いたノイズフィルターFINE-AI Filterを新たに搭載しました。走査電子顕微鏡 (SEM) で培った LIVE-AI (Live Image Visual Enhancer-AI) の技術をマスイメー ジングデータ処理に最適化して実装することで、マスイメージの画質の大幅向上を実現しました。

高分子材料のマスイメージング

マスイメージングは高分子材料にも応用が可能です。ポリメタクリル酸メチル (PMMA) に酸化防止剤 (Irgafos168 (BASF社製) とIrganox1010 (BASF社製) の2種類) を混合した2つのスポットを作成し、右側のスポットのみ紫外線照射を行いマスイメージングで劣化の様子を可視化しました。ポリマーおよび添加剤の両方の量的な変化を可視化することができます。また、ポリマーについては平均分子量や多分散度の変化も捉えることが可能です。

PMMA, Irgafos168, Irganox1010 のマスイメ―ジング

Interview

高分子の姿をイメージできるようにしたい

国立研究開発法人産業技術総合研究所　機能化学研究部門 副研究部門長
佐藤 浩昭 博士

30年にわたって質量分析装置の進化に寄り添い、その性能を最大限に引き出すことで高分子の世界で起こっていることを明らかにしてきた佐藤博士。その知見をつぎ込んだ評価手法が、化学産業に新たな力を与えようとしている。

カタログダウンロード

MALDI: JMS-S3000 SpiralTOF™-plus 3.0　マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間質量分析計

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JMS-S3000 SpiralTOF™-plus 3.0 マスイメージングシステム

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ムービー内で紹介したアプリケーション

甲状腺がん組織の脂質 (リン脂質・脂肪酸) の分布

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