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質量分析 しつりょうぶんせき mass spectroscopy

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ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

質量分析
しつりょうぶんせき
mass spectroscopy

物質を質量分析計イオン化して分離し,イオンと電場や磁場との相互作用を利用して,質量を電荷数で割った値に従いながら,分子・原子のイオンを分析する方法。諸種の原子 (同位体) は固有の質量をもつので,逆に,質量を測定すれば原子を同定できる。

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デジタル大辞泉の解説

しつりょう‐ぶんせき〔シツリヤウ‐〕【質量分析】

加速したイオンが電場や磁場の中を通るときに、その電荷と質量との比に応じて進路が曲がることを利用した分析法。同位体の区別・定量などに用いられる。

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

質量分析
しつりょうぶんせき
mass analysis

物質をイオン化し、電場磁場との相互作用を利用して原子や分子の質量の違いによって分析する方法。[高田健夫]

歴史

1912年、J・J・トムソンが質量測定から同位体(アイソトープ)を発見したのを始まりに、1920年代には弟子のF・W・アストンが速度収束質量分析器の製作に成功し、これにより既知元素のほとんどに同位体が存在することがわかった。アストンはこれらの業績により22年にノーベル化学賞を受けた。アストンの同位体の研究にはガス放電イオン化法が偉力を発揮したが、ほとんど同時期に電子衝撃イオン化法(EI)が、デンプスターArthur Jeffrey Dempster(1886―1950)によって開発された。質量分析では試料を気相のイオンにすることが必須(ひっす)であり、さまざまなイオン化法が開発・改良されてきた。質量分析発展の歴史は新しいイオン化法の開発の歴史といえる。
 1935年には、それまで困難であった固体の鉱物や金属のイオン化がアーク放電イオン化法の開発で可能となり、同位体測定に基づいた地質年代測定法が確立された。有機炭化水素への応用は40年代に始まり、その後の石油化学工業の発展を陰で支えた。50年代には加熱試料導入法が開発され、また、直接固体試料導入法から固体有機分子の分析への道が開かれた。60年代にはガスクロマトグラフ(GC)と質量分析装置(MS)とを結合したガスクロマトグラフ質量分析装置(GCMS)が開発され、多成分系の試料が容易に分析できるようになった。質量分析計はイオン化室で生成したイオンを質量分析部で質量/電荷の大きさの順に分離するが、この部分はつねに排気されて高真空に保たれている。したがって、無機物質のように高真空下でイオン化がむずかしいものはイオンを安定的に質量分析計に導入することが困難であった。しかし、70年代に二次イオン質量分析法(SIMS)、グロー放電質量分析法(GDMS)、レーザーアブレーション(LA)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICPMS)その他、種々の無機物質のイオン化法が実用化されるようになり、今日では金属材料、半導体、環境計測などの分野では必要不可欠の手段となっている。
 生体成分も不揮発性でEIによるイオン化法が適用できないものが多いが、1981年に高速原子衝撃(FAB)法が開発され、分子量が数千のペプチドや糖類の測定が可能となった。85年にはJ・B・フェンによるエレクトロスプレーイオン化(ESI)、87年には田中耕一らによるマトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)などの手法が開発され、分子量が数万から十万を超す生体高分子などの分子量測定が可能となった。フェンと田中は「生体高分子の質量分析法のための脱離イオン化法の開発」の業績で2002年ノーベル化学賞を受賞した。それまでむずかしいとされていたタンパク質などの分子量測定が、微量でしかも短時間で可能となり、生命科学の分野ではなくてはならない装置として使われている。[高田健夫]

イオン化法の種類

イオン化法の種類には、以下のようなものがある。
(1)電子衝撃による方法=電子衝撃イオン化法(EI)
(2)粒子衝撃による方法=高速原子衝撃(FAB)、二次イオン質量分析法(SIMS)
(3)レーザー照射による方法=マトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)、レーザー脱離イオン化(LD)
(4)化学反応による方法=化学イオン化(CI)、大気圧(化学)イオン化(API)
(5)電場による方法=電界イオン化(FI)、電界脱離イオン化(FD)、表面電離イオン化(SI)、グロー放電イオン化(GD)、誘導結合プラズマイオン化(ICP)
(6)噴霧法=エレクトロスプレーイオン化(ESI)、サーモスプレーイオン化(TSI)、ソニックスプレーイオン化
 どのイオン化法を用いるかは、測定しようとする試料の性質により、得られる質量スペクトルのパターンもイオン化法式に依存する。[高田健夫]

質量分離方式

イオン化室で生成したイオンは質量分析部で質量/電荷の比に応じて分離する。この部分は高い真空度に保たれており、イオンが気体分子と衝突せずに通過できるように設計されており、大別して、電磁場との相互作用を利用する方式と運動速度の差を利用する方式とがある。前者のうち、磁場のみのものを単収束型、電場と磁場の両方をもつものを二重収束型という。単収束型の場合、イオン化室での加速電圧V、質量分析部の磁場強度H、イオンが通過する円弧状の経路の半径rと、イオンの質量mと電荷zとの比の間には、m/zH2r2/2Vの関係が成り立つ。ある型の装置では半径や磁場強度が固定されているので、適当なm/z比をもったイオンだけがここを通過できる。それ以外のイオンは分析室の内壁にぶつかり電荷を失って、電荷をもたない気体分子として系外へ排気される。イオンを収束させるには加速電圧を変えるか磁場強度を変えることによって行われる。また、電場のみとの相互作用を利用した代表的なものは四重極型である。イオンの運動速度の差を利用した方式を飛行時間型(TOF)という。イオン化室で一様な電場でイオンを加速すると、イオンはひとかたまりのイオンの集団として飛び出して電場がゼロの飛行管に入り直線軌道をとるが、飛行速度はイオンの質量の平方根の逆数に比例するので、軽いイオンは重いイオンよりも飛行速度が速く、飛行中にその質量の違いによって分離される。[高田健夫]

イオンの検出

電子増倍管はイオンビームが管のダイノード(二次電子放出面)に入射し、イオンビームを電子ビームに変換する。また、生成した二次電子を増幅する。イオンを金属電極に集め、電荷量を電流として検出するものをファラデーカップという。[高田健夫]
『土屋正彦・大橋守・上野民夫編『質量分析法の新展開』(1988・東京化学同人) ▽J・R・チャップマン著、土屋正彦・田島進・平岡賢三・小林憲正訳『有機質量分析法』(1995・丸善) ▽日本表面科学会編『二次イオン質量分析法』(1999・丸善) ▽デビッド・ブリッグス、マーティン・P・シーア編、志水隆一・二瓶好正監訳『表面分析 SIMS――二次イオン質量分析法の基礎と応用』(2003・アグネ承風社)』

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