Mass Spectrometer Quadrupole/Orbitrap/TOF 1918-2026（マススペクトロメーター）
質量分析計。1918年Arthur Dempster発明+Quadrupole(Thermo TSQ Altis ¥80,000,000)/Orbitrap(Thermo Exploris 480/Astral)/TOF(Bruker timsTOF Pro 2)+ESI/MALDI/APCIイオン化+m/z 1ppm精度+プロテオミクス/メタボロミクス
概要
質量分析計は、分子やイオンの質量対電荷比（m/z）を測定し、化学構造や組成を解析する装置です。1918年にアーサー・デンプスターが発明した原子質量計から、現在は高分解能・高速解析が可能なQuadrupole、Orbitrap、TOF（Time‑of‑Flight）といったタイプが主流です。各タイプはイオンの運動方程式や検出方式が異なり、用途に応じて使い分けられます。近年はイオン化法（ESI・MALDI・APCI）と組み合わせ、プロテオミクス・メタボロミクスなどのバイオマス解析に不可欠なツールへと発展しています。
主な特徴・仕組み
| タイプ | 原理 | 主なメリット | 主なデメリット |
|---|---|---|---|
| Quadrupole | 4本の金属電極で電場を駆動し、特定m/zのイオンを選択的に通過させる | 低コスト、安定動作、リアルタイムモニタリングに適する | 分解能（30,000以下）と質量精度（±5 ppm）に限界 |
| Orbitrap | 電場によりイオンを円軌道で捕捉し、周波数解析でm/zを算出 | 高分解能（>100,000）と高精度（±1 ppm） | スキャン速度が遅く、サンプル容量が限定的 |
| TOF | イオンを加速し、検出器までの飛行時間でm/zを算出 | 高速スキャン（数百Hz）と広い質量範囲（10–200,000 m/z） | 分解能はOrbitrapに劣るが、フローイメージングやイメージングMSに有用 |
具体例・対応製品
| 製品名 | 型番 | 主要スペック（数値） | 代表的イオン化法 | 価格（概算） |
|---|---|---|---|---|
| Thermo Scientific | TSQ Altis | 分解能 30,000 (m/z 400) | ESI, APCI | 8,000,000円 |
| Thermo Scientific | Exploris 480 | 分解能 120,000 (m/z 200) | ESI, MALDI | 12,000,000円 |
| Thermo Scientific | Orbitrap Fusion Lumos | 分解能 500,000 (m/z 200) | ESI, MALDI, APCI | 20,000,000円 |
| Bruker | timsTOF Pro 2 | 分解能 100,000 (m/z 200) | ESI, MALDI | 10,000,000円 |
| Waters | Synapt G2-Si | 分解能 30,000 (m/z 400) | ESI, APCI | 9,000,000円 |
| Agilent | 6560 IMS‑QTOF | 分解能 30,000 (m/z 400) | ESI, APCI | 11,000,000円 |
| Shimadzu | LCMS‑8060 | 分解能 30,000 (m/z 400) | ESI, APCI | 7,500,000円 |
| Bruker | MALDI‑TOF | 分解能 20,000 (m/z 200) | MALDI | 5,000,000円 |
| Thermo Scientific | TSQ Altis | スキャン速度 1,000 Hz | ESI | 8,000,000円 |
| Bruker | timsTOF Pro 2 | 2D‑IMS + TOF | ESI | 10,000,000円 |
数値スペック（抜粋）
- 分解能（m/z 200）: 30,000–500,000
- 質量精度: ±1–5 ppm
- スキャン速度: 1–1,000 Hz
- 質量範囲: 10–200,000 m/z
- イオン化法: ESI, MALDI, APCI, DESI, LDI
- 価格帯: 5,000,000–20,000,000円
- サンプル容量: 1–100 µL
- 再現性: 0.5–2 % RSD
- データ容量: 1–10 GB/実験
- ソフトウェア: Xcalibur, MassLynx, Proteome Discoverer, Bruker Compass
選び方・注意点
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解析対象
- タンパク質・ペプチド: 高分解能（Orbitrap）と高精度が必須。
- 小分子・代謝物: 幅広い質量範囲と高速スキャン（TOF）が有利。
- 定量解析: スキャン速度と再現性を重視。
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スキャン速度とデータ量
- 高速スキャンが必要なフローイメージングやリアルタイムモニタリングではTOFが適する。
- 大規模データ解析（プロテオミクス）ではOrbitrapの高分解能とデータベース検索の高速化が重要。
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コスト対効果
- 初期導入費用だけでなく、保守・消耗品（カソード、検出器）のランニングコストを算入。
- 2025年以降、ThermoのTSQ Altisは低価格で高性能を提供し、予算制限のある研究室でも導入しやすくなった。
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ソフトウェアとデータ解析
- データ解析パイプライン（Proteome Discoverer, Skyline, OpenMS）との互換性を確認。
- 2026年に登場したAIベースのピーク検出アルゴリズムは、OrbitrapとTOFの両方で利用可能。
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保守とサポート
- 主要メーカー（Thermo, Bruker, Waters）は24時間体制のリモートサポートを提供。
- 2025年以降、サブスクリプション型メンテナンスサービスが普及し、予期せぬダウンタイムを削減。
関連用語との違い
| 用語 | 主な特徴 | 主な用途 | 代表的装置 |
|---|---|---|---|
| FT‑ICR | 直流磁場でイオンを捕捉、フーリエ変換でm/z算出 | 超高分解能（>1,000,000） | Bruker SolariX |
| MALDI‑TOF | クリスタル基質でレーザー加熱、TOFでm/z算出 | バイオマーカー探索、ペプチドマッピング | Bruker MALDI‑TOF |
| IMS‑TOF | イオン移動時間分離 + TOF | 立体異性体分離 | Bruker timsTOF |
| LC‑MS | クロマトグラフィー + MS | 複雑混合物の分離・定量 | すべてのタイプで併用可能 |
Quadrupoleは選択性が高く、リアルタイムモニタリングに適しています。Orbitrapは分解能と質量精度が高く、複雑なタンパク質混合物の同定に強いです。TOFは高速スキャンと広い質量範囲を持ち、イメージングやフロー解析に最適です。
よくある質問 (FAQ)
-
Q: どのタイプがプロテオミクスに最適ですか？
A: Orbitrapは高分解能と質量精度が必要なため、ペプチドの同定と定量に最適です。ただし、サンプル量が限られる場合はTOFの高速スキャンを併用することで、解析時間を短縮できます。 -
Q: Quadrupoleは低価格ですが、精度は十分ですか？
A: Quadrupoleは±5 ppmの質量精度を持ち、定量解析や定性解析には十分です。ただし、同定においてはOrbitrapやTOFの高精度が有利です。 -
Q: 2026年のトレンドとしてどの機種が注目されていますか？
A: 2025年以降、ThermoのTSQ Altisは低価格で高性能を提供し、2026年にはAIベースのピーク検出が標準搭載されました。また、Bruker timsTOF Pro 2はIMSとTOFを統合し、立体異性体分離と高速解析を両立しています。
まとめ
質量分析計は、Quadrupole、Orbitrap、TOFという三大タイプがそれぞれ独自の原理とメリットを持ち、研究対象や解析目的に応じて選択されます。2025–2026年の動向では、コストパフォーマンスの向上とAI解析の統合が進み、より高速・高精度なデータ取得が可能になっています。選定時は、解析対象、スキャン速度、分解能、コスト、サポート体制を総合的に評価し、最適な装置を選ぶことが重要です。