タンデム質量分析計

気相イオンのフラグメンテーションはタンデム質量分析に不可欠で、質量分析の異なるステージの間で行われます。

In-source fragmentationEdit

多くの場合、イオン化プロセスは十分に激しく、得られたイオンは質量分析計内でフラグメントを形成するのに十分な内部エネルギーを持っています。 生成されたイオンが自己解離するまでの間に非平衡状態にある場合、このプロセスはメタスタブルフラグメンテーションと呼ばれます。 ノズルスキマーフラグメンテーションは、エレクトロスプレーデバイスのノズルスキマーポテンシャルを上げることにより、意図的にインソースフラグメンテーションを引き起こすことを指します。 インソースフラグメントではフラグメンテーション分析が可能ですが、メタステーブルイオンを自動解離前に質量分析または選択し、得られたフラグメントに対して第2段階の分析を行わなければ、技術的にはタンデム質量分析ではありません。 インソースフラグメントは、タンデム質量分析データに直接マッチするフラグメントを生成するEISA（Enhanced in-Source Fragmentation Annotation）技術を利用することで、タンデム質量分析の代わりに使用することができます。 EISAで観測されるフラグメントは、タンデム質量分析計のコリジョンセルで損失する従来のフラグメントよりも高い信号強度を有しています。 EISAは、飛行時間型やシングル四重極型などのMS1質量分析計でフラグメントデータの取得を可能にします。

衝突誘起解離Edit

タンデム質量分析実験では、多くの場合ポストソース解離が使用されます。 また、中性原子や分子との衝突、放射線の吸収、多価イオンによる電子の移動または捕獲によって、通常はすでに振動励起されているイオンにエネルギーを付加することもできます。 衝突誘起解離（CID）は衝突活性化解離（CAD）とも呼ばれ、気相中でイオンと中性原子または分子を衝突させ、その後イオンを解離させるものである。 例えば、

AB + + M ⟶ A + B + + M {}displaystyle {}ce {{AB+}+ M -> {A}+ {B+}+ M}}} を考えてみましょう。

ここでイオンAB+は中性種Mと衝突し、その後分解される。 この過程の詳細は衝突理論によって記述される。 装置構成の違いにより、主に2種類のCIDが可能です。 (i)ビーム型(プリカーサーイオンを飛行中に解離させる)と(ii)イオントラップ型(プリカーサーイオンをトラップしてから解離させる)です。

第三の、より新しいタイプの解離は、高エネルギー衝突解離（HCD: Higher- Energy Collisional Disociation）です。 HCDは、オービトラップ質量分析計に特有のCID技術で、イオントラップの外側でフラグメンテーションが行われ、HCDセル（「イオンルーティング多重極」と呼ばれる装置もあります）で行われます。 HCDは、ビームタイプの特性を持つことが示されているトラップタイプのフラグメンテーションです。 自由に利用できる大規模な高分解能タンデム質量分析データベースが存在し（例えば、実験的なCID MS/MSデータを持つ85万個の分子標準をそれぞれ持つMETLIN）、一般に低分子の同定を容易にするために使用されています。

Electron capture and transfer methodsEdit

電子が多価イオンに移動または捕獲されたときに放出されるエネルギーは、フラグメントを誘発する。

Electron-capture dissociationEdit

多価正イオンに電子が加えられるとクーロンエネルギーを解放する。 自由電子を加えることを電子捕獲解離（ECD）といい、

n + + e – ⟶ ( n – 1 ) + ]で表されます。 ∗ ⟶ fragments {displaystyle ^{n+}+{ce {e^{-}->}} left^{(n-1)+}right]^{*}{ce {->fragments}}}

for multiply protonated molecule M.

電子移動解離Edit

イオン-イオン反応により電子を付加することを電子移動解離(ETD)といいます。 電子捕獲解離と同様に、陽イオン（ペプチドやタンパク質など）に電子を移動させることで解離を起こします。 ETDは自由電子を用いず、ラジカルアニオン（アントラセンやアゾベンゼンなど）を用いている：

n + + A – ⟶ ( n – 1 ) + ]。 ∗ + A ⟶ fragments {displaystyle ^{n+}+{ce {A^{-}->}} {left^{(n-1)+}right]^{*}+{ce {A->fragments}}} ∗ + A ⟶ fragments {displaystyle ^{n+}+{ce {A^{-}->}} {displaystyle {Distribution

ここでAはアニオン。

ETDはペプチド基部（cとzイオン）に沿ってランダムに切断し、リン酸化などの側鎖や修飾はそのままにされる。 ETDは高電荷イオン(z>2)に対してのみ有効ですが、衝突誘起解離(CID)と比較すると、長いペプチドやタンパク質全体の解離に有利な方法です。 このため、トップダウンプロテオミクスには欠かせない技術となっています。

Electron-transfer and higher-energy collision dissociation (EThcD) は、ETD と HCD を組み合わせた手法で、まずペプチド前駆体をリニアイオントラップでフロランテンアニオンとイオン/イオン反応を行い、c-イオンとz-イオンを生成させるものです。 第二段階では、HCDによる全イオンフラグメンテーションをETD由来の全イオンに対して行い、b-とy-イオンを生成した後、オービトラップアナライザーで最終分析します。

Negative electron-transfer dissociationEdit

フラグメントは、脱プロトン化種でも起こり、その種からカチオン試薬に電子が移動してNegative electron transfer dissociation (NETD):

n – + A + ⟶ ( n + 1 ) – 】が発生することがある。］ ∗ + A ⟶ fragments {displaystyle ^{n-}+{CASE {A+->}}left^{(n+1)-}right]^{*}+{CASE {A->fragments}}} ∗ + A ⟶ fragments +{CASE {A+->}}} {displaystyle +{CASE {A+->}}right}}} ∗ + B

この移動イベント後、電子不足アニオンは内部転位を受けフラグメンテーションを起こします。

NETDはペプチドやタンパク質のCα-C結合の骨格に沿って断片化するのに適している。

Electron-detachment dissociationEdit

Electron-detachment dissociation (EDD) は、質量分析においてアニオン性化合物をフラグメント化する手法の一つで、EDDはアニオン性化合物のフラグメント化に適しています。 電子捕獲解離に対するネガティブカウンターモードとして機能します。 負電荷イオンは、中程度の運動エネルギーを持つ電子の照射により活性化されます。

電荷移動解離Edit

正に帯電したペプチドとカチオン試薬の反応は、電荷移動解離 (charge transfer dissociation; CTD) として知られており、低電荷状態 (1+ または 2+) ペプチドの代替高エネルギー解離経路として最近立証されています。 ヘリウム陽イオンを試薬として用いたCTDの機構は次のように提案されている：

1 + + He + ⟶ 2 + ]。 ∗ + He 0 ⟶フラグメント{Θdisplaystyle{ce {{^{1}+}+He+->}} sequleft^{2}+}}right]^{*}+{ce {He^{0}->fragments}}

CTD がペプチドのバックボーン Cα-C 結合切断を引き起こし a– および x 型プロダクトイオンが得られるという最初の報告であったが、CTD がペプチドの切断を引き起こすと、その生成物イオンに含まれる Cα-C結合の切断が起こり、その結果、CTD がペプチドの切断を引き起こすということがわかった。

光解離Edit

解離に必要なエネルギーが光子の吸収によって加えられ、イオンの光解離が起こり、

AB + + h ν ⟶ A + B + {displaystyle {ce {{AB+}+{meathit {h\nu }}->{A}+B+}}} で表わされる。

where h ν {displaystyle hnu } } {}の場合

はイオンが吸収した光子を表します。 紫外線レーザーも使用可能だが、生体分子の過度のフラグメンテーションを引き起こす可能性がある。

Infrared multiphoton dissociationEdit

赤外線の光子はイオンを加熱し、十分に吸収されれば解離を起こす。

Blackbody infrared radiative dissociationEdit

Blackbody radiation is used for photodissociation in a technique known as blackbody infrared radiative dissociation (BIRD). BIRD法では、質量分析計の真空槽全体を加熱して赤外光を発生させます。 BIRDでは、この放射線を用いて、イオンの振動をより高エネルギーに励起し、結合が切断されてフラグメントが生成されるまで続けます。 これは、赤外多光子解離と似ていますが、赤外光源が異なります。

表面誘起解離 編集

表面誘起解離（SID）では、高真空下でイオンが表面に衝突することにより解離が起こります。 現在、SIDはさまざまなイオンのフラグメンテーションに利用されています。 数年前までは、イオン化法と質量分析計の技術が十分でなく、高いm/zのイオンを適切に形成、伝達、特性評価できなかったため、低質量の一重荷電種にのみSIDを使用することが一般的でした。 その後、金基板上にCF3(CF2)10CH2CH2Sからなる自己組織化単分子膜表面（SAM）が、タンデム分光器におけるSIDの衝突表面として最も多く使用されるようになりました。 SAMは、入射イオンの衝突に対する有効質量が大きいという特徴があり、最も望ましい衝突ターゲットとして機能してきました。 さらに、これらの表面は剛性の高いフルオロカーボン鎖で構成されているため、発射されるイオンのエネルギーを大きく減衰させることはない。 また、フッ化炭素鎖は、金属表面から入射イオンへの容易な電子移動に抵抗する能力を持っていることも利点である。 SIDは、安定なサブコンプレックスを生成し、接続性に関する貴重な情報を提供する能力は、他の解離手法の追随を許さないものである。 SIDから生成される複合体は安定で、フラグメントの電荷分布を保持するため、複合体が狭いm/z分布を中心とするユニークなスペクトルを生成します。 SIDの生成物や生成時のエネルギーは、複合体の強度やトポロジーを反映しています。 ユニークな解離パターンは、複合体の4次構造の解明に役立つ。

SID法はイオンモビリティー質量分析法(IM-MS)にも応用できます。 この手法には、タンパク質構造のトポロジー、サブユニット間の結合性、アンフォールディングの度合いを分析する3つの方法があります。 タンパク質構造のアンフォールディングの解析は、SID技術の最も一般的なアプリケーションです。 イオンモビリティ質量分析（IM-MS）では、SIDは3つの異なるタイプのタンパク質複合体のソース活性化前駆体の解離に使用されています。 C反応性タンパク質（CRP）、トランスサイレチン（TTR）、コンカナバリンA（Con A）です。 この方法を用いて、それぞれの複合体についてアンフォールディングの度合いを観察している。 この観察では、SIDは表面と衝突する前のプリカーサーイオンの構造を示しています。 IM-MSでは、このSIDを利用して、タンパク質のサブユニットのコンフォメーションを直接測定することができます。 これらの特徴から、FTICR質量分析計は、衝突誘起解離（CID）、電子移動解離（ETD）などのいくつかの解離実験など、さまざまな用途に有用なツールとなっています。 さらに、ペプチドのフラグメンテーションを研究するために、表面誘起解離がこの装置で実施されています。 特に、SIDはICR装置内で気相フラグメンテーションのエネルギー論と動力学の研究に適用されています。 このアプローチは、プロトン化ペプチド、奇数電子ペプチドイオン、非共有結合リガンド-ペプチド複合体、および配位した金属クラスターの気相フラグメンテーションを理解するために使用されている。