| 王立スウェーデン科学アカデミーは９日、今年のノーベル化学賞を、島津製作所ライフサイエンス研究所主任の田中耕一氏（４３）、バージニア・コモンウエルズ大教授のジョン・Ｂ・フェン博士（８５）、ETH（スイス連邦工科大）教授のクルト・ビュートリッヒ博士（６４）に贈ると発表した。
日本人ノーベル化学賞は４人目で、３年連続となる。また今年は、ノーベル物理学賞を小柴昌俊・東大名誉教授も同時受賞しており、化学分野に限らず、日本の研究レベルの高さを世界にアピールする結果となった。まことに喜ばしい結果である。
今回は２００２年度ノーベル化学賞の受賞対象となった発明、特にMS関連について、簡単にではあるが紹介してみたい。 →関連リンク
今回のノーベル化学賞はNobel
e-Museumの発表によると、
"for
the development of methods for identification and structure analyses
of biological macromolecules"
すなわち「生体高分子の同定および構造分析手法の開発」に対して贈られた。
学術的には分析化学という学問分野にカテゴライズされる。分析化学分野にノーベル化学賞が贈られるのは実はそう珍しいことではなく、過去にもいくつか例がある。たとえば代表的なものとして、１９８５年化学賞のHerbert.E.HauptmanとJ.Karle（X線結晶構造解析における直接法の開発）、１９９１年化学賞のRichard.R.Ernst(FT-NMR及び２次元NMRの開発)などがあげられる。他にもまだいくつかあるので興味のある方は調べてみて欲しい。
田中氏とフェン博士は分析手法のうち、「質量分析法（MS）」、ビュートリッヒ博士は「核磁気共鳴分光法（NMR）」における新規手法開発が受賞理由となった。
ノーベル賞を受賞した分析技術はいずれも科学研究スピードを急激に速めたり進歩させた画期的な技術であり、今回の受賞も全く例外ではない。特に昨今の遺伝子解析や生化学分野の急速な発達は、今回受賞対象となった分析手法あってのもので、生物学的見地から見てもきわめて重要な発明といえる。
質量分析（Mass Spectrometry;MS）に用いられる質量分析計は、大きく分けて試料導入部、イオン化部、質量分離部、検出部、データ処理部の５つの機器から構成されているが、田中氏とフェン博士が発明したものは、このうちの新たなイオン化手法である。このイオン化法は旧式の方法と比べてどういう点が優れているのだろうか。
イオン化法の説明に入る前にMSの原理を簡単に述べておく。MSは有機化合物の分子量を精密に測定できる唯一の技術である。 MSの最大の特徴はきわめて微量の試料量で広範な構造上の情報が得られるところにあり、クロマトグラフィーと組み合わせることにより、10-13〜10-14
gの超微量化合物でさえ検出することが可能である。
MSではまず試料の有機化合物を適当な方法でイオン化する。発生したイオンを質量によって分離し、検出器で検出する。 このスペクトル情報を解析することで化合物の分子量が決定される。つまり、MSを測定するには、有機化合物を必ずイオン化しなければならないのである。（質量分析法については、以前に当サイトでもトピックとして取り上げている。原理や手法など簡単に述べてあるのでこちらも参照して欲しい。）
イオン化法のうち昔から汎用されてきた方法として電子衝撃法（Electron
Ionization;EI）がある。EIは簡単にいえば、気化させた試料に加速電子をぶつけ、試料をラジカル陽イオン化させる方法である。この方法は非常に簡便で、測定も用意であるので現在でも低分子量化合物の解析などによく用いられる。（下図参照：参考文献より引用）
しかしながらEIには２つの制約がある。一つは難揮発性物質や容易に熱分解する化合物などは気化させることができず測定できない点。もう一つは電子をぶつけた際に多くの試料化合物は断片化（フラグメンテーション）してしまい、特に高分子量化合物では有用なスペクトル情報が得られない、という点である。
この制約を克服するため現在までに様々なイオン化法が開発されてきた。そのうち、田中氏が開発したマトリックス支援レーザー脱離イオン化法（Matrix-assisted
Laser Desorption Ionization;MALDI）、及びフェン博士が開発したエレクトロスプレーイオン化法（Electrospray
Ionization;ESI）はマイルドなイオン化法であり、最も新しい手法の一つである。
〜MALDI法〜
この手法は、大きなエネルギーを瞬間的に与えてイオン化し、化合物の熱分解を抑制するエネルギーサドン(Energy
Sudden)という方法論に分類される。他のエネルギーサドンイオン化法には化学イオン化法（CI）、高速原子衝撃法（FAB）などがある。
MALDI法ではまず、ニコチン酸やシナピン酸などのマトリックスと呼ばれる粘ちょう性の液体とサンプルを混合して結晶化する。これにレーザー光を照射すると、マトリックスの表面が急速に加熱され、サンプルと共に気化される。サンプルは励起状態にあるマトリックスとの化学反応によってイオン化される。（下図参照：参考文献より引用）
この方法は、生体に存在するタンパク質など分子量のきわめて大きい化合物に特に威力を発揮する。飛行時間型質量分析計（Time
of Flight;TOF）と組み合わせることにより非常に好感度の検出が可能であり、１０万以上の分子量を有する化合物の測定も可能となる。
MALDIはタンパク質の構造解析などに汎用されている。タンパク質の構造解析を扱った論文などでのExperimental Sectionを見れば、実際に相当使用されていることに気づく。
〜ESI法〜
この方法は、非常に強い静電場で基質からイオンを抽出するフィールドデソープション(Field
Desorption)と呼ばれるものの一種である。
ESI法ではまず、キャピラリーに試料溶液をとり、それを大気圧環境下で噴霧する。キャピラリーの先端は高電圧が印加されているため、噴霧溶液は高度に荷電した霧状の液滴となる。この液滴をガス対向流などのエネルギーを与えて細分化させ、最終的にイオン化が達成される。（下図参照）
ESIの最大の特徴は大気圧下でイオン化が達成されるため、難揮発性物質などにも適用できるという点にある。噴霧を減圧下・加熱環境で行うものはサーモスプレーイオン化法（Thermospray
Ionizarion;TSP）と呼ばれている。
〜MALDI及びESIの利点〜
■MALDIがESIより優れている点
・より多くの種類の生体高分子（糖タンパク、オリゴヌクレオチド、オリゴ糖）にも適用可能
・マトリックスを適当に選択すれば無機・有機化合物による汚染を減ずることが出来る
・分離精製無しで混合タンパク質の直接分析が可能
■ESIがMALDIより優れている点
・分解能が高く質量測定の精度が高い為、１５０００分子量程度まで個々の同位体ピークの分離も可能
・液体クロマトグラフィー/質量分析法（LC/MS；後述）への適用がしやすい
・溶液中のイオンが測定可能
現在では、MSは分子量決定にとどまらず様々な手法に応用されている。いくつか例を挙げておく。
〜分子式の決定〜
高分解能MSという技術を用いると、１／１０００質量数での分解能で測定が可能であり、小数点以下数桁までの分子量（精密質量）が求められる。この精密質量をコンピュータで計算することで分子組成式の直接決定が可能である。たとえば整数値分子量で32となる原子組成は以下の４つが考えられるが、その精密質量数はお互いに異なるため、精密質量から組成はただ一通りに決まることになる。どんな高分子でも、小数第４位程度まで測定できれば組成式はほとんどただ一通りに決まる。
（12C=12.0000を原子量の基準とした場合）
〜ガスクロマトグラフィー/質量分析法（GC/MS）
及び液体クロマトグラフィー/質量分析法（LC/MS）〜
化合物分離の手法であるガスクロマトグラフィー・液体クロマトグラフィーと検出手法としての質量分析法を組み合わせた分析手法であり、混合物の定性分析に威力を発揮する。きわめて高い感度・分離能・同定能が特徴である。
現在では医療分野においても使用されており、非常に有用な手法の一つとなっている。
以上に述べた質量分析法はMALDIやESIが開発される前までは、事実上低分子の有機化合物にしか適用出来なかったが、その開発後はタンパク質などの生体高分子にまで適用範囲が広がり、生化学や遺伝子解析などの分野で解析スピードが飛躍的にアップした。
「新規イオン化手法の開発」はノーベル賞に十分値するきわめて画期的かつ独創的な研究であるといえよう。
余談ではあるが、私自身MALDIが日本企業の手による開発と言うことを今回のノーベル化学賞で初めて知った。マスコミも予想してなかったらしく報道時の説明などに手間取り困難を覚えているような感じを受けた。
ノーベル賞審査委員会は全く光の当たっていないような所まで調査しているのだということを切に感じた。「真のブレイクスルーは誰か」を決定する為に、賞金額以上の調査費をかけているという話もあるぐらいである。こういう裏での努力がノーベル賞を世界最高の賞たらしめているゆえんなのであろう。審査員の方々に敬意を表したい。
そして、最後になりましたが、ノーベル賞を受賞された方々、おめでとうございます。
（2002.11.11 by cosine)
・「Newton 2002年１月号」
・「有機質量分析法」J.R.Chapman著・土屋正彦ら訳
・「最新機器分析学」中沢裕之
監修
・理科室から生まれたノーベル賞―田中耕一ものがたり
小学校の理科の実験が「ノーベル賞」の出発点だった!
2002年10月、ノーベル化学賞を受賞した田中耕一の少年時代からノーベル化学賞受賞までをあざやかにえがいた、感動のノンフィクション
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