このコラム最初のお話は，Seven Golden Rulesです．
T. Kind & O. Fiehn: Seven Golden Rules for heuristic filtering of molecular formulas obtained by accurate mass spectrometry, 8:105, 2007
http://www.biomedcentral.com/1471-2105/8/105/
もう8年も前の論文ですが，非常に参考になります．
また，この論文を修正・改良を促した論文も複数存在しますが，今回はオリジナルを紹介します．
この論文は
「メタボロミクスで扱う低分子化合物において、精密質量から組成式を求める実用的な方法」
を紹介したものです．
「質量分析装置の最初にして最大の役目は，MSから得られたピークの組成式を決定すること」
ということで，この論文を最初に紹介しようと思いました．
Sevenと書いてあるので，7つのルールが表記されてはいますが，重要なのはこのうち4つだと思います．とりあず7つ全部書いてみます．
1. Restrictions for element numbers (質量範囲からして考慮しなければいけない原子の数)
2. LEWIS and SENIOR check (一種の原子価則)
3. Isotope pattern filter (同位体比)
4. Hydrogen/Carbon element ratio check (炭素・水素比)
5. Heteroatom ratio check (水素以外の，ヘテロ原子と水素の比)
6. Element probability check（組成式に含まれる元素各々の組み合わせの確からしさ）
7. TMS check (GCにおいて，TMS化していると過程した場合，TMSの数を推定しなさいということ)
このうち，1は当たり前です．1000 Daの質量を考える場合，考慮するべき炭素の最大値は1000/12=83であるということです．
3の同位体に関してですが，管理人は同位体比に関しては「組成式の確からしさの順位付け」に使ったほうが良いと思っていて，「候補から除外する」のは反対です．なぜなら，基本的にバルク・粗抽出物を分析するメタボロミクス分野では，「共溶出により同位体比が崩れるのはザラ」「質量分析の感度問題により，M+2のイオンがちゃんと定量できない」「ダイナミックレンジの問題により分子量イオンがサチュレートし，正確な同位体比を出せない」ことは余裕で起こりますので，あくまで「参考値」として，組成式から算出される理論的なM, M+1, M+2イオンの比と実測値を比べるべきだと思います．もちろん，順位付けに用いることもOKだと思います．ただ，理論値と異なるからといって，候補から除外するのはちょっと…って感じです．
2番目のルールですが，これは候補組成式を絞るのに，ものすごくパワフルな基準です（弱点もあります）．基本的な考え方は，「炭素の原子価は4」「酸素の原子価は2」「水素の原子価は1」というような，「元素がとり得る最大原子価」を考慮した基準になります．有名な窒素ルールも，このルールに含まれることになります．
・構成元素の原子価の合計，もしくは奇数原子価を持つ原子の総数のどちらかは偶数値を取る
・原子価の合計は最大原子価の二倍以上である．
・原子価の合計は2×（構成元素数－1）以上である．
というルールです．じゃあ，硫黄（S）みたいな，複数原子価を取りうる元素はどう扱うの？（2，4，6の可能性がある）
という質問に対しては，すごくよく考えればわかるのですが，「最大原子価の数を考慮すればすべての可能性を考慮できる」ことになります．
ですので，窒素を考える場合，Nは4（ベタインとか），Sは6を考えます．
ただ，管理人は今のところ，Nは3で考えています．どちらが良いか，迷い中です．
SとかPもそうですが，「制約が強い」と「偽陽性」の可能性は減ります．「制約が弱い」というのはその逆となります．Nを4まで考えて，Pを5，Sを6とまで考えてしまうと，全部の可能性を考慮できることになると思うのですが，これだと，この2番目のルールの意味は半減する気がします．
最初は制約を強くして考えて，どうしても当てはまらなさそうな場合，制約を弱くするというのが，正しい使い方なのかもしれません．
また，これはマニアックすぎる話かもしれませんが，組成式を考える上で，
「今自分が考えているピークのアダクトイオンは何か？」
を正確に割り出すことは，LC-MSを用いたノンターゲットメタボロミクスを行う上で究極のテーマの1つだと思います．もっと言うと，究極的には，着目しているイオンが（ポジティブイオンモードの場合）
［M］+
なのか
［M+H］＋
なのかを，客観的に決定する方法を開発することは，この分野の発展に欠かせないものかと思います．
何が言いたいかというと，Seven golden rulesの原子価則は，「アダクトイオン」の情報をはっきりさせた上で初めて能力を発揮するものです．Na+等のアダクトは，比較的に簡単に算出可能ですが，M+かM+H+かってなると…管理人は，仕方ないからとりあえず今のところ，プリカーサーイオンは基本的には
［M+H］+
［M-H］-
として，最初は考えるようにしています．
話は戻って，4，5，6番目のルールに関してですが，これらもすごくパワフルです．
「既存データベースにすでに存在している組成式情報から，統計的にもっともらしい元素の取りうる数の範囲」
を使います．有名な4番目のルールは，H/C比と呼ばれるもので，データベースに登録されている組成式の99.7％をカバーするには，H/Cの比は0.2-3.1を考えれば良い，ということです．
5番目のルールは，これを水素以外のヘテロ原子，F, Cl, Br, N, O, P, S, Siに対して統計量を取得したものです．これらの情報は，論文のTable 2にまとめられています．参考までに，99.7％の組成式を網羅するための範囲は，
H/C 0.2-3.1
F/C 0-1.5
Cl/C 0-0.8
Br/C 0-0.8
N/C 0-1.3
O/C 0-1.2
P/C 0-0.3
S/C 0-0.8
Si/C 0-0.5
となるそうです．99.99％範囲や100%を網羅するための範囲については，フリーで見れるのでぜひTable 2を御覧ください．
九州大学の割石先生・三浦先生のグループは，これに酸素・リンの比は3以下であるというAdditional ruleを加えて解析しています．
Nagao, T., Yukihira, D., Fujimura, Y., Saito, K., Takahashi, K., Miura, D., & Wariishi, H. (2014). Power of isotopic fine structure for unambiguous determination of metabolite elemental compositions: In silico evaluation and metabolomic application. Analytica Chimica Acta, 813, 70–76.
6番目のルールは，たとえば
「候補組成式の中にNとOとPとSが含まれているとするならば，N<10，O<20, P < 4, S < 3でなければならない」
というものです．このような絞り込み方は，データベース並びに統計値が威力を発揮する良い例ですね．これらの情報は，論文のTable 3にまとめられています．
最後の7番目のルールは，
「TMS化したGCMSの組成式はTMSを含んだものになっているので，これを除いた組成式を考慮しましょう」
ということです．簡単に言いますが，これはかなり難しいと思います．というのは，GCMSでEI法によるイオン化法を用いる場合，分子量イオンがほとんど見えないからです．
M-15（TMSのメチル基がひとつ外れたもの）は見えることが多いので，これを分子量イオンとして考えられる場合が多いです．
TMSの数は，分子量イオンが特定できれば，そのM+1とM+2の比率から（Siは天然存在比が，28Si, 92%; 29Si, 4.5%; 30Si, 3%と，比較的特徴的なので）求められることが多いです．
このことは，以下の論文に紹介されています．
Fiehn, O., Kopka, J., Trethewey, R. N., & Willmitzer, L. (2000). Identification of uncommon plant metabolites based on calculation of elemental compositions using gas chromatography and quadrupole mass spectrometry. Analytical Chemistry, 72(15), 3573–80.
ただ，いかんせん，GCMSを用いたメタボロミクスはほとんどの方が「ノミナル」すなわち「精密質量が取得できない」質量分析装置を用いますので…精密質量が取得できるGCMSをお持ちなら！ということで，ご理解ください．
さて，以上のルールを持って組成式を絞り込んでいこうということが，Seven Golden Rulesの主張です．
質量分析装置データから組成式を正確に割り出すには，このSeven Golden Rules以外にも考慮しなければいけないことが幾つかありますが，今回は取り上げません．
Seven Golden Rulesを使うためのエクセルマクロ自体は，以下のサイトからダウンロード可能です．
http://fiehnlab.ucdavis.edu/projects/Seven_Golden_Rules/Software/
また，質量分析の質量情報から候補組成式を（Seven Golden Rulesは適用せず，とりあえずひたすらに計算可能な組成式を出力）生成するプログラムは，以下のサイトからダウンロード可能です．
（Standalone software）
http://omics.pnl.gov/software/molecular-weight-calculator
（.NET DLL）
http://omics.pnl.gov/software/molecular-weight-calculator-net-dll-version
使い方についてですが，管理人はMolecular Formula GeneratorやSeven Golden Rulesは文献を参考にしただけで，自分で1から作って実装しているので，実際のソフトウェア自身は使ったことはないです．笑
たぶん簡単だと思うのですが，Seven Golden Rulesはマクロを走らせるために外部DLLを幾つか使ってそうなので，うまくライブラリーをインストールできるかがポイントかも…あとエクセル2003で走るっぽいので，近代のエクセル2010や2013では，いくつか互換性エラーが出るかも…その辺，がんばってグーグル先生に聞きながら，興味がある人は使ってみてください！
それでは，今日はこのへんで．