一般的なイオン源のイオン化原理

イオン生成について

電子イオン化 (EI)

電子イオン化(EI) に馴染みのある方は多いと思います。(初期の「電子衝撃」という用語が使われることがありますが、この言葉は技術的に正確ではありません)。70eVの電子線をサンプルに照射することによりイオンを生成するEIは、「ハードな」技術と言われています。目的の分子に作用する電子エネルギーがその分子の結合エネルギーを大幅に上回る時に、イオン化が起こります。過剰なエネルギーが、特異的に結合を切断します。その結果は予測可能で、分子構造からフラグメントを予測して同定を行うことができます。外殻から電子だけが捕獲されると、ポジティブモードにおけるラジカルカチオン(M。+)やフラグメントの多いスペクトルが生じます。スペクトルパターンがメーカーのイオン源デザインに依存する「ソフトな」大気圧イオン化技術とは異なり、EIではフラグメントの仕方はイオン源のデザインに依存することがありません。あるEIシステムによって得られるスペクトルは、別のEIシステムで得られるスペクトルと非常に近似しています。従ってスペクトルライブラリの作成が、未知試料を定性する上で役に立つのです。

 

化学イオン化 (CI)

過剰にフラグメントが起こる技術に対して、「ソフト」な技術と言われています。 化学イオン化 (CI) は、分子イオン自体の穏やかなプロトン移動プロセスによってイオンを生じます。サンプルは、メタンのようなガスに曝されて、プロトンが付加した分子イオン(M+H)を生成します。逆のプロセスでは、ガス分子にプロトンが移動して、ネガティブイオン(M-H)を生成します。

化学イオン化(CI)は、特異的なフラグメンテーションをする分子イオンの量や存在を増強するために、EIで分析が行われたものと構造の類似した化合物に対して用いられることがあります。EIと同様、ソース部分に熱をかけることで気化させるので、サンプルには熱安定性が必要です。CIのイオン化メカニズムの最初のステップはEIと同様ですが、ソース内にメタン、イソブタンあるいはアンモニアなどの高圧の試薬ガスを満たします。この試薬ガスはサンプル(R)よりはるかに高濃度で存在しているため、電子イオン化法により、プライマリR+.イオンを形成します。中性状態のR分子にR+.イオンを衝突させることで、サンプル分子(A)のイオン化を行うことのできる、安定したセカンダリイオンが生成します。

例えば、メタンイオンとメタン分子の間のイオン‐分子反応では、非常に安定したCH5+が生じます。

CH4+. + CH4  --> CH5+ + CH3.

反応イオン CH5+ はプロトン移動、プロトン脱離あるいは電荷交換によって中性の試料分子(A)をイオン化します。

RH+ + A --> R + AH+ (プロトン移動)

(R-H)+ + A --> R + (A-H)+ (プロトン脱離)

R+. + A --> R + A+. (電荷交換)

最も一般的なイオン化反応はプロトン化で、試薬より高いプロトン親和力を有する分子に見られます。プロトン脱離はプロトン親和力の低い分子には一般的で、ガスが高いイオン化エネルギーを持つ場合に電荷交換が生じます。

分析対象の基質は試薬ガスよりはるかに低い圧力です。メタンを試薬ガスと見なすと、電子衝撃では、主にメタンのイオン化が起こります。これによってCH3+が生じます。その後、これらの種は、高圧下でイオン分子反応を引き起こします。

CH4+. + CH--> CH5+ + CH3.

CH3+ + CH--> C2H5+ + H2

CH5+ はブロンステッド酸としてC2H5+ はルイス酸として作用し、目的成分のイオンを生成します。

CI試薬ガスを慎重に選択することで、電荷交換の効率に影響を与えるガスの酸性度が変わるので、試料分子への電荷交換を促進することができます。CIでは、EIで結合を切断しているエネルギーが吸収されるので、フラグメントが少ない分子イオンが得られる傾向があります。

 

負イオン化学イオン化(NCI)

バリエーションとして、電子捕獲部位(例えばフッ素原子あるいはニトロベンジルなど)を含む化合物では、負イオン化学イオン化(NCI)が起こります。感度はEIに比べて数倍上がります(100~1000倍と報告されている例もあります)。NCIは、電子捕獲を促進するために化学的に修飾される(または、され得る)様々な種類の低分子に適しています。

ネガティブイオンでは、イオンの生成について、2つの主要なメカニズム(電子捕獲および反応イオンによる化学イオン化)があります。 CI条件下では、負に帯電した分子は、ネガティブイオンを生成するために熱電子を捕らえることができます。真の負イオン化学イオン化が、負に帯電した反応イオン(R-.or R-)と試料基質(AH)の反応によって生じるのです。いくつかのタイプのイオン分子反応では、最も一般的なプロトン脱離を生じる場合もあります。

AH + R--> A- + RH

反応イオンのプロトン親和力(塩基性度)を増加させると、プロトン脱離が起こりやすくなります。

 

一般的な分離とサンプル供給方法

ガスクロマトグラフィー(GC)

質量分析計との最初の出会いは、ガスクロマトグラフ用の検出器として、という方は多いと思います。GC/MSのカバーする範囲は、当初の装置設計の限界を超えて、環境分析食の安全性を確保するためのスクリーニング試験、メタボロミクスおよび法医学薬毒物スクリーニングのようなクリニカル分野でも使用されるほどに拡大しました。

過去に、2つのタイプすなわち扇形磁場型およびシングル四重極の質量分析計がGC/MS分析に用いられていました。 扇形磁場型MSでは、高分解能および高精度のMS分析が提供でき、極めて高感度を要求されるアプリケーションに用いられました。一方四重極MSは特定の化合物のルーチン分析に用いられました。

環境中もしくは工業製品中のダイオキシンもしくはスポーツ競技のドーピング検査などの最も難しいGC/MSの分析は、扇形磁場型MSで行われました。 高分解能、高感度で、フェムトグラムレベルの濃度を容易に検出することができました。

四重極GC/MSシステムは、短期間のうちに特定の化合物の分析アプリケーションで受け入れられていきました。USEPA法は、多数の環境汚染物質のサンプルを分析するために四重極GC/MSシステムの使用を明記しています。このようなアプリケーションはピコグラムからナノグラムレベルの検出を必要とするので、磁場型MSと比較して感度の低い四重極MSでも十分であるためです。そのうえ、コストが大幅に押さえられ、使い勝手および移動のしやすさについても優れたものでした。

 

液体クロマトグラフィー(LC)

GCで達成できない化学物質分析の約80%までを可能とする革命的な技術によって、最近の数十年間でマススペクトロメトリーは驚異的に成長し、関心を引くようになりました。いくつかのことがきっかけで、MSとLCが結び付けられました(小史のセクションを参照)。私たちが知るLCMSは1970年代に始まり、1990年代初めに成熟に達しました。今日利用している多くの装置や技術は、その時代の流れを汲むものなのです。

液体クロマトグラフィーはロシアの植物学者、Mikhail S.Tswettの研究によって1900年代初めに定義されました。彼の研究は、粒子を詰めたカラムの中で、溶媒を用いて植物から抽出した葉緑素を分離することを目的としていました。その最も単純な液体クロマトグラフィーは、粒子が充填されたベッド(固定相)を溶媒(移動相もしくは液相)が通過する際に起こる試料との相互作用が予測でき、再現できることで成り立っています。近年、様々な官能基を持ったカラムと移動相を正確に送液できるソルベントデリバリーシステムが開発されたことで、様々な産業界で用いられる分析機器となっています。

HPLCという略語は1970年にCsaba Horváthによって作られたもので、液体クロマトグラフィーを行うためにパッキングされたカラムの中に高圧で溶媒を流すことに由来しています。粒子を小さくし、選択性が向上するなどのパフォーマンスの向上によって、HPLCという略語の意味もHigh Performance Liquid Chromatographyへと変化しました。

2004年に、システムとカラム技術がさらに進化したことで、液体クロマトグラフィーの分離、スピードおよび感度が著しく改善されました。より小さな[1.7um]粒子が充填されたカラム、および15,000psi[1,000bar]で移動相を送液できるように設計された特殊な装置は、Ultra-Performance Liquid Chromatography(UPLC)技術という別の用語で知られるようになりました。現在の多くの技術は1970年代にJohn Knoxのような研究者によって予言されていました。Knoxは、最適な粒子径が1-2umで、クロマトグラフィーは摩擦熱に敏感だろうと予測していました。頑健性があり、均一で微小な粒子を開発するための技術が必然的に出会い、広範囲に使用できるUPLCの開発につながりました。 HPLC - 高性能液体クロマトグラフィー についても参照してください。

 

大気圧イオン化法

エレクトロスプレーイオン化(ESI)

一般的な「大気圧イオン化」(API)という用語は、最も知られた技術である、エレクトロスプレーイオン化(ESI)も含んでおり、化合物自身が真空下ではなく大気圧下でイオンを生成することができる様々な関連技術の元になっています。試料は、極性溶媒(一般的にはGCで使用されるより揮発性が低い溶媒)に溶解し、2000~4000Vの電圧を印加したステンレスキャピラリーを通過させます。キャピラリーから大気圧下に噴霧された液体は、脱溶媒を受け、帯電した液滴が静電引力と真空の複合効果によって質量分析計の内部へと輸送されます。

正面およびMSイオンの入り口に直行する一般的なESIプローブの模式図
微粒子を装置の低真空部へ導入する時に、コーンガスもしくはカウンターガスが液滴の脱溶媒を助けるために用いられます。

電荷が液体から目的成分に移動してイオン化するメカニズムについては、議論が続いています。1968年には、Malcolm Doleが、液滴が気化しても、その電荷が維持されるという電荷維持のメカニズムの仮説を最初に提唱しました。液滴の表面張力(帯電による斥力に反発しきれないこと)によって、爆発して多くのより小さな小滴となります。このクーロンの法則による分裂は、液滴が単一のイオンだけを含む状態となるまで続きます。溶媒が完全に蒸発すると、気相のイオンが生じます。

1976年には、IribarneとThomsonが、クーロン力による分裂(ここはDoleのモデルと同様)によって小さな液滴が生ずるという、異なるモデル(イオン蒸発メカニズム)を提唱しました。イオン蒸発理論によれば、液滴の表面での電界強度は十分高いので、液滴表面を離れ、溶媒イオンと親和性のある気相に直接移動させることができます。 

実際には2つのメカニズムが同時に働くことが考えられます:低質量数ではイオン蒸発が支配的ですが、3000 Daを越えると電荷残留のメカニズムが優勢となります(R Cole, Some tenets pertaining to Electrospray ionization mass spectrometry, J of Mass Spec, 35, 763-772(2000)を参照してください)。

溶液はLCから荷電平衡の状態でESIプローブに導入されます。したがって、溶媒がESIプローブからスプレーされる時に、実質的に帯電したイオンとなります。ESIが連続的な技術であることを保証するには、電極として働く導電性面への電子伝達のために溶液が電気化学反応によって帯電していなければなりません。その他の影響を受け、このプロセスではpH変化も起こります。ポジティブイオン化モードにおいて、ポジティブに帯電した液滴がスプレーされ、電子が電極に受け取られます(ネガティブモードでは酸化の逆となります)。電気的に活性な電極表面、電流の大きさおよび化学種の性質および電極電位の全てが影響を及ぼします。

全般に渡り、ESIは効率的なプロセスです。しかしながら、反応のための活性化エネルギーおよびエネルギー差の全体は、個々の種に依存しています。溶液の流量および印加電流が、各液滴の限界を決定します。分子同士の競合が生じたり、目的成分の抑制が起こることも珍しくありません。

Fomation of ions dragged through gradient

並んだイオンがカウンタ・プレートに電位勾配(電場)によって「引き寄せられる」様子
(図は Andreas Dahlin 陽イオンモードからアレンジしました。)

基本的なESIの理論の拡張、例えばナノスプレーのように30 nL/minの非常に低い流量にする場合、特にタンパク質とアミノ酸のようなサンプル量に制限のある研究で、有効であることが分かっています。

 

大気圧化学イオン化 (APCI)

APCIはESIと平行して測定に関する論文で紹介されていましたが、1985年にFennの業績によって、ESIが市販されるまで、広く採用されることはありませんでした。

Horningは、様々な導入技術(そのうちの1つはHPLC)を用いて揮発性物質を分析するために、1973年に初めてAPCIを導入しました。APCIによる付加は、ESIによる気相イオンへの変換が難しい、より極性が低くより揮発性の高いものが、凝集相、液体(フロー)から質量分析計へ導入されます。ESIと異なり、APCIは熱したガスの中に導入された液体を揮発させることにより、ガスの中へ中性の目的成分を輸送します。質量分析するターゲット化学イオン化におけるイオンの生成は、溶媒イオンとターゲット分子の間の電荷の転移に依存しています。最も一般には、ポジティブイオンモードにおいて、アダクトは塩類に依るのが一般的ですが、転移はターゲット分子と小さなH+イオンの間にも同様に生じます。例えば、揮発性の低いものや非常にイオン性のあるリン酸バッファの代わりにしばしば使用されるような弱酸弱塩基塩、酢酸アンモニウムが移動相に含まれる時、アンモニウム付加体(M+NH4)+を形成することがあります。より高い塩濃度では、プロトン化とアンモニウム化が競合し、お互いのレスポンスの低下を起こすことがあります。溶媒イオンが余分に生ずるため、APCIによってイオン化することができるイオンの最大数は、ESIをはるかに上回ります。溶液は通常非導伝性の溶融シリカチューブを通してスプレーされますが、その周囲をネブライジングのガスが流れています。得られる小滴は、非伝導性のチューブの端から伸びるようにして、加熱されたチューブあるいはプローブの内壁と衝突し、気体に変換されます。このイオン化タイプは、通常エレクトロスプレーに接続されるHPLCあるいはUltra Performance LC(UPLC)の流量よりはるかに大きな線速度でしばしば用いられます。しかしながら、最新のシステムは、全てのエアロゾル依存の技術のパフォーマンスを向上させる程、非常に大きな脱溶媒能力を提供します。

その後、脱溶媒された目的成分は、化学イオン化によってイオン化されます。イオン化電位がかけられるとESIのように液体を通してではなくニードルの先端あるいはコロナのプラズマによってイオン化されます。事実、移動相は被検体に電荷を輸送する仲介役として働きます。このことからAPCIに付けられた初期の名前は「溶媒を媒介とするエレクトロスプレー」です。

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