イオン化法

1

分子のイオン化法

日立製作所中央研究所

平林 集

2

‡分子のイオン化法は、質量分析分野を中心に発達。

‡以下では、気相、液相、固相サンプルに対し、

各々代表的なイオン化法を駆け足で紹介。

‡イオン化法：

・昔から知られるイオン化現象を利用。

・効果があれば実用化。

‡エネルギー領域は、数eVが主。

はじめに

はじめに

3

１．はじめに

２．質量分析法の応用

３．気相分子のイオン化

４．液相分子の噴霧イオン化

５．固相分子の脱離イオン化

目次

目次

4

タンパク質解析用の質量分析装置

5

試料

イオン源

質量

分析部

検出部

質量分析計

情報処理

質量分析計とは

質量分析計とは

6

質量分析法におけるイオン生成

質量分析法におけるイオン生成

イオン

窒素、アルゴン

衝突

衝突誘起解離（CID）を用いたMS/MS分析

前駆体イオン

（特定のイオン）

フラグメントイオン

7

質量分析法におけるイオン生成

質量分析法におけるイオン生成

気体分析

不揮発性物質、生体物質の分析

ポイント：分子量関連イオンの高効率生成。

電子

イオン化

電界イオン化

表面イオン化

光イオン化

化学イオン化

噴霧イオン化

脱離イオン化

破壊的なイオン化

イオン化

8

9

ＧＣ（ガスクロマトグラフ）、ＬＣ（液体クロマトグラフ）を結合

ＧＣ（ガスクロマトグラフ）、ＬＣ（液体クロマトグラフ）を結合

混合サンプル

分離

（GC, LC,,）

質量分析計

（MS）

GC/MSやLC/MSによる分析

GC/MSやLC/MSによる分析

•m/zが重なるイオンを識別。

•イオン強度の定量性を確保。

インターフェース：イオン源

インターフェース：イオン源

10

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

液体クロマトグラフ

質量分析計

混合サンプル 液体クロマトグラフ

ＬＣ

質量分析計

ＭＳ

イオン源

11

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

BUNSEKI KAGAKU 50 (2001)149.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 (x 10**6) a) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 161+163 b) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 233 c) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 242+198 d) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 141+227 e) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 370 f) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 199 g) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 213 h) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 239 i) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 229 j) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 307 k) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 326 l) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 219

3

2

1

4

5

6

7

8

910

11

12

13

16

14

15

Retention Time(min)

Ion Intensity

10

0

5

10

20

30

40

Retention Time (min)

×１０

5

5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 (x 10**6) a) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 161+163 b) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 233 c) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 242+198 d) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 141+227 e) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 370 f) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 199 g) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 213 h) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 239 i) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 229 j) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 307 k) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 326 l) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 219

3

2

1

4

5

6

7

8

910

11

12

13

16

14

15

Retention Time(min)

Ion Intensity

10

0

5

10

20

30

40

Retention Time (min)

×１０

5

保持時間（分）

イオ

ン

強

度

5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 (x 10**6) a) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 161+163 b) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 233 c) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 242+198 d) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 141+227 e) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 370 f) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 199 g) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 213 h) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 239 i) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 229 j) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 307 k) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 326

l) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 219

Retention Time(min)

Ion Intensity

10

0

5

10

20

30

40

Retention Time (min)

×１０

5

5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 (x 10**6) a) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 161+163 b) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 233 c) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 242+198 d) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 141+227 e) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 370 f) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 199 g) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 213 h) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 239 i) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 229 j) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 307 k) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 326

l) 酸性農薬 0.5S/SSI - 0428 ﾊﾞｲｱﾙ 1 注入 1 STD 1 - ｽﾀﾝﾀﾞｰﾄﾞｽｷｬﾝ 219

Retention Time(min)

Ion Intensity

10

0

5

10

20

30

40

Retention Time (min)

×１０

5

保持時間（分）

イオ

ン

強

度

マスクロマトグラム

（特定のm/zにおけるイオン強度の時間変化）

12

ピー

ク

面

積

Cx

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

1000000

0

10

20

30

40

50

60

試料量（pg)

標準物質による検量線

（ピーク面積より、実サンプル量を決定）

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

13

5

10

15

20

25

30

35

40

45

保持時間(min)

200000

300000

400000

信号強度

保持時間（分）

40

20

4

2

×10

5

+H

N H C O N H

C

C H

₃

C H 3

C H 3

151

0

0.2 ppb

Dymron

(M.W. 268)

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

全イ

オ

ン

強度

14

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

m/z

291

231

269

m/z

0

100

m/z

269

0

100

151

m/z

0

100

100

151

0

Ion Intensity (a. u.)

Ion Intensity (a. u.)

Dymron?

Dymronの

標準試料

Dymronの

標準試料

ＭＳ/ＭＳ

衝突誘起解離（CID）

MS/MSスペクトル

15

DNA

mRNA

アミノ酸

リポソーム

核

アミノ酸が配列したもの

⇒ タンパク質

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

遺伝子情報

タンパク質

16

100

480

860

1240

1620

2000

0

20

40

60

80

100

F

D

L L S L D G T A N K

相対イ

オ

ン

強

度（

％）

G D L S L L

F

A V D

D F L L S L D G T A N K

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

MS/MSｽﾍﾟｸﾄﾙ

アミノ酸配列：

17

照合

ﾀﾝﾊﾟｸ質

ﾀﾝﾊﾟｸ質

サンプル

サンプル

同定

同定

ﾀﾝﾊﾟｸ質

ﾀﾝﾊﾟｸ質

ナノLC

ＭＳ

DB

MSｽﾍﾟｸﾄﾙ

MS/MSｽﾍﾟｸﾄﾙ

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

0

16.2

32.4

48.6

64.8

81.0

0

20

40

60

80

100

保持時間 (分)

全イ

オ

ン

電

流

18

19

磁石

磁石

引き出し電極

リペラー

電極

試料ガス

電子ビーム

フィラメント

静電レンズ

イオン

放出穴

B

E

e

-P ~ 10

-4

Pa

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

MS

20

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

イオンは、分子量関連イオンまたはフラグメントイオン

M + e

-

→ M

+

・ + 2e

-

（電子エネルギー～70eV）

（大抵の物質はイオン化エネルギーが10eV程度。）

M

+

・ → F

1

+

, F

2

+

, F

3

+

, ,

（フラグメント化）

•分子量が1000以下の揮発性有機化合物の分析に有効。

（炭化水素、油脂、アルカロイド、ステロイド、農薬、ダイオキシン、

香料、芳香剤など）

•豊富なフラグメントイオン情報により、物質の特定に有利。

21

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

大抵は、正イオンが検出。

質量スペクトルDB利用可能。

http://www.nist.gov/srd/nist1a.htm

M

+

・

ダイアジノン（M.W. 304）の質量スペクトル

22

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

CIイオン源は、EIイオン源で気体圧力を約10倍上昇させたもの。

⇒ イオン源で、イオンと分子との衝突回数が増加。

⇒ 分子量関連イオン生成に有利。

C

₄

H

₁₀

+ e

-

→

_C

4

H

9

+

+ H + 2e

-C

₄

H

₉

+

+

M

→

[M+H]

+

+ C

₄

H

₈

①反応イオンの生成

（イソブタンの例）

②化学イオン化

（イオン分子反応）

23

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

代表的なイオン分子反応

[M

₁

+H]

+

+ M

₂

→ [M

₂

+H]

+

+ M

₁

１．

プロトン移動反応

：プロトン親和力が支配

He

+

+ O

₂

→ O

₂

+

+ He

２．

電荷移動反応

：イオン化エネルギーが支配

24

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

ダイアジノン（M.W. 304）の質量スペクトル

EI

CI

M

+

・

[M+H]

+

25

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）

負イオン検出にも有利。

１．電子捕獲（付着）反応：

電子親和力(EA)の高い物質

に有効。

（電子の多数回衝突→低エネルギー電子の発生）

２．アニオン付加反応

（ハロゲン化合物ガスによるF

-

_{, Cl}

-

_{, Br}

-

_{, I}

-

_{,等の反応イオン発生）}

e

-

+ M → M

-

・

（電子エネルギー＜1eV）

Cl

-

+ M → [M+Cl]

-26

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

CIは、イオン源圧力が高いほど、イオン化（反応）効率が高い。

⇒ イオン源を真空中から大気中に移動（大気圧CI：圧力10

6

倍）

⇒ 反応イオン生成には、コロナ放電を利用。（電子ﾋﾞｰﾑ利用困難）

差動排気部（中間圧力部）

MS

試料ガス

コロナ放電プラズマ

（弱電離プラズマ）

約４kV

放電電極（針）

電子エネルギーが比較的

27

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

放電プラズマは全体で中性だが、正負イオンは分離される。

⇒ APCIでは、放電電極への印加電圧の極性に応じて、

分析イオンの極性を変更することができる。

MS

＋HV

放電電極（針）

正イオンモード

MS

-HV

放電電極（針）

負イオンモード

[M+H]

+

[M-H]

-M

-e

-Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）

イ

オ

ン

電

流

10

-7

10

-8

10

-9

10

-10

0

10

20

30

40

(A)

0

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

1 4 0 0 0

1 6 0 0 0

2 0

7 0

1 2 0

m/z

信号強度

64

96

128

98

0

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

1 4 0 0 0

1 6 0 0 0

2 0

7 0

1 2 0

m/z

信号強度

64

96

128

98

S

₂

-

S

3

-S

₄

-青線：

m/z

= 96

赤線：

m/z

= 98

危険物の

実時間

モニター

黒色火薬

10

-11

29

難揮発性物質のイオン化

難揮発性物質のイオン化

加熱による気化？

気体化せずに直接イオン化する？

熱分解し、分子量関連イオンが生成しない。

１．噴霧イオン化現象の利用

２．脱離イオン化現象の利用

30

31

0

20

40

60

80

100

0

200

400

600

800

1000

m/z

n=16

n=17

n=18

n=19

n=15

n=14

n=13

[M + nH]

n+

チトクロムC（M.W. 12300)

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

イオ

ン

強

度

プロトン付加分子が生成、高極性物質の場合は多価イオン生成。

32

大気

テイラーコーン

帯電液滴

細管（キャピラリー）

ＭＳ

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

１．高電界により液体コーンが形成。

33

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

印加電圧

全イ

オ

ン

量

ESI

_放電

200V

使用範囲

不安定

不安定

34

テイラーコーン

帯電液滴

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

安定なテイラーコーン ⇒ 直径の揃った帯電液滴

3

0

/

)

(

Q

K

g

d

=

ε

εε

～ 1ミクロン

35

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

帯電液滴

（約1μm）

イオン間静電反発力と

液体表面張力が同等に。

レイリー限界

液滴は不安定化、

複数の液滴に分裂

気化

溶媒の蒸発

帯電液滴

（約10nm）

噴霧

36

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Rayleighの不安定条件

クーロン反発力が液体の表面張力と同等になると、

液滴は分裂する（Rayleigh分裂）

d

d

N

e

_πγ

πε

2

4

1

2

2

2

0

=

37

+

+

d=3μm

d=1.9μm

d=0.2μm

d=1.7μm

d=0.02μm

462μs

72μs

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Anal. Chem. 65 (1993) 972A.

38

電荷残留

イオン蒸発

表面電界～１V/nm

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

帯電液滴からのイオン生成

39

＋

S

S

S

S

S

S

S

＋

S

S

S

S

S

S

S

droplet

＋

S

S

S

S

S

S

S

＋

S

S

S

S

S

S

S

x

δ

帯電液滴から溶媒和イオン蒸発

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

(

)

(

)

_⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

−

+

Δ

−

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

−

+

=

Δ

δ

πε

πε

πε

2

2

16

2

2

0

2

2

0

2

0

d

Ne

G

x

e

x

d

Ne

G

s

x

エネルギー障壁

ΔG：ΔG

_x

の最大値

40

＋

S

S

S

S

S

S

S

＋

S

S

S

S

S

S

S

droplet

＋

S

S

S

S

S

S

S

＋

S

S

S

S

S

S

S

x

δ

帯電液滴から溶媒和イオン蒸発

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

S

G

d

N

e

G

=

−

−

−

Δ

Δ

2

1

4

4

₀

2

πε

E

～

10

9

V/m の場合に、

イオン蒸発を確認。

ΔG≦0の場合にイオン蒸発が発生。

⇒ N

∝

_d

2

の関係が成立。

41

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

液体コーン（テイラーコーン）

安定なテイラーコーン形成が重要。

・液体の

電気伝導度、表面張力、流量

により決定。

純水（低い電気伝導度、高い表面張力）の噴霧は困難。

通常、液体に酢酸や蟻酸を0.1-1%だけ添加。

42

開発初期のESI：流量＝1～10μL/分

ナノESI：流量≦1μL/分

蒸発

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

蒸発

蒸発効果抑制→安定な液体コーン形成

43

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

試料溶液

ガス流

・高速ガス流を用いた噴霧により、イオン生成。

・生成イオン量はガス流速に依存し、音速時に最大。

44

10ns-flash shadowgraph

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

液体

ガス

ガス

剪断力による

液滴の生成

45

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

1

2

3

4

5

6

音速

ガス流量 (L/min)

Droplet Diameter ( m)

μ

イオ

ン

強

度

0

20

40

60

80

100

0

1

2

3

4

5

トリエチレン

グリコール

(不揮発性液体)

Abundance (%)

噴霧により生成される液滴のサイズは音速時に最小。

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Anal. Chem. 66 (1994) 4557.

46

帯電液滴

ガス流

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Droplet surface

0.1

μm

47

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

0.1

1.0

帯電液滴の直径 (μm)

μ = 1.1 x 10

-5

(m /V

2

_s)

4.8 x 10

-6

1.8 x 10

-6

電荷数

移動度

_{（印加電圧）}

48

１．ガス噴霧により、帯電液滴の気化を促進。

２．噴霧ガスには、窒素ガスを使用。

３．液体流量：1～1000

μL/分

液体コーン（テイラーコーン）

液滴

金属キャピラリー

大気

噴霧ガス

ガス

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

ガス噴霧支援エレクトロスプレー

49

大気

帯電液滴

細管（キャピラリー）

ＭＳ

ガス

差動排気部

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

移動度の差により

帯電液滴を排除。

窒素ガス

質量分析部

ガス

差動排気部

イオン取り込み細孔（径0.4mm）

RP

TMP

カウンター

ガス

オクタポール

イオンガイド

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

51

1

0

67

.

0

P

P

D

l

=

P

_o

P

₁

超音速噴流 マッハディスク

高圧側

_l

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

断熱膨張 ⇒ 冷却によるクラスター化

細孔（内径D）

52

53

Ⅰ.レーザー脱離イオン化法

Ⅰ.レーザー脱離イオン化法

サンプル

イオン

レーザー光

サンプルプレート

パルスレーザー光照射による

固体表面のスパッター現象を利用。

54

Ⅰ.レーザー脱離イオン化

Ⅰ.レーザー脱離イオン化

銅板

にピコ秒（35ps）のNd:YAGレーザー（λ1.06μm）を照射。

表面の銅が局所的に溶解、気化。

電子（密度～10

26

_m

-3

、数10eV)が表面から放出。

EIによりイオン化。

イオン生成に数100ps必要。

55

Ⅰ.レーザー脱離イオン化

Ⅰ.レーザー脱離イオン化

金属表面に有機物を塗布し、レーザー光を照射しても、

分子量関連イオンが生成されない。

⇒ 多種類のフラグメントイオンが観測されるが、解析困難。

そこで、

試料にグリセリンなどの難揮発性物質（マトリックス）を混合。

さらに、

金属微粒子をマトリックスに混入。

⇒ 分子量34,000のタンパク質の分析に成功。

K. Tanaka, et. al., Proceedings of the Second Japan-China Joint Symposium

56

サンプルプレート

5～20 μL

_{乾燥、結晶化}

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

サンプルプレート

57

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

マトリックスの急激な温度上昇

による気化、及び、イオン化。

過剰エネルギーは

マトリックスが吸収。

+

レーザー光

マトリックス分子

+

-ターゲットプレート

58

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

ターゲットプレート

[m-H]

-

[M+H]

+

[M+H]

+

[m-H]

-レーザー光

マトリックス分子

[m-H]

-帯電した

マトリックス

クラスター

脱離の初期

59

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

１．脱離の初期：統計的な帯電

２．高温、高圧プルームでの反応

結晶中のイオン

が、帯電クラスターに。

帯電クラスターからマトリックス分子が気化。

気相イオン分子反応

。

（プロトン移動、電荷交換）

60

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

１．レーザー（UV, IR）

２．マトリックスの選択

⇒

・レーザー光波長での

吸収係数が高い。

・試料分子が電荷を

帯びる環境を提供。

３．大過剰マトリックスに

試料を混合、結晶化

３．レーザー光強度

（数10～100J/m2）

マトリックス

主な対象物質

DHBA (2,

5-dihydroxybenzoic acid)

合成高分子、

低分子有機化合物、

糖類

HABA

(2-(4-hydroxyphenylazo)

benzoic acid)

合成高分子、

低分子有機化合物

SA (Sinapinic acid)

タンパク質、

ペプチド

CHCA

(α-cyano-4-hydroxycinnamic acid)

ペプチド

代表的なマトリックス

61

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

飛行時間型質量分析計（TOFMS）との結合では、

「イオンがエネルギー的、空間的に収束される」

ことが、感度や分解能に重要。

ところが、レーザー光照射直後は、

イオンのエネルギー幅が広い。

⇒ 待つ。

62

レーザー光

照射

プルーム

（高温高圧プラズマ）

冷却

～1μs

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

レーザー光照射から１

μs程度遅らせ、

イオンビームを発生させる。

⇒ Delayed Extraction

ビーム

63

レーザー

ミラー

デフレクター

レンズ

サンプル

プレート

TOF

V

₁

V

₂

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

Delayed Extraction法：

レーザー光照射後、1μs程待つ。

V

₁

V

₂

～1μs

Anal. Chem. 67 (1995) 1998.

64

‡気相分子のイオン化法

EI：電子との衝突によるイオン化。

CI, APCI：反応イオンの生成と気相イオン分子反応。

‡液相分子の噴霧イオン化法

ESI：安定な液体コーンからの帯電液滴の静電的な放出。

SSI：音速ガス流の剪断力による帯電液滴の生成。

噴霧ｶﾞｽ支援ESI：静電力と剪断力による帯電液滴の生成。

‡固相分子の脱離イオン化法

LD：レーザー光照射によるスパッター（溶解、気化、EI）。

MALDI：マトリックス中イオンによる統計的帯電とCI。

まとめ

まとめ