分子のイオン化法

日立製作所中央研究所
平林 集

1

はじめに
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。

2

目次

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

3

タンパク質解析用の質量分析装置

4質量分析計とは質量分析計

試料

質量イオン源
分析部

検出部

情報処理

5

質量分析法におけるイオン生成

衝突誘起解離（CID）を用いたMS/MS分析
衝突イオン
前駆体イオン（特定のイオン）
窒素、アルゴン

フラグメントイオン6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
イオン化

破壊的なイオン化

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7２．質量分析法の応用

8GC/MSやLC/MSによる分析
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）

インターフェース：イオン源•m/zが重なるイオンを識別。
•イオン強度の定量性を確保。
9

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析
混合サンプル 液体クロマトグラフ

ＬＣ

質量分析計

ＭＳ液体クロマトグラフ

イオン源

質量分析計

10

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析
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）
5×１０10Ion Intensity

イオン強度(x10**6)

1.05
1.00
0.95

30.90

120.85
0.80

20.75
0.70

11160.65
0.60

60.55

50.50

40.45
0.40
0.35

170.30910 148150.250.20

130.1550.10
0.0500.0051015102020a) 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+163b) 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 233c) 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+198d) 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+227e) 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 370f) 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 199g) 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 213h) 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 239i) 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 229j) 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 307k) 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 326l) 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

25303035404540

Retention
Time (min)RetentionTime(min)
保持時間（分）11

BUNSEKI KAGAKU 50 (2001)149.

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

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）
1000000

ピーク面積900000800000700000600000500000400000300000200000100000
0Cx
0102030405060試料量（pg)
12

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析

+H

H
N
OC
H
N

40.2 ppb

400000

3HC

信号強度

3×105

3H
C

HC C

全イオン強度Dymron (M.W. 268)

151
3000002200000

05101520
2025

30

35

404045保持時間(min)

保持時間（分）13

Ion Intensity (a. u.)

ＬＣ/ＭＳを用いた農薬の一斉分析
100

291
231
269

0100269

Dymronの標準試料

0m/z

Ion Intensity (a. u.)

Dymron?

100

151

MS/MSスペクトル0m/z

衝突誘起解離（CID）
100

151

Dymronの標準試料
ＭＳ/ＭＳ

0m/zm/z14

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）

核mRNA

リポソーム

DNA

アミノ酸遺伝子情報

アミノ酸が配列したもの⇒ タンパク質タンパク質

15

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）
アミノ酸配列： A V D D F L L S L D G T A N K
D F L L S L DGT AN K
GD L S L L F

相対イオン強度（％）

100MS/MSｽﾍﾟｸﾄﾙ

8060402001004808601240m/z

1620

2000

16

タンパク質の網羅的解析（プロテオーム解析）
全イオン電流

100
80
60
40
2000

同定ﾀﾝﾊﾟｸ質

MSｽﾍﾟｸﾄﾙ
16.2

32.4

48.6

64.8

81.0

MS/MSｽﾍﾟｸﾄﾙ

保持時間 (分)ﾀﾝﾊﾟｸ質
サンプル

照合
ナノLC

ＭＳ

DB
17

３．気相分子のイオン化

18Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）
引き出し電極フィラメント電子ビーム

リペラー電極

磁石

B

静電レンズ

P ~ 10-4 Pae-EMS

試料ガス

磁石

イオン放出穴19

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+ ・ → F1+ , F2+ , F3+ , ,（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。
20

Ⅰ.電子イオン化法（ＥＩ）

ダイアジノン（M.W. 304）の質量スペクトルM+ ・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 21

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。

①反応イオンの生成 C H + e- → C H + + H + 2e4 104 9（イソブタンの例）②化学イオン化（イオン分子反応）

C4H9+ + M → [M+H]+ + C4H822

Ⅱ.化学イオン化法（ＣＩ）
代表的なイオン分子反応
１．プロトン移動反応：プロトン親和力が支配[M1+H]+ + M2 → [M2+H]+ + M1
２．電荷移動反応：イオン化エネルギーが支配

He+ + O2 → O2+ + He

23

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

M+・EI

CI

日立テクニカルデータシート、No. 64.

[M+H]+24

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）

e- + M → M-・ （電子エネルギー＜1eV）
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）

Cl- + M → [M+Cl]25

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106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）
放電電極（針）差動排気部（中間圧力部）

約４kV

試料ガス

MS

コロナ放電プラズマ（弱電離プラズマ）
電子エネルギーが比較的低く、試料を破壊しない。

真空ポンプ 真空ポンプ

26

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。
放電電極（針）

放電電極（針）＋HV-HV[M+H]+e-

正イオンモードMS[M-H]MMS

負イオンモード27

Ⅲ．大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）
信号強度

16000
14000
12000
10000
8000
6000
400020000

黒色火薬

96

S3 -S2 -986420S4 -70128

危険物の実時間
モニター120m/z

イオン
電流(A)

10-710-8

青線：m/z = 96
赤線：m/z = 98

10-910-10
10-110102030時間（秒）4028難揮発性物質のイオン化

加熱による気化？
熱分解し、分子量関連イオンが生成しない。
気体化せずに直接イオン化する？

１．噴霧イオン化現象の利用
２．脱離イオン化現象の利用
29

４．液相分子の噴霧イオン化

30

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
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。
チトクロムC（M.W. 12300)

イオン強度

100

n=16n=1780[M + nH]60

n=15n+n=18n=1440
n=13n=192000200

400

600m/z

800

1000
31

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

テイラーコーン

大気ＭＳ細管（キャピラリー）

帯電液滴

１．高電界により液体コーンが形成。
２．先端から帯電液滴が静電力により生成。

32

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
不安定

全イオン量

使用範囲

ESI

放電
不安定

200V

印加電圧
33

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

テイラーコーン

帯電液滴

安定なテイラーコーン ⇒ 直径の揃った帯電液滴

d = g (ε )3 εε 0 Q / K ～ 1ミクロン
34

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
レイリー限界溶媒の蒸発

イオン間静電反発力と液体表面張力が同等に。

液滴は不安定化、複数の液滴に分裂

噴霧

帯電液滴
（約1μm）

気化

帯電液滴
35（約10nm）

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）

122e N=2πγd2
4πε 0 d36Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
d=1.9μmd=3μmRayleigh分裂は不均等。

462μs

d=1.7μm72μs+
d=0.2μmd=0.02μm
Anal. Chem. 65 (1993) 972A.

+

37

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

電荷残留

イオン蒸発

表面電界～１V/nm

38

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
S S
S
S ＋S
S S

エネルギー障壁ΔG：ΔGxの最大値⎧⎪
Ne 2e 2 ⎫⎪ΔG x = ⎨−⎬⎪⎩ 2πε 0 (d + 2 x ) 16πε 0 x ⎪⎭x
S S
S
S ＋ S
S S

S S
S
S ＋ S
S S

S S
S
S ＋ S
S S

δ⎧⎫
Ne 2− ⎨ΔG s +⎬2πε 0 (d − 2δ ) ⎭⎩droplet
帯電液滴から溶媒和イオン蒸発39

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）
S S
S
S ＋S
S S

e 4 N −1
ΔG = −− ΔGS
4πε 0 2d2x
S S
S
S ＋ S
S S

S S
S
S ＋ S
S S

dropletΔG≦0の場合にイオン蒸発が発生。
⇒ N∝d2 の関係が成立。
S S
S
S ＋ S
S S

δ

E～109 V/m の場合に、イオン蒸発を確認。

帯電液滴から溶媒和イオン蒸発40

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。

41

Ⅰ.エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）

開発初期のESI：流量＝1～10μL/分

蒸発蒸発ナノESI：流量≦1μL/分
蒸発効果抑制→安定な液体コーン形成42

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

ガス流
試料溶液

・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。
43

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）
10ns-flash shadowgraph剪断力による液滴の生成

ガス液体ガス44

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）
音速
10.8

Abundance (%)

イオン強度

100

0.6
0.4
0.2080トリエチレン
グリコール(不揮発性液体)

60
40
2000

12345

ガス流量 (L/min)

60

1234

Droplet Diameter ( μm)

噴霧により生成される液滴のサイズは音速時に最小。
Anal. Chem. 66 (1994) 4557.

455

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）

Droplet surface0.1μm
ガス流帯電液滴46

Ⅱ.ソニックスプレーイオン化法（SSI）-5

μ = 1.1 x 10(m2/Vs)

電荷数-6

4.8 x 10

移動度（印加電圧）-61.8 x 100.1

1.0

帯電液滴の直径 (μm)

Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 175 (1998) 277.

47

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
噴霧ガス 液体コーン（テイラーコーン）
ガス

大気

金属キャピラリー

液滴

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。
48
３．液体流量：1～1000μL/分

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法
ガス細管（キャピラリー）

移動度の差により帯電液滴を排除。

帯電液滴
大気

差動排気部

ＭＳ
49

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法
ガス

差動排気部 イオン取り込み細孔（径0.4mm）

質量分析部
オクタポール
イオンガイドカウンター
ガス窒素ガスRP

TMP(500L/分) (300L/分)

50

Ⅲ.ガス噴霧支援エレクトロスプレーイオン化法

Po
高圧側

P1l

P0l = 0.67 D
P1

細孔（内径D） 超音速噴流 マッハディスク

断熱膨張 ⇒ 冷却によるクラスター化
51５．固相分子の脱離イオン化52

Ⅰ.レーザー脱離イオン化法

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。
レーザー光

イオン

サンプル

サンプルプレート53

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。
イオン生成に数100ps必要。

表面の銅が局所的に溶解、気化。
電子（密度～1026m-3、数10eV)が表面から放出。
EIによりイオン化。
54
Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 2464.

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 Symposiumon Mass Spectrometry, Osaka, 1987, p. 185.

55

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）

5～20 μL

乾燥、結晶化

サンプルプレート
サンプルプレート56

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

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。

マトリックス分子-ターゲットプレート

57

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）
帯電したマトリックス
クラスター

脱離の初期

[M+H]+

レーザー光[m-H]-

マトリックス分子[m-H]-[M+H]+

ターゲットプレート[m-H]-

58

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。
２．高温、高圧プルームでの反応
気相イオン分子反応。
（プロトン移動、電荷交換）59

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）

代表的なマトリックス
マトリックス

主な対象物質DHBA (2, 5dihydroxybenzoic acid)

合成高分子、低分子有機化合物、糖類

HABA (2-(4hydroxyphenylazo)
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-4hydroxycinnamic acid)

ペプチド

60

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。
61

Ⅱ.マトリックス支援レーザー脱離イオン化法（MALDI）～1μs
レーザー光照射プルーム（高温高圧プラズマ）

冷却ビーム

レーザー光照射から１μs程度遅らせ、イオンビームを発生させる。
⇒ Delayed Extraction

62

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。
ミラーレンズ
サンプル
プレート

V1

レーザー

デフレクター

TOF

～1μs

V2
V1 V2

Anal. Chem. 67 (1995) 1998.

63

まとめ
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。
64