J. Plasma Fusion Res. Vol.95, No.6 (2019)２６２‐２６６

小特集 質量分析の中に見るプラズマ

３．大気圧化学イオン化の原理
3. Principle of Atmospheric Pressure Chemical Ionization
関本奏子
SEKIMOTO Kanako
横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科（原稿受付：２０１９年３月２２日）

大気圧化学イオン化（APCI）法は，大気中でのコロナ放電内で起こるイオン分子反応を利用して試料をイオン化する技術である．１９７０年代に開発されて以来，液体クロマトグラフィーと共に利用され，現代の その場 分
析用のイオン化法の基本原理ともなっている．しかし放電の特性から，負イオン化の効率に問題があった．本章
では，イオン分子反応の観点から APCI 法の原理と問題点を解説すると共に，問題点を克服するために著者が開発した大気圧コロナ放電技術を紹介する．
Keywords:
atmospheric pressure chemical ionization, mass spectrometry, corona discharge, ion-molecule reaction,−
inhomogeneous electric field, electron kinetic energy, conformal mapping, nitrogen oxide NOx, superoxide O・2 ,−hydroxyl ion HO

３．
１ はじめに試料を質量分析するためには先ず，その分子を気体かつ１９世紀後半に発見された陰極線を基に発展した質量分析イオンの状態にしなければならない．すなわち，質量分析の歴史上では，時代の流れに応じて様々なイオン化法が開におけるイオン化の主目的は，固体・液体・気体・中性な発されてきた．大気圧化学イオン化（atmospheric pres-ど多種多様な試料を 気体状のイオン にすることである．

sure chemical ionization; APCI）法は１
９７０年代，すなわち質気体状のイオン量分析を生命科学に応用し始める転換期に発表された手法

るが，APCI 法の場合に重要となるのは， 大気圧コロナである［１，２］．それまでは，真空下で試料をイオン化する電放電内で起こる気相のイオン分子反応 である．本稿では，

子イオン化（electron ionization; EI）法あるいは化学イオン

このイオン分子反応の観点から APCI 法の原理と問題点を化（chemical ionization; CI）法しかなく，低質量で揮発性の解説すると共に，問題点を克服するために著者が開発した高い分子（そもそもガス状の分子）が質量分析のターゲッ

技術［７‐９］について紹介する．

を作り出す過程はイオン化法毎に異なトであった．１９７０年代に入ると，難揮発性かつ質量の大きな生体分子を分析したいという要望が出始め，液体クロマ

３．
２ 大気圧化学イオン化（APCI）の原理

トグラフィー（liquid chromatography; LC）と質量分析計

３．
２．
１ APCI の特徴を繋げる必要が出てきた．それを可能にするインターフェAPCI 法の原理は化学イオン化（CI）法［１０，１１］に基づイスとして，LC から流れ出る溶液試料を大気圧下で気く．CI 法とは，真空下で 反応イオン （試料をイオン化さ化・イオン化する手法の開発が為され，最初に生み出されせるためのイオンの総称．試薬イオンとも云う）と気体状たのが APCI 法だった．その後，エレクトロスプレー（elec-の試料分子を反応させることによって，分子をtrospray ionization; ESI）法［３］や大気圧光イオン化法［４］に（フラグメンテーションを起こすことなく）イオン化さが開発され，タンパク質の測定に成功した ESI 法は２００２年せる方法である．このイオン分子反応場を大気圧下としたのノーベル化学賞の受賞対象となった［５］．のが APCI 法である．

ソフト

APCI 法は２０００年以降に開発されてきた現代のイオン化

図１には APCI イオン源の概要図を示した．本イオン化法，すなわち試料の前処理を行うことなくリアルタイムに法では一般的に，試料は溶液として調製される．ここからその場（in situ） 分析を可能にするアンビエントイオン

気相の試料イオンを生成させる際の特徴として，以下の４化法の基本原理の一つにもなっている．２００５年に開発され点が挙げられる．

た リ ア ル タ イ ム 直 接 分 析（direct analysis in real time;（１）試料のとイオン化は異なるプロセスで行われる．

DART）法は，APCI 法を基にした最初のアンビエントイオン化法である［６］．

気化（２）試料の気化には主に加熱源が用いられる．

Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University, Yokohama, KANAGAWA 236-0027, Japanauthor’s e-mail: sekimoto@yokohama-cu.ac.jp

２６２!2019 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

図１

3. Principle of Atmospheric Pressure Chemical Ionization

K. Sekimoto

APCI イオン源の概要図．

（３）気化した試料は，大気成分等に由来する反応イオン（図１中の R±）とのイオン分子反応によってイオン化される．
（４）反応イオンの生成およびイオン分子反応は，大気圧コロナ放電内で起こる．
質量分析計で検出される試料イオンの強度は，試料の気化効率（"とイオン化効率（!）の積に相関すると考えられる%），イ［１２］．試料分子が完全に気化したとしても（"%!100％）オンにならなければ（!!0％）イオン強度はゼロ．その逆もまた然りである．APCI 法の場合，加熱による気化効率

は試料の蒸気圧や沸点によって比較的単純に理解される．

図２

一方，イオン分子反応によるイオン化効率は，コロナ放電内で生成する反応イオンの種類や量，試料の物理化学的性質などの様々な要因に影響を受ける．そのため，イオン化

負イ
大気圧コロナ放電内で起こる（a）
正イオン H3O＋，（b）−−
オン HO−，O・2 ，NOx ，および（c）中性種 NOx の生成過程．
反応素過程は，例えば文献［１４，１５］を参考にしている．詳細は文献［１３］を参照されたい．

効率を理解するには先ず，反応場の状態を正確に把握する必要がある．以下では，大気圧コロナ放電の基礎過程と，（R2：ラジカル生成反応）そこで起こる反応イオンおよび試料イオンの生成機構を概→O・2＋＋2e−（KE #0 eV）
O2＋e−（KE＞12.1 eV）

説する（詳細は文献［１３］を参照されたい）．

（R3：電離反応）３．
２．
２ 大気圧コロナ放電の基礎過程

O2＋e （KE＞5.1 eV）→2O ＋e （KE #0 eV）

APCI 法で使われるコロナ放電では，ニードルのような−・−−−（R4：ラジカル生成反応）

曲率の大きい部位を含む電極を用いる．ニードルに数 kV→O ＋O
O2＋e （KE＞4.5 eV）の高電圧を印加すると，数 μA 程度の電流を伴った大気空（R5：解離性電子捕獲反応）

間の電気的な局部破壊が生じる．この時，放電空間は２つO2＋e （KE #0 eV）＋P →O・2−＋P （P : N2, O2）−の領域に分けられる．コロナ光の発生する局部的な高電界（R6：非解離性電子捕獲反応）の グロー領域（＞107 V/m） と，発光の見られない低電界の ドリフト領域（"107 V/m） である．グロー領域では

R6 の#は，電子捕獲によって生じる内部エネルギーを奪う気体の電離が激しく起こり，その結果，多くの電子や正負ための原子または分子で，第三体ともいう．電子の運動エイオンが生成するため電荷密度は非常に高い．また同時

ネルギー KE は，電子の加速されるニードル表面の電界強に，励起分子や原子も多く生成する．発光は，生成した電度 E と電子の平均自由行程 !!の積によって決まる．すなわ

子や正負イオンの再結合，あるいは励起した分子・原子がち，KE［eV］= E［V/m］×!
［m］．例えば，N2 や O2 の電離!

基底状態に戻る際に放出されるエネルギーに因る．一方，（R1，R3）あるいは N 原子の生成（R2）に必要な 10 eVドリフト領域では電離はほとんど起こらず，グロー領域で以上の運動エネルギーを得るためには，2.7×107 V/m 以上生成した荷電粒子が移動する空間となる．の高電界が必要となる．このような電子の衝突が関与する

APCI 法におけるイオン生成は，コロナニードル先端表

初期反応（R1，R3，R5，R6）によって生成した正負イオン面（グロー領域とその周辺）で加速される電子に由来する（N・2＋，O・2＋，O−，O・2−）が，反応イオン生成のための一次（図２）．加速された電子は平均自由行程 !$（大気中ではイオンとなる．

375 nm）を進むと，大気成分（N2 や O2 など）に衝突して，一次イオン（N・2＋，O・2＋，O−，O・2−）は自らの極性に従い，以下の反応を起こす．反応は電子の持つ運動エネルギー電気力線に沿って電界中を移動する．対向電極に向かう一（kinetic energy; KE）に依存して進行し，様々な正負イオ次イオンは，平均自由行程 !"$#（大気圧下では 66.3 nm）をンまたは中性のラジカル種を生成させる．

進むと，放電空間内に存在する気体や中性ラジカル種→N・2＋＋2e−（KE #0 eV）
N2＋e−（KE＞14.5 eV）（R2，R4 の反応で生成する N・や O・）に由来するオゾン O3や窒素酸化物 NOx 等の放電副生成物と衝突して様々なイオ（R1：電離反応）ン分子反応（プロトン移動反応や電荷移動反応）を起こし，

N2＋e−（KE＞9.8 eV）→2N・＋e−（KE #0 eV）

より長寿命なイオン種に変化する．この過程は電気力線を
２６３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.6 June 2019３．
３ 大気圧化学イオン化の問題点−NO−x の生成による負イオン化の阻害−

移動しながらドリフト領域内で継続して起こり，逐次的なイオン分子反応を経て生成した長寿命イオンが試料をイオン化させるための反応イオン

放電場に中性の NOx が発生すると，種々の負イオンからとなる．

−−
NOx に電荷が移り NO−2 や NO3 が生成する（図２b）．NO3３．
２．
３ 反応イオンと試料イオンの生成
正極性コロナ放電では，オキソニウムイオン H3O＋とそ＋の プ ロ ト ン 親 和 力 は 非 常 に 低 く（１３５7.7±3.0 kJ/molの水クラスター H3O （H2O）n が主な反応イオンとなる［１６］），電子親和力は極めて高いため（3.94 eV［１７］），本（図３a-i）．本イオンは，正の一次イオン（N・2＋と O・2＋）とイオンは負極性コロナ放電内で非常に安定に存在する．こH2O が関与する逐次的なイオン分子反応を経て生成する

れは言い換えれば，有機化合物からプロトンを引き抜いて（図２a）．H2O のプロトン親和力（proton affinity; PA，PA脱プロトン化させたり（R10），電子が移動することによる（H2O）＝!!"（H2O+H →H3O ）＝691 kJ/mol［１６］）は，一分子イオン化（R11）を起こしにくいため，試料をイオン化般的な有機化合物のそれよりも低い．そのため，H3O＋はさせる＋＋＋

試料 M をプロトン付加分子［M+H］ としてイオン化するとしては不適であることを意味する（図３b） ．

ことが可能である（R7；図３b-ii）．
+反応イオン
注）

less

−
NO−
3 ＋M !"［M-H］ ＋HNO3（R10：プロトン移動反応）+

H3O ＋M→［M＋H］＋H2O

less

・−
NO−
3 ＋M !" M ＋NO3（R7：プロトン移動反応）（R11：電荷移動反応）

一方，負極性コロナ放電における反応イオンは多種多様で，各種イオンの生成量は放電場に発生する放電副生成物

このような NO−x の生成による試料の負イオン化の阻害（O3 や NOx）の量に依存する．例えば NOx の量が少ない場

が APCI 法の問題となっていた．試料の負イオン化効率を合には，負の一次イオン O−と H2O の反応を経て，HO−も・−上げるには，できるだけ NO−
x を生成させず，O2 等のイオ

しくは他方の一次イオン O・2−が主な反応イオンとなる．

ンが関与する R8 や R9 の反応を優勢的に起こさせる放電場−
NOx が多い場合は，HO−や O・2−は全て NO−
2 や NO3 といっを作り出さねばならない．このためには，そもそも放電副た窒素酸化物系イオンへと変化する（図２b）．

生成物である中性 NOx を発生させないことが重要である高いプロトン親和力を有する O・2−（1476.9±3.0 kJ/molが，窒素を多く含む大気中で放電を行う限り，NOx の生成［１６］）や HO−（1622.1 kJ/mol［１６］）は，種々の有機化合はやむを得ないとされてきた．

物からプロトンを引き抜き易く，試料の脱プロトン化を促

３．
４ NO−
x の生成を抑えたコロナ放電場の形成と負イオン化への応用

す（R8）．また，O・2−は試料に付加することで試料をイオン化する場合もある（R9）．

著者は長年に亘りコロナ放電の基礎研究を行ってきた．

−＋HO・2/H2O
O・2−/HO−＋M→［M-H］

その結果，通常の大気中にもかかわらず NO−
x の生成を抑（R8：プロトン移動反応）

え，R8 や R9 によって試料を効率良く負イオン化させて質・−＋"（"：N2，O2）
O・2−＋M+"→［M+O2］

量分析することが可能なコロナ放電イオン源の開発に成功（R9：付加体生成反応）

した［７‐９］．本章ではこの技術を紹介したい．

しかし 窒 素 酸 化 物 系 の イ オ ン（特 に 硝 酸 イ オ ン NO−3 ）本技術の最大の特徴は，特殊な先端形状を有するニード
ル，すなわち先端表面には光沢加工が施され，その形状はは，次章に示すように試料のイオン化には適さない．

図３

大気圧コロナ放電で得られる（i）
大気バックグラウンドおよび（ii）
試料のマススペクトル．（a）
正イオン，（b）
負イオン（NOx− が大量発．（a-ii）の試料はフェニル
生する放電場でイオン化した場合），（c）
負イオン（NO−x の発生が抑制された放電場でイオン化した場合）
エチルアミン（PEA; Mr 121），（b-ii）と（c-ii）の試料は L‐フェニルアラニン（Phe; Mr 165）．

注）例外もある．NO−3 は極めて気相酸性度の低い試料からプロトンを引き抜いたり，試料に付加してイオン化させることができる．
［１８，１９］．
この性質を利用し，トリニトロトルエン等の爆発物の原料や大気中の硫酸 H2SO4 の質量分析に積極的に利用されている

２６４Special Topic Article

3. Principle of Atmospheric Pressure Chemical Ionization

K. Sekimoto

回転放物面と近似でき，最先端の曲率半径が約 1 μm のニードルを電極として用いることで あ る（図４）．この'&$"%'#ニードルに直流電圧を印加し，平板電極に対してコロナ放電を起こすと，電極間には安定した定常電界が発生し，$$"% ! " !! ")+ !# # "# # "
#%!
#)
+! "
#

（1b）

NO−
x が大量に発生する場と発生が抑制される場が明確に%#%"（!$%"$&）で表される放物線とそれに直交する分かれる．図５a と b には，平板電極に対してニードルを垂$#$"（!% $$"$"%）の双曲線は，それぞれ等電位線直に配置し，ニードルへの印加電圧が‐3.5 kV の際に平板と電気力線を示す．%!と "は，それぞれニードル先端表面と NO−x のイオン強度の分布を示した．大輪郭の放物線に相当する %値と電極間距離である．%!の値

量の NO−x が到達するのはニードル軸上の平板位置のみ

は，図４に示すニードル先端の顕微鏡写真を使い，先端輪−に到達する HOで，それ以外には主に HO が到達する．これは，ニードル

郭の &!'座標を求めることで，正確に導出することができ先端表面に発生する不平等電界と，そこから発生する電気!
&'&""%［７］）．さ ら に，図６のる（"#3 mm の 時，%!#!
'軸を回転させて得られる三次元座標（&&，'&，$"%'$"%'−力線の軌跡（すなわちイオンの輸送挙動）の関係から理解））の電界分布から，この電界中で発生す($"%（$"%'&'#&&される．

る電界強度 !&$"%'を以下のように求めることができる．

ニードルの先端形状が回転放物面で近似される場合，Eyring らの用いた等角写像法によって電極間に発生する

#!&
$"
%'
#!
"!$
$"&
# "# "#(,-%'#

電界分布および電界強度を理論的に求めることができる［２０］．等角写像法，すなわち電極の形状を考慮した境界条件を数式に変換して行う電界の解析では，電極間のあらゆ

%!
"
#
$%%%)
+! !"(,-! !""'($ (($,-! "*+''(#%%%&!
!
)+! "(,-! "!$$

る点の電界を正確に求めることが可能である．平板に対してニードルを垂直に配置した時に発生する二次元（&&$"%'$"%'平面）の電界分布は，以下の式で示され!'&

ここで %!は，ニードルへの印加電圧（電極間の電位差）をる直交曲線座標によって表される（図６）．
$

指す．

$% ! " !! ""&&$"%'(,- !# # !# # "
##%!
#)
+! "
#（２）

図５aとbの放電条件および式（１）と式（２）を使い，等電（1a）位面の１つであるニードル先端表面 &&$"%!'に発生する電界強度 !&
，また，
$"
%!'
$"
%!'と電子の運動エネルギー KE&
先端表面から発生する電気力線の平板到達位置 &&"%!'を!
図５c に示した．ニードル最先端（&&$"%!'#!）の電界強度
は 3.2×108 V/m，電子の運動エネルギーは 118 eV であり，ここから射出される電気力線（図６中の$#!の線）はニー
ドル軸上を移動し，&&"%!'!
#!の平板位置に到達する．一方，ニードル最先端からわずか &&$"%!'#±0.01 mm外れる
だけで，電界強度は１桁弱まる．こういった先端位置から発生する電気力線（図６中の $#!または $$!の線）は，
ニ ー ド ル 軸 上 の 外 側 を 移 動 し，&&"%!'#!ま た は!

図４&&"%!'$!に到達する．
!

ニードル先端の顕微鏡写真．

ここで，NO−x の源となる N 原子の生成（R2）には 10 eV−
図５ （a），（b）
平板電極 x（u，０）に到達する HO−および NO（＝xNO−2 ＋ NO−3 ＋ HNO−3 ）のイオン強度分布．（c）
ニードル先端表面 x（u，v0）に発生する電界強度 E（u，v0）と電子の運動エ
ネルギー KE（u，v0）．（a）‐（c）の放電条件は，d ＝ 3 mm，５００V， v0 ＝ 0.98115&.
Φ０ ＝３

図６

２６５

平板電極に対してニードルを垂直に配置した時に発生する二次元（x（u，v）‐y（u，v）
平面）の電界分布．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.95, No.6 June 2019［２］D.I. Carroll et al., Anal. Chem. 47, 2369 (1975).
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以上の電子エネルギー（＝2.7×107 V/m 以上の高電界）が必要なことを考慮すると，NO−x はニードル最先端付近でのみ生成，そこから発生する電気力線に従って輸送されるとすれば，平板に到達する範囲は ""!!
!#!0〜±1.1 mm と見積もられる．これは図５a と b のイオン分布と一致する．以上より，図４のニードルによって安定した定常電界を発生7させた場合，NO−x の大量生成は2.7×10 V/m以上の高電界を有するニードル先端から射出される電気力線上に限定され，それ以外の電気力線上では HO−や O・2−が主に生成することが明らかとなった．
HO−や O・2−が存在する放電場では，R8 や R9 によって試料がイオン化される．この試料イオンを質量分析計に効率良く導入するには，質量分析計のオリフィス（イオン導入孔）を対向電極とし，オリフィスに対して HO−や O・2−が輸送される電気力線が到達するようにニードルを配置すれば良い．例えば，オリフィスの中心軸に対してニードルを垂直に，かつ横方向にずらして配置する，あるいはオリフィス軸に対して角度をつけて配置すると，試料の脱プロトン分子や O・2−の付加体を観測できる（図３c）．
以上より，ニードル電極の配置を制御するだけで，放電場周囲のガス雰囲気を調整することなく，試料の効率的な負イオン化が可能となった．本技術により，APCI 法の応用範囲のさらなる発展が期待される．

参考文献［１］E.C. Horning et al., Anal. Chem. 45, 936 (1973).

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