分子のイオン化法

を効率よく生成させることである。イオン化過程
において、分子が複雑に解離すると、解離イオン（フラグメントイオン）を解析することが困難と

1. はじめになる。一方、分子量関連イオンの生成に成功すれ分子のイオン化技術は、質量分析分野を中心とし報の取得が必要な場合には、真空装置内で分子量て発達してきた。質量分析法が初めて使用された関連イオンを前駆体イオンとして分子との衝突のは、気体ネオン等の同位体分離が目的であり、誘起解離（Collision Induced Dissociation: CID）

今から８０年以上前のことである[1]。当時のイなどによりフラグメントイオンを発生させ、そのオン源には、気体放電や後述の電子イオン化法

質量スペクトルを解析すればよい。このような分（Electron Ionization: EI）が採用された。

析をタンデム質量分析あるいは MS/MS 分析と呼ば、分子量が推定できる。そのうえ、分子構造情び、得られる質量スペクトルを MS/MS スペクトルと呼ぶ。CID における衝突エネルギーを最適化す

質量分析計

ることにより、物質を特定する分子構造情報を得易い MS/MS スペクトルを取得することが出来る。

試料

イオン源

質量
検出部
分析部

さて、先に述べた放電や EI では、気体状態の原子や分子のイオン化しかできないうえ、多原子分子のイオン化においてはフラグメントイオンの発生を無視できない。また、揮発性の低い有機

Fig. 1

質量分析計の構成。

物質などのイオン化は困難である。そもそも、このような物質の気体分子を生成するために、分子を直接的に加熱して気化させようとしても、熱分質量分析計は、イオン源と質量分析部、検出部から構成される。そして、イオン源では、試料分子から気体状のイオンが生成される。生成された
気体状のイオンは質量分析部に導入される。次に、質量分析部では、気体状イオンが、その m/zに応じて電場や磁場により分離される。現在、質量分析部で利用されている質量分析方式としては、四重極質量分析型、四重極イオントラップ質
量分析型、飛行時間型質量分析型、フーリエ変換
イオンサイクロトロン共鳴質量分析型、磁場型質
量分析型などが挙げられる。そして、質量分離された気体状イオンは、検出部において電子増倍管
あるいはマルチチャンネルプレート等の検出器により検出され、電気信号に変換され、情報処理される。そのため、質量分析計による分析を行う
ためには、イオン源において試料分子から気体状のイオンを生成させることが必要条件となる。
分子のイオン化において重要なことは、分子イオンやプロトン化分子などの分子量関連イオン解などの問題が発生する。一方では、質量分析計
は多原子分子の高感度分析が原理的に可能である。そのため、低揮発性分子の分析に向けて、様々なイオン化法が継続的に開発・改良された[2]。
その結果、質量分析計の高感度化と相まって質量分析法は、石油化学関連の高分子材料、半導体、
医薬品、生体分子など、時代の産業構造に応じた発展を遂げることができた。
現在、様々な種類のイオン化法が利用されている。本稿では、先ず、質量分析法の使用例について、簡単に触れたい。それから、気相、液相、固相分子に対する代表的なイオン化法について述べる。特に、液相や固相分子のイオン化においては、気体状中性分子を経ずに、直接イオン化する手法を紹介する。すなわち、液体の噴霧現象を利用するスプレーイオン化法や、固体表面のスパッター現象を利用する脱離イオン化法である。いづれも、従来から知られるイオン化現象を巧みに利用している。

2. 質量分析法の応用
混合試料の質量分析には、試料をそのままイオン

×１０5
10

源に導入して分析することも可能だが、分離手段

1.05(x10**6)

GC ） や 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ （ Liquid
Chromatograph: LC）などの分離手段を質量分析

Ion Intensity

わち、ガスクロマトグラフ（Gas Chromatograph:

イオン強度を併用するオンライン分析が一般的である。すな

1.00
0.95

3

0.90

12

0.85
0.80

2

0.75
0.70

11

16

0.65

6

0.60
0.55

5

0.50
0.45

4

1

0.40

910 14
8

15

7

0.35
0.30
0.25

計に直接結合させた GC/MS（ガスクロマトグラフ

0.15

5

0.10
0.05

／質量分析装置）や LC/MS（液体クロマトグラフ

0

0.00

5

される。これらの分離手段を結合した装置は、高感度分析や定量分析に有利である。以下では、簡単に応用例について触れたい。

15

20

25

20

30

35

30

40

45

40

Retention
Time (min)RetentionTime(min)
保持時間（分）LC で分離された試料は順次質量分析計のイオン量分析計の出力において分離ピークとして検出

1010a) 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／質量分析装置）などが使用される。GC あるいは源（あるいはインターフェース）に導入され、質

13

0.20

Fig. 2

農薬の LC/MS による一斉分析例。各農薬のプロトン化分子に対するイオン強度の時間変化（マスクロマトグラム）を重ねて示す。番号が付けられたピークがプロトン化農薬分子 [3]。

2.1. 農薬の多成分一斉分析
LC/MS の応用例として、農薬混合サンプルの分析
例を Fig. 2 に示す。プロトン付加した農薬分子が検出されるが、この図では検出イオンの m/z に対するイオン強度の時間変化（マスクロマトグラ

このような農薬の多成分一斉分析は、水道水や食品中の残留農薬に対して実施されている。分析
対象となる農薬の種類が増加しても、このことが分析コストに反映され難い点が特徴的である。

ム）を各々のイオンに対して示している。図に示
分離ピークとして質量分析装置で検出されている。予め標準試料を用いて、検出イオン（前駆体イオン）に対するタンデム質量分析を行っておくと、実サンプルの分析において検出イオン（前駆体イオン）に対するタンデム質量分析を行い、前駆体イオン、及び、フラグメントイオンの m/z を

ピーク面積（
カウント値）

すように、分離成分は異なる時間（保持時間）に1000000
9000008000007000006000005000004000003000002000001000000010

合にも、タンデム質量分析により元の分子を推定することができる。

Cx 30

40

50

60

試料量（pg）

照合することにより、元の成分を同定（特定）することができる。また、未知成分が検出された場

20

Fig. 3 マスクロマトグラム面積と試料量との関係を示す検量線。

一方、定量分析によりサンプル量や濃度を求める場合には、予め特定の濃度の標準試料を分析し、対応するマスクロマトグラムのピーク面積から、Fig. 3 のような検量線を作成する。次に、濃度が未知である実試料を分析し、対応するピーク
面積から検量線を利用することにより、濃度を決定することができる。

創薬における薬物動態分野においても、LC/MS
分析が精力的に用いられている。この分野では、医薬品（候補）が投与された実験動物やヒトにおける血液や尿を採取し、投与された医薬品（候補）や代謝産物の濃度を、高感度で精度よく測定する

ことが要求される。試料の前処理にも依存する

ペクトルにおけるフラグメントイオンや前駆体が、μg/L 程度の濃度において定量分析を行うこと

イオンの m/z 情報に対し、データベース情報に基ができる。

づくアミノ酸配列情報を照合することにより、元

2.2. プロテオーム解析のタンパク質、及び、ペプチド（LVNELTEFAK）を同定（特定）することができる。

遺伝子情報に基づき発現するタンパク質には、疾患に関連するものがある。そこで、これらタンパ
ク質の機能を解明したり、その機能に基づいた医LVNELTEFAK

薬品を開発するため、タンパク質に関する研究が盛んに行われている。体内において発現するタンと非常に多いが、一度に多種類のタンパク質を解析する試みがプロテオーム解析である。このプロ
テオーム解析において、高感度・高スループット
分析に適した質量分析法が主要な分析手段として利用されている[4]。

相対イオン強度（％）

パク質の種類は（生物種により）数千から数十万

E

T

L

E

N

V

L

100
80
60
40
20
0
200

400

600

800

1000

1200

m/z

タンパク質は、アミノ酸がペプチド結合により一次元的に結合した高分子であり、分子量が 5 千から数十万程度もある。（より分子量の低いもの

Fig. 4

二価のプロトン付加ペプチド分子

はペプチドと呼ばれる。）このような巨大分子の（m/z=582.35）に対する MS/MS スペクトル。アル

イオンを直接的に質量分析することは、質量分析

ファベットは解読されるアミノ酸を示す。MS/MS

計の分解能や質量範囲により限界がある。そこ

分析の前駆体には、一価イオンよりも多価イオン

で、一旦タンパク質を酵素で消化し、分子量が数を選択する方が、得られる MS/MS スペクトル情報

千以下のペプチドに断片化し、それらを LC/MS をは豊かになる傾向がある。

用いてタンデム質量分析するショットガン解析が盛んに行われている。
Fig. 4 に、プロトンが２つ付加したペプチド分

実際には、体内に発現するタンパク質の種類は子に対し、衝突誘起解離（CID）により得られる非常に多く、これらのタンパク質混合物の酵素消フラグメントイオンの質量スペクトル（MS/MS ス

化産物（ペプチド混合物）では種類が更に一桁以ペクトル）を示す。プロトン付加ペプチド分子の上増加する。このような複雑なサンプルを直接CID による主要な解離部位は、アミノ酸間のペプ

LC/MS 分析するには限界がある。そのため、前処

チド結合部位である。そのため、アミノ酸が一つ

理においてある程度サンプルを単純化した後、微づつ外れた一連のフラグメントイオンが Fig. 4量サンプルの分離に有利なナノ LC（流量～100nL/

において観測されている。ショットガン解析で分）と高スループット分析が可能な質量分析装置

は、この特徴的な解離パターンを利用する。

を結合させたナノ LC/MS により分析される。（LC

現在、様々な生物に対する遺伝子情報がデータにおける液体流量が 1mL/分程度のものは汎用 LC、ベース化され、利用可能な状況にある。そして、0.2mL/分程度のものはセミミクロ LC と呼ばれ、これらの遺伝子の塩基配列情報を利用すると、3区別されている。）また、オフライン分析として、

塩基で 1 アミノ酸をコードする関係にあるので、ナノ LC で分離された成分をサンプルプレートに遺伝子情報の産物であるタンパク質のアミノ酸塗布し、MALDI-TOFMS（マトリックス支援レーザ

配列情報を得ることができる。そこで、MS/MS ス

ー脱離イオン化－飛行時間型質量分析計）を用いとが出来る。この電子に対して、数十mTの磁場をた分析も盛んに行われている。

ビームが発生する方向に印加することにより、密度の高い電子ビームを形成することができる。そ3. 気相分子のイオン化

して、電子ビーム照射により生成されるイオン

本節では、気相分子の代表的なイオン化法としは、リペラー電極に印加された電圧により、イオて、電子イオン化法（EI）と化学イオン化法、及ン源のイオン放出穴（スリット）から外部に放出

び、大気圧化学イオン化法を紹介する。電子イオ

され、静電レンズによりイオンビームが形成されン化法（EI）と化学イオン化法は、GC/MS のインる。電子ビームは、イオン源のイオン放出穴（まターフェースに用いられている。

たはスリット）から 1mm程度の距離に照射されることにより、生成イオンが効率よく質量分析部に3.1. 電子イオン化法（EI）

向けて排出される。

電子を気体分子に衝突させると、電子エネルギーに応じて、分子の回転状態や振動状態、電子状態

引き出し電極が励起される。そして、大抵の分子のイオン化エ

フィラメントネルギーは 10eV 程度なので、それ以上のエネル

電子ビーム

磁石

リペラー
電極

B

静電レンズ

ギーの電子を衝突させると、大抵の分子はイオン化が可能である。しかし、イオン化効率が電子のエネルギーに依存し、70eV 程度の時に最大となる場合が多い。そのため、電子エネルギーは 70eV程度に設定されることが多い。
電子イオン化法では、真空中で一定のエネルギーを有する電子ビームを発生させ、そこに試料で

e-

E

試料ガス

ある気体分子が導入される。分子に電子が衝突す

磁石ることにより、電子を１個失った正イオン（M+・）

イオン
放出穴

が生成される。この電子イオン化法の特徴は、電子のエネルギーが分子のイオン化エネルギーより充分に高いので、イオン解離によるフラグメン

Fig. 5

EI イオン源の断面図。

トイオンも生成される点である。このフラグメン
トイオンの質量やイオン強度を調べることにより、試料分子を同定（識別）したり、分子の構造を調べたりすることができる。
Fig. 5 に、代表的なイオン源の断面図を示す。

3.2. 化学イオン化法(CI)と反応イオン
化学イオン化法（Chemical Ionization: CI）でPa程度の真空中に設置されるイオは、試料分子と反応イオンとの衝突による気相イ

ン源では、導入される試料ガスに、電子ビームがオン分子反応により、試料分子のイオン化が行わ照射される。イオン源内部は半密閉構造であり、れる[5]。イオン化が反応イオンとの衝突による-4

圧力が 1×10

導入される試料ガス圧力は 10 Pa程度に設定されため、ガス圧力が高いほど衝突頻度が高くなり、る。そして、電子ビームの発生には、タングステ

イオン化効率も高くなる。

-2ンやレニウム線フィラメントを用いられる。フィ気相イオン分子反応では、発熱を伴う。しかし、ラメントに電流を流して 2000K以上に加熱し、イ

過剰なエネルギーは周囲の分子との衝突で速やオン源本体に対して電圧を印加することにより、かに緩和されるため、フラグメントイオンの生成

1mA程度の熱電子をフィラメント表面から得るこは抑制される。そのため、比較的分子量の大きな

e- + M → M-・（電子エネルギー＜1eV）

有機物質の分子量関連イオン生成が可能である。
さて、化学イオン化法（CI）では、予め反応イ

Cl- + M →[M+Cl]-（アニオン付加反応）

オンの生成が必要である。実際には、CI イオン源
は EI とイオン源が共通化され、反応イオン生成に EI が用いられることが多い。イオン源のガス

3.3. 大気圧化学イオン化法(APCI)

圧力が EI の場合に比較して二桁程度高い条件で大気圧化学イオン化法（Atmospheric Pressure

も、電子ビームを安定に発生させることができる

Chemical Ionization: APCI）は、CIの一種だが、ためである。より高圧での化学イオン化は大気圧

大気圧下で気相イオン分子反応が行われる点が下で行なわれるが、反応イオンの生成においては特徴的である[6]。そして、反応イオンの生成に電子イオン化法を使用することができない。（後は、コロナ放電が使用される。Fig. 6 に示すよう

述）に、大気圧下で、放電電極の針と質量分析計のイ

GCのキャリアーガスとして、イソブタンがしばオン取り込み細孔（金属製）との間に 4kV程度のしば用いられている。そこで、イソブタンを反応

直流高電圧を印加することにより、コロナ放電をイオン化する場合の例を下に示す。反応イオンと発生させる。コロナ放電は、電子エネルギーが比+して生成されたC4H9 が、様々な試料分子Mと衝突

較的低く、気体分子の一部だけがイオン化する弱し、気相イオン分子反応により、試料分子の分子

電離プラズマである。それでも、放電電流は数μ+量関連イオン（[M+H] など）が生成される。

Aなので、気相イオン分子反応に用いる反応イオンの量としては充分に得ることができる。このコ①キャリアーガス（イソブタン）の反応イオン化
-

+
4 9

C4H10 + e → C H-+ H + 2e

ロナ放電プラズマに気体状の試料分子を導入することにより、気相イオン分子反応により、試料分子のプロトン化分子などが生成される。CIの場②化学イオン化（イオン分子反応）
C4H9+ + M → [M+H]+ + C4H8合に比較して、ガス圧力が約 107程度高いため、イオン分子反応に寄与する衝突の頻度が増加し、イオン生成効率も向上する。そのため、非常に高一般的に、化学イオン化に関与するイオン分子

感度な気体状の分子の分析が可能になる。

反応は、プロトン移動反応や電荷移動反応が主である。
放電電極（針）差動排気部（中間圧力部）

プロトン移動反応の例
H3O+ + M →約４kV[M+H]+ + H2O

電荷移動反応の例
N4+ + M → M+ + 2N2

MS

試料ガス

また、CI では負イオンを生成させることもでき

コロナ放電プラズマ（弱電離プラズマ）る。即ち、ガス圧力が高いので、分子と多数回衝突した電子のエネルギーは低減し、電子親和力の真空ポンプ 真空ポンプ

高いハロゲン化合物などの電子捕獲によるイオン化が可能である。

Fig. 6APCI インターフェースの断面図。

質量分析計などで、タンパク質やペプチドなどのまた、放電電極の針に印加する直流高電圧の極分析が可能となった。この多価イオン分析に伴う性（正負）を切り替えることにより、正負イオン

質量分析計のコンパクト化が、タンパク質分析なモードを切り替えることができる。例えば、正のどの広い分野で受け入れられている。

高電圧を印加すると、静電力により正イオンが質
量分析計のイオン取り込み細孔（金属製）に集まる。
Fig. 6 に示すように、大気中で生成されるイオンは、直径 0.4mm 程度の細孔から真空装置に導入される。そして、質量分析部が設置された高真空

イオン強度り、正イオンが質量分析計に優先的に取り込まれ

100

n=16

80

n=15

n=17

60

[M + nH]n+

n=18

n=14

40
n=13
n=19

20

部に導入される前に、中間的な圧力の差動排気部

0を通過する。イオンを大気圧から高真空部に直接

0

200

400

的に導入することは、真空ポンプの負担が過大で

600
m/z

800

1000

あり、現実的ではない。そのため、大気中でイオン化を行う大気圧イオン化法では、必ず差動排気

Fig. 7 チトクロムＣタンパク質（分子量 12300）

部が設けられる。詳細は 4.9 節で述べる。

の溶液より得られた質量スペクトル。多数のプロ

4. 液相分子の噴霧イオン化

トンが付加した多価イオンが検出される。

4.1. 静電噴霧現象とイオン化
静電噴霧とは、点状の液体と電極との間に高電圧

4.2. ESI におけるテイラーコーンの形成を印加することにより、液体が電極に向かって噴エレクトロスプレーイオン化法（ESI）は、典型

霧され、荷電粒子が発生する現象である[7]。この的な噴霧イオン化法として、広く利用されてい現象は、今から 100 年程前には知られ、ペンキのる。

塗装などに用いる噴霧技術として利用されていた。質量分析分野に向けたエレクトロスプレーイ

テイラーコーン

大気

オン化法（Electrospray Ionization:ESI）に発展させたのは、山下と Fenn である[8]。

ＭＳ

当時、有機物質のイオン化においては、一価イ
オンが主に生成されると考えられていた。そのた
細管（キャピラリー）

め、質量分析範囲が非常に広い質量分析計を使用

帯電液滴

しても、分子量が数万以上のタンパク質を分析す
ることは困難であると考えられていた。ところが、ESI では、ペプチドやタンパク質をイオン化
すると、Fig. 7 に示すように、多価イオンが生成

Fig. 8

ESI によるイオン生成の模式図。

されることが 1988 年に判明した[9]。すなわち、これらの分子は液相で多価のイオン状態を取る
ものが多く、このことが生成イオンにある程度反Fig. 8 に示すように、金属製キャピラリー（細映されることが分かった。この発見により、質量管）に試料溶液が導入される。そして、金属製キ分析範囲が比較的狭い（コンパクトな）四重極型

ャピラリー末端部の試料溶液と対向電極（質量分析計イオン取り込み細孔）との間に、高電圧が印

Vonがある[11]。（この式は、安定なテイラーコー

加される。その結果、金属製キャピラリー末端のンが形成されることを前提としている。）

試料溶液は、高電界により、質量分析計の方向に引っ張られ、円錐型の液体コーンが形成される。
このテイラーコーン（Taylor cone）と呼ばれる液体コーンの内部では、試料溶液の正イオンがコーン先端部に移動するとともに、負イオンは上流側に移動する。そして、金属キャピラリー表面での電気化学反応により、負イオンから電子に電荷の担い手が変換される[10]。その結果、テイラー
コーンにおいて試料溶液中の正負イオンが分離され、テイラーコーン先端部では正イオンが極限的に濃縮される。そして、テイラーコーン先端から、溶媒分子の蒸発により、正に帯電した液滴が静電力により放出される（静電噴霧現象）。
帯電液滴の気化に従い、試料分子のプロトン化分子など、分子量関連イオンが生成される。金属製キャピラリーを介して試料溶液に印加される電圧の極性を反転させることにより、負イオンを生成させることもできる。

⎛ 2L ⎞⎟⎟
Von ≈ 1.4 × 10 5 γ d out ln⎜⎜
⎝ d out ⎠（4-1）

ここで、γは試料溶液の表面張力、doutはキャピラ
リーの外径、Lは細管末端から対向電極までの距離である。距離Lは、2 から 30mm程度の範囲で設定されることが多い。通常、閾値電圧より 200V
程度高い電圧に設定すると、イオン量が印加電圧にあまり依存しなくなる。この条件下では、安定なテイラーコーンを形成し、安定にイオン生成す
ることが多い。さらに高い電圧を印加すると、テイラーコーンの向きが変動し、複数のテイラーコーンが形成されるなど、不安定化する。印加電圧がさらに高い場合、キャピラリー先端と質量分析
計イオン取り込み口との間にコロナ放電が発生する。不安定なイオンが解離するなど、分子量関
連イオンの生成に悪影響を与えることがある。
ESIのイオン生成においては、安定なテイラー

不安定

コーンの形成が重要である。典型的に表面張力が高い純水などを噴霧する場合には、（電気伝導度

全イオン量

使用範囲

ESI

を調整しても）閾値電圧Vonが高くなり、放電の発生を避けられないことがある。

放電
不安定

200V

また、試料溶液の電気伝導度が高すぎると、電界による正負イオンの分離ができず、テイラーコーン自体が形成できない。一方、電気伝導度が低印加電圧すぎても、電界による正負イオンの分離はできる
が、テイラーコーンを形成するほどにイオン濃度

Fig. 9ESI において生成される全イオン量の印加電圧依存性の模式図。イオン生成の閾値電圧から 200V 程度高い電圧を印加すると、安定したイオン生成が実現することが多い。

が増加しない。そのため、試料溶液や LC 移動相の液体には、電離度の低い酢酸や蟻酸を 0.1 から1％程度添加することが多い。なお、電離度の高い TFA（トリフルオロ酢酸）の使用は、電気伝導度が高くなり過ぎるため、噴霧の不安定化の要因となることがある。

Fig. 9 に、噴霧により生成される全イオン量の印加電圧依存性を模式的に示す。エレクトロスプ
レー発生には、以下のように近似される閾値電圧

さらに、ESI で噴霧される液体の最適流量は、キャピラリーの外径に依存する。すなわち、キャピラリー外径が１mm 程度の場合には、液体流量を1 から 10μL/分程度に設定すると、安定なイオン生成が実現する。この流量では、汎用 LC/MS（液体流量～1mL/分）やセミミクロ LC/MS（液体流量力と同等になる。その臨界条件は次式で与えら～0.2mL/分）のインターフェースには直接利用でれ、Rayleigh の不安定条件と呼ばれる[13]。

きず、LC からの溶出液を分岐させるなどの工夫が必要である。一方、ナノ LC/MS のインターフェー
スに用いる場合には、液体流量を 300nL/分以下に

e2 N 2= 2πγ d4πε 0 d 2
1

（4-3）

設定する必要がある。この場合には、キャピラリ
ー末端だけを 10μm 程度に細くしたナノ ESI 用の

ここで、e は単位電荷、N は液滴の電荷数である。

石英製噴霧キャピラリーが用いられる。このナノ不安定条件（4-3）に達した帯電液滴は、もはや一ESI では、テイラーコーンの表面積が大きいと、個の液滴として存在することができず、分裂す

溶媒成分の蒸発速度の方が試料溶液流量より高る。実際には、帯電液滴の形が厳密に球形ではな

くなり、安定なテイラーコーンを形成することがく変動するため、上式で示される電荷数の７割程できなくなる。そのため、噴霧キャピラリー末端度で、Rayleigh 分裂することがある[14]。

を細くすることにより、テイラーコーンの表面積を低減させている。
これまで述べたように、安定したテイラーコー
ンを形成させるためには、表面張力や電気伝導

d=1.9μm

d=3μm
462μs

度、導入する液体の流量が一定の条件を満たすことが必要である。この条件を定量的に表現するこ

d=1.7μm72μsとは困難だが、液体の流量が低いほど緩和される傾向にある。

+
4.3. ESI における帯電液滴のサイズ
安定したテイラーコーンが形成されている場合には、噴霧により最初に生成される帯電液滴の直d=0.2μmd=0.02μm+

径 d は、数μm 程度であり、殆ど分布が見られない[12]。

d = g (ε )3 εε 0 Q / K（4-2）

Fig. 10 帯電液滴の気化に伴う Rayleigh 分裂の模式図[15]。

ここで、g(ε)は１程度の定数であり、ε 、ε0、Q、
Kは、それぞれ液体の誘電率、真空の誘電率、液帯電液滴が Rayleigh 分裂する際には、不均等体流量、電気伝導度である。これより、流量が非な分裂が起こることが知られる。その結果、元の常に低いナノESIでは、噴霧により生成される帯帯電液滴と殆ど同等の直径で 85％の電荷を有す

電液滴の直径が、流量が高い場合のESIに比較しる帯電液滴と、元の帯電液滴の 1/10 の直径でてより微細になることが示される。

0.75%の電荷を有する 20 個程度の比較的サイズ

4.4. Rayleigh 分裂が揃った帯電液滴が生成される[16]。この微細な帯電液滴は、元の帯電液滴に比較して電荷密度が噴霧により生成されたミクロン程度の帯電液滴一桁増加している。さらに、溶媒の気化が促進さは、溶媒の蒸発に伴い、直径が減少し、液滴内のれれば、これらの微細な帯電液滴は再度 Rayleigh

同極性のイオン間に働く反発力が液滴の表面張の不安定条件を満たし、分裂する。このような

Rayleigh 分裂を繰り返すことにより、非常に微細分子のイオン生成には、電荷残留モデルが有効でで高い電荷密度を持つ帯電液滴が生成される。

あることを示した[19]。

非常に微細な帯電液滴からのイオンの生成は、以下で述べる電荷残留やイオン蒸発によると考4.6. イオン蒸発モデル

えられている。いづれの過程においても、極めて帯電液滴では、イオンは溶媒和により真空中より微細な帯電液滴の生成が、イオン生成に本質的にもエネルギー的に安定化されるが、同符号のイオ重要である。そのため、イオン化効率においては、

ンによるクーロン斥力も受け、その強度は溶媒分噴霧により最初に生成される帯電液滴のサイズ

子の気化により液滴の直径が小さくなるほど高が微細であり、電荷数が高いことが要求される。

くなる。その結果、帯電液滴の直径がある程度以下になると、イオンは溶媒和された状態で帯電液

4.5. 電荷残留モデル

滴におけるエネルギー障壁ΔG を越えて液滴から噴霧により生成された帯電液滴が気化すること

蒸 発 す る こ と が で き る 。 こ れ が 、 Iribarne とにより、これまで述べた Rayleigh 分裂を繰り返

Thomson が提案するイオン蒸発モデルである

し、最終的に一個のイオンを有する帯電液滴が生[17]。このモデルによると、イオン蒸発速度 K は成される。この液滴から中性分子が完全に蒸発す

次式で与えられる。

ることにより、気体状イオンが結果的に生成され得る。Dole は、希薄溶液を噴霧することにより生成される気体状イオンを観測し、この電荷残留モ

K=

kT
ΔG
exp( −
)
kT
h

（4-4）

デルを提案した[17]。
ここで、ｋとｈはそれぞれボルツマン定数、プランク定数であり、T は絶対温度である。

電荷残留

S S
S
S ＋
S
S S
イオン蒸発

x
表面電界～１V/nm

Fig. 11

微細帯電液滴からのイオン生成。イオ

S S
S
S ＋ S
S S

S S
S
S ＋ S
S S

ン蒸発過程と電荷残留過程の二通りの過程が寄
与する。

S S
S
S ＋ S
S S

δ

droplet
帯電液滴から気体状イオンが生成される過程
は、この電荷残留モデル[17]か、次に述べるイオ
ン蒸発モデル[18]により説明されると考えられてFig. 12いる。de la Mora は、分子量が 3,300 以上であるて溶媒分子（ｓ）に溶媒和されたイオン（+）は、イオン蒸発の模式図。帯電液滴におい液滴表面での電界強度が増加すると溶媒和された状態で液滴から放出（蒸発）される。

さて、Fig. 12 に示すように、帯電液滴表面から深さδにある溶媒和されたイオンが、液滴表面からされる溶媒和されたイオンは、大気中分子との衝突により速やかに脱溶媒される。

距離xだけ離れた場所へ移動するモデルを想定す

イオン蒸発モデルでは、溶媒和されたイオンにる。そうすると、溶媒和されたイオンの帯電液滴

対するΔGｓの値を知ることにより、実測されるイからの蒸発に要するギブス自由エネルギー変化

オンの強度を定量的に評価することが可能であΔGxは、近似的に以下のように表すことができる。

ると考えられる。しかし、溶媒和されたイオンの状態が充分に解明されておらず、ΔGｓを見積もる

⎧⎪
⎫⎪
Ne
e
ΔG x = ⎨−⎬⎪⎩ 2πε 0 (d + 2 x ) 16πε 0 x ⎪⎭2

ことは困難である。

2

⎧
⎫
Ne 2
− ⎨ΔGs +⎬2πε 0 (d − 2δ ) ⎭
⎩

（4-5）

4.7. 分子の表面活性とイオン化
生体関連物質には、液体の pH あるいは水素イオ
ン濃度に応じて電離度が異なるものがある。すな
わち、液体中でイオン状態をとるものと中性状態

ここで、dは液滴の直径、ΔGＳ は溶媒和されたイをとるものとが、pH に依存する比率で混在する

オンに対するギブス自由エネルギー変化（＜0）

ことがある。

である。上式右辺において、第一項は帯電液滴と生体関連物質の溶液から生成される帯電液滴

距離xだけ離れたイオンとの静電反発によるポテでは、液相で最初から液滴と同極性のイオン状態

ンシャルエネルギー、第二項は映像電荷に関するにあるものは、液滴表面近傍に分布する。一方、それである。さらに、第三項は帯電液滴中で溶媒中性状態のものは、表面活性（疎水性）が高いと和されたイオンのギブス自由エネルギー変化で

液滴表面近傍に多く分布するが、表面活性が低い

あり、第四項は帯電液滴中でのイオン間静電反発と液滴中心部に集中する。そして、帯電液滴におを表している。ΔGxの最大値がエネルギー障壁ΔG

いては、表面近傍の pH はバルク溶液の状態に比であり、δ はdよりも充分に小さいことを考慮する

較して現象として低減するうえ、溶媒の気化によと、以下のように記述できる。

っても pH は低減する。このことに従い、表面近傍に分布する表面活性の高い中性分子の一部は、

ΔG = −

4 N −1
− ΔGs
4πε 0
2d
e

2

（4-6）

イオン状態を取るようになる。したがって、液相で電離度が高く、表面活性の高い分子は、帯電液滴表面でイオン状態となるものの比率が高い。そ

上式より、帯電液滴の直径dが一定の値まで減少

して、帯電液滴の気化が充分に進行すれば、このすると、ΔG≦0 となり、イオン蒸発が実現するこような帯電液液表面近傍にあるイオンが、気体状とが示される。そこでは、dはN1/2に比例するため、イオンとして強く検出される結果となる。

電界強度は一定となる。

4.8. ソニックスプレーイオン化法（SSI）

実験的には、帯電液滴から溶媒分子の気化に伴って気体状イオンが生成される現象が観測され

ソ ニ ッ ク ス プ レ ー イ オ ン 化 法 （ Sonic Sprayている。そして、帯電液滴の移動度を測定するこ

Ionization: SSI）は、ESI とは異なり、広い範囲とにより、液滴表面の電界強度が 109 V/m程度との液体流量に対応できる噴霧イオン化法である。

なることが分かっている[20]。すなわち、気化がこのイオン化法では、高速のガス流を用いて試料進む帯電液滴では、溶媒分子の蒸発に伴って溶媒溶液を噴霧することにより気体状イオンが発生和されたイオンも蒸発し、液滴表面では電界強度するという現象を利用している。生成されるイオがほぼ一定に保たれる。なお、帯電液滴から放出

ン量はガスの流速に依存し、音速の場合に最大となる[21]。一方、ガス流速が低速の場合には、ガ

ス噴霧により液滴は生成されるが、イオンは生成

109 V/mに達すると、イオン蒸発により気体状イされない。

オンが放出されると考えられる。

ガス流
試料溶液

Fig. 13

ガス流
不均一性な
イオン濃度

SSI の概念図。試料溶液をキャピラリー

（内径 0.1mm、外径 0.2mm 程度）に導入し、その末端において同軸状に音速ガス流を流すことにより、気体状イオンが生成される。

ガス流
このイオン化法では、高速のガス噴霧により帯帯電液滴

電液滴が発生し、帯電液滴から ESI と同様に気体状イオンが生成されると考えられる。SSI の特徴
は、電圧を印加しなくても帯電液滴が生成される点である。帯電液滴の生成過程については、以下に述べる液滴中イオンの不均一分布により説明される場合と、統計的帯電[22]による場合があFig. 14

る。

る正負イオンの分布不均一性と高速ガス流によ

先ず、液滴中イオンの不均一分布に起因する帯サブミクロンサイズの液滴表面における微細帯電液滴の生成。

電液滴の生成について述べる。噴霧により最初に生成される液滴の直径は、ガス流速に依存し、音速の場合に最小となり 1μm以下となる。このサブ液滴中イオンの不均一性は、液体中の酸や塩濃ミクロンサイズの液滴には、正負イオンが平均的度が高くなると減少し、イオン生成効率は低減すに同数含まれ、電気的に中性（帯電しない）と考る結果となる。しかし、より高濃度の酸や塩基がえられる。しかし、大気と接する液滴表面には表含まれる液体を噴霧すると、イオンの生成効率は面電界が発生するため、液滴表面から 0.1μm程度増加する[24]。この現象は、統計的帯電モデルの深さまでは、（電気的二重層により）正負イオ[22]で説明される。すなわち、高速ガス噴霧によン濃度の分布が不均一となる[23]。Fig. 14 に示り最初に生成される液滴には、正負イオンが平均すように、このような不均一なイオン濃度を有す

的に同数含まれる。しかし、正負イオン濃度の分る液滴から、音速ガス流により、表面の液体が剥

布には統計的なゆらぎがあるため、正または負にぎ取られると、より微細な帯電液滴が生成され帯電する液滴が同数発生する結果となる。

る。このような微細な帯電液滴では、さらに正負

試料溶液に高電界を印加すると、キャピラリー

イオン濃度分布の不均一性は増大し、音速ガス流末端部で試料溶液中の正負イオンを分離するこ

により、より細かな帯電液滴が生成される。このとができる。そのため、噴霧により最初に生成さような帯電液滴の気化が促進されると、Rayleigh

れる液滴は一様に帯電し、高速ガス流と Rayleigh

分裂が起こり、帯電液滴表面における電界強度が分裂との双方による液滴微細化を実現することができる[25]。最初に生成される液滴はガス噴霧

圧が 0V の場合には、一価や二価イオンは生成さによるせん断力のみにより生成されるため、そのれるが、四価以上の多価イオンは殆ど生成されな液滴の直径は印加電圧に依存しない。Fig. 15 に、い。一方、1kV 程度の高電圧を印加すると、ESI

不揮発性液体の噴霧により最初に生成される帯と同様に多価イオンを効率よく生成することが

電液滴の直径と電荷数との関係を示す。印加電圧できる。このような多価イオンの生成は電荷残留を増加させると、直径は同一だが、移動度μが増によるためと説明される。

加し、帯電液滴の電荷数は増加する。しかし、電荷数が、Rayleigh の不安定条件（4-3）を超える

4.9. ガス噴霧支援 ESI イオン源

ことはない。

汎用やセミミクロ LC/MS のインターフェースでは、液体流量が 1 から 0.2mL/分程度に設定する必要がある。そのため、ESI では、このような条件で安定したテイラーコーンを形成し、イオン生成を行うことは困難である。しかしながら、ESI イ
オン源のキャピラリー外周に沿って窒素ガスなμ = 1.1 x 10-5
(m/V2s)

電荷数4.8 x 10-6
1.8 x 10-6

どの不活性ガスを流し、噴霧を支援することにより、イオン生成を実現させることができる。この
ガス噴霧支援 ESI と呼ばれるイオン化法では、液体からの帯電液滴の生成が、静電力のみならずガス流によるせん断力にもよる点が特徴的である[27]。帯電液滴からの気体状イオンの生成過程
は、ESI や SSI と同様である。代表的なガス噴霧
支援 ESI イオン源の構造を Fig. 16 に示す。

ガス

0.1

1.0

帯電液滴の直径 (μm)
細管（キャピラリー）
Fig. 15帯電液滴の直径と電荷数。直線はレイリーの不安定条件を示す[26]。イオン源の印加電

帯電液滴

圧を 0.5、1、1.5kV と増加させると、液滴直径は同一だが移動度μが増加し、電荷数も増加する。

大気

差動排気部

ＭＳ
SSI では、印加電圧に応じて、帯電液滴の電荷数を制御することが可能である。すなわち、噴霧キャピラリー末端に電界を加えることにより、液体中での正負イオンの分離ができ、噴霧により生Fig. 16

直交噴霧方式を採用したガス噴霧支援

成される液滴を帯電させることができる。印加電

ESI イオン源。

側にある差動排気部では、圧力が 1×102 Pa程度
ガス噴霧支援ESIでは、特に液体流量が高い場にロータリーポンプ（500L/分）等で排気される。

合に、気化が不十分な帯電液滴が多量に発生す

従って、イオン取り込み細孔の出口では、大気圧る。これらが真空装置内部に導入されると、電極で導入された溶媒分子やイオンは、断熱膨張によなどに付着して空間電荷効果を発生させ、イオンり急激な冷却を受け、超音速ガス噴流が形成され透過率低減などの原因となる。そのため、気体状る。この断熱膨張を伴う超音速ガス噴流は、マッイオンのみを優先的に質量分析計イオン取り込

ハディスクに達すると、急激に速度が低下するとみ細孔から差動排気部に導入することが望まし

ともに、周囲の残留ガスとの衝突により温度も上い。そこで、Fig. 16 に示すような直交噴霧方式

昇する。（Fig. 18 参照）しかし、超音速ガス噴流がしばしば用いられる。気体状イオンの移動度はにおいて、イオンは溶媒分子によるクラスター化

-5

5×10

2

m /Vs以上であるのに対し、帯電液滴の移-5され、分子量が巨大になることがある。このクラ

2

動度はせいぜい 3×10 m /Vsである[28]。この移スター化を抑制するために、イオン取り込み細孔

動度の差を利用して、移動度の低い帯電液滴をイを加熱し、差動排気部に導入されるガス（溶媒分

オン取り込み口より下流側にガス流で押し流す子やイオン）の温度を予め上昇させることが有効

ことにより、真空装置への導入を抑制することがである。
また、差動排気部と質量分析部との間は、第二できる。

の細孔で仕切られる。細孔間の距離は、超音速ガス噴流の長さ l よりも長く設定すると、冷却によ差動排気部 イオン取り込み細孔

ガス

りクラスター化したイオンの脱クラスター化に有利である。

l = 0.67 D

P0
P1

(4-7)

質量分析部
オクタポール
イオンガイドカウンター
ガス

ここで、Dはイオン取り込み細孔の内径であり、P1は差動排気部の圧力、P0は細孔出口での圧力であり、細孔の厚みがゼロの場合には 1.01×105 Pa

窒素ガス

Fig. 17RP

TMP（１気圧）となる。

ガス噴霧支援 ESI インターフェース。

P1

Po

Fig.17 に、典型的なガス支援ESIインターフェ

高圧側ース（断面図）を示す。この例では、帯電液滴が真空装置内に導入されることを抑制するために、

超音速噴流 マッハディスク

カウンターガスも用いられている。内径が 0.4mm
程度のイオン取り込み細孔は、150℃程度にヒー
ターで加熱される。電極表面における汚れの抑制
のみならず、イオンのクラスター化を抑制するためである。すなわち、イオン取り込み細孔の出口

Fig. 18

超音速噴流の模式図。

第二の細孔より下流側には、イオンを効率よく輸送するためにオクタポールやクワドロポール

離（Laser Desorption: LD）イオン化法であり、イオン化は真空中で行われることが多い。

などのイオンガイドが使用される。これらの多重

ところが、難揮発性で熱的に分解され易い有機

極ポールでは、ダンピングガスとしてヘリウムや物質を金属表面に塗布し、パルスレーザー光を照

-1

Pa程度

射すると、解析が困難な様々なフラグメントイオに保たれる。高周波電圧を多重極ポールへ印加すンが生成され、分子量関連イオンは生成されなることにより、イオンの拡散を抑制し、エネルギい。このような有機物質を解離させずにイオン化ーが低くて揃ったイオンビームを形成することするには、イオン化において、試料分子に過剰なができる。また、脱クラスター化にも有効である。

エネルギーが与えられることを防止する工夫がそのため、質量分析部に効率よくイオンを導入す必要である。そこで、試料の有機物質にグリセリることができる。さらに、高周波電圧や周波数をンなどの不揮発性物質を添加する手法が考案さ調整することにより、特定のm/z範囲にあるイオれた。このイオン化を支援するグリセリンなどのンを除去することも可能である。

添加物質をマトリックスと呼ぶ。

窒素ガスなどが導入され、圧力は 1×10

1987 年に、田中らは、マトリックスとしてグリ

5. 固体分子の脱離イオン化

セリンに金属（コバルト）の微粒子を混ぜたものを使用することにより、従来不可能と考えられて5.1. レーザー脱離イオン化法

いた分子量が 34,000 程度のタンパク質のプロトン化分子を生成することに成功した[30]。この結

レーザー光

分析部

サンプル

果は、より分子量の高い有機物質のイオン化に対する可能性を示唆し、本格的なマトリックス開発の契機となった。そして、マトリックスを使用するレーザー脱離イオン化法は、マトリックス支援
レーザー脱離イオン化法（Matrix Assisted Laser
Desorption Ionization: MALDI）と呼ばれるようになった[31]。

サンプルプレート

5.2. マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(MALDI)MALDI では、マトリックスに保持された試料に対し、数ナノ秒程度の時間幅を持つパルスレーザー

Fig. 19 レーザー脱離イオン化法の模式図。

光を照射することにより、パルス的にイオン生成を行う。照射されるレーザー光のエネルギーは、

金属表面にパルスレーザー光を照射すると、スパ

マトリックスに優先的に吸収されることが望まッター現象により、金属蒸気が発生するとともにしい。そのため、マトリックスには、レーザー光

イオンも発生する。この現象は、パルスレーザー

波長に対して高い吸収係数を有するものが使用

光の照射直後に、局所的に金属が溶解して金属蒸される。レーザーには、窒素レーザーや Nd:YAG

気を発生させるとともに、金属表面から電子が放レーザー（3 倍波）などの紫外線レーザーが使用出されることによる。その結果、電子イオン化にされることが多いが、Nd:YAG レーザー（基本波）

より金属イオン、及び、そのクラスターが生成さなどの赤外線レーザーも利用可能である。赤外レれる[29]。このようにレーザー光照射によるスパーザー光を使用すると、イオン生成効率が低い反ッター現象を利用するイオン化法がレーザー脱面、試料分子を直接電子励起する可能性が低減
し、フラグメントイオンの発生が抑制される。

このイオン化法では、レーザー光照射による固体照射する回数は、数 10 回程度に留められることの脱離過程とイオン生成過程が同時に進行する。

が多い。一方、サンプルプレート上の結晶化されそのため、イオン化過程については様々な議論がたマトリックスは必ずしも均一とは限らず、照射なされており[32]、以下では、現状の認識を簡潔

部位により生成されるイオン量は異なることがに整理したい。

ある。そのため、サンプルプレートには微動機構が備わっており、レーザー発振に同期して一定の5.3. 固体表面からの脱離過程

周期でマトリックス上の照射部位が移動する。

マトリックスは、電気伝導性のあるサンプルプレ
ートに塗布され、乾燥により結晶化される。そし5.4. 脱離におけるイオン化過程て、マトリックス表面には、レンズにより収束さ

マトリックスから生成されるイオンは、脱離の初れたパルスレーザー光が照射される。その結果、期段階に生成されるイオンと、プルーム中におけ固相マトリックスは局所的に急激な温度上昇をる気相イオン分子反応により遅れて生成される

受けるとともに相転移が起こり、マトリックスのイオンとに大別される。そして、最終的に検出さ大小クラスターがサンプルプレートから垂直方れるイオンは、主に後者である。

向に放出される。すなわち、プルームの形成であ

先ず、初期段階に生成されるイオンについて述る。マトリックスの添加量を試料に対して大過剰べる。試料溶液は、マトリックスに混合され、サに設定することにより、過剰なエネルギーはマト

ンプルプレートに塗布され、乾燥される。そして、リックスの気化に費やすことができ、試料分子の結晶化されたマトリックスの中では、ある程度、解離は抑制される。

試料分子や酸あるいは塩は溶液状態でのイオンサンプルプレート表面における典型的なレーザー光照射スポットは直径 100μm 程度であり、塗布されたマトリックスよりも充分にサイズが小化状態が保存されている。すなわち、結晶マトリックス中でも、正負イオンが存在する。
そして、レーザー光照射により、マトリックスのクラスターが瞬時に発生するが、統計的にクラさいことが望ましい。
レーザー光による脱離には、レーザー光強度のスターに含まれるイオンに依存して、クラスター

閾値が存在し、その閾値より強い強度のレーザー

は正または負に帯電する。そして、マトリックス

光を照射する必要がある。しかし、レーザー光強分子の蒸発により、クラスター中では正負イオン度を過度に高く設定すると、フラグメントイオンの再結合が起こるが、帯電クラスターからは最終が多量に生成され、プロトン化分子などの分子量的に正または負イオンが生成される。上記の他

関連イオンの生成が抑制される。そのため、レーに、光化学イオン化によってもマトリックス分子

ザー光強度は、イオン生成に必要な最低レベルにがイオン化されると考えられる。

設定されることが多い。このとき、照射されるレ2

これまで述べたように、マトリックスの役割

ーザー光強度は、数 10 から 100 J/m 程度である。

は、光の吸収・加熱による脱離だけでなく、試料

そして、照射されたレーザー光は、マトリックス

分子がイオン化し易い環境を提供することにもの吸収を受けながら、表面から 0.1μm程度の深さある。現在、様々な種類のマトリックスが市販さまで侵入する。

れており、試料の化学的性質に応じて、使い分け

レーザー光照射された後の固相マトリックス
表面には、マトリックスの脱離によるクレーターが形成される。そして、継続して何回もレーザー照射を行うと、クレーターの穴は更に深くなり、最終的には生成されるイオン量が低減する。そのため、サンプルプレート上の同一部位にレーザーられている。Table 1 に、代表的なマトリックス
を示す。

Table 1

代表的なマトリックス

レーザービームは、サンプルプレート表面においマトリックス

主な分析対象て直径 0.1mm程度のスポットにレンズにより収DHBA (2, 5-dihydroxybenzoic

合成高分子、低束される。MALDIにおける脱離は熱的な過程なacid)

分子有機化合ので、サンプルプレート面に対するレーザー光の物、糖類

照射角度は、イオン生成に殆ど依存しない。イオ

HABA

合成高分子、低ンは、サンプルプレート面に垂直な方向に向けて(2-(4-hydroxyphenylazo)

分子有機化合物生成される。

benzoic acid)
SA (Sinapinic acid)

タンパク質、ペ
プチド

CHCA

レンズ

ペプチド

ミラー

レーザー

(α-cyano-4-hydroxycinnamic
acid)

サンプル
プレート

デフレクター

一方、サンプルプレート表面で発生するプルー

TOF

ムは、一時的に高温高圧となり、そこでは多数回の衝突が発生する。そのため、気化した中性分子
やイオンは、プロトン移動反応や電荷交換反応な
どの気相イオン分子反応の影響を受ける。その結V1 V2果、初期段階で多価イオンが生成されても、プルーム中でのイオン分子反応により、そのイオンの電荷数は低減し、最終的に殆ど一価となる。ESI

Fig. 20では多価イオンとして検出される分子も、MALDI[33]。

MALDI におけるイオンビームの発生

では主に一価イオンとして検出される点は特徴的である。
さて、レーザー光照射直後に生成されるイオン
5.5. Delayed Extraction

は、同時に脱離されたマトリックスなどと（質量MALDI は、パルス的にイオン生成を行うため、に依存せず）同等の速度を有し、エネルギー的な高速分析が可能な飛行時間型質量分析計（Time of

広がりが無視できない。また、イオン生成はレー

Flight Mass Spectrometer: TOFMS）の利用が、ザー光照射直後のみならず、しばらく継続する。

高感度分析に有利である。TOFMS では、イオン

さらに、電界によりイオンを引き出す際に、マトにパルス的な電界を与えることにより加速し、イリックスなどとの衝突により、イオン加速に支障

オンに一定の運動エネルギーを与える。そして、を生じることがある。そのため、レーザー光照射

イオンの速度差を利用して、質量分離を行う。そ直後に生成されるイオンをTOFMSのイオン加速のため、TOFMS の加速領域に導入されるイオン部に導入しても、質量分解能や感度が充分に得らは、質量分解能や感度面から、エネルギー的にもれない。ところが、レーザー光照射後 1μs程経過

空間的にも収束されていることが望ましい。

すると、気相イオン分子反応も発生しなくなるう

典型的なMALDIイオン源をFig. 20 に示す。イ

え、冷却によりイオンのエネルギー広がりも低減

オン源はTOFMSのイオン加速部にあり、TOFMSする。そこで、レーザー光照射から 1μs程度遅延

分析部は 2×10-5 Pa程度の真空度に保持される。

させて加速部にイオンを導入し、イオンを加速させ る パ ル ス 電 界 を 印 加 す る 方 法 が Delayed

6. おわりに

Extractionである。Fig. 20 において、レーザー光

これまで、代表的なイオン化法、及び、イオンビ

照射時には、V1とV2は同電位（25kV程度）にしておき、所定の時間が経過するとV1の電位を矩形
的に 3kV程度増加させる。このことにより、イオンはV2の印加されたメッシュ電極を通り、接地されたメッシュ電極に向けて加速される。そして、

m/zに応じた速度を得たイオンは、電界のない飛行部に導入され、速度差により分離される。
参 考 文 献[1] F. W. Aston, Phil. Mag., 38 (1919) 611-626.

ームの発生について概要を述べた。実際には、記載できなかった様々なイオン化法が利用されており、新しい技術も開発されている。本稿では基本的な考え方に重点を置いたが、他のイオン化法
においても応用が可能と思われる。分子のイオンビームを発生させる際に、参考となれば幸いである。
[17] M. Dole, L. L. Mach, R. L. Hines, R. C. Mobley,
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