J. Mass Spectrom. Soc. Jpn.エミッタ内の電気化学反応を防ぐ両極性エレクトロスプレーエミッタの開発
Extended abstractVol. 71, No. 4, 2023

エミッタ内の電気化学反応を防ぐ
両極性エレクトロスプレーエミッタの開発
小森亮輝 *・鈴木理久・韓忠保・チェンリーチュイン

山梨大学

In conventional ESI, electrochemical reactions occur at the interface between the emitter electrode and the solution. This
study deals with bipolar electrospray ionization, in which positive and negative ions are generated simultaneously, with theaim of preventing electrochemical reactions in the emitter. The voltage-current and flow rate-current relationships of bipolarelectrospray were found to be similar to the standard electrospray. The application of bipolar ESI to the mass spectrometry ofmelittin without electrochemical oxidation is demonstrated.
Key words: Bipolar electrospray ionization, Electrochemical reaction, Porous material（Received August 30, 2023; Accepted October 2, 2023）

コーンが大きいため再現性が低く，安定したスプレーを得

1. は じ め にエレクトロスプレーイオン化法（ESI）は，質量分析にることが困難であった．そこで本研究では，より再現性が高く安定した両極性エレクトロスプレー（Bipolar ESI）を利用されているイオン化法の中で極めてソフトな手法であ開発し，特性評価を行った．その結果，両極性エレクトロり，試料分子を分解することなく気相イオンに変換するこスプレーを用いた場合，従来の方式と比べて酸化スペクトとが可能である．この手法では，ESI エミッタに高電圧をルの増加を防ぐことが確認できたので報告する．一部の結印加することで試料を含有する溶液の帯電液滴ジェットと噴霧を起こす．帯電液滴の脱溶媒により試料分子の気相イオンが生成され，エミッタ電圧の正負に応じて正イオンもしくは負イオンが生成される．また，ガラスなどの絶縁性エミッタを用いる場合は電極をキャピラリーに挿入することで液体との電気的接触を得る．連続かつ安定なエレクト
ロスプレーを達成すると液体と電極界面に電気化学反応が起きるため，Kebarle らは「ESI は特別な種類の電気化学反応場である」1）と述べた．従来の手法では，高電圧が印加

果は JASMS に報告された 10）．

2. 実 験 方 法
2.1 両極性エレクトロスプレーエミッタの作製
今回作製した両極性エレクトロスプレーエミッタには，シリンジポンプを用いて試料を送液するオンライン型（図 3a）と，あらかじめ試料溶液をエミッ（Online Bipolar）タ内に充填するオフライン型（Offline Bipolar）（図 3b）のされたエミッタ，もしくは電極と溶液の界面で電気化学反応が起こり，溶液に過剰電荷が供給されるため，試料が酸化もしくは還元されることが考えられる．その結果，測定試料に由来しない異なるマススペクトルが観察される恐れがある．電気化学反応の影響として，ESI で長時間スプレーを発生させた際に溶液の pH が変化すること 2）や，エミッタが劣化すること 3）が報告されている．

電気化学反応を防ぐ手法はいくつか考案されており，透析膜（半透過性メンブレン）を使用して電気化学反応生成物が試料溶液に流入することを防ぐ手法 4）や，電気化学反応物を溶液から取り除く手法 5）, 6）が報告されている．もう一．
つは Martinez-Sanchez が提案した両極性 ESI7）である（図 1）
正と負の電極をエミッタの対面にそれぞれ設置することでエミッタ内での電気化学反応を防ぐことが予測されるが実際の性能評価はまだ報告されていない．一つのマイクロ液滴から正負イオンを同時に生成する電場誘導イオン化法

Field-induced droplet ionization（FIDI）も存在する 8）, 9）．われわれの研究室で行った簡易 FIDI 予備実験の結果を図 2 に示す．上部のガラスチューブから試料を電極間に滴下し，双方向にスプレーを発生させる手法であるが，テイラー* 山梨大学医工農学総合教育部

図 1. Martinez-Sanchez が提案した両極性 ESI（文献 7 より作成）．

工学専攻 電気電子工学コース，G22TE011@yamanashi.ac.jp
Copyright © 2023 The Mass Spectrometry Society of Japan
― 1 ―

小森亮輝

図 2.

ほかFIDI（Field-induced droplet ionization）方式を用いた
Bipolar ESI．上部のガラスチューブから試料が滴下される．
（a）成功例．テイラーコーンが左右対称に形成された．
（b）左右非対称の場合．

2 種類がある．オンライン型ではプラスチックシリンジと精密シリンジポンプを使用し，一定の流量で試料溶液を供給した．ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）製の絶縁T ユニオンを用いて液体を双方向に分離し，エミッタには内径 0.1 mm の PEEK キャピラリーを用いた．電極をエミッタの延長線上にそれぞれ配置し，対向電極間に高電圧を印加することで双方向から噴霧を発生させた．オフライン型
では，最大容量 10 μL のマイクロピペットチップを最大容量 200 μL のマイクロピペットチップに 2 つ接合させた．エミッタはマイクロピペットチップに PEEK キャピラリーを挿入して作製した．オンライン型ではシリンジポンプを用いて流量を制御していたのに対し，オフライン型では電極間に印加される電圧によって流量が制御された．表面張力の高い溶液の場合，大気圧下での噴霧は困難なため，密閉チャンバーを用いて超大気圧下（〜4 bar ゲージ圧）で動作させた．マススペクトルの測定は卓上型オービトラップ質量分析計（Thermo Fisher Scientific, Bremen, Germany）を用いて行った．
2.2 電圧制御とスプレー電流の測定
対向電極間の電位差を変化させることで両極性エレクトロスプレーのスプレー電流と電圧の関係性について評価を行った．高電圧（H.V.）はプログラマブル直流電源（E3620AAgilent）を介して PC で制御し，スプレー電流はグラウンド側の電極に接続された 1 MΩ の抵抗によって測定した．
測定値はマルチメータ（8846A FLUKE）と PC を使って記録した．また，オフライン型ではエミッタを電子天秤（XS205
Mettler Toledo）に乗せ，スプレーを発生させながら溶液の重量を 0.14 秒間隔で計測することで流量を測定した．

図 3.

本研究で作製した両極性エレクトロスプレーエミッタ．
（a）シリンジポンプを使う Online Bipolar．
（b）シリンジポンプを使わない Offline Bipolar．

3. 結果と考察
3.1 スプレー電流と電圧の関係
図 4 に各イオン源を用いた場合の，スプレー電流と電圧の関係を示す．従来の ESI（図 4a）では流量を 5 μL に設定し，PEEK キャピラリーと同程度の内径のステンレスキャピラリーを用いた．電圧はまず 1.7 kV から 3.6 kV まで増加させ，同様の速度で 1.7 kV まで再び減少させた．電圧が低い― 2 ―エミッタ内の電気化学反応を防ぐ両極性エレクトロスプレーエミッタの開発

図 4.

スプレー電流と電圧の関係．試料は 75％エタノール水溶液中に溶かした酢酸（0.1％）を使用した．
（a）ステンレスキャピラリーを用いた従来の ESI．
（b）Online Bipolar．（c）Offline Bipolar．（a）と（b）のエミッタからの流量は 5 μL/min であった．

場合，スプレーの形状が安定しない Pulsation モードとなるが，電圧が上昇するにつれスプレーが安定する Cone-jet

図 5.

モードとなり，さらに電圧を上げることでジェットが複数本発生する Multi-jet モードへの変化が見られた．図 4b はOnline Bipolar の結果である．T-union に供給する総流量は10 μL に設定し，各エミッタの流量が均等になるように調整をした．Online Bipolar でも従来の ESI と同様の電流‒電圧（I‒V）特性が見られたが，Cone-jet モードと Pulsationモードの間に準安定状態が存在することが確認された．このとき，エミッタでは Cone-jet モードと Pulsation モードを行き来するような挙動が見られた．準安定状態が生じる
理由として，各エミッタにかかる電場が異なることや，Cone-jet モードになるための電圧の閾値が異なることが考えられる．図 4c に Offline Bipolar の結果を示す．従来の ESIや Online Bipolar とは異なる I‒V 特性が見られた．Cone-jetモードでもスプレー電流が上昇し続けたが，これは流量が電圧に応じて変化したためだと考えられる．
3.2 スプレー電流と流量の関係
従来の ESI ではスプレー電流が安定した Cone-jet モード

スプレー電流と流量の関係性．
（a）75％エタノール水溶液中に溶かしたギ酸（0.1％）（K＝3.36 mS/m, γ＝24.4 mN/m, 𝜖r＝38.7）．
（b）50％エタノール水溶液中に溶かした酢酸（0.1％）（K＝3.32 mS/m, γ＝29.6 mN/m, 𝜖r＝53.4）．

において，スプレー電流 I と流量 Q の間で以下の式 11）が成り立つことが分かっている．
1/2

 γ KQ 
I ＝ f ( єr ) 
 єr （1）ここでγは表面張力，K は導電率，𝜖r は比誘電率，（𝜖f r）は𝜖r に依存する係数である．両極性エレクトロスプレーにおいても式（1）が成り立つかを検証するために，表面張力と誘電率が異なる 2 種類の試料を用いて計測した結果を図 5に示す．図 5a は 75％エタノール水溶液中に溶かしたギ酸（0.1％）を用いた場合，図 5b が 50％エタノール水溶液中に溶かした酢酸（0.1％）を用いた場合であり，丸がステンレスキャピラリーを用いた従来の ESI，菱形が Online

― 3 ―

小森亮輝

図 6.

ほか

100 mM 酢酸アンモニウム水溶液に溶かしたメリチン（10 µM）のマススペクトル．測定は Cone-jet モードで行った．
（a）白金電極を用いた高圧下での Offline ESI．（b）20 分後の白金電極を用いた高圧下での Offline ESI．
（c）高圧下での Offline Bipolar ESI．（d）20 分後の高圧下での Offline Bipolar ESI．
* は酸化していないイオン，nO は酸化種を示している．
電圧は（a）（, b）は 3.5 kV，（c）（, d）は 9 kV であった．

Bipolar，四角が Offline Bipolar をそれぞれ示している．なお，表面張力と比誘電率は文献値 12）, 13）から引用した．どちらのグラフにおいても，I と γ KQ /єr の間には線形性が見られたため，両極性エレクトロスプレーは式（1）を満たすことがわかった．
3.3 マススペクトルの測定
ペプチドの一種であるメリチンには，トリプトファンやロイシンといった酸化されやすいアミノ酸を含んでおり，電気化学反応による酸化に敏感であることが報告されている 14）．そこで，100 mM 酢酸アンモニウム水溶液に溶かしたメリチン（10 μM）で ESI を行い，電気化学反応による酸化の有無を観察した．測定はコロナ放電を防ぐために約5 気圧の高圧下で行った．図 6a, 6b は従来の方式での ESIの測定結果である．マイクロピペットチップに試料を充填し，白金電極ワイヤーを挿入することでスプレーを発生させた．スプレー開始時と 20 分後のマススペクトルを比較すると，酸化ピークが増加していることが確認できた．これは，電気化学反応により溶液と電極の界面で発生した酸化物がスプレーされた結果だと考えられる．図 6c, 6d は同じ試料を Offline Bipolar で測定した結果である．スプレー開始直後と 20 分後を比較しても酸化ピークの増加は見られず，一定の強度が保たれた．したがって，両極性エレクトロスプレーはエミッタ内の電気化学反応を防ぐことが確認できた．
3.4 多孔質材料を用いた両極性エレクトロスプレー
本研究室の目標のひとつとして，ハイスループットスクリーニングに向けた，従来の送液キャピラリーを用いた手

図 7.

化学実験用ろ紙（上）と絹糸（下）を用いた両極性エレクトロスプレーの様子．

法よりも安価で簡易，コンパクトなエレクトロスプレーの開発がある．そこで注目したのが紙などの多孔質材料であり，毛細管現象を利用することで送液ポンプを用いる必要― 4 ―エミッタ内の電気化学反応を防ぐ両極性エレクトロスプレーエミッタの開発

8, 40‒47（2015）.
6） C. Lübbert and W. Peukert, J. Mass Spectrom., 54（4）, 301‒310（2018）.
7） J. Fernandez de la Mora, G. J. Van Berkel, C. G. Enke, R. B.
Cole, M. Martinez-Sanchez, and J. B. Fenn, J. Mass Spectrom.,35（8）, 939‒952（2000）.
8） R. L. Grimm and J. L. Beauchamp, J. Phys. Chem. B., 107（51）,14161‒14163（2003）.
9） R. L. Grimm and J. L. Beauchamp, J. Phys. Chem. B., 109（16）,8244‒8250（2005）.
10） Z. Han, R. Komori, R. Suzuki, N. Omata, T. Matsuda, S. Hishida, T. Takiguchi, and L. C. Chen, J. Am. Soc. Mass Spectrom.,34（4）, 728‒736（2023）.
11） J. Fernández De La Mora and I. G. Loscertales, J. Fluid Mech.,
260, 155‒184（1994）.
12） J. Wyman, J. Am. Chem. Soc., 53（9）, 3292‒3301（1931）.
13） G. Vazquez, E. Alvarez, and J. M. Navaza, C. J. Chem. Eng.
Data., 40（3）, 611‒614（1995）.
14） J. Pei, X. Zhou, X. Wang, and G. Huang, Anal. Chem., 87（5）,2727‒2733（2015）.
15） J. Liu, H. Wang, N. E. Manicke, J. Lin, R. G. Cooks, and Z.
Ouyang, Anal. Chem., 82（6）, 2463‒2471（2010）.

がなくなる．また先行研究として，紙をエレクトロスプレーエミッタとした Paper Spray Ionization がある．溶液

15）を浸した紙に高電圧を印加することでイオンを発生させる手法であり，試料の導入が非常に容易である．両極性エレクトロスプレーにおいてもイオン化が可能なのではないかと考え，実験を行った．図 7 は化学実験用ろ紙と絹糸による両極性エレクトロスプレーの写真である．それぞれ 50％エタノール水溶液を含ませ，両端に電極を設置することでスプレーを発生させた．両端の長さはどちらも 1 cm 程度であり，上部を挟んで固定した．他にも紙やすりやコットンでも同様の実験を行ったが，いずれもスプレーが可能であった．電気的特性の詳細は今後の検討課題である．
文

献1） A. T. Blades, M. G. Ikonomou, and P. Kebarle, Anal. Chem., 63（19）, 2109‒2114（1991）.
2） G. J. Van Berkel, K. G. Asano, and P. D. Schnier, J. Am. Soc.
Mass Spectrom., 12（7）, 853‒862（2001）.
3） C. Maolin, D. C. Kelsey, Anal. Chem., 79（5）, 2031‒2036（2007）.
4） J. C. Severs, A. C. Harms, and R. D. Smith, Rapid Commun.
Mass Spectrom., 10（10）, 1175‒1178（1996）.
5） K. Kim, P. D. Compton, T. K. Toby, P. M. Thomas, J. T. Wilkins,
R. K. Mutharasan, and N. L. Kelleher, EuPA Open Proteomics.,

Commentary: Extended Abstract
Development of Bipolar Electrospray Ionization Sources
without Electrochemical Reactions in the Emitter
Ryoki Komori, Riku Suzuki, Zhongbao Han, Lee Chuin Chen
University of Yamanashi― 5 ―