LC ICP MS の 試 料 導 入 系
液体クロマトグラフィー誘導結合プラズマ質量分析法（LC ICP MS）は，微量元素の化学形態別分析，あるいはハロゲン，リン，硫黄等の非金属を指標とした有機化合物分析への応用展開が盛んに行われている分析手法である。本稿では， LC ICP MS における重要な技術要素である，ICP MS への高効率微少試料導入の話題を中心に，セミミクロ，ミクロ及びナノ LC ICP MS について解説する。

稲1

垣和

三， 千葉

光一（ 4.6 mm × 250 mm ）を用いる場合が多く，汎用分離カは じ め にラムの最適移動相流量と， ICP MS の汎用試料導入系

誘導結合プラズマ質量分析法（ ICP MS ）は， 1980

（ネブライザー＋スプレーチャンバー）における試料導年の Houk らによる最初の報告1)以来，目覚しい進化を入流量がともに 1 mL min－1 前後であることから，配管遂げ，多くの公定法に組み込まれるなど，今日では様々デッドボリューム等の基礎知識さえあれば，LC におけな分野における微量元素の定量分析に欠かせない分析法

る分離を損なわない結合自体は容易であった。しかし，の 一 つ と な っ て い る2) 。 一 方 で ， 液 体 ク ロ マ ト グ ラ

プラズマを安定に維持する上で，移動相組成には大きなフィー（ LC）等を用いた分離分析における高感度元素制約をうけるため，その応用範囲は限られたものにな選択的検出法としての応用も盛んであり，いわゆる複合る。例えば，高濃度有機溶剤を含む移動相（溶剤による分析法として，金属，半金属元素の化学形態別分析（本が，たとえばメタノールの場合， 10～ 20％ 以上）は，

稿では，以下酸化状態別，化合物別，結合物質別等を総汎用 LC ICP MS の仕様では適用できない。これは，称して“化学形態別”を使用する），あるいはハロゲン，有機溶剤に対してプラズマの耐性が低いことに加え，有リン，硫黄，炭素等の非金属を指標とした有機化合物分

機溶剤のネブライザーにおける噴霧効率が水に比べて良析へと応用展開されている。中でも LC と ICP MS のく，かつスプレーチャンバー内における気化量が多いた複合分析法（LC ICP MS）は，特にここ 10 年来，そめ，プラズマへ相当量のキャリーオーバーが生じるための応用展開が急速に進んでいる複合分析手法の一つであである2)。また，汎用試料導入系を用いた場合の ICP へる3)～5) 。これは， LC ICP MS による微量元素の化学の試料導入率は 1～2％ と非常に悪く，絶対検出感度が形態別分析あるいは元素選択的検出による有機分析への問題となる微少量試料の分析への適用は困難である。

さ関心が高まっていることも 然ることながら，LC, ICP 

これらの技術課題を解決するため，種々の手法（プラはんMS 双方の技術要素の発達により， LC ICP MS が 汎ズマトーチインジェクターの内径変更あるいは酸素ガスよう用性の高い分析法として成熟してきているためである。

導入によるプラズマの耐性向上，脱溶媒，移動相組成の本稿では， LC ICP MS の汎用性拡大に大きく貢献し変更，分離系のダウンスケーリング等による ICP へのている技術要素である ICP MS の高効率微少試料導入

負荷の軽減等）が試みられているが，中でも最も効果的系の話題を中心に，セミミクロ，ミクロ及びナノ LC 

かつ実用的なのが，分離系のダウンスケール，すなわちICP MS について解説する。

セミミクロ及びミクロ LC ICP MS の適用である。

2

LC と ICP MS の結合に関する技術課題

3

分離カラムダウンスケーリングのメリット

LC と ICP MS の結合の要点は，「 LC によって分離LC における分離カラムのダウンスケールのメリットされた試料を，分離を損なわず，ICP を安定に維持したとしては，分離を維持した状態での，移動相（すなわち状態で，いかに効率よく ICP に導入し，長時間安定に試薬）消費及び必要試料量の大幅削減，カラム内拡散の質量分析部で測定するか」に集約される。LC ICP MS抑制による絶対検出感度の向上等が挙げられる6)7) 。

を用いた初期の応用研究では，汎用サイズの分離カラム

LC ICP MS に関しては，これらのメリットに加え，ダウンスケールに応じて以下のメリットが新たに生じSample Introduction Devices for LC ICPMS.

62

る。セミミクロ LC ICP MS の場合，濃度検出感度をぶんせき  かなり維持した状態で絶対検出感度が向上し，インジェ噴霧効率を高めるために内管肉厚が薄い構造となっていクター内径の小さいプラズマトーチを適用することで高る（parallel path burgener 型は除く）。

濃度有機溶剤の安定導入（ただし有機溶剤の濃度変化に微少試料導入ネブライザーを用いた場合，以下の理由よる信号強度変化まではキャンセルできない）が可能とによりプラズマへの試料導入効率が高くなる8)9) 。ネブなる。一方，更にスケールダウンしたミクロ及びナノライザーへの試料導入量が少なくなると，液接触時のネLC ICP MS の場合，濃度検出感度維持は難しいもの

ブライザーガスの相対的な運動エネルギーが大きくなるの，絶対検出感度は大幅に向上し，100％ 有機溶剤が安ため試料液の微細粒子への破砕が促進され，かつ噴霧量定導入可能となり，かつグラジエント法等による移動相が少ないため粒子間距離が長くなり，衝突粒子成長が抑中有機溶剤濃度変化による測定信号強度ドリフトもなく制される。結果として，噴霧による生成エアロゾル（プなる。ただし，上記メリットを現実のものとするには，ライマリーエアロゾル）のうち，10 nm 以下の粒径（一セミミクロ LC ICP MS ，ミクロ及びナノ LC ICP 般的なスプレーチャンバーのカットオフ粒径10) ）の分

MS とも， LC における分離を損なわない低デッドボ布率が大きくなり，プラズマへの輸送効率が大幅に向上

リュームでの配管及び接続と，同じく低デッドボリューする。また，エアロゾルの微粒化が進むことで，脱溶媒ム構造かつプラズマへの試料導入効率が高い微少試料導も効果的に進み，結果としてプラズマの耐性自体も向上

入系の適用が必要不可欠である。

する。

4セミミクロ LC ICP MS における微少試料導入系

微少試料導入ネブライザーの効果を示す具体例として，同一試料導入系｛ESI 製 PFA ST ＋ ダブルパススコット型スプレーチャンバー（容量 50 mL）｝を用い，セミミクロ LC ICP MS に用いる微少試料導入系

試 料 導 入 流 量 を 30 ～ 1200 nL min－1 ま で 変 化 さ せ たは，微少試料導入ネブライザー｛本稿では， 100 nL

際，得られる信号強度（140Ce＋ ）及び酸化物比（140Ce16

min－1 以下の送液（あるいは吸引）量で実用に供しうるO＋ /140 Ce＋ ）の変化を示す（図 1 ）。なお，測定に際しネブライザーを微少試料導入ネブライザーとして定義すてはセントラルガス流（メイクアップガス流 ＋ ネブラる。｝と容量 20～50 mL 程度の各種スプレーチャンバーイザーガス流）に加えるメイクアップガス流量以外の装によって構成される。以下，微少試料導入ネブライ

置諸条件（ICP の RF 出力，サンプリング深さ，ネブラザー，スプレーチャンバーの順に解説する。

イザーガス流量，イオンレンズ設定等）を固定し，試料は負圧吸引導入（試料導入流量は試料吸上げキャピラ

4･1

セミミクロ LC ICP MS における微少試料導リーの内径及び長さを変化させることで調整）し，各試入ネブライザー

料導入流量において，それぞれ最大感度が得られるようセミミクロ LC における最適移動相流量（ 50 ～ 200

メイクアップガス流量を最適化して得た測定値である。

nL min－1 ）に適した微少試料導入ネブライザーは，数

この図を見ても明らかなように，試料導入流量 200 nL多く開発・市販されており，各流量に最適なネブライ

min－1 付近で得られる 140Ce＋ の信号強度は， 1200 nLザーが選択可能である（表 1 ）。これら微少試料導入ネ

min－1 で得られる信号強度の 9 割以上を維持しており，ブライザーは，汎用ネブライザーに比べてネブライザー

更に試料導入流量 30 nL min－1 では，試料導入量が 1 /

内管径及び試料導入キャピラリー内径が細いため，セミミクロ LC に十分供しえる低デッドボリュームであり，

表1汎用ネブライザーとセミミクロ LC に対応可能な微少試料導入ネブライザーとの比較
内管径(nm)

適用流量(nL min－1)

Conical nebulizer
Cross flow nebulizer

400Parallel path nebulizer(MiraMist)
微少試料導入ネブライザー

425

500～1000
500～1000
500～1000

汎用ネブライザー

High efficiency nebulizer (HEN)
Microconcentric nebulizer(MCN100)
Micromist nebulizer
PFA microflow nebulizer
ぶんせき  

500

80～100100
140～200270

10～10010～10050～50020～400図1

微少試料導入系を用い，試料導入流量を 30 ～ 1200 mL

min－1 まで変化させた際に得られる信号強度（140Ce＋ ）及び酸化物比（140Ce16O＋/140Ce＋ ）の変化

63

40 に減っているにもかかわらず， 1200 nL min－1 で得度を－2°C にするという条件のほかに，プラズマ補助ガられる信号強度の約 6 割を維持している。これは，エスに酸素ガスを 10％ 混合している。アセトニトリルはアロゾルの微粒化によりプラズマへの試料導入効率が増構造内に酸素を含んでいないため，構造内に酸素を含むしているために生じる現象であり，実際，試料導入流量メタノール等と比較してプラズマへの負荷が大きく，実30 nL min－1 においてエアロゾルをプラズマトーチ内で際にプラズマを安定に保ち，かつ長時間の安定測定を実トラップして見積もった導入効率は約 24％ であり，汎現するためには，酸素ガスの混合が必要だったものの，用ネブライザーの 1～2％ に比べ，非常に高い導入効率各化合物を良好に分離でき，少なくとも 10 時間以上のが得られている。また，試料導入流量の減少に伴い，酸安定測定が可能であった。

化物比も減少，すなわちプラズマ内での酸化物の分解も促進していることから，微少試料導入化によってプラズ4･2マの耐性も向上していることがわかる。実際にこの試料

セ ミ ミ ク ロ LC ICP MS に お け る ス プ レ ーチャンバー

導入系を用いた場合，インジェクター内径 1.5 mm のプ

スプレーチャンバーに関しては，セミミクロ LC におラズマトーチを用い，スプレーチャンバーの外壁温度をける移動相流量範囲（ 50 ～ 200 nL min－1 ）であれば，－2°C にするという条件付ながら，試料導入流量 200

特に小容量化は不要であり，汎用のダブルパススコット

nL min－1 以下では 100％ メタノールの安定導入が可能型（容量 50 ～ 100 mL ）もしくはサイクロン型（容量であった。

50 mL）を用いても，分離の維持はあまり影響しない。

高濃度有機溶剤を含む移動相の導入例として，微少試

これは，試料送液速度に対して，噴霧後の線速度（すな

料 導 入 ネ ブ ラ イ ザ ー （ Glass Expansion 製 Micromist

わちセントラルガス流量）が十分に速いためである。しAR40 1 F01E，試料導入キャピラリー内径 0.13 mm×かし，試料導入流量を下げていくとプラズマへの導入効

長さ 100 mm ）を用いたセミミクロ LC ICP MS によ率には違いが生じる。実際に試料導入流量 50 nL min－1

る底質中ブチルスズ及びフェニルスズ化合物の化学形態付近になると，チャンバー内における壁面衝突ロスが大別分析の例を示す（図 2 )11) 。ブチルスズ及びフェニルきくなる。したがって，スプレーチャンバーの構造及びスズ化合物は，側鎖数の増加に従い疎水性が増すため，容積がプラズマへの試料導入効率に大きな影響を与える

逆相分離カラムを用い，高濃度有機溶剤を含む移動相にようになる。具体例として，ミニサイクロン型チャンよる分離が有効だが，汎用 LC ICP MS ではそのようバー（図 3 写真 1, Glass Expansion 製 Cinnabar cy-な分離条件を適用できなかったため， LC ICP MS にclone，内容積 20 mL）と，同内容積の小容量シングルよる分析が難しい典型例であった。図 2 の分析例で

パ ス 型 ス プ レ ー チ ャ ン バ ー （ 図 3 写真 2， 内 容 積 20は，分離カラムにセミミクロ ODS カラム（関東化学製mL ，試作品）を用い，導入流量 50 nL min－1 の 1 ％ 硝Mightysil, 2.0 mm × 150 mm, 3 nm ）を用い，アセトニ酸溶液に 10 ng L－1 銅標準液 1 nL をフローインジェクトリル 65％ を含む移動相（流量 200 nL min－1 ）で分離ションしたときの 65Cu＋ のプロファイル（ FI プロファを行い， ICP MS 側は，インジェクター内径 1.5 mmイル）の比較を示す（図 4 ）。両チャンバーを用いて得のプラズマトーチを用い，スプレーチャンバーの外壁温られた FI プロファイルは，半値幅には差がないが，小容量シングルパス型による FI プロファイルほうが 3 割近く高いプロファイルが得られている。これは，両チャンバーの構造の違いに起因していると推察される。すなわち，ミニサイクロン型では，噴霧直後にプライマリーエアロゾルが壁面衝突する構造になっており，微少量導図2

セミミクロ LC ICP MS による底質中ブチルスズ及びフェニルスズ化合物の測定クロマトグラム

64

図3

ミニサイクロン型チャンバー（写真 1）及び小容量シングルパス型スプレーチャンバー（写真 2）
ぶんせき  

ム（下）と，セミミクロカラム（ GE healthcare 製 Su-perdex 75PC, 3.2 mm × 300 mm ）を用い，試料導入量1 nL，移動相流量 50 nL min－1 の条件で得られたクロマトグラム（上）である。この図を見ても明らかなように，試料導入量が 1/10 になった場合でも，同等以上の濃度感度が得られている。また，汎用サイズカラムを用いた場合には検出できていなかったピークも検出することが可能であった。

5ミクロ及びナノ LC ICP MS

ミクロ及びナノ LC へのダウンスケーリングは，セミミクロ LC ICP MS と比較すると技術的に格段に難しくなる。LC に関しては，市販カラムのバリエーション及び配管・接続アクセサリーが年々充実してきており，カラム内径のスケールダウンにあわせて試料導入量を減
図 4 小容量シングルパス型及びミニサイクロン型チャンバー

らせば，理論上分離能は維持できるとされているが，現を用いた銅標準液フローインジェクションプロファイル

実には移動相流量が 30 nL min－1 以下になるとシステムの比較デッドボリュームの影響が非常に大きくなるため，配管及び接続に関する技術力が分離を大きく左右し，スケールダウン前の分離能を維持することは難しい。一方，

ICP MS に関しても流量 30 nL min－1 以下に対応する
試料導入系は非常に限られており，いまだ開発発展途上である。しかし，試料量が限られているために絶対感度の向上が必要な場合には非常に有効であり，メタローム
解析3) ，ゲノム・プロテオーム解析4) においてミクロ及びナノ LC ICP MS の利用が急激に増加している。また，プラズマの耐性が大きく向上するため，100％有機溶剤の安定導入が，特に工夫することなく可能となり，グラジエント法を用いて移動相組成を急激に変化させても信号強度変化が非常に小さい等のメリットも生じるた
め，ミクロ及びナノ LC へのダウンスケーリングによって LC ICP MS の適用可能範囲は更に拡大する。
図 5 汎用及びセミミクロ SEC ICP MS によるイネ抽出液
中 Cd の測定クロマトグラムの比較

5･1

ミクロ及びナノ LC ICP MS における微少試料導入系

入ネブライザーを用いた場合はプライマリーエアロゾル

ミクロ及びナノ LC ICP MS における適用移動相流の粒径がすでに小さいため，そこでの壁面衝突ロスが生量（～30 nL min－1 ）に対応した試料導入系は，一部製じるが，小容量シングルパス型は噴霧の進行方向に衝突品化されているものもあるが，そのほとんどが現在のと面がないため，衝突損失が少なく，結果としてプラズマ

こ ろ 研 究 開 発 段 階 で あ る 。 具 体 的 に は ， DIHENへの導入効率が高くなり，その分ピークプロファイルが（direct injection high efficiency nebulizer）のような直高くなるものと考えられる。

接試料導入型微少試料導入ネブライザーを用いる場

微少試料導入ネブライザー（ ESI 製 PFA ST ，試料合15) と，セミミクロ用より更に細いネブライザー内管

導入キャピラリー内径 0.13 mm×長さ 100 mm）及び小を有するネブライザーとダンパー的な役割を担う小容量容量シングルパス型スプレーチャンバーをセミミクロサチャンバー（ 4 mL ～ 10 mL ）による全量消費型試料導イズ排除クロマトグラフィー（SEC）ICP MS による入系（試料廃液が見かけ上発生しないことからこのようイネ抽出液中 Cd の化学形態別分析に応用した例を示すに称されている）を用いる場合12)～16)18)に分かれる。表（図 5）。汎用サイズカラム（GE healthcare 製 Superdex

2 にミクロ及びナノ LC に対応した微少試料導入ネブラ

75, 10 mm × 300 mm ）を用い，試料導入量 10 nL ，移イザーをまとめた。

動相流量 500 nL min－1 の条件で得られたクロマトグラ
ぶんせき  

直接試料導入型微少試料導入ネブライザーは，プラズ
65

表2ミクロ及びナノ LC に対応した微少試料導入ネブラ
イザー例
内管径(nm)

適用流量(nL min－1)

High efficiency nebulizer (HEN)
Parallel path nebulizer12)(AriMist)80～10010～1001～20

Modified CEI10013) (DS 514))

75

Demountable DIHEN15)
ナノ LC 対応

75

5～101～40nDS 20016)

250.05～0.45

ミクロ LC 対応

75

図6

マトーチインジェクターの代わりにプラズマ直下まで挿筆者らが開発した全量消費型微少試料導入系入して使用する。プラズマ直下で噴霧するためプラズマへの試料導入効率は理論上 100 ％ だが，生成エアロゾ
ル粒径の分布幅が大きいため信号強度の安定性に難があり，さらに中心軸あわせ等のセッティング及びプラズマを安定に点灯するには熟練を要することから，現時点ではあまり実用的ではない。また，一見デッドボリュームが小さいように感じるが，ネブライザー全長が長いため，内部キャピラリー内径によっては逆にデッドボリュームが大きくなる。そのため，現在は内部キャピラ
リー可変型（ demountable DIHEN )15) を適用する場合がほとんどであり，使用流量によってキャピラリー内径が適宜変更されている。
一方，全量消費型試料導入系は，直接試料導入型微少図7

ミクロ LC ICP MS によるヒ素化合物 8 種の測定クロマトグラム

試料導入ネブライザーに比べ，取り扱いが容易であることから適用例が非常に多くなっている。この系は見かけ上試料廃液が発生しないため，開発初期はプラズマへの成は柴田らの報告19) と同様である。本法では，汎用

試 料 導 入 効 率 が ほ ぼ 100 ％ と さ れ て い た が ， 小 容 量ODS を用いた HPLC ICP MS に比べ，分離能をほぼチャンバーへの壁面衝突を緩和するためのサポートガス維持した状態で絶対検出感度を 2 桁以上向上させていを加える等によって，信号強度及び安定性が改善されることから，微少量試料中ヒ素化合物の化学形態別分析る17)18) ことから，現在では導入効率は 100 ％ ではないへ応用可能である。

けたと考えられている。実際，筆者らが開発した全消費型微少試料導入系（図 6）においてチャンバー容積を 4～206

お わ り にmL まで変化させ， FI 測定を行ったところ，ピーク半

本稿では， ICP MS の高効率微少試料導入系の話題値幅はほとんど変化しないのに対して，得られる感度はを中心に，セミミクロ，ミクロ及びナノ LC ICP MS

最大 2 倍変化した。全量消費型試料導入系は，現在もについて解説した。セミミクロ LC ICP MS は，市販開発途上であり，今後，ネブライザーにおける噴霧効率

分離カラム，LC 配管アクセサリー，ICP MS 用微少試の改善及び衝突損失の少ない小容量チャンバーの設計開料対応試料導入系の充実により，ある程度の知識と経験発によって，さらなる高効率試料導入ができる可能性がを積めば（もっとも，ここが重要なのだが…），誰もがある。

利用できる汎用性の高い技術となっている。一方，ミク全量消費型微少試料導入系を用いたミクロ LC ICP ロ及びナノ LC に関しては，同様に市販分離カラム，MS の応用例として，筆者らが開発した試料導入系を用LC 配管アクセサリーは充実しつつあるものの，接続・いたヒ素化合物 8 種の分離分析例を示す（図 7 ）。分離配管が格段に難しくなり， ICP MS 側の試料導入系にカラムは，キャピラリー ODS カラム（資生堂製 CAP-関しても発展途上である。また，濃度検出感度は試料導CELL PAK MGII, 0.3 mm×150 mm, 3 nm）を用い，入流量 200 nL min－1 前後を境に減少していくため，試測定試料は各化合物の混合液（各濃度約 20 ng L－1 ），料量にゆとりがある場合には，セミミクロ LC までのダ試料導入量は 50 nL，移動相流量 3 nL min－1，移動相組ウンスケーリングにとどめるのが現在のところは賢明で66

ぶんせき  ある20) 。しかし，メタローム解析，ゲノム・プロテオーム解析におけるミクロ及びナノ LC の適用範囲は拡大しており，今後 LC, ICP MS 双方の要素技術開発の進展により，ミクロ及びナノ LC ICP MS の適用はさらに増加することが十分に予想される。
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Campa, J. R. Encinar, J. Bettmer : Anal. Bioanal. Chem.,

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千葉光一（Koichi CHIBA）
独立行政法人産業技術総合研究所計測標準研究部門（〒305 8563 茨城県つくば市梅

Yarita, K. Okamoto, K. Chiba : Anal. Bioanal. Chem., 387,2325 (2007).

園 1 1 1

つくば中央 3 9）。東京大学大学院理学系研究科博士課程修了。理学博

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士。≪現在の研究テーマ≫標準物質開発，高感度微量元素分析技術の開発。≪主な著
書と出版社名≫第 5 版

実験化学講座13) D. Pr äofrock1, P. Leonhard, W. Ruck, A. Prange : Anal.
Bioanal. Chem., 381, 194 (2005).

基礎編 III

14) D. Schauml äoffel, J. R. Encinar, R. Lobinski : Anal. Chem.,
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ラズマ質量分析法（ ICP MS ），丸善株式

マ発光分析法（ICP AES） と誘導結合プ
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