質量分析装置のためのイオン化法

総論
高質量分析装置におけるイオン源は，ブラックボックス化

山光男

データ処理部では「情報科学」といった具合である。まが進む分析機器において，ユーザー自身が条件設定を工夫た，構造解析に利用されるイオンのフラグメンテーショでき，かつ独自のアイデアを凝らすことができる数少ないンは「有機反応論」や「計算化学」で扱われる。このよ部分の一つです。本入門講座は，大学，企業等の分析現場
はん よう

うに質量分析は，装置自体が各種専門分野の複合からでにおいて 汎 用 性の高い各種質量分析法におけるイオン化法に焦点を当て，イオン化原理等の基礎知識とともに，イきていることから，単なる分析科学の枠組みでは捉え難オン化にかかわる条件設定が実際の分析にどのような影響いところがある。図 1 のイオン源に相当するイオン化を与えるかについて，具体例をもとに解説していきます。

法も，その種類が多いだけでなく原理も多様である。そ〔「ぶんせき」編集委員会〕の専門は気体状イオン（ gaseous ion ）を扱う「複合科学」であり，以下に述べるように，化学現象（イオン化1は じ め に反応）と物理現象（気化）を同時に扱う必要がある。
イオン化法の専門が「複合科学」になる理由は，イオ質量分析のイオン化法をやさしく理解するにはどうしン源に使われているイオン化デバイスの種類とその選択たらよいか。イオン化法をその部品や手法（イオン化デの自由度から理解することができる。表 1 にはいくつとらバイス）から捉えると，難しそうに見えていたイオン化

かのイオン化法とそこに使われているデバイスをまとめ法がやさしく見えてくる。質量分析が対象とする試料のる。高電界，イオン分子反応，噴霧，マトリックスは，性質と測定目的が極めて多様であることから，特殊な研試料分子を比較的穏和に気化させたりイオン化反応を起究用まで含めるとイオン化法の種類は数十種類にも及こさせたりするデバイスである。また，加熱，粒子衝び，その適切な選択には頭を悩ますことが多い。しか撃，エネルギー照射は，分子を破壊する傾向をもつことし，イオン化法を“気化”と“イオン化反応”の二つのが想像できる。これらのデバイスは，結晶状態や溶液中要素で考えると驚くほどわかり易くなる。実際，最近登にある試料分子をその化学構造を壊さずに気体中に取り場してきた次世代型の大気圧イオン化法は，この二つの出し（気化），さらに電荷を付与（イオン化反応）して要素を明確に使って組み上げられている。ここでは，質質量 m と電荷数 z をもった気体状イオンを作り出すた

量分析の各イオン化法の機構には触れずに，一般的な特めに使われる。表 1 から，試料のイオン化のためにい徴が“気化”と“イオン化反応”にあることを具体例をかに様々なデバイスが組み合わされているかがわかる。

挙げて示す。また，簡単なイオン化デバイスを用いた大重要なことは，イオン化法がレーザーなどの先端技術だ

気圧イオン源の製作法を紹介する。

けでなく，マトリックス材や噴霧気化のような身近な材

2イオン化法は「複合科学」料を組み合わせてできていることである。現在では，デ質量分析装置は，一般には［試料導入装置］・［イオン源］・［質量分離部］
・［検出器］・［データ処理部］の順に構成されている（図 1 ）。各部分に相当する専門は，試料導入装置ではクロマトグラフを扱う「分離科学」，質量分離部では「イオン光学」，検出器では「電子工学」，
Elementary Guide to Ionization Methods for Mass Spectrometry―Introduction to Ionization Methods for Mass Spectrometry.

2

図1

質量分析装置の構成（複合的な技術から構成される全体装置）
ぶんせき  

表1

各種イオン化法とそこに使われているイオン化デバ
イス

ソフトデバイス
ハードデバイスイオンエネルギー 粒子
イオン
マトリ化法 高電界噴霧加熱
照射
衝撃
分子反応ックス

ESI

◯

◯FAB

◯
◯

APPI

●
●

◯

●

EI
FD

質量分析の共通原理，すなわち“m/z をもつ気体状イ“試料を壊さずに気体状イオンにすること”も変わらないはずである。このことを実際のイオン化の技術面から●●●◯

い：“気化”と“イオン化反応”に分けるだけとすれば，イオン化法に求められる共通原理，すなわち●◯◯

CI

イオン化法のコンセプトは意外にやさしオンを真空中で飛行分離すること”が今後も変わらない◯

MALDIAPCI

4●●

ソフトデバイスは穏和に試料分子を気化させイオン化し，ハードデバイスは分子を分解させる傾向がある．
ESI (electrospray ionization), MALDI (matrix assisted
laser desorption/ionization), FAB (fast atom bombardment), APCI (atmospheric pressure chemical ionization),
APPI (atmospheric pressure photo ionization), CI (chemical ionization), EI (electron ionization), FD (field ionization)

見ると，質量分析のイオン化法は，一般に結晶や溶液などの凝縮相にある試料分子（molecule, M）を壊さずに気体状分子にする“気化”のデバイスと，気体状分子にプラスまたはマイナスの電荷を付与する“イオン化反応”のデバイスからできていることがわかる。このことは，次のような簡単な形で表すことができる1)2)。

Ji ＝ I × Jv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 )各記号の意味はさておいて，この式は次のように表現することができる：“与えられた試料分子がイオンになりバイス選択の自由度は極めて高く新しいイオン化法の開やすい性質を持っていたとしても（ I が大きい），まっ発はアイデアしだいである。

たく気化しない性質ならば（ Jv がゼロ），気体状イオン3

イオン化法の種類が多いのはなぜかは作られず（ Ji がゼロ），質量分析することはできない”。逆の場合も言うことができる：“試料分子が簡単に

現在の質量分析の共通原理は，m/z（質量電荷比；イ気体になっても，イオンにならなければ気体状イオンはオンの質量 m を電荷数 z で割った値）をもった気体状できない”。各記号の意味は次のようである：Ji（ ions/

イオンを真空中で運動させ，m/z 値に応じて分離するこcm2 sec ）は分子イオン収量でイオン源でのトータルイとである。しかし，“試料分子を壊さずに気体状イオンオン生成量， I （ ions / molecules ）は試料分子のイオンにする”ことはやさしいことではない。例えば， DNA化効率，Jv（molecules/cm2 sec）は凝縮相から気化するやタンパク質を気体にして浮遊させ，そのうえプラスや試料分子の気化流束。分子イオン収量は検出器まで到達

マイナスの電荷を付与することを考えてみれば，その難するイオン量に直接関連し，実際にはマススペクトルにしさが想像できる。質量分析の対象となる試料は，単純観測される分子イオン M＋. やプロトン化分子［ M ＋な原子や気体分子，水やアルコールなどの溶媒分子，アH ]＋ のピーク強度で評価される。イオン化効率は分子ミノ酸や塩基や脂質などの生体小分子，合成有機分子やイオンの生成効率やプロトン化効率などを表し，イオン各種天然物，タンパク質・核酸・糖鎖といった生体高分化エネルギーやプロトン親和力，気相酸性度などの熱化子，化学材料の合成高分子などときわめて幅広い。その学量と関連する。気化流束は溶液や結晶から試料分子が質量範囲も 1 ～ 100 万 Da と広範であり，それに応じて気化あるいは脱離する傾向を表し，溶液では疎水性度な性質も中性，塩基性，酸性，親水性，疎水性，イオンどと関連するが特定の物性と関連づけることが困難な量性，芳香族性などと多様である。そのほかに揮発性や難である。いずれにしても，現在報告されているイオン化揮発性，光や熱に対する不安定性等々，考え得るあらゆ法のほとんどは式( 1 )で表現することができる。まる性質が付随する。すなわち，およそ原子や分子と名のた，これまでの系統的な研究の結果1)2) ，質量分析の微付くものは，どのような性質をもっていてもすべて質量量解析能と関係するトータルなイオン生成量（ Ji ）を決分析の対象になると言っても過言ではない。このような定づけているのは，イオン化反応（I ）ではなく，むし試料の性質の多様性のために，現在でも，効率的に気体ろ結晶や溶液からの試料分子の気化し易さ（ Jv ）である状イオンを作り出すための工夫がなされている。イオンことがわかっている。

化法の種類が多く原理も多様でその選択が難しいのは，

以下には電子イオン化（EI），エレクトロスプレーイ

分析対象である試料の性質が多様なためであると同時オン化（ESI），高速原子衝撃（FAB），マトリックス支に，新規の性質をもった材料が次々と生まれてくるため

援レーザー脱離イオン化（MALDI）を具体例として，でもある。

式( 1 )で共通に表現できることを示したい。

ぶんせき  3

図 2 電子イオン化法における気体状イオンの生成

図3

エレクトロスプレーイオン化法における気体状イオンの生成

4･ 1

電子イオン化法の場合

電子イオン化（ EI ）法は式( 1 )で直接理解できる好ノ基をはじめとする塩基性官能基（プロトン受容部位）例である。 EI は，最初に結晶試料をガラス試料管などの存在によって高められ，負イオンでは酸性官能基（プに入れ真空中のイオン源に導入し，加熱操作によって試ロトン放出部位）の存在によって高められる1)。ESI で料を気体分子にする。ガスクロマトグラフ（GC）と結は，電荷分離の後に，同電荷のイオンを高濃度に含む溶合した場合には，GC オーブンによって加熱気化させた液部分が大気中で噴霧気化し気体状イオンを生成する。

気体状分子をカラムによってイオン源まで導入する。ここの過程は式( 1 )の気化流束 Jv に相当し，この量に影の気化過程は式( 1 )の気化流束 Jv に相当し，単純には響するのは水溶液中からその表面への移動しやすさを表

この量が大きいほど高い分子イオン収量が得られる。次す表面活性または疎水性度であることがわかっている1)。

いで，気体状分子は通常 70 eV の熱電子流の中へ導入

ESI 法における気体状イオンの生成過程も， EI 法と同され，電子衝撃によって正の分子イオン M＋. になる様にその順序を示すことが容易である（図 3）。

か，または運動エネルギーの小さい二次電子 e－ の付加によって負の分子イオン M－. になる。すなわち，

M ＋ e－ →M＋. ＋ 2e－ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .( 2 )M ＋ e－ →M－ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 )4･3脱離イオン化法も“気化”と“イオン化反応”に分けられる

上に述べた EI と ESI は原理的にはまったく共通性のないイオン化法であるが，質量分析におけるイオン化法

このとき，正の分子イオン生成に関係する熱化学量はイの技術面から見ると，“気化”と“イオン化反応”の二オン化エネルギー（有機分子では 10 eV 程度）であり，つの要素から成る共通性を持っている。興味深いことに，イオン化効率（ 50～ 100 eV で最大）も重要である。負EI と ESI と は さ ら に 原 理 の 異 な る FAB と MALDIの分子イオン生成については，ニトロ基やハロゲンなども，同様の考え方で整理することができる。 FAB と電子親和力の高い官能基の存在がイオン化効率を決め

MALDI は脱離イオン化法と呼ばれ，それぞれ溶液中おる。これらの熱化学量は，式( 1 )のイオン化効率 I と直よび結晶中にある試料分子が凝縮相表面からイオン化し接関連する。このように EI 法では，与えられた試料かながら気相中へ脱離する現象を利用している（図 4 ）。

ら気体状イオンの生成までの経路（気化→イオン化反応）

この場合，イオン化と気化は同時（ナノ秒以下の現象にが明確である（図 2）。

こだわらなければほぼ正しい）に起こるが，分子イオン収量と試料の性質との関係を調べてみると，現象的には

4･ 2

エレクトロスプレーイオン化法の場合プロトン授受反応に関連する酸性・塩基性と凝縮相からエレクトロスプレーイオン化（ESI）における最初のの脱離（気化）しやすさに関連する物性（疎水性や紫外過程は，～ 5 kV 程度の高電界によって溶液中で正イオ光吸収能）に分けて考えることができる1)2)。すなわち，ンと負イオンの多い部分に分ける操作である。この段階

脱離イオン化法においても，最終的なイオンになりやすは電荷分離と呼ばれ，式( 1 )のイオン化効率 I に相当す

さは，試料分子の“イオン化反応”の進みやすさと凝縮る。これに関連する試料の熱化学量は，プロトンの授受相からの“気化”しやすさの二つの要素に支配されていと関連するプロトン親和力，塩基性度，酸性度である。

る。前者は典型的な化学現象であり，後者は典型的な物

実際，ESI におけるイオン生成量は，正イオンではアミ理現象であり，質量分析のイオン化法が“複合科学”で4ぶんせき  

あるものを分析する，という意味である。これは，従来の真空中でのイオン化法とはまったく異なっている。例
えば，大気圧下で紫外光を照射する大気圧光イオン化（APPI)3)，大気圧 MALDI（AP MALDI)4)，ESI プロー
ブを応用した脱離 ESI（ DESI)5)， ESI プローブとレーザー脱離を組み合わせた ESI 支援レーザー脱離イオン化（ELDI)6)，コロナ放電と窒素気流を利用した大気圧
固体分析プローブ（ ASAP )7) ，ペニングイオン化と窒素気流を利用したリアルタイム直接分析（DART)8)9)などである。これらのイオン化法の多くに共通する点は，試料を“気化”させる過程と気化した分子を“イオン化反応”によってイオンにする過程を明確に区別している点である。また，大きな特徴として，既存のデバイスを
図4

脱離イオン化法における気体状イオンの生成使った大気圧下での操作であるため，質量分析の専門家でなくても容易に応用や改良の余地があることが挙げられる。このことを反映して，質量分析の最先端研究が発表され， 1 万人規模の参加者がある米国質量分析会議（2008 年はデンバーで開催された）では，工夫をこらした様々な名称の大気圧イオン化法が登場している。
ここで，身近なイオン化デバイスを使っただれでも作れる大気圧イオン化法を紹介する。なお，以下に紹介する大気圧コロナ放電イオン源を実際に製作したい読者
は，実験操作上の安全を確保するため，質量分析装置メーカーの安全指針に従い，事故等があった場合の責任の所在を明確にしてから実行されたい。 APCI, ASAP,

図 5 質量分析イオン化法の設計とデバイス考案に役立つイオン化の一般的な図式

APPeI10) などの大気圧イオン化法における反応イオンを作るためのデバイスとしてコロナ放電がある。材料として 5 cm 程度の縫い針を 1 本用意するだけなので，最も身近で安価なイオン化デバイスである。読者がこれで取り扱われる理由がここでもよく理解できる。

大気圧イオン源を製作するには，ESI や APCI のイオン以上に述べたように，EI，ESI，FAB，MALDI のよ源を取り外し，試料イオンが吸い込まれるオリフィス孔

うに原理のまったく異なるイオン化法も，技術的には意（数百 nm 直径の小孔で外から簡単に見える）の近くに外に簡単な二つの要素，“気化”と“イオン化反応”の組み合わせでできている。これをまとめてみると，現在の質量分析イオン化法のほとんどは，“気化”，“イオン化反応”，“脱離”を生じさせるイオン化デバイスの組み合わせから成り，簡単なスキームで表すことができる（図 5）。最後に，これまで複雑で難しそうにみえた質量分析イオン化法を，ひとまとめにやすしく理解するための式( 1 )と図 5 のコンセプトをそのまま利用した最近の大気圧イオン化法を紹介する。

5

だれでも作れる大気圧イオン源

ESI と MALDI の出現により，だれでもタンパク質や核酸のマススペクトルを得られるようになった。これで究極のイオン化法が完成したように見えたが， 2000
年以降，新しい考え方の大気圧イオン化法が次々と発表

図6

メチルアルコール，エチルアルコール，フェノールの負されている。新しい考え方とは，目の前にある野菜や果

イオン大気圧コロナ放電イオン化マススペクトル（各負物，紙幣や衣服といった身近な周辺環境（ambient）にイオンは水和物イオンとして観測される）

ぶんせき  5図7二重収束質量分析計に針を設置した大気圧コロナ放電イオン化法で生成した水クラスターの(a)正イオンと(b)負イオンマススペクトル針を設置するだけでよい。針にプラスまたはマイナスの電圧を印加すると先端が太陽コロナのように光る。この段階で大気中の空気成分（主として窒素，酸素，水分子）がイオン化され，数段階の反応を経て生成したイオンがオリフィス孔に吸い込まれ質量分析計で検出される11) 。オリフィスやイオンの透過部分の温度を室温にしておくと，生成した正イオン X＋ や負イオン Y－ の周りに水分子が凝集してできた水和物イオン X＋ ( H2O )nや Y－ ( H2O )n が観測される。アルコールやフェノール

図 8 大気圧コロナ放電イオン化法におけるイオン生成などの揮発性物質は，この方法で簡単に検出することができる（図 6 ）。典型的な水クラスターイオンは，正インの機構は難解なテーマの双璧をなすが，イオン化法にオン H3O＋ ( H2O )n および負イオン HO－ ( H2O )n ともに

ついては，試料分子をイオン化できさえすれば問題解決

m/z 2000 以上まで等間隔のピークが観測され（図 7），であることが多い。ノーベル化学賞の受賞対象になるほ機器の汚染もないのでキャリブレーションに最適であどの技術であるが，実用性に重きを置かれるために，ほる12)。

とんどのイオン化法の機構は解明されずにいる。本稿で大気圧コロナ放電イオン化法は，放電用の針（縫い針は，複雑で難しいと敬遠される質量分析イオン化法を，でも可能）を用意するだけなので現存するイオン化法の“気化”と“イオン化反応”の二つの要素によって共通中では最も単純である。従って，イオン化の図式もきわに理解できることを示した。これによって，利用者がイめて簡単であり（図 8 ），式( 1 )でもイオン化効率 I だ

オン化法に興味をもち，どのイオン化法でもよいから機けを考慮すればよい。しかし，大気成分や揮発性物質の構を解明してみたいと考えてもらえれば幸いである。

イオン化機構を探ろうとすると，とたんに難しくなるのは他のイオン化法と同じである。

6ま と め

質量分析において，イオン化法とフラグメンテーショ
6

文献1) T. Nishikaze, M. Takayama : Int. J. Mass Spectrom., 268,47 (2007).
2) T. Nishikaze, M. Takayama : Rapid Commun. Mass Spectrom., 20, 376 (2006).
ぶんせき  3) D. B. Robb, T. R. Covey, A. P. Bruins : Anal. Chem., 72,3653 (2000).
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5) Z. Takats, J. M. Wiseman, B. Gologan, R. G. Cooks :Science, 306, 471 (2004).

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11) K. Sekimoto, M. Takayama : Int. J. Mass Spectrom., 261, 38(2007).

12) 関本奏子，高山光男：日本分析化学会第 55 年会講演要旨
集，p. 8 (2006).
高山光男（Mitsuo TAKAYAMA）

6) J. Shiea, M. Z. Huang, H. J. Hsu, C. Y. Lee, C. H. Juan,

横浜市立大学大学院国際総合科学研究科

I. Beach, J. Sunner : Rapid Commun. Mass Spectrom., 19,3701 (2005).

（〒 236 0027 横浜市金沢区瀬戸 22 2 ）。
工学院大学工学部工業化学科化学工学コー

7) C. N. McEwen, R. G. McKay, B. S. Larsen : Anal. Chem.,
77, 7826 (2005).

ス卒。≪現在の研究テーマ≫質量分析のイオン化機構，大気イオン化学，基礎プロテ

8) R. B. Cody, J. A. Laramee, H. D. Durst : Anal. Chem., 77,2297 (2005).

オミクス。≪主な著書≫“材料学シリーズ
タンパク質入門”（単著）（内田老鶴圃）。

9) 草井明彦：ぶんせき，2007, 124.
10) K. Hiraoka, S. Fujimaki, S. Kambara, H. Furuya, S.

≪趣味≫散歩登山，スキー，写真。E 
mail : takayama＠yokohama cu.ac.jp

Okazaki : Rapid Commun. Mass Spectrom., 18, 2323

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