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質量分析の基礎:試料導入法とイオン化法、エレクトロスプレーイオン化(ESI)

試料導入法とイオン化法について、

 

前回の電子イオン化に次いで、今回はエレクトロスプレーイオン化について書いてみます。

 

以前から、アメブロで様々なイオン化法について解説していますが、エレクトロスプレーについて解説する前に、質量分析に関する記事は会社ホームページのブログに移行したので、エレクトロスプレーについてはまだ書いていませんでした。

 

ここで、エレクトロスプレーのイオン化についても解説しておきたいと思います。

 

 

エレクトロスプレーイオン化は、英語ではelectrospray ionizationとしい、通常ESIと略します。

 

ESIは、”電気伝導性の液体に高電界を作用させると高度に帯電した液滴が生成する”現象であり、タンパク質などの生体高分子化合物の質量分析のためにESIを開発したとして、Fenn博士が2002年にノーベル化学賞を受賞したことは、我々質量分析関係者にとっては記憶に新しいところです。

 

ESIにおけるイオン生成のイメージは以下のようになります。

ESI_液滴生成

 

電解質を溶解した水に陽極と陰極を挿入して電圧を印加すると、電気分解が起こり陽イオンは陰極に、陰イオンは陽極に引き寄せられますが、ESIにおけるイオン生成はこれに似ています。

上の図では、キャピラリーが陽極、対向電極が陰極に相当します。分析種などの試料成分が移動相溶媒(メタノールなど)からプロトンを受け取って+イオン(正イオン)になると、陰極である対向電極に向かおうとしますが、キャピラリーと対向電極の間には大気圧の壁があります。高度に帯電した微細な液滴になることで、試料成分のイオンは大気圧中を対向電極に向かって飛行することができるようになります。

 

ESIは、大気圧下で液体の流れから連続的にイオンを生成させる方法であり、試料は液体が基本となります。主に、単離精製された試料を溶液状態にして低流量でESI-MSに導入するインフュージョン法と、液体クロマトグラフを介して試料を導入する方法の2種類の試料導入法が用いられます。

 

ESIは非常に夾雑成分の影響を受けやすく、単離精製した分析種を溶液としてインフュージョン法でマススペクトルを測定する際、僅かに塩のような夾雑成分が混入すると、分析種がイオン化され難くなるという問題が起こります。

 

液体クロマトグラフを介しての試料導入では、試料成分はLCカラムで分離された後ESI-MSに導入されるので、試料中に夾雑成分が含まれていても、それらがLCカラム内で分析種と分離されれば影響は受けません。現在ESIは、LC/MSに最も用いられているイオン化法です。

 

 

最近では、液体試料の他に、組織切片などの固体表面から直接イオンを観測する方法にESIが用いられるようになりました。desorption electrospray (DESI)という方法です。DESIについては、追って解説します。

 

 

ESIの開発によって、LC/MSが現在のように汎用的になったことは間違いありませんが、生成するイオン種の解釈など、一筋縄ではいかないのも、このESIの特徴です。

 

 

 

 

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質量分析のことを¨マス¨って言っても良い?

¨質量分析¨は

英語では¨mass spectrometry¨

と言い、

¨MS¨

と略して書きます。

 

MSをそのまま読むと¨エムエス¨ですが、

マススペクトロメトリーの最初が¨マス¨であり、

呼びやすさもあって、

 

長いこと、質量分析のことを

¨マス¨

と呼んでいました。

 

しかし、

¨マス¨は¨mass¨

すなわち¨質量¨の意味であり、

 

質量分析のことを¨マス¨と言うのは無理がある(正しくない)と言うことで、

 

核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance, NMR)のことを

¨エヌエムアール¨

とそのまま読むように、

 

質量分析も¨エムエス¨と読みましょう。

と言うことになりました。

 

でも、エムエスって発音し難いんですよね(>_<)

 

とくに、GCやLCが前について

GC/MS(GC-MS)とかLC/MS(LC-MS)になると、

ジーシーエムエス、エルシーエムエス

などと言う発音になり、

会話の中ではかなり言い難くなります。

 

質量分析学会の関連行事でも、多くの人が¨マス¨って言っています。私も特に問題ないと思います。

 

一部学会関係のお偉い先生(液クロ懇のN先生とか)は、妙に拘っていて、液クロ懇の発表でMSをマスって言うとダメ出しされるので、

 

ケースバイケースで使い分けるのが良いのだと思います。なかなか難しいですけどね。

 

 

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質量分析の基本:イオン源のクリーニング

昨日は、高分解能GC-MSを使う研究サポートの仕事。

 

EIイオン源の分解・クリーニングをしました。

 

 

DSC_1313

イオン源がMS装置に装着されている写真

 

DSC_1312

分解したEIイオン源

 

 

いやぁ~、何年ぶりだったでしょう!

 

随分長いことLC/MSに関係する仕事をしていたので、LC-MSのESIやAPCIのイオン源はよくクリーニングしていますが。

 

LC-MSのイオン源は、ESIにしろAPCIにしろ、EIイオン源ほど複雑ではないから、クリーニングが楽なのです。

 

 

このお客様のところでは、食品に残留する微量成分を分析しており、かなり頻繁にイオン源のクリーニングを行っています。

 

イオン源が汚れると、検出感度が低下したりノイズが増えたりして、微量成分の分析に支障をきたすからです。

 

 

LC-MSとGC-MSで、イオン源の汚染による感度低下への影響は違いますし、クリーニングの手間も装置によって異なります。

 

しかし、頻度や手間の差こそあれ、MS装置を使う上で(今の装置では)イオン源のクリーニングは必須です。

 

 

多かれ少なかれイオン源クリーニングは手間なので、沢山のユーザーの中にはやりたくないと思っている人も結構な割合で居ると思います。

 

お金が潤沢にあれば、その都度メーカーのエンジニアを呼べますが、殆どはユーザーが自ら行います。

 

 

装置を売るメーカー側もそれは分かっていて、不誠実な営業マンは、¨うちのMS装置はイオン源クリーニングが不要¨などと言うそうです。

 

イオン源クリーニングが不要なMS装置は、現在のところ存在しないので、お仕事でMS装置を使っている人は、必要に応じてイオン源クリーニング(やその他メンテナンス)をしましょう❗

 

 

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野辺山100 kmと奥武蔵78 km、走っている時の意識の違い

5月22 日、ここ数年毎年参加している野辺山100 kmウルトラマラソンに参加してきました。一昨年・昨年と続けて完走しているので、3年連続3回目の完走を目標に走りました❗

残念ながら、今回は完走できませんでした。
その時の記事はこちら

 

その2週間後、奥武蔵78 kmウルトラマラソンに初めて参加しました。

野辺山で完走できなかったので不安は有りましたが、

”初めてだし楽しみながら行けるところまで行こう”

と思って走り、制限時間には少し余裕をもってゴールできました。

その時の完走記

 

野辺山を走っている時の心理分析は上の記事で書いています。

そういう面は確かにあったと思いますが、

奥武蔵を走り切って野辺山を走っている時の意識と比べると明らかな違いがありました。

 

それは

 

”奥武蔵は楽しかった”

”今年の野辺山はそれ程楽しめなかった”

 

です。

 

上記のように、野辺山は今までに2回完走していて、

「今回の目標はとにかく完走」

でした。

 

そう! 楽しく走ることが二の次になっていたのです。

 

 

奥武蔵では、

 

エイドのボランティアの人達とのふれ合い

景色の美しさ

走ること自体

 

を満喫できました。

ゴール前の高揚する感じ、ウルトラマラソンならではでした。

 

 

それが野辺山では…

 

”完走すること”だけに集中してしまい、

 

走ることを楽しめませんでした。

 

 

昨年・一昨年の野辺山のように

今年の奥武蔵のように

 

楽しく行けるところまで行こう!

 

と思って走れば、野辺山も完走できたんじゃないかなぁって思います。

 

 

仕事としてウルトラマラソンやっている訳じゃなし、

 

あれこれ考えずにただ楽しく走れば良いって、

 

奥武蔵を走った後に思いました。

 

 

来年は気持ちを新たに、また野辺山100 kmに挑戦します。

 

 

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磁場型GC-MSでの定量分析

私の専門はLC/MSですが、

 

都内にある研究機関の依頼で、磁場型の高分解能GC-MSを用いた定量分析のサポートを、年内の期間限定でやらせて頂くことになりました。

 

磁場型の高分解能GC-MSと言えば

 

そう

 

前職である日本電子の製品です❗

 

 

いやぁ~、久しぶりに使いましたが、やっぱり磁場型の装置はピーク形状が綺麗ですね~o(^o^)o

 

イオン化はEIです。通常、EIはイオン化エネルギー70 eVで使用しますが、今回の分析では、フラグメンテーションを抑えるために低めに設定します。

 

高分解能SIM(SIMはselected ion monitoringの略)と言う方法で測定し、専用のソフトで定量解析します。

分解能は10%谷定義で10000なので、その他の装置の半値幅定義での20000に相当します。

 

高い質量分解能で測定することで、分析種イオンと近いm/z値の夾雑イオンを分離するのが狙いです。しかし、いくら高分解能条件で測定しても、分析種イオンと夾雑イオンを完全には分離できない場合が殆どです。

 

また、低めのイオン化エネルギーを用いてもフラグメントイオンが生成してしまい、そのm/z値が低分子量の分析種イオンのm/z値に完全に一致してしまうこともあります。

 

自動でのピーク検出は殆どの場合でうまくいかないため、全ての試料、全ての成分ピークを目視で確認しながら、手動でピーク検出を行います。

 

 

得意な仕事とは言い難いですが、質量分析のプロとしては、頼まれた仕事はきっちりやりますよ(^-^)

 

 

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電子イオン化(EI)はある意味汎用的なイオン化

前回の投稿で、

 

¨電子イオン化(EI)はある意味汎用的なイオン化である¨

 

と書きました。

 

ある意味とはどういうことか?

 

 

EIでは、通常70 eVのエネルギーを気化させた試料分子に照射してイオンをつくります。

 

有機化合物の多くは、10 eV前後のイオン化ポテンシャル(イオン化させるのに必要なエネルギー)をもっています。

 

イオン化ポテンシャルより大過剰なエネルギーの電子線を照射することになります。

 

電子線を照射された分子は内部エネルギーが上がって励起状態となり、(マイナスの電荷をもつ)電子を1つ失って、プラスのイオンになります。

 

1度の測定でイオン源に導入される試料分子の数は、10の8乗~12乗個ほどです。70 eVという一律エネルギーの電子線を照射しても、分子によって受け取るエネルギーの大きさは異なります。ある分子は、イオン化するのに丁度よいエネルギーを受け取って励起状態になり、電子を1つ失って安定した正イオンになります。これは分子の構造を保っており、分子イオンと呼ばれます。分子イオンのm/z値に電子の質量を足した値が、元の分子の質量になります。

 

一方、イオン化ポテンシャルに対して大過剰のエネルギーを受け取って励起状態になった分子は、電子を1つ失っただけでは内部エネルギーが小さい安定な状態にならず、余剰のエネルギーが分子イオン内の様々な結合を振動させることに使われ、結合エネルギーの弱い結合が開裂して断片化したイオンが生成します。この断片化イオンをフラグメントイオンと呼びます。

 

どの程度の割合の分子が分子イオンになるのかフラグメントイオンになるのか?

それは化合物の性質に大きく依存します。

分子内に非常に弱い結合をもつ化合物では、分子イオンが全く観測されず、フラグメントイオンのみが観測される場合もあります。

 

また、気化させるための加熱のプロセスにおいて、熱分解を起こして断片化してしまう化合物もあります。高分子化合物などは、その典型的な例です。

 

例えば、高分子化合物を直接導入プローブによって加熱してEIでマススペクトルを測定しようとすると、元の高分子化合物がそのまま気化することはなく、熱分解して断片化した化学種が気体状態になってEIでイオン化されます。イオン化の際にも、熱分解によって断片化した構造を保ったままプラスイオンになるとは限らず、イオン化の段階でさらに断片化したイオンになることもあります。

 

 

このように、分子内に弱い結合をもつ化合物や、加熱によってそのままの構造を保ったまま気化しない化合物については、元々の分子の質量情報を得ることはできません。

 

 

質量分析本来の目的(化合物の質量情報を得る)は叶いませんが、試料を加熱して何等かの気体が発生すれば、EIでは何等かのイオンは観測される。観たいイオンが見られるとは限りませんが、どんな試料でも無理やり加熱してEIでイオン化すれば、何らかのイオンは必ず観測されます。それが意味あるイオンかどうかは別として。

 

 

このように、

 

”どんな試料でも測定すれば何等かのイオンは観測される”

 

この意味において、

 

¨電子イオン化(EI)はある意味汎用的なイオン化である¨

 

と言える訳です。

 

 

次回は、EIとは対照的なイオン化について解説します。

 

 

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